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自然界中的微生物无所不在，物种极其丰富，他们广泛参与各种地球物理化学循环，极大地丰富了物种多样性，对自然界的发展起到重要的作用。因此，微生物的研究对地球生态系统和人类都具有重要意义。近年来，宏基因组学的发展日新月异，利用宏基因组学研究手段可以克服微生物菌株分离培养的局限性，极大地扩大了可研究微生物的范围。同时，下一代高通量测序技术的发展使得对这些环境中的微生物进行测序成为可能。然而，自然环境中的微生物群落通常复杂度极高（如海洋、土壤等），同时由于技术限制，测序产生的数据覆盖度不够，这些困难使得在这些环境中难以拼接得到完整的微生物基因组。因此，宏基因组测序产生的海量数据使得生物信息学面临巨大的机遇和挑战，同时，从生物学角度对群落微生物的相关特性进行研究更是至关重要。总体来说，采用宏基因组测序产生的海量数据对微生物群落从物种组成、基因功能、社会关系和进化水平等各个角度进行研究非常迫切。 在已经测序的环境宏基因组中，酸矿水微生物群落是其中的一个典型。这个微生物群落的物种复杂度低，并且已经拼接出了主要微生物的接近完整的基因组。因此，之前在单基因组中的相关研究方法可以类似地用于该宏基因组的研究之中，这为我们的研究提供了极大的方便。本论文结合已有的宏基因组基因注释软件和本组发展的翻译起始位点预测软件，从基因组序列出发，对典型环境酸矿水中的微生物群落进行了基因注释，根据注释结果定量探索了翻译起始机制、社会关系和水平基因转移等一系列问题。最后介绍一个比较宏基因组学分析工具MetaComp。 本文首先对酸矿水中微生物的基因以及翻译起始位点进行注释。众所周知，翻译起始机制对于理解生命的起源和进化有重要的意义。之前对单基因组的研究表明，原核生物使用的翻译起始机制主要是SD信号引导的翻译起始和leaderless的翻译起始。本文分析发现，在酸矿水微生物中，这两种机制仍然是绝大多数物种采用的翻译起始机制。同时，在酸矿水微生物中发现了大量的非典型信号，可能对应其他类型或是未发现的翻译起始机制，仍然需要进一步的研究。 其次，酸矿水微生物是一群具有相同生活环境（酸性水环境）的微生物组成的典型群落，它们彼此之间可能存在着复杂的社会关系。本文通过对基因功能分布及代谢网络的分析，发现这些微生物存在着合作竞争等多种多样的社会关系，同时与环境本身有着积极的交互。例如， Leptospirillum ferrodiazotrophum“无私”的利他主义固氮功能对群落的成长可能极为重要;酸矿水细菌和古细菌对脂肪酸的合成和代谢可能呈现类似于Syntrophomonas wolfei和Methanospirillumhungatei的共生关系;随着群落逐渐发展成熟，各类微生物含量逐渐趋于饱和，酸矿水微生物之间为了有限的资源有比较激烈的竞争关系;酸矿水微生物中大量的多胺转运蛋白potE，也表明了这些微生物与环境之间活跃的相互联系。 再次，作为一个生活在极端环境中的群落，酸矿水微生物的进化引人关注，而水平基因转移是微生物进化推动力的重要一种。本文通过进化分析的方法，确定了14个高度可信的有酸矿水微生物参与的基因水平转移事件，并对其中两个案例的生物学意义进行了分析。研究发现，G-plasma通过从两个Leptospirillum细菌的水平基因转移获取具有抗生素耐药性的核糖体蛋白操纵子，而这些蛋白对于其与其他微生物的竞争至关重要，可能是G-plasma成为酸矿水古细菌中最大群落的重要原因。 Ferroplasma fer1和Ferroplasma fer2可能从两个Leptospirillum细菌中获取了对抗酸性环境起重要作用的谷氨酸脱羧系统GAD，进一步加强它们对极端酸性环境的适应性。这些水平基因转移事件与微生物在环境中的生存都非常相关，表明水平基因转移对酸矿水微生物的重要性。 最后，针对宏基因组研究直接反映生物具体生活环境这一特性，进一步的比较宏基因组学分析可以将具体的微生物群落特性与特定生活环境特征，或是不同生活环境特征有效结合起来。因此我们开发了宏基因组的比较分析工具MetaComp，并以两个典型的宏基因组比较分析问题为例，阐述了具有显著差异的特征与具体环境之间的相关性。 总体来说，本文以宏基因组序列信息为基础，结合生物信息学工具的开发和使用，以酸矿水微生物群落为例，进行了一系列生物学问题包括翻译起始机制、社会关系和水平基因转移的研究，对该微生物群落有了更深的理解。这些工作的结果为生物学试验提供了依据和线索，充分表明了将生物信息学手段和实际生物学问题结合起来进行研究的巨大作用和重要意义。同时，对这些工作的总结有助于我们进一步深入研究微生物群落的各种特性。