海洋是地球至关重要的巨型碳汇，近海海域的微生物主导碳氮元素循环，驱动海洋生物碳泵运转。

但大量海洋固碳微生物生长缓慢、原位丰度极低，属于典型的海洋微生物暗物质。传统 “先富集、后筛选” 模式不仅周期长达数月，还会优先扩增快生长的优势异养菌，极易丢失原位真正发挥功能的低丰度菌株。与此同时，扩增子测序、宏基因组仅能提示微生物的遗传潜力，无法证明细胞在环境中真实具备固碳代谢活性，给海洋功能菌种挖掘带来巨大阻碍。

想要挖掘海洋原位活性固碳微生物，核心难点就是从高度复杂的海水微生物群落中，捕获真实具备 CO₂固定能力的活细菌。

这类功能菌群在海水中丰度极低，低于常规 16S rRNA 扩增子测序检出阈值；传统富集‑涂布分离手段耗时漫长，且经过多代富集后，往往筛选得到实验室条件下生长占优，但原位活性存疑的菌株。

本研究采用 ¹³C‑SIP‑scRACS‑Culture 技术开展功能单细胞识别与分离，依托星赛生物高通量拉曼流式细胞分选仪FlowRACS完成功能单细胞的识别与分选工作。

Fig. 1. 利用拉曼激活单细胞分选-培养系统（scRACS-Culture）挖掘海洋固碳细菌的工作流程

NaH¹³CO3 孵育体系下，原位活跃固碳的微生物会将 ¹³C 同位素整合至胞内类胡萝卜素分子，产生特征性拉曼峰偏移信号；仪器基于该光谱特征识别目标单细胞，结合微流控光学分选与单细胞培养，仅 7 天就成功获得 6 株低丰度海洋固碳纯培养菌株，核心代表菌株为 Paraburkholderia aromaticivorans FR‑4。

Fig. 2. 利用 scRACS-Culture，模式固碳细菌的拉曼光谱表征以及单细胞分选‑培养验证。（a）模式固碳细菌的代表性单细胞拉曼光谱，v1、v2、v3是色素相关拉曼特征峰；（b）模式固碳细菌经 NaH¹³CO3 孵育后，色素相关拉曼特征峰的偏移；低通量（c）和高通量（d）的单细胞分选和培养

Fig. 3. 利用高通量的拉曼流式技术检测海洋微生物群落在原位 NaH¹³CO3 孵育过程中的动态的拉曼偏移

Fig. 4. NaH¹³CO3 孵育过程中微生物群落结构与固碳细菌组成的时间动态变化

Fig. 5. 经单细胞分选培养得到的海洋固碳细菌的拉曼光谱表征。(a) 分选得到的目标细胞代表性单细胞拉曼光谱；(b) 6 株分离菌株（FR‑1 至 FR‑6）的物种分类、原始群落丰度、类胡萝卜素存在情况、初步固碳活性汇总表；(c) scRACS‑Culture 获得的 6 株纯培养菌株 FR‑1~FR‑6 的单细胞拉曼光谱；(d) CO₂曝气培养系统示意图

拿到目标菌株之后，研究团队开展系统的多组学与生理功能解析。

1. 证实化能自养能力，解析完整代谢通路

结合 OD 监测、血细胞计数，证实 FR‑4 可以亚硝酸盐为电子供体，以 CO₂/ 碳酸氢盐作为无机碳源实现自养增殖。

Fig. 5. 经单细胞分选培养得到的海洋固碳细菌的功能验证。(e) FR‑4 菌株在不同条件下培养 120 h 的生长动力学，以 OD₆₀₀监测；(f) FR‑4 菌株在完整 CE 培养基（添加碳酸氢盐 + 持续通入 1% CO₂）条件下，利用血细胞计数获得的 120 h 内细胞浓度变化； (g) FR‑4 菌株利用二甲苯的生长能力

借助基因组注释重构代谢通路，确认菌株携带完整亚硝酸盐氧化基因簇（nxrA、nxrB） 、卡尔文循环核心固碳基因（rbcL、rbcS等），同时携带编码碳酸氢盐转运蛋白、碳酸酐酶的基因，组装形成高效碳浓缩机制，适配海洋寡碳环境。

Fig. 6. FR‑4 菌株的化能自养固碳、类胡萝卜素生物合成、亚硝酸盐氧化产能的代谢模型

2. 表型 + 基因组双向验证，兼具芳烃降解的异养代谢潜能

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，有机污染物充足时进行异养增殖；碳源匮乏时，切换为亚硝酸盐氧化驱动的化能自养模式维持种群，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。

该研究完整搭建了 “活性功能菌分选获取 — 代谢通路解析 — 生理表型验证 — 生态意义评估” 的研究方案。¹³C‑SIP 耦合 FlowRACS 的技术体系，为复杂海洋环境样本中低丰度功能微生物挖掘提供了区别于传统培养的全新路径。星赛生物 FlowRACS 平台承担了单细胞识别、高通量分选的关键实验环节，帮助捕获原位真实具备 CO₂固定活性的目标菌株。

星赛生物持续深耕拉曼组学与单细胞拉曼分析分选装备研发，面向海洋碳汇研究、环境微生物、污染生物修复、合成生物等科研与应用场景，可为高校、科研院所、海洋环保研发机构提供标准化仪器平台、配套数据分析方案以及全套单细胞实验技术支撑，助力挖掘环境功能微生物、解析复杂微生物群落代谢机制。