The Ecology of Cyanobacteria: Their Diversity in Time and Space

THE ECOLOGY OF CYANOBACTERIA: THEIR DIVERSITY IN TIME AND SPACE......Page 1
Springerlink......Page 0
Half-title......Page 2
Title Page......Page 3
Copyright Page......Page 4
List of Authors......Page 6
Contents......Page 10
Preface......Page 18
Colour Plates......Page 20
II. Ecological Diversity in the Past and Present......Page 67
III. Morphological Diversity......Page 69
IV. Taxonomy......Page 70
V. Molecular Ecology......Page 73
VIII. Cyanobacteria as Health Food......Page 74
X. The Future......Page 75
References......Page 76
Summary......Page 79
B. The Universal Tree of Life......Page 80
D. Timing Evolution by the Amino Acid "Clock"......Page 81
B. Are Fossil "Cyanobacteria," Cyanobacteria?......Page 83
A. Evidence from the –3.5Ga-old Apex Chert......Page 90
IV. Paleobiology: Fossils, Geology, and Geochemistry......Page 91
A. Geologic Evidence of Cyanobacterial Photosynthesis......Page 93
B. Geochemical Evidence of Early-Evolving Lineages......Page 95
2. Sulfur Isotopic Evidence of Sulfate-Reducing Bacteria......Page 96
V. Paleobiology: Final Arbiter of Competing Theories......Page 98
References......Page 99
Summary......Page 103
A. Geographic Distribution......Page 104
B. Distribution Determined by Chemistry......Page 105
1. Hunter's Hot Spring, Oregon......Page 107
III. Distribution of Cyanobacteria Based on Molecular Analysis......Page 109
B. Genetic Diversity Among 16S rRNA-Defined Cyanobacterial Populations......Page 110
1. Temperature Distribution......Page 111
2. Vertical Distribution......Page 112
3. Temporal Distribution......Page 114
D. Lipid Biomarker Studies......Page 115
A. Photosynthesis......Page 116
B. Effect of Ultraviolet Radiation on Photosynthesis......Page 118
C. Partitioning of Photosynthate in Synechococcus Cells......Page 119
1. Filamentous, Motile Cyanobacteria in Oregon Hot Springs......Page 120
2. Phormidium in Vertical Structures......Page 121
References......Page 122
Lucas J. Stal......Page 127
I. Introduction......Page 128
A. What Are Microbial Mats and Stromatolites? Some Definitions......Page 129
B. Microbial Mats and Stromatolites: the Geological Evidence (see also Chapter 2)......Page 130
C. Stratification and Structure of Microbial Mats and Stromatolites......Page 132
3. Hot Spring Mats of Cyanobacteria......Page 135
III. The Organisms: Cyanobacteria that Build Microbial Mats......Page 137
IV. Motility, Chemo- and Phototaxis of Cyanobacteria in Microbial Mats......Page 141
B. Oxygenic Photosynthesis......Page 144
C. Anoxygenic Photosynthesis......Page 147
D. CO2 Fixation......Page 149
E. Photorespiration and Glycolate Excretion......Page 150
F. Organic Compatible Solutes......Page 151
G. Fermentation......Page 152
H. Extracellular Polymeric Substances (EPS)......Page 154
VI. Calcification in Mats and Stromatolites......Page 156
B. The Nitrogen Cycle in Microbial Mats......Page 161
D. Nitrogen-Fixing Cyanobacteria in Microbial Mats......Page 162
E. Daily Variation of Nitrogen Fixation in Microbial Mats......Page 164
G. Effects of Anoxia and Sulfide on Nitrogen Fixation in Microbial Mats......Page 166
H. Oxygen Protection of Nitrogenase in Microbial Mats......Page 168
I. Heterocystous versus Non-Heterocystous Cyanobacteria in Microbial Mats......Page 170
VIII. Cyanobacteria and the Sulfur Cycle in Microbial Mats......Page 171
IX. Interactions of Cyanobacteria with Iron......Page 174
X. Phosphorus in Microbial Mats......Page 176
XI. Conclusions......Page 177
References......Page 178
Summary......Page 187
I. Introduction......Page 188
A. Filamentous Forms......Page 189
B. Picoplankton and Nanoplankton......Page 192
III. Planktonic Cyanobacterial Habitats: Physical, Chemical and Biotic Considerations......Page 194
A. Salinity and Genetic Constraints......Page 195
B. Nutritional Constraints......Page 197
C. The Oxygen Problem......Page 199
D. Biotic Interactions......Page 205
E. The Roles of Buoyancy and Turbulence......Page 206
IV. Synthesis: The Ecosystem Perspective......Page 208
References......Page 210
Roderick L. Oliver and George G. Ganf......Page 215
II. Bloom-Forming Cyanobacteria......Page 216
III. Distribution......Page 217
