作为地球上的基本构成部分,水生细菌不仅驱动着食物链内部的物质能量循环,而且在参与地球生物化学过程中起到至关重要的作用。对于内陆的淡水水体而言,其特定生态系统内部的物质能量迁移转化以及对于全球性或区域性环境变化的响应,都已被证明与土著细菌有着密不可分的关系。因此,对于淡水水生细菌的研究有利于更好地了解其在参与淡水水体生态功能中的作用及重要性。然而,自然环境中的大多数细菌不能通过传统的培养方法（如平板划线法）得到有效的检测和分离,从而在一定程度上制约了对此类细菌的深入研究。随着细菌检测技术的发展,大量的研究表明此类细菌普遍具有尺寸微小、灵活性高、寡营养生长以及低核酸含量等特性,因此衍生出诸多名词来描述和定义这类细菌,如“超微细菌”、“寡营养细菌”、“可滤过性细菌”以及“低核酸含量细菌”等等。本文以来自不同淡水生态环境中的微小细菌群落和纯培养微生物为研究对象,分析了微小细菌的多样性、生理特征和生态功能,进而揭示微小细菌在寡营养淡水水体中生长和生存的机制,以及在地球物质能量循环中的重要作用。以下是本文各实验章节的主要内容和结论概括:1.以湖泊生态系统为例探究微小细菌的生物多样性、分布以及代谢和生态功能特性（第二章）。利用流式细胞技术和核酸染色可以将湖水微生物群落依据细胞尺寸和核酸含量分为三类。通过0.45μm滤膜过滤可以将微小细菌群落进行分离和富集,然后利用多样性测序、相关性分析及生物信息分析工具对微小细菌的分布以及潜在代谢和生态功能进行研究。本章研究发现微小细菌在湖泊生态系统中具有数量优势,但其物种多样性与其他微生物群落相比较不丰富。外部环境因子主要影响着低丰度微小细菌种属的分布,其中营养物质的浓度（如总氮和总磷）是影响微小细菌分布及生长繁殖的重要因素。此外,一些湖泊中的微小细菌类群也具有潜在的致病性及降解有机物的潜力。2.以地下水生态系统为例探究微小细菌面对外界环境扰动时其多样性、生理以及氮循环功能性的变化（第三章）。本章主要利用生物连续反应器模拟了自然界中的两种主要的环境因子扰动（即温度和p H）对地下水生态系统中微小细菌的影响,并探究了氮元素循环相关微生物随着环境因子变化所产生的变化,从而潜在地反映整个地下水氮循环功能性的动态变化。地下水中的微小细菌占据总微生物群落的大部分,且多数为具有共生和寄生特性的微小细菌。通过短期内剧烈的温度和p H变化,我们发现从整体而言微小细菌的细胞结构相比其他微生物具有更强的温度和p H耐受性。对于外界持续的环境因子变化,我们发现微小细菌无法适应持续的升温环境,但是可以对外界p H降低具有耐受性。此外,温度升高和p H降低导致地下水微生物群落结构发生相应改变,增强了地下水潜在的反硝化能力,反之硝化能力降低。3.对淡水环境中典型微小细菌的分离、纯化、表征及基因组学研究（第四章）。本章中利用极度稀释法从淡水环境中分离得到一株典型微小细菌Brevundimonas sp.strain SW,发现其可以在溶解性有机碳1 mg/L的条件下生长至107cells/m L。扫描电镜下该微小细菌为短杆状,且最小和最大尺寸分别为0.25和1.2μm左右。通过全基因组测序及与同属的模式菌株（富营养菌株）进行基因组比对,发现从代谢途径上该微小细菌具有多种营养物质的完整通路,表明该微小细菌可以在寡营养环境中同时利用多种类型的营养物质以满足自身生长和生存的需要。4.探究典型微小细菌在寡营养条件下对外加磷源的利用方式（第五章）。通过微小细菌在低碳浓度下添加同等摩尔浓度的不同外加磷源(PO43--P和ATP-P)进行培养发现,相比PO43--P可以明显的促进微生物的生长,外源ATP-P使微小细菌较快地进入稳定期,并持续地保持在相对稳定的微生物浓度水平。对微小细菌在不同磷源下生长时的多聚磷酸盐含量及相关基因在此期间的表达量进行监测发现,外源ATP-P不仅可以作为能量物质,而且可以在微小细菌生长期间将其中一部分以多聚磷酸盐的形式储存在细菌体内,并在稳定期时逐渐释放磷源,进而供给微生物维持长期的生存和活性。5.通过模拟饮用水加氯消毒过程和饮用水输水过程,探究饮用水源地典型微小细菌在不同的外界氯消毒剂浓度的暴露下的抵抗能力和恢复能力（第六章）。本章通过实验室条件下利用生物连续反应器,设置“失活阶段”、“再生阶段”和“抵抗阶段”三个不同阶段,分别对应不同的自由氯浓度暴露,比较两株饮用水源地微小细菌Sphingopyxis sp.strain 15Y-HN和Polynucleobacter sp.strain CB与两株常见饮用水指示微生物对自由氯的抵抗能力。研究结果表明在同等条件下（相同碳浓度、温度以及p H）,微小细菌菌株具有更强的抵抗自由氯杀菌的能力,而且经过第一次自由氯接触之后形成了较强的自由氯耐受性。通过流式细胞技术和基于核酸及细胞膜通透性的荧光染色可以得出,微小细菌与指示微生物之间可能存在细胞膜构成成分的不同,进而使得自由氯较难氧化微小细菌的细胞膜,从而导致微小细菌强的抵抗自由氯的能力。