深海冷泉是由海底地质构造活动所引起的含天然气水合物的流体溢出，主要成分包括水、碳氢化合物（甲烷和石油）、硫化氢等。在深海冷泉区存在有不依赖于光合作用的独特生态系统，是典型的深海化能生态系统，其中的化能微生物类群得到广泛关注，尤其是参与碳代谢的微生物。南海作为西太平洋大陆边缘面积最大、水深最深的边缘海，是世界上海洋资源最丰富的地区之一。南海北部陆坡有广泛的冷泉分布，目前相关研究主要集中在沉积物，特别是台西南冷泉区，而对不同冷泉区的群落组成和生态功能的认识还很有限。本研究利用宏基因组学和功能基因扩增子测序、电子受体添加模拟培养实验，结合同位素示踪技术，针对海马（Haima）冷泉、F点（Site F）冷泉两个冷泉区以及西沙海槽区（Xisha Trough）进行了分子生态学研究，以期了解该区域沉积物中碳代谢相关微生物的群落结构、多样性和潜在代谢功能，深入了解参与反硝化型甲烷厌氧氧化（denitrifying anaerobic methane oxidation, DAMO）和硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化（sulfate-dependent anaerobic methane oxidation, SAMO）过程的微生物类群，并探究DAMO、SAMO过程的底物竞争利用和对甲烷厌氧氧化（anaerobic oxidation of methane, AOM）的贡献。 首先开展了宏基因组学研究，在群落结构方面：1）细菌微生物群落以Proteobacteria为绝对优势菌，其中主要包括硫酸盐还原菌（Desulfobacterales 和 Chromatiales）和固氮菌（Rhizobiales 和 Rhodospirillales）；古菌中以氨氧化菌（Nitrosopumilus）和产甲烷菌（Methanosarcinales）为优势类群，表明了化能微生物类群作为深海生态系统初级生产者的潜在重要性。2）影响微生物群落结构的主要生态因子包括总磷（TP）、硝酸盐（NO3-）和总硫（TS）等环境参数。3）甲基营养型Methanosarcinales的相对丰度在冷泉沉积物中（尤其在深层）较高，可能是因其对低氧环境具有很强的耐受性。4）好氧型甲烷氧化菌的相对丰度在沉积物表层中较高，且I型甲烷氧化菌比II型丰度更高，暗示着采样点甲烷冷泉处于活跃状态，在深层沉积物中甲烷没有被AOM过程消耗完全。5）同时发现了参与DAMO过程的甲烷氧化古菌Methanoperedens（ANME-2d）、甲烷氧化细菌Methylomirabilis（NC10）类群，表明DAMO可能是深海冷泉中潜在的一个重要的厌氧甲烷氧化（AOM）过程。此外，在碳固定代谢方面：1）在冷泉和海槽中存在6种自养固碳途径，其中还原三羧酸循环（rTCA）途径相关基因的丰度在冷泉和海槽中最高，且随沉积物深度增加而增加，可能与沉积物中氧和硫的含量分布有关。2）还原乙酰辅酶A途径（rAcCoA）的相关基因丰度在冷泉区较高，且随沉积物深度增加而增加，可能与所处的极端厌氧环境相关。 针对SAMO和DAMO过程的主要微生物类群进一步利用细菌、古菌16S rRNA和mcrA（ANME-2d类群）、pmoA（NC10类群）、dsrB（SRB类群）功能基因扩增子测序进行了群落空间演替研究。发现：1）海马冷泉、F点冷泉和西沙海槽形成了不同的微生物群，可能与沉积物的理化参数有关，特别是总氮（TN）、总磷（TP）、硝酸盐（NO3-）、总硫（TS）和碳氮比（C/N）值。2）冷泉中SRB（Desulfobulbus, Desulfococcus 和 Desulfobacteraceae）的相对丰度高于海槽，可能参与了冷泉中广泛存在的SAMO反应。3）西沙海槽中的NC10类群相对丰度较高，且参与反硝化和异化硝酸盐还原相关的功能基因丰度较高，暗示着NC10细菌可能在海槽区的DAMO过程中发挥重要作用。4）古菌16S rRNA中ANME-2d、ANME-3、ANME-2a/2b和ANME-2c等类群主要在冷泉中检测到，同时基于功能基因（mcrA）发现ANME-2d、ANME-2c/2e存在于冷泉海槽中，进一步表明SAMO和DAMO过程可能是天然气水合物含量丰富的南海冷泉海槽区域重要的AOM过程。5）qPCR结果表明冷泉中三对功能基因的丰度明显高于海槽区。6）系统发育分析表明，冷泉区的mcrA和pmoA遗传型与DAMO过程较为活跃的湿地和红树林中的进化关系较近，而dsrB基因型呈高度多样化。 为进一步探究不同AOM过程对底物的竞争利用，针对南海北部不同沉积物样品，分别添加不同的电子受体（硝酸盐、亚硝酸盐和硫酸盐）和同位素标记的甲烷气体（13CH4）进行实验室模拟培养实验。研究发现：1）电子受体利用过程中优先利用亚硝酸盐和硝酸盐，其次为硫酸盐，可能由于亚硝酸盐和硝酸盐在热力学上比硫酸盐更有利。2）添加不同的电子受体培养后，AOM速率在F点冷泉区最高，其次为海马冷泉区，西沙海槽中最低；DAMO速率在冷泉区高于海槽区，尤其在F点冷泉区；SAMO速率在F点冷泉区最高，这可能与F点冷泉区中硫酸还原菌Desulfobacterota的高丰度有关。3）DAMO速率在冷泉、海槽的AOM速率中均占比较高，说明DAMO过程在富含天然气水合物的南海冷泉、海槽中发挥重要作用。4）相比冷泉区，SAMO速率在海槽的所有AOM速率中所占比例较大，说明SAMO在海槽中发挥重要作用。5）cDNA水平上mcrA和dsrB的基因丰度在冷泉区高于海槽区，pmoA在冷泉区和海槽区丰度接近。可能意味着硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化（Nr-DAMO）和SAMO过程微生物类群在冷泉区活跃，亚硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化（N-DAMO）过程微生物类群在冷泉海槽区均活跃。6）F冷泉中弯曲菌群Campylobacteria占比较高，它可以耦合硫化物的氧化与硝酸盐还原，其硝酸盐还原产物可能进一步参与N-DAMO过程。 本研究首先通过宏基因组技术全面地了解了南海冷泉区和海槽区等富含天然气水合物沉积物中参与碳代谢的微生物群落组成和代谢功能，初步发现了参与DAMO过程的ANME-2d和NC10类群的存在。之后，利用特异性引物进行扩增子测序分析，揭示了在冷泉海槽区域参与DAMO和SAMO过程的微生物类群的地理分布和空间群落演替特征。最后通过添加电子受体的稳定同位素示踪实验，进一步研究了DAMO和SAMO过程的电子受体的利用情况及对该区域AOM过程的相对贡献。本研究表明DAMO过程可能也是富含天然气水合物的冷泉、海槽区中潜在的重要甲烷汇，为全面了解深海冷泉区的AOM过程（尤其是DAMO过程）提供了理论基础，为深入评估DAMO、SAMO过程对冷泉区甲烷厌氧氧化的贡献提供了数据支持。