碳元素是构成各种生物体最基本的元素，没有碳就没有生命，碳元素循环包括CO2的固定和CO2的再生。绿色植物和微生物通过光合作用固定自然界中的CO2合成有机物，进而转化为各种有机物；植物和微生物进行呼吸作用获得能量，同时释放出CO2。动物以植物和微生物为食物，并在呼吸作用中释放出CO2[1]。当动、植物和微生物尸体等有机碳化物被微生物分解时，又产生大量CO2。另有一小部分有机物由于地质学的原因保留下来，形成了石油、天然气、煤炭、等宝贵的化石燃料，贮藏在地层中。当被开发利用后，经过燃烧，又复形成CO2而回归到大气中[2]。
碳循环是生态系统中重要的生物地球化学元素循环之一[3]。微生物参与碳固定、甲烷代谢、碳降解等多个重要的碳循环过程，深入了解微生物群落在碳循环过程中的功能和作用，有助于获悉微生物对全球气候变化的响应、适应和反馈机制，这也是微生物生态学研究的关键问题之一[4]。微生物参与了固定CO2合成有机物的过程，但数量和规模远远不及绿色植物。而在分解作用中，则以微生物为首要[5]。据统计地球上有90％的CO2是靠微生物的分解作用而形成的。经光合作用固定的CO2，大部分以纤维素、半纤维素、淀粉、木质素等形成存在，不能直接被微生物利用。对于这些复杂的有机物，微生物首先分泌胞外酶将其降解成简单的有机物再吸收利用。由于微生物种类及所处条件不一，进入体内的分解转化过程也各不相同。在有氧条件下，通过好氧和兼性厌氧微生物分解，被彻底氧化为CO2；在无氧条件下，通过厌氧和兼性厌氧微生物的作用产生有机酸、CH4、H2和CO2等。微生物具有生物量大、种类复杂、代谢功能多样、相互作用关系复杂等特点，介导了碳循环多个重要代谢过程，如碳固定、甲烷代谢和碳降解等三个基本过程。具有相似功能的微生物类群构成微生物群落的基本功能单元，不同的功能群落共同调控和驱动碳循环各个过程，在响应全球气候变化、维持生态系统的功能和稳定方面有着不可替代的作用[6,7]。（作者：柳原）
图1 微生物驱动的碳循环过程
传统的研究多集中于微生物分离培养技术，无法覆盖绝大部分未培养微生物，并且无法深入解析碳循环过程中微生物群落的结构和功能，宏基因组学技术的出现克服了这些缺陷，成为研究微生物群落结构和功能的有效手段。碳循环过程的微生物调控机制、碳循环功能微生物类群对环境因子响应与反馈机制、碳元素与其它元素耦合循环的微生物联动机制以及功能微生物类群的种间关系等，都将是未来碳循环研究的重要内容。
氮循环是整个生物圈物质与能量循环的关键组成 ,也是海洋生态系统物质循环的重要组成部分 ,对维持海洋生态平衡和修复意义重大[8]。氮是海洋中所有生物必需的宏量营养素，含氮营养物质的有效性调节了大多数海洋系统的生物生产力，进而影响海洋中的碳循环。氮循环由复杂的微生物过程调节，如氮固定、氨氧化、硝化和去硝化。因此，了解微生物多样性与氮利用策略之间的关系是揭示海洋氮循环的关键。本实验室[9]为了更好地了解海洋不同氮状态下的细菌群落及其氮利用策略，我们采用高通量测序和实时qPCR相结合的方法，检测了西北太平洋(NWPO)的细菌多样性、重氮营养多样性和氮利用基因表达。
参考文献
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