海绵中生活着丰富、复杂的微生物，在海洋氮素循环和硫素循环中起着重要作用。然而对于海绵中微生物的反硝化过程和硫还原过程还了解甚少。氮循环是海洋一个重要的生物地球化学过程。海洋的氮循环是驱动地球碳素循环的主要动力，对地球气候系统具有重要的调控作用，海洋氮循环研究是海洋生物地球科学及海洋生物生态多样性的研究重心。海洋中由微生物参与的生物固氮、硝化作用和反硝化作用是海洋中可以被利用氮素的最重要的来源，因此，海洋微生物的研究又成为重心中的重点。由微生物参与的反硝化作用是在氧气不充足时，硝酸盐和亚硝酸盐还原一氧化氮气体、一氧化二氮及氮气分子时的异化过程。它由四步酶促反应构成，四种酶分别是：硝酸还原酶（napA或narG），亚硝酸盐还原酶（nirK基因或nirS基因），一氧化氮还原酶（qnorB或cnorB）和一氧化二氮还原酶（nosZ）。亚硝酸盐还原酶是呼吸过程的关键酶，它催化亚硝酸盐转变为可溶性气体。一氧化二氮还原酶催化还原完整的反硝化途径的最后一步。温室气体N2O，不仅使全球变暖还直接破坏对平流层中的臭氧层，一氧化二氮还原酶可以将大气中的温室气体分解降低。因此，亚硝酸还原酶（细胞色素cd1依赖的nirK或含铜的nirS）基因和一氧化二氮还原酶（nosZ）基因通常被用来作为遗传标记研究反硝化群落。很早就有人观察到海绵共生微生物具有固氮的作用。最近，人们发现海绵还具有氮气释放的能力。然而，基因水平的有关来自不同海绵的共生微生物在氮气释放中作用的证据还是非常有限的。同时，海绵共生微生物的氮循环功能基因的定量研究相对缺乏。nirK基因编码亚硝酸盐还原酶，催化可溶亚硝酸盐变为气体一氧化氮的过程。nosZ基因编码一氧化二氮还原酶，催化一氧化二氮变为氮气的过程，这两个功能基因是完成反硝化途径的关键酶。在本研究中，使用nirK和nosZ基因作为分子标记，使用系统发育分析和荧光定量PCR方法，对6种海绵的共生微生物释放氮气的潜力作了调查。总体结果为：由基因库序列饱和法确定了2个OTU的nirK基因和5个OTU的nosZ基因。分析了海绵的nirK基因和nosZ基因的系统发育多样性。同时，荧光定量PCR分析显示海绵Xestospongiatestudinaria具有最高的nosZ基因数量，而海绵Cinachyrella sp.具有最高的nirK基因数量。系统发育分析显示，nirK基因和nosZ基因主要是Alpha-,Beta-,和Gamma变形菌来源的。本研究的结果显示，由于不同的海绵具有不同nirK和nosZ基因的系统发育多样性，海绵共生微生物的反硝化潜能是多样化的。总体来说，海绵共生微生物nirK和nosZ基因的定性、定量研究表明海绵共生微生物在氮气释放方面的不同潜能。硫循环是复杂的，因为硫的氧化态范围广泛，从–2（完全还原）到+6（完全氧化），可以进行化学的和生物的转化。由于微生物的活动，硫循环与其他元素的循环有很多联系，最显著的是碳、氮、磷、铁。硫还原细菌（SRB）和硫氧化细菌（SOB）是环境生物地球化学中硫转化的重要生物之一。检测SRB和SOB多样性和活性的研究技术有很多。克隆、变性梯度凝胶电泳、PCR扩增、16S rRNA、dsrAB或aprA基因片段经常被用来确定SRB和SOB在不同的生境中的多样性。Apr还原酶(adenosine5＇-phosphosulfate reductase)由α和β亚基构成，分别为aprA和aprB基因。有研究使用特异性PCR技术研究SRB和SOB中的aprA基因，证明同源蛋白在光合细菌和化能自养细菌等兼性厌氧硫氧化细菌（SOB）中存在，可能催化相反方向的硫化物氧化为硫酸盐的步骤。地球的硫素循环依赖于各种各样的微生物的新陈代谢等活动，这些微生物绝大部分存在海洋中。海绵通常成为不同微生物群体密集的藏身处，这其中大量的微生物是寄主海绵特异性的。海绵共生微生物可能在海洋的硫素循环中起着重要的作用。本研究使用腺苷酰磷酸还原酶aprA基因作为分子标记对来自中国南海海岸2个采样点的6种海绵样品的硫氧化与还原细菌进行系统发育分析及基因定量分析。研究发现一大类属于未知硫氧化菌群Apr lineage I的微生物类群。这个类群很有可能是微生物硫素代谢中新的一个类群。另外，本文是国内外首次对海绵共生微生物硫素循环基因进行定量研究的报道。