海洋沉积物中蕴藏着丰富的微生物资源,其估算细胞的数目达到2.9×1029个,与估计的海水中微生物丰度相当。但是由于缺少培养物,大部分微生物的生理特征和代谢方式以及生态功能未知。古菌是海洋沉积物中微生物群体的重要组成部分,深古菌（Bathyarchaeota）是典型的未培养古菌,在海洋沉积物中普遍存在并且具有较高的丰度。据估算,全球的深古菌细胞数目达到2-3.9×1028个,是全球丰度最高的微生物之一。然而,目前有关深古菌的代谢特征和生态功能还有待揭示。本研究结合分子生态检测和微生物富集培养等技术综合研究了海洋沉积物中深古菌的生理特征及其在海洋沉积物中发挥的生态功能,有助于我们阐明古菌在地球化学循环中的重要作用。本研究设计出了新的深古菌16S rRNA基因的特异性引物,它们相较之前发表的引物对于深古菌序列有更高的覆盖度和扩增效率,可以用来检测海洋沉积物环境中深古菌的丰度,也可以用来检测富集培养中深古菌生物量的变化。通过分析南海沉积物柱（神狐:CH02和东沙:DS05）中深古菌的丰度及其与环境因子的相关性,发现深古菌的丰度与沉积物中总有机碳（Total organic carbon,TOC）的含量有着显著的相关性。暗示南海沉积物中深古菌具有异养的代谢方式,在海洋沉积物有机质的降解过程中发挥了作用。深古菌16S rRNA基因的多样性分析结果显示:Bathy-2,Bathy-8,Bathy-10是南海深海沉积物中优势的深古菌亚群;优势亚群Bathy-8趋向存在于氧化还原电势较低的底层沉积环境中;优势亚群Bathy-10趋向存在于氧化还原电势较高的表层沉积环境中,反映出不同的深古菌类群存在不同的代谢特征和环境适应性。本研究还尝试通过添加不同类型的有机底物（油酸、苯酚、酪蛋白、木质素和纤维素）进行深古菌的富集培养,并利用上文设计的深古菌特异性引物检测富集培养后的深古菌丰度。在长达11个月的富集培养后,Q-PCR结果显示,相对于原始样品,深古菌的细胞丰度在添加了木质素的富集组中增加了17倍。通过深古菌多样性分析,发现木质素组中富集生长的深古菌属于亚群Bathy-8。木质素作为陆源输入有机质的重要组成部分,属于惰性有机碳,难以被微生物利用,在河口和沿岸的海洋环境中普遍存在。该实验结果表明深古菌可能在重要陆源有机质（木质素）的降解过程中发挥了重要作用。将深古菌富集物进行宏基因组测序,从中获得了深古菌亚群Bathy-8的两个较为完整的基因组Bin-L-1和Bin-L-2,发现它们都具有完整的还原型乙酰辅酶A途径（也称Wood–Ljungdahl,WL）。并且在其中发现了参与木质素或芳香族化合物降解的酶:4-oxalocrotonate tautomeras（praC/xylH）和catalase-peroxidase（katG）。深古菌参与木质素降解的过程尚有待进一步阐释,未来有望结合转录组、蛋白质组和代谢组的数据进一步挖掘。在已获得的大部分深古菌基因组中都发现WL途径,推测深古菌具有固定CO2的功能,但没有直接生理验证。本研究利用13C标记的无机碳对深古菌进行富集培养,检测古菌膜脂的同位素组成,发现在木质素组中膜脂bp-0,bp-1和bp-2有显著13C标记信号。在没有添加有机质富集的对照组中,没有检测到13C标记的膜脂bp-0,bp-1和bp-2。结合分析古菌的丰度和多样性数据,结果表明该标记的bp-0,bp-1和bp-2来自于深古菌。本研究首次从生理学的角度证实了深古菌固定无机碳的特性,并且发现该现象只在添加了有机物（木质素）的情况下存在,揭示了深古菌的异养代谢和自养代谢同时存在的特征,同时本研究也揭示了深古菌在海洋沉积物碳循环过程中发挥的重要作用:降解惰性有机碳（木质素）的同时将无机碳转化成有机碳,实现惰性有机碳和无机碳的循环再利用。