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海洋沉积物中蕴藏着大量的微生物,在沉积物有机质代谢和循环过程中发挥着重要的作用。南海是西太平洋典型的边缘海,位于被动大陆架边缘。根据地质勘测和钻探采样发现南海北部陆坡海域储藏着大量的水合物。南海还分布有很多冷泉,已探明的冷泉区有三十多处,其中活动的冷泉有两处,分别是台西南Formosa冷泉和2015年新发现的海马冷泉。目前关于南海冷泉区和水合物区微生物分布特征,多样性和生态功能尚了解有限。本研究针对南海北部陆坡采集了海马冷泉和东沙、神狐水合物区域的沉积物样品,开展了微生物分布,多样性和生态功能的研究,对于揭示南海冷泉区和水合物区微生物的多样性和分布以及其中特殊古菌类群的生物地球化学功能具有重要意义。具体研究目标是（1）揭示海马冷泉区沉积物中古菌多样性特点,特别是参与甲烷代谢古菌的类群和分布特征。是否有南海特异的甲烷代谢类群?环境因子对甲烷代谢类群分布的影响,特别是对甲烷氧化古菌ANME亚群分布的影响?甲烷代谢古菌与其他古菌之间的相互作用与联系有哪些?（2）对比研究水合物区和非水合物区沉积物中的古菌多样性和分布差异,主要针对深古菌亚群在水合物区和非水合物区分布的差异,水合物区是否存在特有的深古菌类群,以及古菌和深古菌类群与环境因子之间的关系。（3）利用宏基因组方法揭示南海水合物区不同深度沉积物中微生物代谢的差异。主要分析不同环境中微生物类群的代谢差异与多样性和分布之间的联系。以及不同物种功能之间的联系。针对南海新发现的海马冷泉区沉积物中古菌微生物多样性,特别是甲烷代谢古菌的多样性以及分布特征进行研究。分别从冷泉活跃喷发的ROV1位点（QDN-14B）和不活跃的对照位点（QDN-31B）各采集了一根沉积物柱,检测沉积物中古菌多样性、相对丰度和分布。通过地球化学参数分析推测硫酸盐甲烷转换区在QDN-14B沉积物柱300-400 cm区域,在此区域的沉积物中通过16S rRNA基因和mcrA基因检测分析,发现参与甲烷代谢古菌的丰度很高。ANME-2a/b在硫酸盐甲烷转换区的上层和中层沉积物中丰度很高,而在硫酸盐浓度较低的SMTZ底层和产甲烷区,ANME-1b的相对丰度远远超过ANME-2a/b的丰度。利用进化分析可以将ANME-1b分为三个亚群:ANME-1bⅠ,ANME-1bⅡ和ANME-1bⅢ。多因素分析表明可溶性无机碳和硫酸盐是影响甲烷代谢古菌组成的重要环境因子。南海北部陆坡神狐和东沙海域蕴藏着大量的水合物,本研究开展了神狐和东沙海域水合物区和非水合物区沉积物中古菌分布和多样性分析。通过基于16S rRNA基因的高通量测序方法分析,两个海域水合物区和非水合物区的全部样品中,主要古菌类群包括Bathyarchaeota,Parvarchaea,Thaumarchaeota和Thermoplasmata。通过相似分析（ANOSIM）发现水合物区与非水合物区的古菌群落分布具有显著差异,利用相似度百分比分析（SIMPER）,Bathyarchaeota和Thermoplasmata古菌类群是水合物区和非水合物区古菌群落差异的主要贡献者。基于unweighted Unifrac矩阵,进一步对不同站位的Bathyarchaeota OTU的进行PCoA排序分析,发现在水合物区可能存在特异的Bathyarchaeota OTU。结合不同环境因子进行的多因素分析显示,硫酸盐、TOC、DIC、深度是影响古菌类群和Bathyarchaeota亚群分布的主要环境因子。选取自CH03沉积物柱不同深度的样品CH03-10和CH03-750的地化环境因子差异很大。这样的样品非常适合研究微生物群落的组成与功能之间的联系。我们针对这两个不同样品进行宏基因组分析,通过对参与碳、氮、硫元素的代谢途径的关键基因进行分析,研究发现两个样品主要的碳代谢是乙酰辅酶A还原固碳途径,主要由Dehalococcoidia参与进行。在CH03-10中参与氮代谢的基因多样性高于CH03-750样品,CH03-10主要是Candidatus Brocadiales参与的硝酸盐/亚硝酸盐还原,而CH03-750样品中主要是Desulfovibrio vulgaris参与的氮元素的固定作用。硫循环中CH03-10主要是Desulfobulbaceae的异养硫酸盐还原作用,而CH03-750样品中主要是Chloroflexales参与的同化型硫酸盐还原。通过芳香环化合物降解的功能基因,发现BamB-I基因和BbsA-H基因的丰度最高,表明两个沉积物样品中的微生物都有降解芳香类化合物的能力。我们对厌氧氧化古菌ANME的不同亚群的生态位分布差异以及与其他古菌之间相互作用的研究表明ANME不同亚群代谢类型的多样化,ANME可能具有多种不同的代谢功能,而不仅仅是与硫酸盐还原菌共生厌氧氧化甲烷。Bathyarchaeota,Thermoplasmata类群是南海不同海域水合物区和非水合物区的古菌群落组成差异的主要古菌类群,并且水合物区具有特有的Bathyarchaeota OTU,可能对水合物沉积物具有指示作用。本研究运用基于16S rRNA基因高通量测序和多因素分析的方法解析了古菌在南海冷泉区和水合物区的多样性和分布特征,并通过宏基因组学方法对不同代谢功能基因的分析揭示了不同环境中微生物群落的生态功能特点。我们的工作首次对海马冷泉的古菌多样性进行研究,特别是甲烷代谢古菌的多样性和分布特征,同时对水合物区和非水合物区古菌群落差异进行了系统地分析,为深入认识和理解南海冷泉和水合物区古菌分布和演化,生物地球化学作用奠定了基础。