微生物地理学（Microbial biogeography）是研究微生物多样性在空间和时间上的分布,微生物演替（Microbial succession）则是研究微生物群落随时间推移的变化,以及在新环境中如何定殖。微生物群落的地理分布和演替规律一直以来是微生物生态学的核心问题。南极位于地球的最南端,生物群落结构相对简单,微生物是极端环境下行使物质营养循环的核心。低温、寡营养和较少的人类活动使得南极地区成为研究微生物群落分布和演替的独特场所。南极菲尔德斯地区属于亚南极海洋性气候,其地质形成主要受火山、冰盖和海洋的影响,形成了海岸抬升阶地、冰缘、冰雪侵蚀等地貌,形成了以第三纪火山岩（Tertiary volcanic rock）和第四纪抬升海滩（Holocene raised beach）为主要地貌的地质特征。在2013²015年期间,中国科学院植物研究所、山东大学和武汉大学等单位的科考人员在南极菲尔德斯地区建立了12个永久性植物样方,用于研究海洋性南极植被（苔藓、地衣和发草）和微生物对气候变化的长期响应。本论文即是以南极菲尔德斯区域植物样方、阶地和冰盖前缘土壤作为研究对象,研究此区域微生物分布和演替规律,并发掘新的微生物资源和功能。首先,我们分析了菲尔德斯地区12个样方中土壤微生物（细菌、古菌和真菌）群落结构和多样性,发现根据土壤元素和环境因素的差异可以将样方分为两组（Group 1和Group 2）,分别位于第四纪抬升海滩地貌和第三纪火山岩地貌,而两组样方中的原核微生物也能明显区分开来。样方中的优势细菌门为放线菌门（Actinobacteria,24.2%）、酸杆菌门（Acidobacteria,14.7%）、变形菌门（Proteobacteria,15.1%）、绿弯菌门（Chloroflexi,12.3%）和芽殖单胞菌门（Gemmatimonadetes,7.2%）;优势古菌门为泉古菌门（Crenarchaeota,94.5%）和广古菌门（Euryarchaeota,5.5%）;优势真菌门为子囊菌门（Ascomycota,69.1%）、担子菌门（Basidiomycota,17.6%）和接合菌门（Zygomycota,4.5%）。其中Group1中丰富度较高的菌群为α-变形菌门（Alphaproteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）;而Group 2中丰度较高的菌群为Thermoleophilia纲和Geobacillus属。相关性分析表明,原核生物群落的分布与土壤元素组成最相关（Pearson检验,r=0.59,P<0.01）,其次是环境因子(土壤pH、总有机碳、NO₃^-和植被覆盖率（r=0.59,P<0.01）。推测Group 1中的特征元素P、S、Cl和Br来源于海岸抬升过程中海洋元素的输入,而Group 2中的特征元素Si、Al、Ca、Sr、Ti、V和Fe等地壳元素则来源于第三纪火山岩石的风化。未发现真菌群落与土壤元素和环境因子之间存在显著性差异,但蒙特卡洛检验表明元素Sr、Ti、土壤pH、海拔高度以及苔藓和地衣的种类对真菌群落的多样性存在显著性的影响。研究表明,不同地貌形成过程中土壤元素和营养物质富集的差异影响了土壤发育、植物生长和微生物的群落结构,而在此区域中土壤元素的影响更大。我们的研究为小尺度地理范围下历史偶然事件也可以是微生物群落分布的决定性因素这一观点提供了新的证据,同时也表明,南极半岛及周边岛屿是研究小尺度地理范围下微生物与历史偶然事件相关性的理想场所。其次,对菲尔德斯半岛抬升地不同阶地及各阶层土壤微生物群落的分布和演替规律的研究表明,企鹅岛阶地和长城站阶地的微生物组成存在很大差异。推测是由于两个阶地不同的地质背景造成的。企鹅岛阶地属于海岸抬升阶地,每个阶层具有明确的时间梯度序列;而长城站阶地是经海岸抬升、河（海）流冲刷和冰川侵蚀等多种地质因素形成。通过土壤元素及环境因素与微生物群落相关性的分析发现Na、Cr、Si、Mg、Al和pH与长城站阶地各阶层（除E层外）原核微生物相关,P、S、Br、TOC、含水量和NH₄⁺,与企鹅岛阶地各阶层（除S0层外）原核微生物相关。企鹅岛阶地的微生物多样性更高,其原核菌群在各层间呈现有序的变化。而长城站阶地的微生物群落在各层间差异较大,其变化并不按层高进行有序变化,较为混乱。但是两个阶地的最上层和最下层都呈现出最明显的差异,具有标志性物种,例如企鹅岛最下层的标志性细菌群有放线菌科和诺卡氏菌科等,最上层的标志性细菌群则为酸杆菌门;长城站阶地下层的标志性细菌群有Beijerincklaceae科、Crenotrichaceae科和Methylococcales目等。另外,两个阶地在一些特定属的水平上有相似的演替规律,例如阶地底层都有较多的具有硝化作用的硝酸螺菌属（Nitrospira）,而具有光自养能力的Rhodoplanes属随着阶层营养程度的提高均出现了丰度先增加后减少的趋势。研究结果表明,相比长城站阶地,企鹅岛阶地各阶层抬升的时间序列和微生物群落变化趋势相对清晰,因此更适合后期对海洋微生物向陆地微生物的群落变化、进化方向和代谢功能的更深入的研究。虽然两个阶地因地质形成原因的差异导致微生物组成和变化上不同,但也具有一些相同的演替规律。这可能是微生物在此区域为了适应从贫瘠到营养丰富变化的过程中所共有的规律。最后,在对南极科林斯冰盖前缘土壤中可培养细菌多样性的研究中,发现冰盖最前缘土壤中极地单胞菌属、冷杆菌属和黄杆菌属为优势菌属,随着土壤暴露时间增加,假单胞菌属和节杆菌属逐渐成为优势菌属。同时,从分离得到的171株细菌中鉴定了两株潜在新分类单元,并对其进行了多相分类学研究。确定其系统发育地位,将它们定为两个不同的新种,并分别命名为Flavobacterium collinsense 4-T-2^T（=CCTCC AB 2014004^T=LMG 28257^T）和Pseudorhodobacter collinsensis 4-T-34^T（=CCTCC AB 2014005^T=LMG28256^T）。另外,从科林斯冰盖前缘还筛选得到一株具有微量硝酸盐还原特性的节杆菌,其全基因组序列与系统发育树上相似菌株的全基因组ANI值均低于95%,GGDC值最高仅为24%,推测其为节杆菌属的一个新种。该菌株能在4℃、微量硝酸盐浓度（30μM）条件下进行硝酸盐还原反应,并确定低氧是其启动硝酸盐还原和进一步反硝化的关键因素。同时,发现了该菌株对培养基中的NO₃^-有聚集作用,其胞内NO₃^-浓度能比胞外NO₃^-浓度高出4,000³0,000倍,并且在胞内形成多层囊膜结构。转录组分析表明该菌株在有碳源或无碳源的条件下聚集NO₃^-时,ABC转运系统和MFS转运系统的基因均比对照组有更多转录量,说明该菌株能在胞内形成高浓度NO₃^-的特性与细胞膜上的跨膜转运系统密切相关。综上,本研究为探讨南极极端环境下的微生物群落分布和演替提供了新的思路,为南极微生物的生态监测奠定了基础;并通过获得新的、有潜在应用和研究价值的微生物菌株,充实了极地微生物资源库,为研究南极微生物的生态功能和环境响应提供了新的材料。