生长温度为中温至中等嗜热，适宜酸碱度中性，运动或不运动，自由生活或共生。细胞呈杆状或球状。专性好氧，有些能利用尿素或氰酸盐作为能源和氮源。自养生长，通过3-羟基丙酸/4-羟基丁酸途径固定CO₂，有些可能需要有机质来支持生长。能合成维生素B₁₂，细胞膜脂主要成分为泉古菌醇（Crenarchaeol）。

长期以来，人们普遍认为古菌是专性极端微生物，主要生活在高盐、高温、低pH或严格厌氧等环境中。然而，1992年，海洋古菌类群Ⅰ（Marine Group I; MGⅠ）和海洋古菌类群Ⅱ（Marine Group Ⅱ; MGⅡ）在中温和有氧海水中的发现颠覆了人们对传统古菌的认识。之后证明，MGⅠ是海洋中分布最广泛、数量最多的原核生物之一，在中层水体和深海区中可达到浮游细菌总量的40%。2004年，Venter等对大西洋马尾藻海浮游生物进行宏基因组测序，发现MGI具有类似于细菌编码氨单加氧酶（ammonia monooxygenase; AMO）的关键基因amoA。2005年，Könneke等从西雅图水族馆成功分离到第一株海洋氨氧化古菌（Nitrosopumilus maritimus SCM1^T），证实了古菌也能够催化氨氧化过程。氨氧化古菌（AOA）的发现从根本上改变了上百年来人们对氨氧化过程由细菌主导驱动的传统认识。随后的大量分子证据表明，古菌氨单加氧酶基因amoA广泛存在于海洋环境中，暗示AOA在海洋硝化过程中发挥着重要作用。

已知的氨氧化古菌基本可以分为四大类：GroupⅠ.1a，GroupⅠ.1b（SCG），GroupⅠ.1a-associated（SAGMCG-1）和HWCGⅢ（ThAOA）。根据16S rRNA基因的系统进化地位，他们分别属于Thaumarchaeota门Nitrososphaeria纲的4个目，即Nitrosopumilales、Nitrososphaerales、Candidatus Nitrosotaleales以及Candidatus Nitrosocaldales。海洋氨氧化古菌几乎全部属于GroupⅠ.1a（Nitrosopumilales）。常见的一些海洋AOA种属包括Nitrosopumilus、Candidatus Nitrosoarchaeum、Candidatus Nitrosopelagicus等。已有4个海洋AOA获得纯培养，包括Nitrosopumilus maritimus SCM1^T、Nitrosopumilus ureiphilus PS0^T、Nitrosopumilus cobalaminigenesHCA1^T、Nitrosopumilus oxyclinaeHCE1^T，其中Nitrosopumilus maritimus SCM1^T是研究海洋AOA的模式菌株。此外，至少有14个海洋AOA从大洋、近海、北极、河口等表层水和沉积物中成功富集，另有超过50个海洋AOA的基因组数据得到公开，并且这个数目还将持续增加。然而，绝大部分可培养的海洋AOA仅局限于Nitrosopumilus和Candidatus Nitrosoarchaeum属，已描述的AOA并不代表海洋中最优势的进化分支。尽管Nitrosopumilus maritimus SCM1^T作为研究海洋AOA的模式菌株，但以其为代表的进化分支仅占到海洋AOA的8%，而海洋中最主要的AOA进化分支仍缺乏可培养菌，其功能作用尚不清楚。

氨氧化古菌都有独特的氨单加氧酶，通过该酶将氨氧化为羟胺（NH₂OH），再进一步氧化为亚硝酸根。然而与氨氧化细菌（ammonia oxidizing bacteria; AOB）不同的是，古菌的基因组中一直未能找到与细菌类似的羟胺氧化酶（hydroxylamine oxidoreductase; HAO）同源体，古菌如何进行羟胺的氧化仍然是未解之谜。此外，海洋AOA都编码第四个氨单加氧酶基因amoX。除了能氧化氨获得能量，部分海洋AOA如N.ureiphilus PS0^T、Ca.N.piranensis D3C还能利用尿素，而N.maritimus SCM1^T能代谢利用氰酸盐（cyanate），将其转化为铵以供给自身进行氨氧化作用。由于缺少氰酸酶编码基因，海洋AOA的氰酸盐代谢机制异于土壤菌株如Nitrososphaera gargensis。AOA能直接或者间接利用海洋环境中广泛存在的尿素和氰酸盐作为能源和氮源，进一步驱动海洋氮循环过程。

不同于AOB通过卡尔文循环固定碳，AOA通过最节能的好氧3-羟基丙酸/4-羟基丁酸途径（3HP/4HB）固定HCO₃^-进行自养生长。除自养代谢外，AOA还含有有机碳代谢途径，可进行混合营养型生长，能直接利用有机碳源。从海洋中分离的三株专性混合营养型的氨氧化古菌PS0^T、HCA1^T和HCE1^T在进行氨氧化时需要添加少量有机质如丙酮酸、草酰乙酸或a-酮戊二酸来维持生长。海洋氨氧化古菌同时营化能自养固碳并耦合同化吸收海水中的有机物质，以及它们对尿素、氰酸盐的代谢能力揭示了其生理代谢方式的多样性及其在海洋生态系统食物网中的重要作用。