B. Pressures Acting on Gas Vesicles......Page 220
D. Buoyancy Regulation......Page 222
V. Mixing Regimes and Cyanobacteria......Page 225
B. Turbulence Intensity and the Mixed Layer Depth......Page 226
C. Sinking Organisms......Page 228
D. Entrainment and Vertical Distributions......Page 229
E. Surface Accumulations and Turbulence......Page 230
F. Surface Blooms......Page 231
H. Major Habitats Structured by Turbulent Mixing......Page 232
A. Collapsing Gas Vesicles in Lakes......Page 233
B. Artificial Mixing and Cyanobacterial Growth......Page 234
VII. Cell Size, Growth Rate and Temperature......Page 235
VIII. Light Capture......Page 236
A. Light Intensity......Page 238
IX. Nutrients......Page 240
X. Phosphorus......Page 241
XI. Nitrogen......Page 242
A. Nitrogen Fixation......Page 243
A. Whole Lake Phosphorus Enrichment......Page 244
B. Biomass Response to P-Removal......Page 245
C. Four-Stage Response to P-Removal......Page 246
D. Responses of Cyanobacteria to P-Removal......Page 247
F. Lake and Laboratory Studies on the Influence of TN:TP Ratios......Page 248
G. Cyanobacteria, Water Column Stability, and TN:TP Ratios......Page 249
XIII. Inorganic Carbon......Page 250
XIV. Grazing......Page 251
XV. Concluding Remarks......Page 252
References......Page 255
Summary......Page 261
I. Introduction......Page 262
II. Sampling, Preservation and Enumeration......Page 263
A. Pcy Seasonal Distribution......Page 264
B. Pcy Vertical Distribution......Page 271
C. CPcy Distribution......Page 272
D. Pcy Colony Formation......Page 273
E. Growth......Page 274
F. Pcy Contributions to Carbon Production and Biomass......Page 277
1. Light......Page 280
2. UV-B......Page 283
3. pH......Page 284
4. Nutrients......Page 285
5. Grazing......Page 287
H. Microbial Food Webs......Page 289
V. Conclusions......Page 290
References......Page 291
Summary......Page 299
1. Light......Page 300
2. Water and Desiccation......Page 302
5. Herbicides and Pesticides......Page 303
C. Nitrogen Fixation......Page 304
D. Influence on Soil Properties and Roots......Page 306
1. Development of Subaerial Communities......Page 307
3. Crust Communities in Semiarid Regions......Page 308
4. Heavy Metal and Other Contamination......Page 309
IV. Rice-fields......Page 310
A. Measurement of Abundance......Page 313
B. Nitrogen Fixation......Page 314
References......Page 315
Summary......Page 323
II. Physical and Chemical Features......Page 324
1. Overview......Page 325
2. Tintenstriche......Page 326
3. Caves......Page 327
B. Freshwater......Page 328
C. Marine......Page 329
IV. The Organisms......Page 330
A. Free-Living Species......Page 331
B. Cyanolichens......Page 332
A. Processes......Page 333
C. Meteogene Travertines......Page 335
VI. Colonization, Succession and Weathering in Terrestrial and Freshwater Environments......Page 338
A. Seasonal......Page 340
VIII. Concluding Comments......Page 341
References......Page 342
Aharon Oren......Page 347
I. Introduction......Page 348
II. Hypersaline Environments and their Cyanobacterial Communities......Page 349
A. Hypersaline Lagoons and Salt Flats......Page 350
3. Solar Lake, Sinai......Page 351
4. Other Hypersaline Lakes......Page 352
D. Salterns......Page 353
A. Microcoleus chthonoplastes......Page 355
B. Aphanothece halophytica......Page 356
IV. Anoxygenic Photosynthesis by Cyanobacteria in Hypersaline Environments......Page 358
A. Solar Lake......Page 359
V. Osmotic Adaptation of Cyanobacteria Living at High Salt Concentrations......Page 360
A. Ion Metabolism......Page 361
2. Glucosylglycerol......Page 362
3. Glycine Betaines......Page 363
4. Mycosporine-Like Amino Acids as Osmotic Solutes?......Page 364
B. Filamentous Photosynthetic Bacteria Associated with Microcoleus chthonoplastes......Page 365
VII. Biotechnological Aspects of Halophilic Cyanobacteria......Page 366
References......Page 367
II. Composition of Crude Oil......Page 373
III. Biodegradability of Hydrocarbons......Page 374
IV. Cyanobacteria in the Biogenesis of Oil......Page 375
A. Organotrophy in Cyanobacteria......Page 376
B. Effect of Oil on Photosynthetic Microorganisms......Page 377
1. Aromatic Hydrocarbons......Page 379
2. Alkanes......Page 380
E. Cyanobacteria as Immobilizers of Oil-Degraders......Page 381
