“四深”微生物的地质作用：从气候环境变化到生态灾难

“四深”微生物是指深海、深地、深空和深时环境的微生物,特别是细菌、古菌、真菌、病毒等。人们对“四深”微生物的了解非常有限,是亟待突破的地球生物学前沿领域。“四深”微生物的研究对理解地球生命起源、界定生物圈的边界条件、促进地球科学与生命科学以及行星科学之间的交叉融合具有不可替代性的贡献。随着我国深海、深空、深地等重大工程计划的推进,一系列与“四深”微生物有关的前沿科学问题不断提出,包括地质微生物与气候环境的相互作用、地质微生物的生物安全与生态安全、地质微生物参与的隐匿地质过程等。特别是,“四深”环境活性氧自由基对微生物的影响、地质病毒对生物演化和地质过程的影响等前沿领域都亟待突破。活性氧自由基能对生物分子、细胞、组织和器官,乃至整个生物圈的演化以及微生物地质作用都产生重要影响。病毒引发了现代和近代诸多全球性疫情爆发,地质病毒则可能对生物的背景灭绝和大灭绝以及一些地质过程产生影响。     

最近13ka以来长江中游古水文变化

长江中游是旱涝灾害频发区,但人们对该地区的古水文变化规律了解得很少.基于长江中游地区的大九湖泥炭沉积和 清江和尚洞石笋研究,综合集成4个古水文代用指标,重建了本地区13ka以来的古水文,探讨其变化规律,识别出持续时间 达千年以上的3个长时间尺度的较干时期(11.7~10.7kaBP、6.4~5.5kaBP、4.0~3.0kaBP)和3个长时间尺度的湿润期 (13.0~11.7kaBP、8.7~6.4kaBP、3.0~1.7kaBP).其中,8.7~6.4kaBP的长时间湿润期可能具有大区域性乃至全球性的特 点(全新世大暖期),对应于以定居的村落为规模的水稻种植发展.随后的6.4~5.5kaBP的长时间较干时期也具有大区域性 乃至全球性的特点,对应地出现了复杂的、具有国家性质的社会.长时间的湿润期之前或之后出现了长时间较干时期.此外,还 识别出5个短时间尺度的较干时期(9.8~9.2kaBP、9.0~8.7kaBP、5.0~4.2kaBP、1.7~1.1kaBP、0.7~0.0kaBP)与5个短 时间尺度的湿润期(10.7~9.8kaBP、9.2~9.0kaBP、5.5~5.0kaBP、4.2~4.0kaBP、1.1~0.7kaBP).长江中游地区大部分较 干时期表现出暖干的特点,这与北方的冷干现象不同.同时,湿润气候既可以出现在温暖时期,也可以出现在寒冷时期,水热配 置存在不稳定性.尽管古温度与古水文的关系比较复杂,但当温度从一种状态向另一种状态转变时,长江中游地区的干旱程度 加剧.长江中游古水文对古文化产生重要影响.      

湖北清江和尚洞洞顶植物叶片和土壤的类脂物对比及其意义

用GC-MS对湖北清江岩溶地区和尚洞洞顶植物叶片与该洞上覆土壤层中的类脂物进行了分析和对比。在植物叶片中检测出了一系列直链烷烃、脂肪酸、以及丙三醇、植醇和甾醇等类脂物,其中直链烷烃的碳数分布范围大体在C21～C36之间,以C29或C31为主峰且具有奇偶优势;脂肪酸的分布主要集中在中、短链脂肪酸内（C数<23）,以C16为主峰呈单峰型分布且具有偶奇优势;醇的分布很不规则,仅检测出丙三醇,植醇和三种甾醇,没有检测到脂肪酮类化合物。与之相比,洞顶上覆土壤层中检测出更加丰富的类脂物。类脂物具有如下特征:正构烷烃以C31为主峰,还存在低碳数正构烷烃和异构烷烃,如2-甲基、3-甲基、4-甲基、5-甲基、6-甲基、7-甲基、8-甲基等一系列的单甲基支链烷烃,这些支链烷烃显示了微生物的贡献;脂肪酸分布也以低碳数的C16为主峰,且低碳数脂肪酸的含量较植物叶片中明显的增加,同时一些异构和反异构脂肪酸（C14∶0,C15∶0和C17∶0）以及一些单不饱和脂肪酸（C16∶1,C17∶1,C18∶1和C20∶1）也被检测到,也表明土壤中的脂肪酸不仅存在高等植物的贡献,还存在微生物的来源;没有植醇,但出现姥鲛烷和植烷并检测到了一系列脂肪醇化合物,碳数分布在C21～C36之间;检测到一系列的酮,具有奇偶优势,碳数分布范围在C23～C30和C33。高等植物叶片和土壤的差异反映了微生物对高等植物类脂物输入到土壤过程的重要贡献。本研究工作不仅提供了该岩溶地区植物叶片的类脂物信息,还为研究土壤有机质的来源和植物叶片中类脂物在地质过程中的转变提供信息,更为研究岩溶地区滴水和石笋中类脂物的来源提供一定的参考。     

