冰冻圈是地球上重要的生态系统,覆盖了地球表面积的11%,包括南极大陆冰盖、北极多温型冰川、北冰洋海冰和高海拔地区山地冰川等。全球气候变化引起的极地冰川消融对冰冻圈生态系统影响越来越大。虽然这些环境条件极端,但在冰川表面、冰缝隙、冰下沉积物、冰下湖中,都栖息有类群丰富、代谢活跃的微生物,对全球碳通量和元素循环影响重大。而在全球变暖的背景下,冰川消融引起微生物栖居环境的变化如何影响微生物群落和代谢活性却并未研究清楚。尤其在南极冰盖下,限制于在极端恶略条件下取样和测定的难度,微生物如何调整群落构成来适应冰川消融的影响,以及对全球气候变暖有显著影响的微生物产甲烷过程如何响应气温升高和营养元素变化研究较少,仍旧有很多未知。这些知识上的欠缺导致难以准确预测气候变化造成极地微生物的响应,更难以准确评估极地广袤冰川下微生物对碳通量的影响。本研究从东南极冰盖边缘这一冰下环境窗口处取得土壤样品,具体在群落构成和代谢活性两个层面研究气候变暖对极地微生物的影响:1)冰川边缘处土壤中微生物对于冰的覆盖与否在群落结构层面的响应是什么?2)冰川下沉积物中产甲烷过程如何响应温度和底物的变化?在气候变化影响群落构成方面,本研究运用高通量测序方法对东南极冰川前沿处土壤中微生物群落结构进行解析,包括高丰度类群和低丰度类群,发现在冰川消融早期阶段,高丰度类群对群落结构贡献更大,同时也比低丰度类群变化更显著。结合土壤中理化参数和高丰度类群结构进行相关性分析,发现在冰川消融早期阶段,冰厚是影响微生物群落结构的主要因子,除此之外,土壤含水量,pH和有机碳也对群落结构有重要影响,尤其对群落中主要成员放线杆菌（Actinobacteria）、疣微菌（Verrucomicrobia）和伽马变形杆菌（Gammaproteobacteria）有显著影响。这些结果凸显出了冰川前沿处,冰覆盖与否对细菌群落结构的影响,另外表明高丰度类群主要执行群落功能和低丰度类群稳定群落结构方面的重要作用,在群落结构层面指示了气候变化引起的冰川消融对微生物的影响。在产甲烷活性方面,本研究采集了东南极拉斯曼丘陵处冰下沉积物,利用实验室模拟培养法在不同温度、底物条件下对该沉积物进行7个月的培养,发现最高产甲烷速率在1℃添加氢气条件下测得,可达398 pmol/g/day,并且发现温度对沉积物中内源性甲烷产生有显著影响。同时采用分子克隆方法解析了培养前后产甲烷菌的群落构成,发现主要是氢营养型产甲烷菌Methanomicrobiales,比例达到83%。另外通过绝对定量PCR发现原始沉积物中产甲烷菌标记基因mcrA数量在2.3×10⁴ copies/g,在添加氢气富集培养后增加了300多倍。通过对原始样品中细菌群落进行高通量测序分析发现,至少4.5%的细菌类群具有产氢气潜力,可以供给东南极冰下沉积物中氢营养型产甲烷菌所需氢气。对原始样品和添加氢气富集后的样品进行宏基因组测序分析,预测到了氢营养型产甲烷途径的部分基因。最后基于以上活性测定结果和群落结构分析,构建了东南极冰下沉积物产甲烷模型,并且对全球极地甲烷产生速率进行了评估,发现冰川下沉积物中潜在的产甲烷速率为10¹-10⁴ pmol/g/day。本研究表明该东南极冰下沉积物中主要产甲烷途径是氢营养型,内源性的甲烷产生与温度正相关。该结果不仅丰富了极地冰下环境中产甲烷菌类群,增加了对东南极冰下环境中产甲烷过程受温度底物影响的了解,也提高了对极地低温环境中微生物适应性的理解。综合以上两个层面的研究结果,明确了东南极冰川边缘处土壤中微生物在群落结构层面和代谢活性层面受温度升高或冰川消融等过程的潜在影响。在群落结构层面突出了冰厚对高丰度类群的影响,同时发现低丰度类群在保证群落结构稳定性方面的意义,表明了在冰川边缘,冰川消融对土壤中微生物潜在代谢能力的影响,不仅有助于理解微生物介导冰前土壤发育过程,更对准确预测气候变化背景下极地土壤中微生物群落改变提供了数据。另外,采用活性测试结合分子检测手段对冰下沉积物中产甲烷活性进行了研究,在活性层面证实了温度变化和底物变化对甲烷产生的影响,为微生物对低温等极端环境的适应性研究提供了进一步的解释,扩大了对东南极冰川下甲烷产生过程的了解,反映了气候变暖对极地碳循环的影响,为准确评估冰盖下碳通量提供了更多的依据。