References......Page 382
Summary......Page 387
I. Introduction......Page 388
A. Marine Environments......Page 389
B. Ice and Snow......Page 390
C. Rock and Soils......Page 391
D. Rivers and Streams......Page 393
1. Plankton......Page 394
2. Benthos......Page 395
A. Temperature Relations......Page 396
B. Desiccation, Freezing and Salinity Tolerance......Page 398
C. Defenses against UVR......Page 399
D. Light Harvesting and Photosynthesis......Page 400
V. Why Do Cyanobacteria Dominate (Or Not)?......Page 401
C. Nutrient Requirements......Page 402
Acknowledgements......Page 403
References......Page 404
Summary......Page 407
I. A Historical Perspective......Page 408
A. Hot Desert Ecosystems......Page 410
B. Cold Desert Ecosystems......Page 411
A. Soil Crust Species......Page 412
IV. Desert Niches and Interactions......Page 416
A. Sand and Soil......Page 417
1. Hot Deserts......Page 418
2. Cold Deserts......Page 419
A. Water Deficiency......Page 420
B. Desiccation and Wet–Dry Cycles......Page 421
C. Temperature......Page 422
1. Photosynthetically-Active Radiation......Page 423
VI. Bio-weathering and Nutrient Availability......Page 424
A. Terrestrial Limits of Life......Page 425
B. Exobiology......Page 427
References......Page 428
Summary......Page 433
I. Introduction......Page 434
A. Two-Component Sensory Systems......Page 435
B. Phytochrome- and Ethylene Response-Related Proteins......Page 438
C. Eukaryotic-Type Serine/Threonine and Tyrosine Kinases......Page 439
D. Other Modes of Phosphorylation......Page 441
A. Thioredoxin......Page 442
IV. Low MolecularWeight Signalling Molecules......Page 443
A. cAMP......Page 444
B. Ca 2+ Ions......Page 445
D. Metabolite Pools......Page 446
A. Circadian Rhythms......Page 447
1. Modes of Motility and Taxes......Page 448
2. Signalling and Motility......Page 449
A. σ-Factors......Page 450
B. Regulatory Proteins......Page 451
B. Post-Translational Covalent Modifications......Page 452
VIII Cross-Talk and Integration......Page 453
References......Page 454
Devaki Bhaya, Rakefet Schwarz and Arthur R. Grossman......Page 463
I. Introduction......Page 464
II. Acclimation to Light......Page 465
1. High Light and Photoinhibition......Page 466
2. Control of Photosystem Stoichiometry......Page 469
b. Complementary Chromatic Adaptation......Page 470
ii. Mutant Characterization......Page 472
III. Responses to Nutrient Limitation......Page 474
1. Mechanism of C i Uptake......Page 475
2. Functional Significance of the Carboxysomes......Page 477
3. C i-Dependent Gene Expression and Signal Transduction......Page 479
a. Urea......Page 480
b. Amino Acids......Page 481
i. Strategies among Cynaobacteria......Page 482
b. Ammonium Assimilation......Page 483
ii. Regulation of glnA......Page 484
i. Nitrate and Nitrite Reductase......Page 485
iii. Regulation of Genes Involved in Nitrogen Assimilation......Page 486
a. NtcA......Page 487
b. PII Protein......Page 489
C. Phosphorus Limitation......Page 490
b. Phosphatases......Page 491
3. Polyphosphates......Page 492
2. Gene Regulation Upon Sulfur Limitation......Page 493
a. Photosynthetic Activity and Gene Regulation......Page 494
b. Phycobilisome Degradation......Page 495
References......Page 497
Summary......Page 509
B. Changes in Metal Availability through Time......Page 510
1. Metal Pollution and Variation in Metal Levels......Page 511
1. Zinc and Metallothionein: SmtA, MtnA......Page 512
3. Zinc Exporter ZiaA and Other Homologues from Synechocystis PCC 6803......Page 514
4. The Use of Zinc......Page 515
6. The Copper-Iron Connection in Photosynthetic Electron Transport......Page 516
1. SmtB......Page 517
4. Further Resources from the Synechocystis PCC 6803 Genome......Page 518
F. Contrasting Responses of Two Cyanobacteria to Elevated Zinc......Page 519
A. The Known Repeats......Page 520
B. Evolutionary Considerations......Page 523
III. Concluding Remarks......Page 525
References......Page 526
Malcolm Potts......Page 531
1. Karst and Tintenstrich......Page 532
3. Aldabra Atoll......Page 534
1. Physical Properties......Page 535
1. Organization......Page 537
1. Exopolysaccharide......Page 538
2. UVR-Absorbing Pigments......Page 539
1. Origin......Page 540