青藏高原希夏邦马峰地区雪冰有机质的气候与环境意义

从青藏高原希夏邦马峰达索普冰川海拔 6 4 0 0～ 70 0 0m(相当于对流层的中上部 )雪冰中检测出源于自然生物的有机化合物有C15 ～C3 3 正构烷烃、C6～C18的一元正脂肪酸、C2 4～C3 1的正脂族 2 酮及酯 ,但未能发现在对流层下部存在的稳定性较低的化合物 ,显示了对流层中上部与对流层下部在有机组成上不同的一面 .检出了源于石油残余物的姥鲛烷、植烷、C19～C2 9的长链三环萜、C2 4四环萜、C2 7～C3 5 的αβ型藿烷、C2 7～C2 9甾烷以及叠加于生物源上的正构烷烃 ,表明这一偏远的、处于对流层中上部的希夏邦马峰地区已受到人类活动有机质的污染 .污染源不在中国境内 ,而主要与世界上产油量最高的中东地区有关 ,并记录了海湾战争的影响 .一些有机指标与δ18O有很好的对应关系 ,可明显地划分出夏半年 (季风盛行 )和冬半年 (西风盛行 ) ,对本区乃至青藏高原大气环流有指示意义 .夏季风盛行时 ,正构烷烃nC17>nC2 9,正构烷烃的nC2 9/nC2 7,nC2 2 /nC2 1-,nC2 9/nC2 4,C3 0 酮 /C3 0 酯 ,C2 4四环萜 /C2 4三环萜等比值和CPIn 值降低 .而西风盛行时 ,正构烷烃nC2 9>nC17,正构烷烃的nC2 9/nC2 7,nC2 9/nC2 4,C3 0 酮 /C3 0 酯 ,C2 4四环萜 /C2 4三环萜等比值和CPIn 值升高 .     

构造微生物学:地球生物学研究的新理念

地球微生物学是地球生物学的核心分支,主要研究微生物与环境之间的相互作用.其中,一个非常重要的科学问题是在现代板块运动的理论框架下,微生物在驱动生物地球化学循环过程中如何与地球构造活动紧密相关.构造微生物学概念的提出就是要聚焦微生物活动与构造活动过程的协同研究.这样的视角能进一步加强固体地球科学家与微生物科学家之间的交流,使得双方可以更加有效地探索和理解构造和微观尺度上的地球系统的演化与发展.     

实验模拟氧化条件对微生物四醚脂的环境替代指标的影响

以古菌和细菌细胞膜脂甘油四烷基甘油四醚(GDGTs)为基础建立的古温度指标四醚指数(TEX86)与甲基化/环化指标(MBT/CBT),以及陆源输入指标(BIT)与干旱和盐碱化指标Ri/b,在海洋、湖泊、黄土-古土壤等沉积物的古环境重建中得到了广泛的应用.然而,利用这些微生物分子指标来重建古环境时,氧化等降解因素对GDGTs化合物,尤其是对细菌支链GDGTs的影响目前还不是很清楚.本研究通过过氧化氢模拟不同氧化程度对土壤中GDGTs化合物产生的影响,进而分析古菌和细菌GDGTs不同结构化合物抗氧化能力的差异,了解化学氧化降解对GDGTs各指标的影响.结果表明,古菌类异戊二烯GDGTs抗氧化能力低于细菌支链GDGTs,同时含环的古菌和细菌GDGTs抗化学氧化能力均要低于无环GDGTs.古菌GDGTs古温度指标TEX86在氧化过程中逐渐降低,在氧化条件下沉积的古菌GDGTs的TEX86指标用于古温度的重建存在低估的可能.在以无环细菌支链GDGTs为主的环境中,细菌MBT/CBT指标随氧化程度加深其重建温度基本不受影响.古菌与细菌GDGTs抗降解能力的差异导致陆源输入指标BIT指数随着氧化程度增加而升高,在地质体中应用此指标恢复古陆源输入存在高估的可能性.干旱化和盐碱化指标Ri/b随着氧化程度加深表现出逐渐降低的趋势,从而在应用上也可能存在低估.需要指出的是,实验室用的过氧化氢比自然条件下氧气的氧化作用强得多,本文的结论反映了一种比较极端的状况.     

