微生物是生态环境系统的重要组成部分，是环境科学领域重要的研究内容。目前对于环境微生物的研究方法主要为传统培养学方法和基因组学方法。然而，在现有技术条件下，微生物可分离培养率一般低于1%；而且微生物分离培养后会改变其原始生活环境，面临难以分析微生物原始代谢特性的瓶颈问题。基因组学方法无法确定微生物个体的生理和代谢特征，因此难以建立微生物特定表现型与基因型相关关系。因此，在保证微生物原始生活环境的前提下，非破坏性地对微生物的代谢特征、表现型及基因型进行检测，对环境微生物领域的研究具有重要意义。
　　本课题提出利用拉曼光谱与稳定氘同位素标记联用(Raman–DIP)技术在单细胞水平原位解析复杂环境样品中微生物生理代谢和表现型特征。以土壤和水处理工艺中活性污泥样品为初始研究对象，验证采用D2O作为稳定同位素的Raman–DIP技术检测复杂微生物样品的可行性。在此基础上通过优化D2O的加入比例及标记时间，建立单细胞水平原位检测和分析肠道微生物代谢活性的方法。利用Raman–DIP方法与培养学方法获得的结果表现出强相关性（R2＞0.9），证实Raman–DIP检测方法的准确性与可靠性。根据计算结果发现，仅有2.0%-2.2%的肠道微生物可以在LB琼脂培养基中生长，说明原位检测对复杂环境样品的微生物研究具有重要意义。
　　应用上述Raman–DIP方法分析人体肠道微生物的代谢产物及代谢途径，探究人体肠道微生物在不同培养环境中的主要代谢途径。结果显示加入葡萄糖、色氨酸、酪氨酸、十八烯酸可有效提高微生物的活性比例，最高可从30%分别提高至85%，38%，35%和32%，其中葡萄糖对肠道微生物激活效应最明显。通过拉曼图谱和功能基因分析发现，人体肠道中葡萄糖主要用于合成脂肪酸，而从人体肠道中分离出来肠球菌、梭菌、乳酸菌等在纯培养环境下则主要通过莽草酸途径将葡萄糖合成苯丙氨酸，说明不同培养环境下微生物的主要代谢途径不同。
　　此外，将Raman–DIP与单细胞分选技术PRECI SCS结合，依据单细胞拉曼图谱中的C–D条带快速鉴定人体肠道中的抗生素抗性菌，两名志愿者肠道微生物中具有代谢活性的阿莫西林、头孢氨苄、四环素、氟苯尼考及万古霉素抗性表现型的丰度分别为58%，53%，25%，6%，0%及40%，30%，7%，5.3%，0%；同时，利用单细胞分选技术分离样品中目标阿莫西林抗性菌、头孢氨苄抗性菌以及头孢氨苄敏感菌，通过抗性基因分析发现头孢氨苄抗性菌具有高丰度的β-内酰胺类抗生素抗性基因，而敏感菌中未检测到β-内酰胺类抗性基因，从而建立了抗性菌表现型与基因型的对应关系。
　　随后，使用基于代谢活性的Raman–DIP方法和基于细胞生长的传统方法检测EPEC对四环素的最小代谢活性抑制浓度（MA-MIC）和最小生长抑制浓度（MIC），分别为3000μg/L和2000μg/L，证明MIC浓度的四环素只能抑制EPEC的生长，但无法抑制其代谢活性。根据MA-MIC，MIC以及食物中四环素浓度，探究人体肠道致病菌EPEC长期在四环素人体暴露浓度下传代的耐药性机制发现，长期在低浓度四环素环境下传代可导致EPEC的MIC有所提高，其中tetB和tetC四环素抗性基因亚型为EPEC对四环素耐药性提高起主要作用的抗性基因，其机制为大量表达细胞膜上的排出因子，促进四环素排出细胞而无法在细胞内聚积。