2. Tempo of Speciation......Page 542
1. Complexity and Organization......Page 543
2. Nucleic Acid Stability under Stress......Page 547
3. Genes for Carbohydrate Metabolism......Page 548
1. Selective Pressure......Page 549
3. Gene Expression in the Differentiated Heterocyst......Page 550
A. Life Cycles......Page 551
B. Protein Phosphorylation......Page 555
C. Cyanoglobins......Page 556
1. Significance......Page 557
3. Mechanisms......Page 558
V. Patents and Applications......Page 560
A. The Hair-Vegetable......Page 561
2. The Philosopher's Stone......Page 562
3. From Blue-Green Alga to Cyanobacterium......Page 563
References......Page 564
Summary......Page 571
I. Introduction......Page 572
B. Ultrastructure......Page 573
III. Systematics......Page 574
A. General......Page 576
B. Water Basins of the Sudan-Sahel Zone......Page 577
C. Water Basins of the East African Rift Valley......Page 579
A. Growth: Yield and Efficiency......Page 580
a. Effects on Growth and Photosynthesis......Page 581
b. Effect of Temperature on Photosynthesis and Respiration......Page 582
a. Effect of Salinity on Growth......Page 583
C. The Alkaliphilic Nature of Arthrospira......Page 584
VI. Concluding Remarks......Page 585
References......Page 586
Summary......Page 589
I. Introduction......Page 590
1. Loose Associations......Page 591
4. Angiosperms (Gunnera)......Page 592
1. Lichens......Page 594
C. Diatoms......Page 596
E. Prochlorophytes......Page 598
F. Cyanelles......Page 600
G. Animals: Sponges, Ascidians, Echiuroid Worms and Midge Larvae......Page 601
A. Cyanobacteria......Page 602
B. Bacteria......Page 604
B. Signalling between Potential Partners......Page 605
C. Other Important Factors......Page 606
V. Host Structures and their Infection......Page 607
VI. Host-Cyanobiont Interactions Post-Infection......Page 612
C. N2 Fixation and Transfer of Fixed Nitrogen......Page 614
D. CO2 Assimilation and Transfer of Carbon......Page 616
VIII. Concluding Remarks......Page 618
References......Page 619
Curtis A. Suttle......Page 629
I. Introduction......Page 630
1. Cyanomyovirus......Page 631
3. Cyanostylovirus......Page 632
A. Genetic Diversity......Page 633
1. LPP Group......Page 634
3. AS and SM Groups......Page 635
A. Freshwater......Page 636
B. Marine......Page 637
V. Fate of Cyanophages in the Natural Environment......Page 639
VI. Effect of Cyanophages on Cyanobacterial Populations and Communities......Page 640
1. Frequency of Infected Cells......Page 641
2. Decay Rates......Page 642
B. Community Composition and Biological Control......Page 643
1. Host-Cell Resistance......Page 644
2. Community Composition and Biological Control......Page 645
A. Environmental Stability of Infectious Cyanophages......Page 646
B. Adsorption......Page 647
1. Light......Page 648
B. Unicellular Cyanobacteria......Page 649
IX. Conclusion......Page 650
References......Page 651
Summary......Page 657
A. The Detrimental Effects of UVR on Microorganisms......Page 658
1. Physical Exposure: Incident Irradiance and Optical Modifications in the Environment......Page 660
4. Cyanobacterial Habitats with High UVR Exposure......Page 663
d. Terrestrial Habitats......Page 664
1. MAAs and Other Compounds......Page 665
2. Sheath Pigments......Page 667
1. Benthic, Microbial Mat Populations......Page 668
C. Tolerance to UVR Requiring Active Repair or De Novo Synthesis......Page 669
3. Protection by Carotenoids......Page 670
III. Effects of UVR in Nature and Whole Community Responses......Page 671
IV. Conclusions......Page 672
References......Page 673
Crawford S. Dow and Uthaya K. Swoboda......Page 679
II. Poisoning Incidents......Page 680
III. Which Taxa are Toxic?......Page 682
4. Aphanotoxins I and II (Saxitoxin and Neosaxitoxin)......Page 683
B. Hepatotoxins......Page 685
1. Scytophycins......Page 686
1. Mouse Bioassay......Page 688
5. Mass Spectrometry......Page 689
1. Toxicology......Page 690
3. Long-Term Effects......Page 691
C. Toxicity to Insects......Page 692
References......Page 693
A......Page 699
C......Page 700
G......Page 702
L......Page 703
N......Page 704
O......Page 705
P......Page 706
S......Page 707
T......Page 708
Z......Page 709
Gene and Gene Product Index......Page 711
Subject Index......Page 715