生物地球化学的发展

生物地球化学作为地学的一门分支学科,是研究生物及其产物在自然界物质循环中的作用,研究无机质与有机质关系、能量输入与生物能量储存关系、能量释放和地球上主要矿物循环的科学。早在1548年Giordano Bruno提出循环发展的思想后,三十年代苏联学者维尔拉斯基提出了生物地球化学的概念。由于受到科学技术的限制,发展相当缓慢。直到近年来,由于生物学和地球化学研究领域的发展而迅速崛起,并在生物成矿论、元素循环和环境等方面取得了重大进展,才受到了人们的重视。     

微生物地球化学及其研究进展

本文阐述了微生物地球化学的发展历程及微生物地球化学近期的研究进展。微生物可以促进许多地质地球化学过程,微生物地球化学作用主要表现在对岩石和矿物风化、元素迁移和聚集、有机质降解以及矿床形成等方面;还表现在部分控制大气成分,参与有机物和无机物循环并影响其全球分布,从而对地球形成以来物质在上部岩石圈、水圈和大气圈中的分布起到了重要的控制作用。微生物地球化学的成果已经从根本上修正了地球科学的核心观点,它的发展必将对地球科学和生命科学的发展起到重要的促进作用。     

PCR—RFLP技术在环境地球化学研究中的应用及展望

PCR－RFLP技术为环境地球化学提供了一种新的研究方法和实验设计的新的思维方式，该方法具有所需样品量低，快速简便及特征性强等优点，可广泛应用于物质的生物地球化学循环，环境过程的生物作用，生物多样性及有机物源判断等方面的研究，利用PCR－RFLP技术，以环境中存在的16S rRNA为对象，对环境生物的研究已广泛6开展并取得了许多成果，展望未来研究成果，将会在海洋及湖泊沉积物等自然环境中发现更多的，新的微生物种类；将进一步阐明生物作用和物质循环的机理和过程，进一步阐明自然环境中生物大分子的变化机理及其环境效应并找到判断沉积物有机物源的新方法。     

喀斯特系统生物地球化学循环及对全球变化的响应

生物地球化学循环是地球系统物质循环的核心,是维系地表生态系统稳定和人类社会可持续发展的重要基础。然而,气候变化以及人类的过度干扰可能会显著改变表层地球系统中的生物地球化学循环过程,尤其是脆弱的喀斯特生态系统。特殊的多孔隙关键带结构也加速了喀斯特地区物质循环及其对外界环境变化的响应,影响了不同尺度的物质循环和生物地球化学过程。本研究主要综述了宏观尺度（气候变化）、中尺度（人类活动）和微观尺度（微生物活动）的环境变化对喀斯特地区生物地球化学循环的影响。结果表明多要素变化导致喀斯特地区物质循环受到强烈影响,气候变化、人类活动和微生物活动及其耦合关系对喀斯特地区生物地球化学循环的调控作用具有重要意义。最后,本研究强调了现有研究的局限性并指出未来研究的挑战与方向,即未来应从系统研究（如地球关键带）的视角出发,将多尺度观测－分析与综合模型集成研究并举,从而构建多源多尺度耦合的过程和系统模型,进而为阐明喀斯特系统的演变规律和动力学机制、实现喀斯特地区的生态保护和高质量发展提供理论基础。      

汞同位素地球化学概述

汞同位素是一个新兴的地球化学示踪手段。过去十多年来,随着质谱技术的飞跃发展,汞同位素地球化学研究取得了引人注目的进展,主要体现在如下两个方面。(1)实验及理论地球化学研究表明,汞生物地球化学循环的一系列过程都能导致显著的汞同位素质量分馏。此外,汞还是自然界少数存在同位素非质量分馏的金属元素之一。汞同位素非质量分馏对识别某些特殊地球化学过程(如光还原作用、挥发作用等)具有重要指示意义。(2)自然样品的汞同位素测试表明,自然界汞同位素组成(δ202 Hg和Δ199 Hg)变化可达10‰。目前,汞同位素地球化学已被应用于汞污染源示踪、汞生物地球化学过程判别等领域,并有望在不久的将来在汞的大气化学、生物地球化学等领域得到更为广泛的应用。     