海洋氨氧化古菌对氨具有很高的底物亲和力。氨氧化动力学的半饱和常数（Km值）为0.13～0.61微摩尔/升（μmol/L）（NH₃⁺NH₄⁺）。其中，SCM1^T对底物铵的亲和力高达687001g^-1·cells·h^-1，最大的氨氧化速率可以达到12.7fmol·cell^-1·d^-1，最低的氨氮利用浓度为10纳摩尔/升（nmol/L），氨氧化Km值仅为0.133微摩尔/升（μmol/L），远低于已知最低的硝化细菌Km值（1.9～4.2微摩尔/升），其氨氧化动力学规律与原位海洋硝化过程较为吻合。AOA极高的底物亲和力和利用效率，很好地揭示了其适应极端寡营养海洋环境的机理。

已知的海洋氨氧化古菌适宜生长温度范围在22～32℃，适宜酸碱度范围在6.8～7.3，盐度范围在25‰～37‰。AOA适应于海洋环境并且在氮循环中发挥重要作用，一方面得益于其高效的氨氧化和碳固定系统，另一方面在于其富含铜的呼吸系统，在铁受限的海洋环境中可以减少对铁的依赖。此外，AOA的膜脂组成为GDGT（crenarchaeol作为特征性组分），膜脂的低渗透性也是AOA适应于寡营养环境的重要机制之一。

氨氧化古菌的生态位非常广，包括土壤、海洋、河口、湖泊、热泉等。在海洋生态系统中，它们广泛存在于海洋透光层、深海低氧区水柱、沉积物、热液羽流、河口近岸、珊瑚礁以及海绵等，是海洋环境中数量最多、分布最广的原核生物之一，可以占到海洋原核生物总量的20%～40%。尽管AOA广泛分布并且系统进化多样性很高，但是它们在全球的分布和丰度极不均匀，海洋中90%以上的AOA属于GroupⅠ.1a，而土壤和陆地中主要的AOA为GroupⅠ.1b。尽管全球AOA几乎平均分布在GroupⅠ.1a和GroupⅠ.1b中，但其中一半又集中于少数几个进化分支，在大多数生态系统中极少数高丰度的进化分支占据了主导地位。海洋中不同生境的AOA呈现明显的生态位分化，通常存在截然不同的特定的生态型，如沉积物分支、海水分支、共生分支、河口近海分支等。海水和沉积物中的AOA几乎属于几个相互独立的系统进化分支，并且沉积物的AOA多样性更高，而河口近海环境中AOA多样性最高。可能受到底物浓度、光抑制等的影响，海水AOA在不同水深也分化出特定的浅水柱和深水柱分支，然而这种区分并不是绝对的。

在寡营养的海洋环境中，AOA对硝化作用的贡献率通常大于AOB。对低浓度底物的适应性以及对底物亲和力的差异是AOA和AOB生态位分化的主要影响因子。此外，盐度、温度、溶解氧水平、光照等都是影响AOA生态分布的重要因素。海洋AOA还倾向于生活在低溶氧水平的环境中，它们对O₂的高亲和力，使其在海洋环境中经常与厌氧氨氧化（Aanammox）或反硝化作用耦合。在一些大洋氧最小层（oxygen minimum zone; OMZ），AOA和AOB可以为Anammox提供30%～40%的亚硝酸盐。最近还发现AOA也是N₂O排放的主要贡献者，AOA、AOB和反硝化菌可能贡献了全球70%的N₂O。AOA除了在硝化作用过程中产生释放N₂O外，它们可能还通过亚硝酸盐还原酶NirK广泛参与了反硝化作用。

氨氧化古菌在海洋中广泛存在，它们的发现改变了人们对传统海洋氮循环的认识。现在普遍认为，氨氧化古菌是海洋硝化过程的主要驱动者，在海洋碳、氮元素循环中发挥重要作用。氨氧化古菌不仅影响海洋环境中氮的形态及其可利用性，并且是大洋上层水体中温室气体N₂O的主要贡献者以及甲烷的可能间接来源。它们对海洋酸化和其他与气候变化有关的物理化学变化的响应也具有全球意义。

对海洋氨氧化古菌生理代谢、遗传特征和生态功能的认识仅仅是冰山之一角。仅得到约18个海洋氨氧化古菌纯培养株或富集物，而海洋中最优势的AOA仍然缺少可培养菌，其功能作用仍不清楚。进一步分离培养AOA，并借助新一代高通量测序、宏转录组学和单细胞分析技术，并结合各种原位分析手段（SIP和二次离子质谱技术）和其他地球化学研究方法，将有助于更深入探索AOA在海洋生态系统元素循环和物质转化中的功能和作用。