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深海热液区是典型的化能自养生态系统。栖居于此的化能自养硫氧化菌占据着重要生态位。但由于深海采样困难、且与之对接的微生物分离和培养技术尚不完善,基于纯培养的热液区微生物研究比较欠缺,限制了对其生态功能的认知。分离获得热液极端环境纯培养物,对于研究其物质和能量代谢机制以及极端环境适应性机制非常重要。相关研究对于深入诠释化能自养菌生态学贡献具有重要意义。硫单胞菌Sulfurimonas是一类硫氧化化能自养菌,在热液区以及各大洋原位环境高丰度分布,但目前国际上仅报道5个物种,其中仅有两个来自热液区,难以代表深海环境多样性。另外,热液区与非热液区硫单胞菌在代谢特征、环境适应性机制以及生命进化关系究竟有何不同,尚不清楚。本论文旨在分离获得原位高丰度的代表性硫单胞菌,从生理水平、基因组水平、转录组水平等不同层面上比较分析热液区和非热液区硫单胞菌碳、氢、硫、氮代谢特征以及环境适应机制,为评估其原位生态贡献提供重要理论支撑。主要研究结果如下:1.硫单胞菌属6个新种的发现与鉴定。从西北印度洋、西南印度洋热液区、南海及近海等生境分离获得6株硫氧化菌。综合形态学特征、生理生化特性、化学组分分析、16S r RNA基因序列分析、ANI和d DDH以及UBCG核心基因组分析结果,支持它们为硫单胞菌属6个新种,分别命名为Sulfurimonas hydrogeniphila NW10T,S.indica NW8NT,S.sediminis S2-6T,S.xiamenensis 1-1NT,S.lithotrophicum GYSZ＿1T和S.aggregans B2T。其中,S.hydrogeniphila NW10为分离自西北印度洋热液区高丰度代表性细菌,为本研究后续的主要研究对象。它可在4-45oC范围内生长,最适33oC;p H 5.0-9.0,最适p H 6.0;盐度范围为2.0-4.0%（w/v）,最适3%;氧气0-20%,最适6%。既能有氧氧化氢气和多种还原性硫化物,也能耦合硝酸盐还原进行厌氧氧化。而且,无论是在酸性还是中性条件下,该菌株可以在氧化硫代硫酸盐时快速产生与大量累积胞外单质硫,具有重要的生态学意义与开发利用前景。2.硫单胞菌热液区环境适应性机制研究方面获得新认识。对该属的可培养细菌基因组分析发现,硫单胞菌属细菌拥有开放型泛基因组,暗示仍有更多新种资源待挖掘。核心基因组、全基因组及共线性分析等综合结果显示热液区与非热液区生境的菌株有明显进化特征,揭示出环境因子比空间地理因素更大程度影响其基因组变异。硫代谢机制分析显示,热液区菌株拥有独特的V型耐高温sqr基因,还含有多拷贝II型sqr基因,其余菌株则含有IV型和VI型sqr基因,这为其能利用多种硫化物生理数据提供了支撑。有趣的是,虽然菌株NW10拥有完整Sox系统,即具备完全氧化硫代硫酸盐为硫酸盐的能力,但产生胞外单质硫,相关机制待进一步研究。除了sox和sqr硫氧化基因外,还发现有sor AB以及不完整的同化硫酸盐还原途径基因sat,cys C和cys DN。碳代谢机制分析发现,硫单胞菌拥有完整的r TCA循环所需酶,包括Acl、Oor和Por,支撑了其自养生长。此外,热液区与非热液区ATP-柠檬酸裂解酶Acl B在进化树上位于2个进化分支,表现出生境差异性。氮代谢机制分析显示,除B2菌株外,所有硫单胞菌都含有完全反硝化途径关键酶基因（nap,nir,nor和nos）,与其用硝酸盐呼吸表型代谢特征相一致。基于nap A基因进化树显示,热液区菌株和非热液区菌株位于2个分支。菌株NW10还拥有nas AB和nir A,表明其可能具有同化硝酸盐还原能力,而大多数非热液区菌株不具有这些基因。氢气是热液区菌株非常重要的能源之一,对于化能自养菌生存至关重要。氢代谢机制分析发现,硫单胞菌编码三种Ni Fe-氢酶,首次在热液口菌株中发现II型氢酶,这有利于硫单胞菌感应热液区高浓度的氢气,使其在H2多变的原位环境中具有更强竞争力。IV型氢酶分为Hyc,Coo和Ech三类,首次发现Coo亚型氢酶存在于热液区菌株,暗示其具有氧化CO生成二氧化碳和氢气的潜力。基因组比较研究还发现,热液区菌株含有更高比例的硫转移蛋白、热休克蛋白、信号传导蛋白、多种重金属转运蛋白以及糖基转移酶等相关的编码基因,这赋予硫单胞菌在热液环境中更高的生存竞争优势。3.首次报道硫单胞菌有硫还原能力,并解析了菌株S.hydrogeniphila NW10硫还原机制。研究发现,在H2条件下,菌株NW10既能耦联硝酸盐还原,也可耦联单质硫还原进行氢氧化获得能量进行生长。氢氧化耦合单质硫还原特性属首次在硫单胞菌属中发现。在富含单质硫且氧气受限的热液区原位环境中可以作为主要供能方式,具有非常重要的生态意义。转录组分析和RT-q PCR结果显示,菌株NW10中同时存在2种硫还原途径,即由周质多聚硫化物还原酶（Psr A1B1CDE）和胞质多聚硫化物还原酶（Psr A2B2）介导途径,这2种途径的同时存在使得硫单胞菌更能适应热液区特殊环境。该结果将为后续工业应用中调控硫氧化或硫还原发生过程奠定基础。4.首次开展了硫单胞菌胞外单质硫活化机制的研究。微生物在氧化或还原单质硫过程中,环境中的硫颗粒是如何与微生物发生相互作用,目前尚不清楚。本研究发现,菌株NW10可以通过直接或间接接触单质硫的方式进行生长,暗示单质硫变成了一种可溶性多聚硫化物形式进入胞内进行硫还原。同时细菌作用后的单质硫表面分布着许多小坑,且附着大量胞外分泌物。FT-IR进一步分析显示单质硫表面被一些含有醛、酮或酰胺的官能团等两亲性物质所修饰。非靶向代谢组分析表明,单质硫条件下有84种代谢产物表现出差异。其中在POS模式下S-羧甲基-L-半胱氨酸以及S-腺甘甲硫氨酸等含有巯基结构的物质高表达且差异表达,暗示它们可能参与了单质硫活化。综上,本研究丰富了海洋化能自养硫代谢菌种资源,揭示了热液区硫单胞菌代谢多样性及热液环境适应性机制;首次报道硫单胞菌具有外排单质硫特性、以及耦合氢氧化的硫还原代谢机制。研究结果为认识硫单胞菌在深海热液生态系统中的贡献具有参考价值,也为热液微生物资源开发利用提供了新的菌种。