首先，微生物的时空分布、丰度和多样性是所有环境都涉及的有关微生物的最基本问题。有关极端地质环境微生物的丰度和多样性的认识存在很大的争议，主要是由它们存在巨大的空间差异以及研究程度低造成的。在海洋极端地质环境，需要加强海底沉积物及其不同深度的微生物研究。在大陆深部地下环境，需要加强超深钻探微生物的原位监测与研究。对于深时极端地质环境，需要加强各地质时代，特别是前寒武纪微生物的空间分布、丰度和多样性研究，并特别需要相关新技术的突破。
其次，微生物的生态学和生物地球化学功能及其对极端地质环境的改造作用也是一个核心问题。生物与环境之间是存在相互作用的。需要强调的是，微生物不是在被动地适应环境，而是具有主动改造环境的功能。地下油气藏的异常环境和地表的酸性矿坑水环境都是不同微生物作用于极端地质环境而形成的特殊环境。在不同极端地质环境条件下，微生物与微生物之间、微生物与地质环境之间的物质和能量是如何传递与交换的？调控机制又是什么？有哪些生态效应？在全球背景下，极端地质环境微生物如何反作用于气候环境变化？这些都是核心的前沿科学难题。
最后，微生物与地质环境的协同演化是另一个关键科学问题。地球的宜居性与微生物的正面或负面作用关系密切，氧气的产生和含量就是一例。尽管“生命之树”根部的微生物大多起源于极端地质环境，但人们对具体的起源时间和各类微生物功能群不同属种的演化等关键问题都不清楚，这直接影响了某类特定微生物功能群演化树的构建。可以说，目前还没有构建出任何一类微生物功能群可靠的演化树，因此对这些微生物起源和演化的环境背景以及它们之间的协同演化也很不清楚。
根据目前我国的发展状况与未来发展的需要，结合国际发展趋势，未来5～10 年着重开展六个方向的研究工作。前三个方向分别与深海计划、深地计划和深空计划相关，服务国家重大工程计划；第四个和第五个方向分别与微生物种质资源、生物安全和生态安全有关，服务国家重大需求；最后一个方向则服务于地球系统科学的发展。这六个方向既符合国家自然科学基金委员会的“三深一系统”的长远规划，又体现了基础研究与国家重大需求结合的国家发展战略。
（一）深海计划的微生物及其资源环境效应
需要继续开展海底沉积物、热液、冷泉、深渊、俯冲带、大洋中脊、缺氧带等核心地区的微生物研究。深渊是连接海洋表层和深部的关键纽带，俯冲带和大洋中脊是连接地球表层与地球深部的重要抓手，这三个地区的研究对地球系统科学尤其重要，但目前有关地质微生物的研究基本处于空白状态。
（二）深地计划的微生物及其资源环境效应
陆地深部地下生物圈除了黑暗，还具有一些特殊的环境特征。需要开展典型油气藏、地下煤层、洞穴、深湖底部及其沉积物、泥炭沼泽深部、地下水、超深钻、深大断裂带、地下CO2 储层、地下核废料储层等关键地带的微生物研究。
（三）深空计划的天体生物学
天体生物学是典型的交叉学科，需要多个学科团队、多个实验室的通力合作，多角度共同探索地外宜居性环境，为地外生命探测提出可靠建议。通过国际合作并建立合作共享数据库，加快研究进程，并将其运用于本国的空间探测和地外生命探测任务。
（四）极端地质环境微生物与种质资源
陆地热泉、雪冰和盐碱湖的微生物主要与种质资源及其工业利用有关，可以聚焦关键功能基因的研究。酸性矿坑水、重金属污染区、农药及抗菌药污染区等可以聚焦微生物对各类污染物的降解或分解作用，以便为地质环境的保护和治理服务。
（五）极端地质环境微生物与生物安全
目前人们对深地病毒的认识还十分薄弱，但病毒致病性及对人类健康的危害有目共睹。开展深地病毒的多样性及其在生态系统中的作用研究，进而评估它们潜在的致病性等将极大地提高人们对开发地下空间的生物安全意识，合理科学地规避和控制风险。地下空间环境，尤其是深地环境对人类生理、心理以及病理的影响规律及其机制研究尚属空白，深地医学需要尽快发展。
（六）深时极端地质环境微生物与地球系统科学
深时极端地质环境的微生物很好地记录了地球系统各圈层之间的相互作用，是发展地球系统科学的关键抓手。须开展前寒武纪两次大氧化时期、“雪球地球”时期、显生宙生物大灭绝时期、极热时期等关键地质突变期的地质微生物及其地质演化研究，对比研究揭示地质微生物与极端气候环境之间的相互作用，形成系统理论。
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