水生微生物學處於微生物生態學、海洋學和全球生物地球化學的交叉點，水生微生物驅動的元素循環對地球系統的調節功能正被系統性量化。
海洋微生物組的組學時代
Craig Venter 的全球海洋取樣（GOS, 2004-2007）和 Tara Oceans 計畫（2009-2013）以宏基因體學系統性調查全球海洋微生物多樣性，產生了數十 TB 的序列資料。Tara Oceans 的綜合分析（Sunagawa et al., 2015, Science）建立了包含 >4000 萬基因的海洋微生物基因目錄，揭示溫度是驅動全球海洋微生物群落結構的首要環境因子，並預測氣候變暖將導致熱帶海洋微生物多樣性向高緯度遷移（tropicalization）。
光合微生物的生態基因體學
Prochlorococcus 是微生物生態基因體學的模式生物。Rocap et al.（2003, Nature）和 Kettler et al.（2007, PLoS Genetics）的比較基因體學揭示：不同生態型基因體大小差異顯著（1.64-2.68 Mb），反映生態位分化和基因體精簡化（streamlining）。Prochlorococcus 和 Synechococcus 的 pan-genome 包含數千個「flexible genes」，這些基因存在於基因體島（genomic islands）中，透過噬菌體介導的水平基因轉移快速周轉。Prochlorococcus 噬菌體（cyanophage）攜帶光合基因（psbA、psbD），在感染過程中維持宿主的光合能力以延長光合能量供應——這是「噬菌體輔助代謝基因」（AMG, auxiliary metabolic gene）概念的經典案例（Mann et al., 2003, Nature; Breitbart et al., 2007, Environmental Microbiology）。
微生物碳泵與氣候
全球海洋吸收人為 CO₂ 排放的約 25-30%。微生物在此過程中的角色涉及多個機制：
- 生物碳泵效率：由 f-ratio（新生產力/總初級生產力）和 export efficiency 決定。矽藻因個體較大且形成聚合體，其碳沉降效率（export efficiency ~40%）高於原綠球藻（~10%），但後者因數量龐大仍貢獻可觀的總輸出。
- 微生物碳泵（MCP）：Jiao et al.（2010, Nature Reviews Microbiology）提出微生物透過代謝將活性 DOM（labile DOM）轉化為難分解的 RDOM（recalcitrant DOM），後者在深海的平均滯留時間 ~6000 年，是海洋中最大的有機碳庫（~662 Gt C）。
- 病毒分流（Viral Shunt）：全球海洋中噬菌體每天裂解約 20-40% 的細菌生物量（Suttle, 2005, Nature），釋放的 DOM 短路了傳統食物鏈的碳流，部分被微生物環路循環利用，部分轉化為 RDOM。
- 溫度敏感性：微生物呼吸對溫度的敏感性（Q₁₀ ≈ 2-3）高於光合作用（Q₁₀ ≈ 1.5-2），暗示全球暖化可能使海洋微生物從碳匯轉為碳源的風險——但實際的群落組成變化和適應效應使預測高度不確定。
氮循環的海洋微生物學
海洋氮循環的重大發現持續改寫教科書：
- 海洋厭氧氨氧化（Anammox）：Scalindua 等 Planctomycetes 在氧極低帶（OMZ）中催化 NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂，可能貢獻海洋固定氮損失的 30-50%（Kuypers et al., 2003, Nature）。
- UCYN-A：不產氧的固氮藍綠菌 UCYN-A 與 haptophyte 藻類共生，其基因體已極度精簡，缺乏 PSII、TCA cycle 和碳固定基因——最近被重新定義為 organelle-like 的「nitroplast」（Coale et al., 2024, Science），可能代表新的細胞器演化事件。
- 嗜氮硝化-反硝化耦合：沿岸沉積物中的硝化-反硝化耦合是移除活性氮的主要機制，但 DNRA（dissimilatory nitrate reduction to ammonium）在某些條件下優先保留氮，兩者的相對比例受 C:N 比和電子供體可用性調控。