深海具有无光、低氧、低温、高压、寡营养等独特的环境特征，形成了多样的生境，其中蕴藏着独特的微生物群落。微生物在深海有机质再矿化、营养循环和能量传递中起着关键作用。化能自养微生物是深海生境的初级生产者；异养代谢微生物类群可参与有机质的分解代谢。两者在深海生态系统的元素循环中扮演了重要的角色，是深海生境中物流能流的驱动者，其代谢活动深刻地影响了全球范围内碳、氮等重要元素的生物地球化学循环。

微生物生长效率，即生产力与基质同化的比率，可以为微生物之间的碳流动和海洋生物地球化学循环的调节提供依据。然而迄今为止，深海生态系统中微生物代谢特性在很大程度上是不确定的。作为典型的富含还原性气体的化能自养环境的深海冷泉，其基础代谢特征的研究有待深入。而马里亚纳海沟是地球上最深也是探索最少的生物圈之一，其碳源包括真光层沉降、横向运输以及下层地壳扩散等。到目前为止，马里亚纳海沟表层沉积物中微生物群落与有机碳降解潜力的空间差异仍是未知的。氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea, AOA）和氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria, AOB）在不同海洋环境中将氨氧化为亚硝酸盐中发挥着重要作用，但它们对深海沉积物氨氧化的相对贡献尚不清楚。

本研究开展了对深海特殊生境冷泉、海沟和海山生境的群落空间演替和生态功能研究，取得的主要结果如下：

通过Illumina高通量测序和定量PCR技术，结合³H-亮氨酸掺入法和电子传递系统的培养，研究了南海冷泉沉积物和水体中古菌和细菌群落的结构和代谢特征。细菌群落的生产力和呼吸速率显著高于古菌群落。此外，沉积物中的细菌代谢速率比在水中更高，这可能归因于有机物可利用性的差异。共生网络和Pearson相关性分析表明，古菌与细菌群落之间可能存在合作关系而非竞争关系，这有利于促进群落的生长效率。F站点有活跃的冷泉渗漏，表现出较高的细菌群落生产力；而由于更多碳用于呼吸作用导致呼吸速率超过了生产力，细菌群落生长效率较低。本章研究内容对不同冷泉微生物的群落结构和它们的基础代谢方式进行比对研究，全面探究了它们的地理分布和代谢特征及差异。

通过高通量16S rRNA扩增子测序结合Biolog EcoPlate™微孔板培养，研究了马里亚纳海沟表层沉积物中古菌和细菌群落的结构差异和碳代谢潜力。发现采样深度和总有机碳（total organic carbon, TOC）含量的差异以及优势门的空间分布差异，导致了深浅站位沉积物中微生物群落结构存在显著差异。在碳源利用方面，沉积物中微生物优先使用聚合物和碳水化合物，其次是氨基酸和羧酸。深浅层站位的微生物代谢多样性存在显著差异也反映了微生物对碳源利用的初始偏好。深海不同深度所引起的微生物群落结构变化及其在碳利用潜力上的显著差异，加剧了生态位的进一步分化，使得各类微生物得以高效适应并充分利用深海环境中有限的碳源资源。这一发现为深入探究深海各区域的碳循环提供了研究基础。

利用雅浦海沟和马里亚纳海沟岛弧区的海山和挑战者深渊的沉积物样品，在cDNA水平上研究了AOA和AOB的地理分布，并测量了相关的潜在硝化速率（potential nitrification rates, PNRs）。AOA以Candidatus Nitrosopumilus和Nitrosopumilaceae为主，而methyllophaga是AOB的主要类群。在所有样本中，AOA amoA基因的转录丰度都明显高于AOB，这与AOA贡献的高PNRs相对应。总PNRs和AOA PNRs在深层沉积物中均显著较高，这很可能是由于AOA对NH₄⁺和O₂的敏感性高于AOB造成的。在表层，总氮（total nitrogen, TN）和TOC含量分别对AOA amoA基因转录本的分布有显著的正、负影响，而NH₄⁺浓度与AOB amoA基因转录本的分布呈正相关。研究结果表明，AOA在雅浦海沟和马里亚纳海沟海山沉积物氨氧化过程中发挥了比AOB更重要的作用，以上研究为深海氮循环过程提供了新的补充。

本研究采用多相法对深海不同特殊生境中微生物群落的生理和分类特征进行了初步评价。首次尝试阐明深海冷泉生态系统中微生物群落代谢特征，该生态系统以各种化能合成微生物为主要生产者，群落代谢特征更好地反映了微生物驱动的碳循环关键过程和效率。此外，本研究发现不同采样深度下的微生物群落组成结构和潜在的碳氮代谢功能可能导致生态位的分化，使各种微生物能够充分利用深海有限的资源，为进一步探索不同深海区域的碳氮地化循环过程提供了研究基础。