深海热液生态系统特征及其对极端微生物的影响

深海是地球上最重要的极端环境之一,发育了数量巨大的极端微生物。它们独特的生存环境、生理结构、代谢机制和共生关系成为探讨生命起源及寻找外太空生命的关键。尽管从生物学角度对极端微生物已开展了大量研究,但深海热液系统对极端微生物演化的影响仍不甚清楚。因此,在总结深海极端的理化环境和地质环境特征的基础上,分析了海底热液活动的分布特征、形成机理及其对周围生物群落种类、分布和演替规律的巨大影响。重点探讨了热液环境下各种极端微生物的生命形式及其对深海营养物质循环和生态系统演化的重要意义。目前,极端环境与生命过程的研究仍处于初级阶段,亟待加强深海原位探测和分子生物学技术的研发以及多学科交叉研究。     

深海热液口化能合成共生作用的研究进展

海洋无脊椎动物和细菌间的化能合成共生作用的发现,改变了人们对深海热液口初级生产力主要来源的认知.近年的研究表明,营化能合成共生的动物隶属于纤毛门、软体动物门、环节动物门和节肢动物门;其中无脊椎动物作为宿主在与共生菌的长期共生过程中,伴随着部分器官和功能的退化或消失,逐渐形成和演化出了与此相适应的形态结构,并产生了一些特殊的行为;在深海热液口发现的所有化能合成共生菌都属于革兰氏阴性菌,它们的宿主大致可以分为2个群体;通过16 SrRNA基因编码分析,不同代谢类型的共生菌在系统发育中通常处于不同分支,形态也有所差异;共生菌独特的传播方式和进化模式也使其更加适应共生生活;由无脊椎动物和化能合成细菌构成的共生体系与环境相互作用,影响了深海热液口生态系统的演化.对共生菌蛋白质及代谢组学的研究,以及对宿主生理和代谢机制的研究将成为未来热液口化能合成共生作用研究的新热点.     

深海溶解态锰和铁的原位分析技术研究进展

溶解态的锰和铁是海洋中重要的生物营养元素,也是探查海底热液活动及其演化的重要示踪剂.由于海底热液活动研究的迫切需求,以及AUV,ROV和HOV等水下运载支撑平台的迅速发展,20世纪80年代以来深海溶解态锰铁原位分析技术得到了快速发展.早期研发的Scanner和SUAVE,可对热液羽流中高含量的锰铁元素实现联合测定,但存在元素之间相互干扰等问题,因此针对锰、铁元素单独测量的原位分析仪应运而生.锰原位分析仪中,ZAPS虽然具有较低的检测限,但是无法在深海高压环境下进行原位校正;GAMOS系列具有原位校正功能,且能耗较低,可长期运行,但是检测限偏高,因此只能应用于热液环境中含量相对高的锰监测.铁原位分析仪中,改进的ALCHIMIST可实现热液喷口异常高含量铁和正常海域水体中低含量铁的检测,但由于能耗较高而难以应用于长期观测中;低能耗的Fe-Osmo-Analyzer和CHEMINI则在长期运行方面有着明显的优势.随着AUV/ROV/HOV等水下移动平台应用的日渐广泛以及海底观测网技术的迅速发展,发展原位分析仪进行长期的自主观测将成为一种必然趋势.     

深海化能合成生态系统研究进展

深海化能合成生态系统(ChEss)是当前最大的国际海洋生物多样性研究计划--国际海洋生物普查计划的现场研究项目之一.深海化能合成生态系统主要包括热液、冷泉、鲸骨生态系统以及由其他高度还原型生境形成的生态系统.确定上述系统动物区系间的进化和生态学关系,对于了解全球尺度上化能合成生态系统物种分布的形成过程至关重要.重点介绍深海化能合成生态系统科学计划发起的背景、研究内容和目标、研究区域、研究技术与方法以及当前在该领域的研究进展和展望,综合国际上在深海化能合成生态系统生物地理学和生物多样性方面的最新进展,了解其中的驱动过程,以期为我国在深海化能合成生态系统、极端环境下的生物多样性和生物地理学研究提供参考.     

