海洋是地球系统最大的碳汇载体，海洋微生物依托生物固碳作用参与全球碳循环初级生产，对维系海洋碳汇平衡、保障海洋“生物泵”核心功能具有不可替代的作用。长期以来，传统“先培养、后筛选”的研究模式，严重制约海洋功能微生物资源的挖掘与利用。

多数海洋固碳微生物营养需求复杂、生长缓慢，难以实现实验室纯化培养；即便成功分离，其倍增时间长达数周甚至数月，远慢于普通异养细菌。同时，实验室培养与真实海洋环境差异显著，菌株实验室测得活性与原位功能常存在偏差。受此制约，大量高生态价值但低丰度的固碳微生物长期“隐身”于常规测序数据之中，成为亟待挖掘的海洋“微生物暗物质”。

针对上述难题，研究人员建立整合¹³C同位素标记、高通量拉曼流式细胞分选与微孔培养的单细胞分选耦合培养新方法（scRACS-Culture）。团队以黄海海水为研究对象，通过追踪微生物细胞吸收¹³C标记的碳源后，类胡萝卜素拉曼特征峰的偏移，实现原位活跃固碳细菌的功能识别与靶向分选。相较于传统富集培养90天以上的周期，该体系将样品采集到获得纯培养菌株的全流程缩短至7天以内，获得6株可纯培养的固碳功能菌株，这些菌株均未被常规16S rRNA基因扩增子测序检出，凸显该技术挖掘低丰度功能类群的独特优势。

基于拉曼流式的低丰度海洋功能微生物挖掘流程

本次筛选获得的Paraburkholderia aromaticivorans FR-4菌株具有突出研究价值。基因组解析与生理实验证实，该菌为兼性化能自养型亚硝酸盐氧化菌（NOB），基因组携带完整的亚硝酸盐氧化编码基因（nxrA、nxrB）与卡尔文循环固碳核心基因（rbcL、rbcS等）；同时携带编码碳酸氢盐转运蛋白与碳酸酐酶基因，构成典型的碳浓缩机制，保障其在低碳寡营养海洋环境下对无机碳的高亲和力。

实验证实，FR-4菌株可利用亚硝酸盐作为电子供体，以二氧化碳、碳酸氢盐为唯一碳源完成自养生长，首次从实验层面证实该菌株的亚硝酸盐氧化与生物固碳的耦合代谢能力。该菌还拥有完整芳香族化合物降解通路，能以二甲苯为唯一碳源实现异养生长，兼具自养固碳与芳烃降解双重功能。这种代谢可塑性赋予其极强的近海环境适应能力，也为近海石油烃、芳香烃污染的原位生物修复提供了新型菌种资源。

该研究提示，近海海域可能存在不少类似FR‑4、兼具化能自养固碳与有机污染物降解能力的低丰度隐性功能菌群。这类菌群受限于丰度，很难被常规组学手段捕获，它们在近海碳氮循环、污染物消减过程中的实际生态价值，仍被严重低估，是海洋微生物研究值得关注的方向。未来将推动scRACS‑Culture平台与海洋长期观测、原位代谢速率研究结合，为挖掘海洋“微生物暗物质”提供功能导向的技术路径。

相关研究成果发表于Bioresource Technology《生物资源技术》。青岛能源所联合培养硕士生成栋、鲁东大学徐智广教授为该论文共同第一作者，青岛科技大学荆晓艳教授与青岛能源所单细胞中心徐健研究员为共同通讯作者。该研究得到了自然资源部第三海洋研究所邵宗泽研究员、南非开普敦大学Emma Rocke博士的帮助，在国家自然科学基金资助下完成。（文/图 刘阳）

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2026.135775

Dong Cheng#, Zhiguang Xu#, Yishang Ren, Huihui Pan, Guangxia Ma, Zongze Shao, Emma Rocke, Xiaoyan Jing*, Jian Xu*. Functional screening and single-cell cultivation of marine CO₂-fixing bacteria via flow-mode Raman-activated cell sorting. Bioresource Technology, 2026, 464:135775.