深海冷泉是由深部甲烷或其他还原性流体向海底渗漏或喷发而形成的流体系统，塑造了以化能合成细菌为主要初级生产力的特殊生态系统，是研究甲烷转换、深部地化循环的天然实验室。冷泉的地化环境在垂直方向和水平方向上均存在明显的梯度变化，而水岩界面是垂直方向上环境变化最为剧烈的区域。冷泉环境的异质性分布塑造了迥异的微生物群落，代谢功能也具有多样性，认知南海冷泉不同区域和不同水层微生物组合和功能对于理解冷泉喷发对区域海洋生态系统的影响至关重要。因此，本研究聚焦中国南海冷泉，通过沉积物原位保真取样系统、大体积原位水体过滤系统获取了南海冷泉区沉积物、水-岩/生物群落/沉积物界面上覆水体，以及冷泉渗漏/喷口上方不同水层水体样品，采用扩增子技术、宏基因组技术开展了冷泉区不同微环境下微生物的多样性与潜在代谢过程研究。

通过宏基因组分析技术对南海北部F冷泉区还原性沉积物中的微生物群落和代谢过程进行了分析。结果表明，在表层沉积物中，弯曲杆菌（Campylobacterota）、变形杆菌（Proteobacteria）、脱硫杆菌（Desulfobacterota）、拟杆菌（Bacteroidota）和甲烷八叠球菌（ANME-2/3）的相对丰度较高；随着深度增加，脱硫杆菌和ANME-1a/b占据主导。浅层沉积物中微生物主要通过CBB途径固碳，深层沉积物中主要为rTCA循环和WL途径；介导了硫化物氧化、硫代硫酸盐氧化及硝酸盐还原过程的基因集中在8cm以浅的表层沉积物中，固氮相关基因在50cm以深的沉积物相对丰度较高，可为营养贫乏的深海沉积物提供大量氮资源；甲烷厌氧氧化、硫酸盐还原基因的分布特征提示该冷泉区的硫酸盐-甲烷转换带（SMTZ）处于较浅层沉积物中。对可能参与硫代谢过程的微生物宏基因组组装基因组（MAGs）分析表明，冷泉表层沉积物中丰富的硫氧化菌参与了对硫化物及硫代硫酸盐的氧化过程，生成的硫酸盐可支持浅层SMTZ中的甲烷厌氧氧化过程，限制释放到底层水中的甲烷量，对于控制甲烷等全球变暖气体进入海洋至关重要。

界面层是连接上层水柱和底层沉积物的过渡区域。由于特殊的地质条件，冷泉区界面层表现为高度动态和非均匀的微环境，在这里，不同微区的微生物发生着不同的生物地球化学反应，这些过程也受到上覆水、喷发流体以及沉积物等多种环境的相互作用。而介导这些过程的微生物类群在沉积物和上层水柱之间的界面层的物质交换和能量流动中起着至关重要的作用。通过扩增子技术，以16S rRNA为目的基因，对南海陵水冷泉和F冷泉的底边界层上覆水中微生物进行初步的多样性分析，以及潜在功能预测，结果发现，处于早期发育阶段的陵水冷泉由于甲烷流体的大规模和持续性的喷发，界面区微生物多样性较F冷泉低，与甲烷消耗相关的微生物呈富集状态，甲烷的消耗主要是由于甲烷的好氧氧化和反硝化型甲烷厌氧氧化；在F冷泉的氧—缺氧波动的界面区，微生物群落多样性较高，相对缓慢渗漏的甲烷流体被甲烷氧化细菌消耗，碳、硫、氮化合物也在此发生强烈的氧化还原耦合反应。