二价铁氧化对铁锰循环功能微生物活性的影响及机制

地质微生物是沉积环境中铁、锰氧化还原循环的主要驱动因子,铁锰共存环境中二价铁氧化对不同铁、锰循环功能微生物活性的影响差异和机制尚不清楚.以铁还原菌Shewanella oneidensis MR-1、铁氧化菌Pseudogulbenkiania sp.strain 2002、锰氧化菌Pseudomonas putida MnB1和Leptothrix discophora SS-1作为代表性的铁、锰循环功能微生物,利用平板计数、荧光显微镜等手段探究了Fe(II)氧化对功能微生物活性的影响差异及机制.结果表明0.05 mM Fe2+氧化60 min可使MR-1和MnB1的活菌数量降低4~5个数量级,SS-1及S.2002无显著失活.Fe(II)氧化产生的吸附态。OH和胞内。OH是细菌失活的主要原因,胞外H₂O₂、胞外游离态。OH和三价铁氧化物是细菌失活的次要原因,SS-1及S.2002产生了氧化应激反应,成功抵御了活性氧化物种.      

深海热液喷口生物群落研究进展

近年来深海热液喷口生物群落的研究取得了大量的成果。通过调查发现,除温度外,环境化学参数、地理位置、喷口类型、热液活动周期、生物可利用率等因素都对深海热液喷口生物群落分布产生影响。随着实验室热液微生物的分离、培养成功,一些新的属种及其特殊的生理特征被发现。分子生物学技术的发展,使得对于深海热液生物基因测序、基因功能的研究和表达,功能基因对微生物生理功能的调控作用,动物与微生物之间的共生关系,生物对极端环境的适应机制等问题的研究都能够进行。对于目前不能进行实验室分离培养的微生物,通过基因组分析,也能够了解其群落结构。不同的深海热液喷口,其病毒的类型、分布、丰度以及病毒对热液生态系统的影响是不同的。通过这些研究,科学家探讨了热液喷口环境中生物群落的能量合成与代谢途径的相关理论,并提出了生命有可能起源于热液喷口环境的假说。     

现代海底热液微生物群落及其地质意义

现代海底黑烟囱周围生活着密集的生物群落,它们一般以黑烟囱喷口为中心向四周呈带状分布。热液生态系统的初级生产者嗜热细菌和古细菌,其初级能量来源于地球深部上升喷出流体提供的化学能,它们氧化热液中硫化物（如H2S、FeS）和甲烷获得能量,还原CO2制造有机物,而不依赖光合作用。作为食物链源头的细菌类和古细菌类与其他动物有2种生存关系:①直接作为其他动物的食物;②与其他动物之间的共生关系。这些嗜热微生物不仅依存于海底热液活动,同时在热液成矿作用中起着重要的作用。它们可能来源于地下深部生物圈,海底黑烟囱是研究深部生物圈的窗口,对其周围嗜热微生物的研究,对于理解生命起源和生物成矿都有重要的理论意义。     

微生物对砷的地球化学行为的影响——暨地下水砷污染机制的最新研究进展

砷在自然界中广泛存在，近年来砷污染对人类健康造成的危害越来越引人关注。微生物在自然界中长期与砷共存，进化出不同的生物转化机制，在自然水体中微生物主要参与砷的不同氧化价态之间的转化过程，即As(V)和As(III)之间的氧化还原作用。砷酸盐异化还原菌（Dissimilatory Arsenate Respiring Prokaryote, DARP）可以将As(V)还原为As(III)，化能自养亚砷酸盐氧化菌（Chemoautotrophic Arsenite Oxidizer, CAO）和异养亚砷酸盐氧化菌（Heterotrophic Arsenite Oxidizer, HAO）可以将As(III)氧化为As(V)。这些砷代谢微生物在分类和代谢能力上都具有很大的多样性，它们广泛参与了砷的生物地球化学循环的关键步骤，对特定环境条件下砷的地球化学行为产生重要影响，进而参与了砷的全球循环。在盐碱湖莫诺（Mono）湖中砷的不同价态分层存在，CAO与DARP的紧密偶联共同参与了莫诺湖中的砷的地球化学循环。在孟加拉三角洲的地下含水层中，微生物参与了将砷从固相迁移到水相的关键步骤，最终导致了地下水中的砷污染。     