宁波盆地深层淡水体成因及微量元素的形成与演变

宁波盆地高Fe、Mn地下水中富含有机物及微生物。本文以氢氧同位素、有机地球化学及微生物地球化学等方法,进行了野外及室内元素转移的实验研究。并着重研究了宁波盆地地下水主要开采层——大型淡水体中铁、锰及微量元素地球化学行为及其形成、分布。提出非离子态铁、锰主要是以无机及有机络合物形式存在和迁移的新认识,认为有机物及微生物代谢活动对铁、锰及某些微量元素的迁移聚集起着重要作用。通过元素转移的化学及生物因素作用的对此实验,论证了宁波盆地大型淡水体的整个水动力过程,不只是无生命的无机化学过程,而是一个永-岩-微生物相互作用活的生态系统。     

2001-2010年生物地球化学研究进展与展望

阐述了21世纪第一个十年生物地球化学领域的重要研究进展和未来可能的重点发展方向。在近代陆-海系统碳循环的库和通量上已经取得了重要进展,并发现了一些参与氮、硫循环新的微生物功能群。阐述了显生宙生物大灭绝期间碳循环异常的特点及其可能的原因,但对氮、硫循环的了解比较薄弱。地球早期的碳、硫循环与生命起源、大气和海洋水化学条件的关系已经取得重要认识。生物地球化学过程可以通过生态毒理,以及大气成分和海洋水化学条件的改变影响生命系统。微生物地球化学功能的微区、原位、痕量示踪等技术得到快速发展。未来将加强地质历史时期碳、氮、硫循环的定量分析以及空间变化的研究,各种元素循环之间的相互关系及其界面过程、极端环境的生物地球化学过程将进一步受到重视。生命科学领域重要技术的引入将提升生物地球化学过程的研究。     

碳、氮、磷、硫等元素和水的生物地球化学循环及生态环境效应

目前对全球化学尤其是对生物地球化学循环的研究与更深入地了解,已进入一个关键阶段。 地球上生命世界的存在主要取决于该系统中的能流和物质循环——生物地球化学循环。它们影响着生命有机体的数量、质量及其生命活动、代谢速率与各种生态系统乃至整个生物圈的结构、功能、动态过程和生产     

后记

本期《第四纪研究》希望通过发表一组研究论文来促进第四纪生物地球化学的发展。生物地球化学在全球环境变化研究中的重要性是不容置疑的了。我们知道 ,上世纪 80年代 ,经过一系列的调研、评估和讨论 ,美国航空和宇航管理局地球系统科学委员会在 1 985年得出结论 :“将地球上存在生命的部分当作生物圈的思想是由奥地利地质学家修斯早在1 875年引入的 ,后来被俄国化学家维尔纳茨基发展。然而 ,仅在这几年我们才认识到地球上这一单薄的生命层是由全球生物地球化学循环支撑和维持的。”对生物地球化学重要性的这一重新认识 ,直接决定了国际地圈…     

地壳元素分布及其生态环境效应

地球演化引起物质分异加上人类活动使元素在地表的分布很不均匀.从局部到全球,地球化学异常分布具有谱系模式.元素不仅是生物的基本组成物质,而且在生命活动中起着复杂而重要的作用.生物与其生存环境的协调平衡是生物演化和发展的基本准则,因此,元素地球化学异常的谱系分布模式对应着相应的生物作用和生态效应.本文初步探讨了不同级次地球化学异常的生态环境效应特征.     

