微生物在各自然环境中均表现出极高的生物量和多样性，被认为在地球元素循环中发挥关键驱动作用。其中，在深海特殊生境，如冷泉、热液中，占据较高丰度且具有特殊代谢过程的微生物的生活方式及其对元素循环的贡献被广泛关注。本研究结合宏基因组、分子生物学等手段，对热液高丰度古菌DPANN和冷泉重要微生物类群硫氧化细菌的物质代谢过程进行分析，明晰其驱动关键化学元素循环的通路和机制，为微生物特殊生命过程的认知和生态学功能的评估提供数据支撑。
       深海热液中的古菌因其独特的进化地位、代谢功能及生态作用引起广泛关注。为了解深海热液中古菌的群落结构及主要类群的代谢功能，本研究对西太平洋热液沉积物进行宏基因组测序及分析。结果显示，DPANN超门古菌为丰度最高的古菌，其普遍具有较小的基因组及不完整的关键代谢通路，但该缺陷可通过其他方式弥补。此外，热液DPANN古菌具有同化氮气和代谢含硫化合物的潜力，或可进而驱动氮、硫等元素的循环。联系其在热液生态系统的高丰度，该门类古菌被认为在深海热液特殊生境中具有潜在重要生态意义。
       在认知深海特殊生境生命的进程中，非培养手段固然可提供大量的参考信息。但如需深入研究微生物代谢机制，综合阐释深海微生物物质代谢与元素循环的关系，必须基于纯培养微生物菌株、从遗传学角度深入开展相关研究。在前期工作中，从深海冷泉获得了一株典型硫氧化细菌Erythrobacter flavs 21-3，并结合分子遗传学等多种手段揭示了一条将硫代硫酸钠转化为单质硫的新型硫氧化途径。但该途径在深海冷泉原位环境中是否真实发生尚不清楚。
       为此，本研究中，将E. flavus 21-3野生型菌株及该通路关键基因敲除株放入深海冷泉培养。实验结果表明，在原位环境中，E. flavus 21-3可利用该途径产生单质硫。且因E. flavus 21-3可利用自身所产的单质硫作为能量来源，故该途径的正常运行有益于此菌株在冷泉环境的生存，对其本身有着重要生物学意义。不仅如此，该通路普遍存在于硫代谢最为活跃的表层沉积物中，或对冷泉硫循环有重要贡献。本研究证实了该新型硫氧化通路在原位环境中的真实发生，进一步认知了E. flavus 21-3在深海冷泉环境中的物质代谢，为开展深海微生物的原位实验提供了有益参考。
       在研究过程中，E. flavus 21-3被偶然发现可在蓝光刺激下显著提升其产生单质硫的效率。结合分子生物学等多种手段深入探索，最终，一条蓝光促进深海硫氧化细菌形成单质硫的新通路得以揭示。该通路的完整过程如下：受到蓝光刺激后，组氨酸激酶LOV-1477激活响应调节器双鸟苷酸环化酶DGC-2902，后者释放c-di-GMP作为响应。含PilZ结构域的mPilZ-1753蛋白结合c-di-GMP后，以相互作用的方式的激活硫代硫酸盐脱氢酶TsdA，使其将更多的硫代硫酸盐转化为连四硫酸盐，该产物进一步被硫氧化蛋白SoxB-277及SoxB-285氧化，最终形成单质硫。这部分工作揭示了一种此前鲜为关注的深海冷泉硫氧化细菌的光感应及硫氧化途径之间的联系，为后续探讨该地区硫氧化细菌的硫代谢和光利用带来新的视角。
       此外，本课题还对分离自深海冷泉沉积物的化能自养硫氧化细菌Guyparkeria hydrothermalis SP2进行了研究，发现该菌株可通过Sox系统（sulfur-oxidizing enzyme system）将硫代硫酸盐氧化为单质硫，可通过CBB循环（Calvin-Benson-Bassham cycle）固定二氧化碳，前者获得的电子或进入呼吸链产能为后者提供能量。原位培养后发现，该菌株在深海冷泉中可利用以硫化物为主的还原硫进行化能自养，介导该过程的主要蛋白为FccB（flavocytochrome c-sulfide dehydrogenase large subunit）。在此过程中，单质硫被高效、大量生成，G. hydrothermalis SP2体内的FccB或为高效硫化物氧化酶。该部分研究为深入了解冷泉化能自养硫氧化细菌的单质硫形成过程及其驱动的硫元素循环机制提供了研究材料和思路。
       综上所述，本课题结合多种策略对深海特殊生境冷泉及热液的重要微生物类群进行研究，通过非培养技术研究热液中高丰度古菌DPANN的代谢功能，通过原位培养及组学手段探究了冷泉硫氧化细菌在深海环境中的硫代谢过程，通过分子生物学等多种手段揭示一条先前少有关注的深海硫氧化细菌中光响应及硫代谢之间的耦合通路，为后续探索深海微生物介导的元素循环与特殊生命过程之间的关系提供了新思路。