瓜伊马斯深海热液口古菌分布及多样性研究

深海热液口由于剧烈的温度(可达到400℃以上)、pH和化学梯度,成为地球生命起源和演化研究的焦点,海底热液口生命系统为人类提供了一个探索深部生命及生命起源和进化的窗口.本文主要开展了瓜伊马斯深海热液口高温环境下沉积物和烟囱样品中古菌多样性的研究.采用实时荧光定量PCR首先对样品中古菌进行了定量,发现沉积物和烟囱两个样品都含有高丰度的古菌,沉积物和烟囱中古菌分别达到1.47×109拷贝数/g和5.29× 108拷贝数/g(湿重).通过核糖体小亚基16S rRNA基因的PCR扩增,文库构建和系统发育分析,发现沉积物和烟囱样品中的古菌类群多数是嗜热和超嗜热微生物,但两个样品中的古菌群落组成差异很大:沉积物以泉古菌门为主,优势菌群为Miscellaneous Crenarchaeota Group (MCG)和Hot Water Crenarchaeota Group Ⅰ(HWCG Ⅰ);烟囱样品则主要是广古菌门类群,其中以Thermococcales,Marine Benthic Group D (MBGD)/Deep Hydrothermal Vent Euryarchaeota 1(DHVE 1)为主.在沉积物样品中发现了一个新的MCG类群,命名为MCG-H,可能是MCG的高温独特类群.研究揭示,在瓜伊马斯深海热液口烟囱和沉积物中都包含有丰富的古菌类群包括未被发现的新类群,对瓜伊马斯深海热液口古菌分布和多样性的研究将为进一步深入的古菌生理功能和演化的研究提供基础.     

甲烷氧化与氨氧化微生物及其耦合功能

甲烷氧化与氨氧化过程分别对控制温室气体甲烷和氧化亚氮方面有着特殊作用,土壤及湿地等环境中的甲烷氧化菌和氨氧化菌在生态系统碳、氮生物循环中扮演着重要的角色。论述了甲烷氧化与氨氧化过程的微生物学机制,甲烷氧化菌和氨氧化菌的群落结构变化,分析了甲烷氧化菌和氨氧化菌在碳、氮循环以及它们在控制重要温室气体排放中的环境功能,阐述了甲烷氧化菌和氨氧化菌的关联作用机制。以期深入揭示甲烷氧化菌与氨氧化菌的空间分异与耦合机制,为深入探讨这类微生物的生态机制和环境功能提供科学线索。     

Advances in the microbial mineralization of seafloor hydrothermal systems

Research on the biomineralization in modern seafloor hydrothermal systems is conducive to unveiling the mysteries of the early Earth’s history, life evolution, subsurface biosphere and microbes in outer space. The hydrothermal biomineralization has become a focus of geo-biological research in the last decade, since the introduction of the microelectronic technology and molecular biology technology. Microorganisms play a critical role in the formations of oxide/hydroxides (e.g. Fe, Mn, S and Si oxide/hydroxides) and silicates on the seafloor hydrothermal systems globally. Furthermore, the biomineralization of modern chemolithoautotrophic microorganisms is regarded as a nexus between the geosphere and the biosphere, and as an essential complement of bioscience and geology. In this paper, we summarize the research progress of hydrothermal biomineralization, including the biogenic minerals, the microbial biodiversity, and also the interactions between minerals and microorganisms. In the foreseeable future, the research on hydrothermal biomineralization will inspire the development of geosciences and biosciences and thus enrich our knowledge of the Earth’s history, life evolution and even astrobiology.© 2019 China Geology Editorial Office.     

World's largest known Precambrian fossil black smoker chimneys and associated microbial vent communities, North China: Implications for early life

Black smoker chimneys and biological vent communities have been identified at many sites on the deep seafloor, particularly along oceanic spreading centers. We report the largest and oldest known, microbe-rich sub-meter-sized black smoker chimneys and mounds from a 1.43 billion-year old sulfide deposit in a continental graben in northern China. These chimneys are especially well preserved, with characteristic morphology, internal textures and internal cylindrical mineralogical zonation. Four main types of chimneys are distinguished on textural and mineralogical criteria, exhibiting either Zn–Fe-sulfide or Pb–Zn–Fe-sulfide internal cylindrical mineralogical zones. The chimneys mark vent sites in submarine grabens indicating focused flow-venting processes. The fossil chimneys have mineralogical and geological evolutionary features similar to their counterparts on the modern seafloor and other submarine hydrothermal vents. Black smoker vent fluids and seafloor tectonism played important roles for formation of the massive sulfide deposits in the Mesoproterozoic.We also report the first known, remarkably diverse assemblage of fossil microbialites from around and inside Precambrian vent chimneys, demonstrating that Proterozoic life flourished around submarine hot vents and deep within the chimney vent passages. Filamentous, spherical, rod, and coccus-shaped fossil microbes are preserved preferentially on sulfide precipitates. Based on the depth and setting of the fossil biota, the organisms that produced the microbialites were likely sulfate-reducing chemosynthetic and thermophyllic microbes. Textural and mineralogical evidence shows that biomineralization processes enhanced chimney growth and sulfide precipitation.Close association of microorganisms with sulfide chimneys in modern deep-sea hydrothermal vents and younger ophiolites has sparked speculation about whether life may have originated at similar vents. However, little is known about fossil equivalents of vent microfossils and black smoker chimneys from Earth's early evolution. The fossilized microorganisms from the Gaobanhe black smoker chimney sulfide deposits include thread-like filaments with branching and twisted forms and preserved organic carbon, representing fossilized remnants of microbial mats metabolized at high temperatures characteristic of venting fluids. The preservation of fossil microorganisms provides evidence that microbial populations were closely associated with black smoker chimneys in Earth's early history. The microbial population clearly constitutes the site for mediating mineral formation. These ancient microbial fossils lead to a much better understanding of early life on the deep seafloor. The discovery of the Mesoproterozoic microfossils within black-smoker hydrothermal chimneys indicates that hydrothermal activity around sea-floor vents supported dense microbial communities, and supports speculation that vent sites may have hosted the origin of life.     