结合两个层面的研究,有助于理解气候变化与极地微生物之间的相互作用。另一方面,南极环境除了低温特点外,冰盖下还是高压状态,高压对微生物代谢有影响,但是目前还未在冰盖下高压环境中发现嗜压菌,因此本文尝试选择其他陆地来源的嗜压菌进行了研究。嗜压菌是在高静水压下比常压下生长速率高的一类微生物,包括真菌、古菌和细菌,他们大都发现于深海高压环境等深部生物圈中。深部生物圈在地球上分布范围广泛,不仅对地球生命出现过程有重要意义,在现代地球中也有重要地位,栖居着众多微生物类群,包括了地球上一半的原核细胞,是非常重要的生态系统。对其中发现的嗜压菌在嗜压机理方面的研究已经有几十年的历史,深海取样装置和高压培养设备也已经开发了多年,但是目前对嗜压特性的丢失与获得,嗜压机理方面的研究依旧有待加强,分离到的微生物中嗜压菌的比例也较少,而且只局限在少数几个属,主要包括Shewanella,Photobctrium,Colwellia,Moritella和Psychromonas。针对以上难题,这部分研究主要关注以下几方面:1)嗜压特性与所处环境压力的关系是什么?2)嗜压特性与其他极端条件耐受性的联系是什么?研究对象为两株地表常压环境来源的芽孢杆菌,Sporosarcina psychrophila DSM 6497和Lysinibacillus sphaericus LMG 22257。前人报道这两株菌在高静水压下可以介导碳酸盐沉淀。本研究由此出发,通过在高静水压下培养、检测其生长,发现了这两株菌具有嗜压特性,其最适压力分别为7 MPa和20 MPa。S.psychrophila DSM 6497来自于地表自然环境,L.sphaericus LMG 22257来自于生物反应器,另外通过对两株菌16S rRNA基因测序,构建进化树分析发现,近缘序列来自于地表环境。这两株嗜压菌为革兰氏阳性菌,可形成孢子。本文首次报道了在常压环境发现嗜压菌,扩展了嗜压菌的类群和来源环境。另外,通过测定两株菌在最适压力下的温度、pH、NaCl浓度耐受范围,发现相比常压,在高压下有更广的温度和盐度耐受范围,有不同的pH耐受范围。证实了高压对细胞的影响是全局性的,会与其他因子相联系。本研究又关注到高压与具有离散剂性质的Mg²⁺对细胞的共同影响:一方面,发现添加250 mM Mg²⁺可以刺激两株嗜压菌在高静水压50 MPa下的生长;另一方面,相比在常压下,发现两株菌分别在其最适压力下耐受更高浓度的Mg²⁺。这些结果表明这两株常压环境来源的嗜压菌对压力的耐受性与对离散剂耐受性之间存在着重要联系。进一步通过组学方法来分析其嗜压性和离散剂耐受性之间的关系。首先结合二代和三代高通量测序法对两株嗜压菌的全基因组测序,然后组装、注释,解析其潜在的代谢能力,为之后蛋白质组学分析提供基因组信息。然后通过在高离散剂刺激下,比较常压和最适压力条件下的S.psychrophila DSM 6497蛋白质组学来分析其嗜压性和离散剂耐受性之间的关系,同时利用透射电镜观察细胞形态。在细胞形态方面,在相同的高离散剂刺激下,相比最适压力,常压下培养的细胞发生了皱缩。通过比较蛋白质组学分析发现,在离散剂刺激下,细胞的蛋白质合成,翻译后修饰,胞内分子转运分泌,以及能量产生和转换过程发生显著变化,表明高离散剂对细胞造成多方面的损伤。而在高静水压下,发现涉及能量产生与转化,分泌与转运,以及无机离子转运和代谢相关过程发生了调控,而且,相比高离散剂对细胞的刺激,高静水压对细胞的刺激引起胞内蛋白向相反方向调控。这些结果证实了普遍适应机制使微生物同时耐受高静水压和其他刺激,高静水压使细胞在高离散剂刺激的边界条件下获得生长。综上所述,这部分研究首次在常压环境发现嗜压菌,拓宽了嗜压菌的类群和来源环境,表明嗜压特性并非必须与所处环境压力相关,还可能与其他因子有关,例如具有高离散剂特性的Mg²⁺的刺激。这些发现突出了高压下细胞代谢的重要性,为嗜压机制的研究提供了新的材料和思路,为发现和分离嗜压菌提供了新的角度和方法,也为生命起源于深海高压环境假说提供了新的证据。