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深海热液区自发现以来,一直被认为是一类黑暗、高温、高压并具有陡变物理和化学梯度的极端生态系统,含有大量还原性物质的热液与周围海水快速混合形成热液羽状流。热液羽流中栖居着丰富的微生物类群,其中硫氧化微生物作为热液环境中的初级生产者,通过氧化多种还原性硫化物来介导能量流动。2017年,我国国际上首次载人深潜调查西北印度洋Carlsberg脊,并在该区域成功发现热液区（卧蚕、大糦、天休）。本研究从Carlsberg脊热液羽流微生物多样性及其代谢功能入手,以Thiomicrorhabdus属化能自养硫氧化细菌为研究对象,深入开展了生理生化特征、硫氧化固碳的代谢机制以及硫氧化胞外累积单质硫特性等方面的工作。基于此,本文分为以下三部分:第一部分,本文采用16S rRNA基因高通量测序方法,对西北印度洋Carlsberg脊四个热液区共17个热液羽流和海水中的细菌和古菌多样性进行分析,包括卧蚕1号、卧蚕2号、大糦和天休热液区。结果表明西北印度洋Carlsberg脊热液区海水中细菌类群主要包括γ-变形菌纲、α-变形菌纲、SAR202、δ-变形菌纲、放线菌纲、酸杆菌纲、拟杆菌纲等,其中SAR202在大糦和天休热液区样品中的丰度明显高于卧蚕热液区。与海水样品相比,羽流样品中ε-变形菌门在其中的丰度明显增加,硫单胞菌属（Sulfurimonas）和硫卵菌属（Sulfurovum）是其中的优势类群,在不同样品中的含量分别为19.96～47.49%和9.92～11.95%。古菌的优势类群以奇古菌门和广古菌门为主,集中在Marine＿Group＿1、甲烷杆菌纲以及热原体纲三个类群。进一步通过宏基因组测序方法,对热液羽流和海水中的微生物代谢功能进行解析。结果显示,西北印度洋Carlsberg脊热液羽流中微生物碳固定的方式丰富多样,包括还原性三羧酸循环（rTCA）、卡尔文循环（CBB）、还原性乙酰辅酶A途径（WL）、二羧酸/4-羟基丁酸（DC/4HB）、3-羟基丙酸/4-羟基丁酸（3HP/4HB）以及3-羟基丙酸（3HP）循环,其中rTCA,DC/4HB,WL,Calvin Cycle是Carlsberg脊热液羽流中主要的碳固定途径。此外,相对于周围海水,羽流中硫代谢相关基因多样性丰富且丰度高,包括硫代硫酸盐氧化、硫化物氧化、异化硫酸盐还原、硫氧化、同化硫酸盐还原、厌氧硫酸盐还原、硫代硫酸盐歧化以及亚硫酸盐氧化途径。不同热液区硫代谢过程存在差异,其中硫氧化过程及同化硫酸盐过程在卧蚕1号热液区羽流中丰度最高。第二部分,基于可培养方法对一株分离自西北印度洋Carlsberg脊热液羽流中的化能自养硫氧化细菌Thiomicrorhabdus sp.strain 13-15A进行生理生化特性和基因组注释分析。结果表明,菌株13-15A为专性化能自养硫氧化菌,最适生长条件为:微耗氧（2%）,温度28oC,pH 7.0以及680 mM NaCl;以CO2作为唯一碳源生长,可利用多种硫化物作为能源,包括硫代硫酸盐、连四硫酸盐、单质硫和硫化氢。全基因组分析结果显示,Thiomicrorhabdus sp.srain 13-15A基因组大小约为3.08M bp,其中包括一个大小为2.8M bp的染色体,和一个240K bp左右的质粒。这是Thiomicrorhabdus属基因组中第一个含有质粒的菌株。其基因组中含有一套完整的sox多酶复合体系统（soxXA,soxYZ,sox B以及soxCD）,另外存在Sqr（sulfide:quinone reductase）基因以及Fcc（flavocytochrome-c sulfide dehydrogenase）基因。猜测菌株13-15A可以通过sox多酶复合体系统完全氧化硫代硫酸盐,产生硫酸根;也可以通过Sqr和Fcc,氧化硫化物产生单质硫外排到胞外。基因组中含有编码卡尔文循环的所有酶,具有编码羧酶体相关基因,表明该菌利用CBB循环固碳;携带cbb3类型的细胞色素氧化酶,可以帮助其在低氧和低二氧化碳环境中生存。此外,13-15A质粒上编码一些抗重金属等抗性基因,表现出其对热液极端环境的适应机制。第三部分,本文采用不同培养条件对热液区常见Gamaproteobacteria类群化能自养硫氧化菌（Thiomicrorhabdus）胞外单质硫的形态进行显微观察。扫描电镜结果显示,Thiomicrorhabdus化能自养硫氧化菌外排单质硫形态以球形为主,还有一些丛枝状、菱形以及不规则形状,大小在几纳米到几十微米不等;单质硫形态与氧气含量、压力大小等培养条件无关。暗示深海原位环境下生物硫形态与实验室观察类似。此外,外排单质硫表面包裹着一层薄膜或丝网状物质,能谱检测含有C、O、N等有机成分,其中C元素百分含量占到70%-80%。硫粒表面被膜通过EDTA提取,经苯酚-硫酸法测得被膜中含有糖类物质,总糖含量为61mg/L。这是首次实验证实微生物产生的胞外硫颗粒表面含有多糖。总之,以上研究结果丰富了对深海热液羽流微生物多样性以及化能自养硫氧化菌Thiomicrorhabdus的能量代谢机制的认识,对于认识生命过程,评估热液微生物在热液环境碳、氮、硫等元素循环中发挥的作用提供了参考。