人们按栖息地进行分类将海洋微生物定义为生活在海洋环境（海洋之中的咸水与沿海河口的微咸水）中的微生物。作为地球上最大环境的居民，微生物海洋系统驱动着全球系统的变化。微生物负责海洋中发生的所有光合作用，以及碳、氮、磷和其他营养元素和微量元素的循环。海洋微生物主要包括真核微生物（真菌、藻类和原虫）、原核微生物（海洋细菌、海洋放线菌和海洋蓝细菌等）和无细胞生物（病毒）。
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海洋真菌
海洋真菌(marinefungi)，是生活在海洋中的能形成孢子且有真核结构的微生物。大多数栖于某种基物而生活，少数自由生活，因此，真菌在海洋中的分布主要取决于寄主的分布。
（子囊菌）
海洋原生动物
体型微小的单细胞（包括由单细胞聚集成的群体）海洋动物。原生动物是动物界最原始、最低等的动物。其个体最小的约1微米，最大的为数厘米；一般都十分微小，需借助显微镜才能看见。单细胞个体的原生质中通常具有细胞核、食物泡，有的种类具有纤毛或鞭毛。“原生动物(Protozoa)”一词由Protos（意为原始的）和zoon（指动物）组合而成，最初由G.A.哥尔德富斯于年提出，年德国C.T.E.von西博尔德首先下了确切的定义。
（腰鞭毛虫）
海洋藻类
藻类可以作为单细胞生长，也可以在长链细胞中生长。绿藻是一大群光合真核生物组成的，包括许多微小的有机体。
（硅藻）
海洋细菌
海洋细菌是生活在海洋中的、不含叶绿素和藻蓝素的原核单细胞生物。它们是海洋微生物中分布最广、数量最大的一类生物，个体直径常在1微米以下，呈球状、杆状、螺旋状和分枝丝状的微生物。
（创伤弧菌）
海洋古细菌
古细菌（古核细胞），常生活于热泉水、缺氧湖底、盐水湖等极端环境中的细菌。具有一些独特的生化性质，如膜脂由醚键而不是酯键连接，其营养方式亦不同于常规生物，如硫氧化等。古核细胞遗传的信息量较小。古细菌在海洋中特别多，而浮游生物中的古细菌可能是地球上最丰富的生物类群之一。古细菌是地球生命的重要组成部分，人们推测其可能在碳循环和氮循环中发挥作用。
（含有黄古菌的热泉）
海洋病毒
病毒是海洋环境超显微的、仅含有一种类型核酸（DNA或RNA）、专业活细胞内寄生的非细胞形态一类微生物他们能够通过细菌滤器，在活细胞外具一般化学大分子特征，进入宿主细胞又具有生命特征。
（噬菌体）
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