冷泉羽流形成的上升流塑造了当地微生物群落组成，极大地提升了甲烷氧化菌的丰度，同时，水体环境也是一道天然的甲烷过滤屏障。本研究通过宏基因组技术，对F冷泉全水深水体微生物进行了相关研究，结果表明，F冷泉（全水深约1150米）喷口上方微生物群落具有明显的垂直差异。底层界面和表层界面中自养微生物的比例远高于中部水体，同时微生物间也存在更多的互作。特别是底层界面水体微生物合作更为密切，例如，界面层微生物可以通过合作进行羟胺和硫化氢的氧化。此外，界面层Pseudomonadales和Burkholderiales多个MAGs具有降解长链烷烃和芳香烃的通路和基因，因此可能是未来石油降解的重要目标类群。另外，我们发现了明显的硝酸盐还原偶联甲烷和硫化物氧化的证据，增强了深海微生物在有氧无氧周期变化环境的生存能力。甲烷氧化菌丰度随着距底距离快速递减，氨氧化古菌和异养菌如酸杆菌等成为丰度最高的类群，在600m深度甲烷氧化菌仍然普遍存在，但不同水深的甲烷氧化菌属于不同的分类单元，可能对甲烷浓度表现为不同的偏好。海面表层（5米）和亚表层（100-200米）水体中甲烷代谢相关的微生物群落丰度非常低，由此认为，表层与亚表层几乎不受冷泉喷发的影响。我们的研究结果展示了冷泉上方水体全水深中不同水层微生物组成和功能的异质性，特别是甲烷喷发导致的冷泉区全水深微生物介导的地球化学反应过程存在的差异。

本研究通过对南海两个冷泉区不同的微环境下微生物群落组成和代谢过程研究，揭示了冷泉环境中甲烷氧化耦联氮代谢、硫代谢的重要性以及微生物与其环境之间的相互依存关系，为解析冷泉独特生态系统的生物地球化学过程提供了新的视角。研究成果也将大大拓宽对冷泉微生物群落结构和生态功能的认知，有助于全面阐释冷泉微生物在地球重要元素的生物地球化学循环中的驱动机制。

第1章 绪论 1

1.1 深海冷泉生态系统简介 1

1.2 我国的冷泉系统 2

1.3 冷泉独特的环境特征 3

1.4 冷泉微生物多样性和功能 5

1.5 冷泉微生物参与广泛的地化过程 7

1.5.1 微生物介导的深海碳循环 8

1.5.2 微生物介导的海底氮循环 12

1.5.3 微生物驱动的海底硫循环 14

1.6 无法培养微生物常用的研究方法 20

1.7 本研究的站位简介 21

1.8 本研究的目的和意义 22

第2章 冷泉沉积物中的微生物多样性及其硫循环中的贡献 24

2.1 研究背景 24

2.2 材料与方法 25

2.2.1 样品采集 25

2.2.2 DNA提取 27

2.2.3 宏基因组测序 27

2.2.4 基因组分箱 27

2.2.5 系统进化分析 28

2.3 结果与讨论 28

2.3.1 冷泉还原性沉积物微生物组成 28

2.3.2 冷泉沉积物微生物介导的元素循环基本过程 31

2.3.3 冷泉硫代谢相关微生物筛选及代谢潜力分析 33

2.4 结论 37

第3章 冷泉水岩界面微生物多样性及地化循环贡献 39

3.1 研究背景 39

3.2 材料与方法 40

3.2.1 样品采集和地球化学测量 40

3.2.2 DNA提取及文库制备 44

3.2.3 生物信息学分析 44

3.3 结果 44

3.3.1 地球化学测量结果 44

3.3.2 微生物群落组成 46

3.3.3   两个冷泉区微生物群落功能预测 50

3.4 讨论 53

3.4.1 复杂多变的界面带微环境导致微生物空间异质性 53

3.4.2 界面微环境中DAMO/SAMO发挥重要作用 55

3.5 结论 58

第4章 冷泉羽流区微生物多样性特征、生态功能及甲烷过滤作用 60

4.1 材料与方法 61

4.1.1 样品采集和环境参数获取 61

4.1.2 DNA提取和测序 62

4.1.3 数据挖掘和生信分析 62

4.2 结果与讨论 64

4.2.1 水体的关键理化参数特征 64

4.2.2 不同深度微生物群落的层化特征 65

4.2.3 不同水层微生物的主要功能 71

4.2.4 MAG构建和代谢模型分析 80

4.2.5 F冷泉区域不同水层关键代谢过程 85

4.2.6 冷泉不同水层微生物竞争合作潜力差异 86

4.2.7 底层水岩界面CN过程的耦合 88

4.2.8 甲烷有氧氧化——冷泉的甲烷过滤器 89

4.2.9 Pseudomonadales、Rhodobacterales、Burkholderiales，BWI水层的全能异养菌 90

4.3 结论 91

第5章  总结与展望 92

参考文献 95

附录 116

致谢 155