碳氮硫铁等关键生命元素的生物地球化学循环过程涉及多种功能微生物群的参与，微生物通过氧化还原反应将诸元素循环紧密耦合。在生物地球化学领域，人们普遍认为这些反应遵循反应热力学顺序，即微生物代谢“氧化还原塔” （Redox Tower）。其中，微生物介导的甲烷厌氧氧化（AOM）过程，通过氧化甲烷耦合电子受体（如硫酸盐、硝酸盐、金属氧化物等）还原的过程，直接影响着温室气体排放和碳、氮、硫、铁等元素的生物地球化学循环。因此，AOM过程作为揭示生态系统关键元素的微生物耦合机制和全球气候变化等问题的重要突破口，近年来备受关注。

      泥火山作为重要的温室气体排放源在全球范围内分布广泛，每年30%地质成因的甲烷（CH4）（10–20 Tg·y-1）来自泥火山喷发的气体，随着全球气候变暖问题日趋严重，大量研究围绕泥火山地区的甲烷循环展开。我国新疆准噶尔盆地拥有亚洲最大的泥火山群，目前，对新疆泥火山的研究多集中在地球化学特征、矿质组成和成因机制等领域，而有关该地区微生物群落结构及微生物参与的碳氮硫铁等重要元素的生物地球化学过程的研究还鲜有报道。同时，与硫酸盐还原型和反硝化型AOM相比，Fe/Mn等金属还原耦联的AOM机制尚不清楚。新疆泥火山地区极高的甲烷排放量和丰富的铁硫矿物浓度，为研究微生物参与的甲烷循环及耦合其他元素的生物地球化学过程提供了极佳的样本。

      本论文以新疆泥火山为研究对象，对该地区的微生物群落结构、驱动因子及其网络互作关系进行了解析，并初步探究了铁还原耦联的AOM过程，旨在加深对甲烷丰富地区微生物互作关系及由微生物介导的CH4生物地球化学过程的认识。论文的主要研究内容及结果如下：

     （1）新疆泥火山微生物群落结构及其驱动因子解析。采用Illumina Miseq高通量测序技术对准噶尔盆地艾琪沟（AQG）、白杨沟（BYG）和独山子（DSZ）三个地区的6个泥火山喷口的微生物16S rRNA进行测序分析，结果表明，产甲烷古菌如Methanosarcinales和Methanomicrobiales等为主要的优势古菌，Gammaproteobacteria为优势细菌。ANME-2d为新疆泥火山地区主要的甲烷厌氧氧化菌类型，同时，各样地中普遍存在多种好氧甲烷氧化细菌和铁硫还原菌。结合Mantel和MRT等相关统计分析，结果表明，温度及电子受体Fe、NO3-和SO42-是驱动新疆泥火山微生物种群结构的主要因子。同时微宇宙孵化培养实验从生物地球化学角度进一步验证了三种电子受体对AOM的影响。

     （2）泥火山地区微生物分子生态网络（pMENs）互作关系解析。选择在发育年代、地化性质、CH4代谢等方面均存在显著差异的两个典型泥火山样地BYG3和DSZ构建pMENs。结果表明，产甲烷古菌和ANME-2d等甲烷循环相关微生物为pMENs中的关键种群，他们既是网络中的优势种群，也是主要的模块中心节点和连接节点。此外，两样地关键微生物的网络互作关系表现出明显的差异：BYG3样地关键微生物网络结构较为单一，仅包含产甲烷古菌、ANME-2d及Halobacteriaceae；而DSZ样地pMENs中ANME-2d与多种铁硫还原菌呈现出正相关关系。 网络中以正相关关系配对存在的多组微生物互作关系表明这些菌群间可能存在互养或互利共生关系，且同时完成各自的代谢，最终呈现出非顺序的氧化还原过程。

     （3）初步解析铁还原耦联的AOM过程。向泥火山AOM体系内添加不同形态的铁离子或铁氧化物进行六个月的微宇宙富集培养，基于各体系内甲烷消耗量、ANME-2d及mrcA功能基因等的定量分析，我们筛选出富集效果最好的Fe citrate-AOM富集体系，并对其进行深入解析。结果表明，与不加受体的AOM富集体系比较，Fe citrate-AOM富集体系在产电性能、循环伏安曲线等方面表现出更强的电化学活性；同时以上两组宏基因组分析表明，甲烷八叠菌、地杆菌和一些硫酸盐还原菌为主要组间差异种群，因此推测他们可能是参与铁还原型AOM过程的主要微生物。

     综上所述，本研究首次证明了电子受体对甲烷丰富地区微生物群落结构的驱动作用。微生物在耦合多种生物地球化学过程时，可能遵循非顺序的氧化还原过程，这种代谢方式可能更有助于微生物对底物的利用和对环境的适应。此外，甲烷八叠菌、地杆菌和硫酸盐还原菌可能为介导Fe-AOM过程的重要微生物。