海相碳酸盐烃源岩评价的地球生物学方法

中国前侏罗纪海相烃源岩评价的难点,在于其通常处于高-过成熟阶段,因而多数传统评价方法不适用.唯一常用的参数TOC（%）,在用于评价碳酸盐岩烃源岩时,其下限值在国内尚有争议.本文旨在寻找另一种途径以补充对此类烃源岩的传统评价方法,为此研究了中上扬子地台及黔湘桂盆地的19个显生宙剖面.我们应用了地球生物学途径,以追踪从生物生活阶段（初级生产力）到死后沉积阶段,再到埋藏保存阶段,有机碳（OC）的产出聚积.应用了四个生物学与地质学的参数,以代表上述三阶段有机碳的产聚状况.本文讨论了上述参数的一系列替代标志,并予以综合,从而建立了与TOC及其他传统方法评价不同的地球生物学评价体系.我们以四川广元剖面为例,进行了地球生物学评价.结果显示,碎屑岩中用地球生物学方法得出的优质烃源岩与高TOC烃源岩一致;但在碳酸盐岩中,地球生物学参数所选中的烃源岩,其TOC范围很广,为0.03%~1.59%,多数小于0.3%.因此我们认为,目前将华南前侏罗纪碳酸岩烃源岩的下限设为0.3%或0.5%,尚有可以进一步商榷之处.     

分子地质微生物学研究方法述评

微生物在诸如海洋、湖泊、土壤、冰川、洞穴等许多生态系统的地质过程中发挥着重要作用,国际上对一些单个生态系统的地质微生物研究进展及微生物类脂物碳同位素组成与碳循环的关系等已部分地进行了总结。从分子水平上总结了地质微生物研究进展,着重从核酸（16S rRNA、DNA）和类脂物（磷脂酸、藿醇）两大方面评述了分子地质微生物学的研究,重点剖析了地质历史时期的甲烷氧化细菌、绿硫细菌、蓝细菌等一些重要微生物类群的类脂物分子标志化合物特征,揭示了当今分子地质微生物研究领域最新的研究方法及其发展动态,指出单体稳定同位素研究和放射性同位素示踪的结合将使分子地质微生物学研究进入一个崭新阶段。     

植硅体稳定同位素生物地球化学研究进展

植硅体形态鉴定与组合分析广泛应用于古环境重建和农作物起源分析等.鉴于植硅体的抗腐蚀、抗降解,易保存,锢囚的碳不易污染,且保存了植物的原始信息等特性,其有机地球化学研究日益被重视.植硅体稳定同位素分析表明植硅体是植物通过吸收单硅酸,以蒸腾作用为主要动力,在植物的不同部位发生同位素分馏淀积形成,其稳定同位素组成具有丰富的植物生理和环境信息.植物不同部位植硅体稳定同位素组成具有差异,其含量和硅、氧同位素值沿蒸腾流通常有增加的趋势.沉积物植硅体碳同位素分析不仅可以用于恢复草本的C3、C4植物生物量的比例,并且有可能重建古大气的碳同位素构成,是三者中最具有潜力的考古学、古环境研究的指标.植硅体有机化学组成分析,特别是类脂物分析,有利于认识植硅体碳同位素值相对于总有机碳偏负,C3、C4草本植硅体同位素差值范围缩小的原因.     

湖北清江和尚洞石笋脂肪酸的古气候意义

利用气相色谱-质谱联用仪从湖北清江和尚洞石笋中检测出一些正构脂肪酸, 碳数分布范围主要为C₁₄~C₂₆, 主峰碳为C₁₆, 次主峰为C₂₂, 与上覆土壤中以高碳数分子为主的正构脂肪酸分布形式略有不同. 石笋中的脂肪酸除了土壤生态系统提供部分来源外, 洞穴滴水和洞穴内部的微生物也可能贡献了一部分低碳数分子. 不饱和与饱和脂肪酸的比值和氧同位素具有一定的对应关系, 而且高值对应于寒冷气候事件(北大西洋冰筏漂砾事件H1). 这与温度对微生物活动及其生理反应的影响有关. 脂肪酸指标记录的气候事件与前期报道的来源于土壤生态系统中的脂肪醇和脂肪酮记录的气候事件有一定差异, 可能是不同类脂物分子的地球化学行为差异和生态系统生物组成差异的体现.