关于现代海底热液活动系统模式的思考

现代海底热液活动往往与岩浆作用相伴生.传统的热液系统循环模式认为:海水沿裂隙（通道）下渗,被加热并与围岩发生水岩反应,萃取岩石中的金属元素,形成热液流体并上涌喷出海底,沉积生成多金属硫化物矿体.这一模式合理地解释了构成现代海底热液系统的3个基本要素:流体、通道和热源,与我们现今条件下所观察到的许多事实相吻合.然而,基岩渗透率、热液流体性质、热液生态系统和热液产物上的差异表明现代海底热液活动系统可能存在另一种注入式循环模式,即热液流体来自深部岩浆房流体和挥发性组分的直接注入.据此提出现代海底热液活动系统可能存在两种模式:一种是浅层循环模式,即传统的热液循环模式;另一种是岩浆后期热液注入模式（简称"注入模式"）.在岩浆作用强烈和构造裂隙发育的环境中,两种模式可能同时存在,形成双扩散对流循环模式.双扩散对流循环模式可以很好地解释现代海底热液活动研究中近期所发现的多种现象和事实.对弧后盆地而言,在研究其岩浆作用与热液活动时,还要考虑板块俯冲的构造背景和俯冲组分及陆壳组分加入等因素,同时构建了适用于弧后盆地海底热液活动系统的理论模型.      

大洋钻探对海底热液活动研究的贡献

大洋钻探为海底热液活动研究提供了大量数据资料和样品。在此基础上,通过研究流体-沉积物／岩石相互作用,热、物质通量和流体流动,分析构造对海底热液活动的控制作用,使人们对海底热液循环有所了解,并对深部热液成因石油的特征,海底热液沉积物的空间结构和物质组成,以及深部生物与海底热液活动的关系有了一些认识。未来通过实施IODP,海底热液活动研究将会取得更多新的成果。     

Carbonate Minerals in the Warrawoona Group, Pilbara Craton: Implications for Continental Crust, Life, and Global Carbon Cycle in the Early Archean

Abstract: The occurrences of the Early Archean carbonate minerals are compiled and their precipitation processes are investigated for the Warrawoona Group, Pilbara Craton. Sedimentary carbonate rocks such as limestone and dolostone are very rare, and only a small amount of sedimentary carbonate minerals are sometimes contained in the hydrothermal bedded chert, implying that a sink of CO₂ was minor in the Early Archean sediments. Moreover, it is very likely that the activity of cyanobacteria forming stromatolites was considerably low in the Early Archean. Microfossils and carbonaceous matter in the hydrothermal cherts are probably derived from a non-photosynthetic microorganisms related to the seafloor hydrothermal activity. Their preservation in sediments may play a very minor role in carbon sink of the Earth's surface.
On the other hand, carbonatized volcanic rocks subjected to seafloor hydrothermal alteration occur ubiquitously in the Early Archean greenstone belts such as the Warrawoona Group, suggesting that the hydrothermally altered oceanic crust had large amounts of CO₂ as carbonate minerals. Global carbon cycle in the Early Archean is considered to have been controlled by the intense seafloor hydrothermal alteration. Large amounts of CO₂ were sunk into the oceanic crust by the alteration. The carbonatized oceanic crust was partly accreted to the continents and/or island–arcs, and partly subducted into the mantle without decomposition. Significant amounts of carbonate minerals in the carbonatized oceanic crust were very likely to store in the accretionary prisms and mantle, consequently giving rise to a decrease of atmospheric and oceanic CO₂.     

现代海底热液成矿作用研究现状及发展方向

现代海底热水成矿作用研究的重大进展表现在两个方面：（１）大批活动的和窒息的热液活动区和硫化物矿床在洋脊、岛弧、弧后盆地及板内火山活动中心等海底环境相继发现。在沉积物饥饿洋脊，矿床规模较小，Ｃｕ－Ｚｎ为主，沉积物覆盖洋脊，矿床规模巨大，Ｐｂ－Ｚｎ为主。弧后扩张或弧间裂陷盆地，形成Ｐｂ－Ｚｎ→Ｚｎ－Ｐｂ－Ｃｕ→Ｃｕ－Ｚｎ矿床谱系。岛弧环境硫化物矿床不具规模，板内火山活动中心以氧化物－硫化物矿化为特色。（２）现代海底热水成矿作用观察和研究为古代ＶＭＳ矿床成因研究提供了重要信息，对现有成矿理论产生重要影响。现代成矿观念强调：①海底成矿作用虽可产生于不同环境，但均与张裂断陷事件密切相关。矿床规模和分布特点受张裂速率制约；②成矿物质主体来源于热水循环的火山－沉积岩和下伏基底物质；③硫化物堆积发生于丘堤－烟囱联合构成的机构和结壳下部，通过开放空间的硫化物充填和先成矿石淋滤迁移来实现。④热液流体呈双扩散对流循环。现代海底热水成矿作用的未来研究方向可概括为强度方向和广度方向。广度研究将加大力度去发现新的矿床，强度研究将采用地球物理方法并配以必要的钻探，深入揭示矿床的三维结构和热液体系及成矿机制。     

现代海底热水活动的系统性研究及其科学意义

现代海底热水活动是当前地球系统科学研究的一个重要组成部分,它是研究海底地质作用体系中的一个关键环节。海底的构造作用、岩浆活动等因素制约了热水循环的发育和活动规律,而热水活动又直接或间接地产生了一些地质效应,如海底的热水喷流成岩成矿效应,此外它还与海底的热能输导与转化、海洋化学组分特征、海洋生命和生命起源等现象有着密切的成因联系。开展现代海底热水活动的系统性研究,应注重将热水循环的内部动力学机制和热水活动所引发的外部环境效应相结合,为此我们把它初步展开为：热水循环的空间组构研究、热量输导作用研究、热水流体的化学成分研究、热水活动与极端生命的关系研究以及热水活动的生命周期研究等5个方面,分别解析其内部特征以及引发的环境效应。最后初步探讨了开展海底热水活动的系统性研究的科学意义。     

浅海热液活动的地球化学示踪研究进展及展望

海底热液活动是海洋地质的前沿和热点研究领域之一,相比于深海热液活动较高的关注度和取得的较多的研究成 果,浅海热液活动研究一直处于“不温不火”的状态。但浅海热液系统一般靠近人类活动的区域,对人类生活具有一定的 影响,深入开展浅海热液活动的研究有助于深刻理解热液流体循环过程、热液成因机制及相关动力学过程。文章在简要介 绍国内外浅海热液活动地球化学研究的主要成果和最新进展的基础上,提出了今后对浅海热液活动的研究应主要集中于以 下几个方面：浅海热液流体及气体的来源;浅海热液系统模式及与构造环境的关系;浅海热液活动对人类的影响。     

浅海热液活动的地球化学示踪研究进展及展望

海底热液活动是海洋地质的前沿和热点研究领域之一，相比于深海热液活动较高的关注度和取得的较多的研究成 果，浅海热液活动研究一直处于“不温不火”的状态。但浅海热液系统一般靠近人类活动的区域，对人类生活具有一定的 影响，深入开展浅海热液活动的研究有助于深刻理解热液流体循环过程、热液成因机制及相关动力学过程。文章在简要介 绍国内外浅海热液活动地球化学研究的主要成果和最新进展的基础上，提出了今后对浅海热液活动的研究应主要集中于以 下几个方面：浅海热液流体及气体的来源；浅海热液系统模式及与构造环境的关系；浅海热液活动对人类的影响。     

从REE和硅同位素特征探讨西藏甲马矿床层状夕卡岩成因

在对西藏甲马铜多金属矿床地质特征分析的基础上，对矿床中层状夕卡岩的REE及Si同位素地球化学特征进行了研究，并与典型岩浆热液接触交代夕卡岩、典型热水喷流型矿床和现代海底热流体进行对比，显示该矿床层状夕卡岩与典型岩浆热液接触交代夕卡岩存在较大差异，而与现代海底热流体和喷流型矿床及其共生的热水沉积岩有较大的相似性。因此认为，甲马矿床层状夕卡岩的形成与岩浆热液没有直接的成因联系，而与古海底热水活动有关，应属热水喷流成因。这为其共生矿床的成因提供了有力的证据。