低温地球化学研究概述

低温地球化学研究是当前国际上地球化学学科的前沿课题之一。它研究自然界中200℃以下化学元素的活化、迁移、富集的规律。它不仅在成矿作用方面,面且在地质灾害、环境变迁和生命活动方面都有着广阔的研究前景。1991年涂光炽教授向国家自然科学基金委员会申请并被批准为重点项目“低温地球化学研究”,将是我国地球化学研究的一个新起点。本     

病毒对海洋细菌代谢的影响及其生物地球化学效应

病毒是海洋生态系统中丰度最高的生命形式,其中超过90%属于浮游细菌(细菌和古菌)病毒,是海洋生态系统的重要参与者和海洋生物地球化学循环的重要驱动力。作为海洋浮游细菌主要的致死因子之一,病毒通过裂解宿主释放出大量的有机物和营养盐,调控宿主群落的代谢行为,进而影响生物地球化学循环。同时,伴随侵染的发生,病毒挟持宿主细胞的代谢系统完成自身的生命周期,从而改变宿主胞内的代谢途径和代谢产物。概述了病毒在个体层面和群落层面对海洋浮游细菌代谢的影响,及其对海洋元素循环的作用,评估了气候变化、环境因子对病毒调控细菌代谢的潜在影响,有助于人们对微生物参与的海洋生物地球化学循环的全面认识。     

喀斯特生态系统生物地球化学过程与物质循环研究:重要性、现状与趋势

喀斯特地质与生态系统是地球表层系统中的重要组成部分,其变化将对其他地区以及整个地球系统产生影响.生物地球化学循环是全球和区域变化研究的核心内容,而生态系统的演化与系统内水分和养分的生物地球化学循环密切相关。因此,我们有必要将喀斯特生态系统纳入到更大区域或全球生态系统中进行分析研究,在充分研究认识整个喀斯特生态系统物质生物地球化学循环规律的基础上,进一步研究喀斯特生态系统的全球变化响应或影响机制,为喀斯特生态系统优化调控对策和措施提供科学基础。研究生态系统演化过程中物质的生物地球化学循环规律,是研究植物适生性、物种优化配置和适应性生态系统调控机理的关键基础。在介绍前人工作基础的同时,本文全面而概括地总结了我们近年利用元素、同位素(如δ13C、δ15N、δ34S、87Sr/86Sr)示踪和化学计量学理论和方法对喀斯特生态系统中不同界面和流域中物质的生物地球化学循环及其生态环境效应的研究成果。认识到:喀斯特流域生物地球化学循环活跃,相互耦合,并与流域生态环境变化相互制约;人类活动正干预流域物质的自然生物地球化学循环过程,并导致相应的生态和环境效应;全球变化科学深化有赖于区域生态环境变化及物质生物地球化学循环的研究。这些认识是我们将来系统深入开展喀斯特以及其他流域生态系统物质生物地球化学循环研究的重要方向。     

极端环境下的微生物及其生物地球化学作用

极端微生物是地球生物圈的重要组成部分。极端微生物的地球化学定位在微生物学与地球化学以及一些相关学科的交叉点上,最近10年已经发展成为地质生物学研究的热门领域。对极端微生物的研究不仅有助于回答生命起源、生命极限、生命本质甚至其他生命形式等生命科学问题,而且其生物地球化学作用在地球系统科学研究中具有重大科学研究价值,对揭示生物圈与地圈协同演化的奥秘、认识生命与环境相互作用规律及地球的化学演化提供重要证据。总结了嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜压菌、嗜盐菌以及抗辐射菌的主要类群,论述了极端微生物适应环境的机制,探讨了极端微生物的生物地球化学意义。作者预测未来将会在生物标志化合物研究、同位素地球化学分析和分子生物学综合研究的基础上协同推进极端微生物地球化学学科的发展。     

硫元素微生物地球化学研究及其地质意义

硫元素以半胱氨酸,胱氨酸和其他形式的含硫有机分子是生命物质不可缺少的组分。所有生物均在硫的生物地球化学循环中发生作用,但是,某些类型的细菌在其代谢反应过程中可以参与硫的转换,构成独特的生物氧化还原循环。微生物参入的主要代谢反应包括:硫酸盐生物同化还原作用,硫酸盐生物异化还原作用和硫化物(还原硫)生物氧化作用。深入探讨上述三种过程的环境条件及有关的生物类型对研究成矿作用及指导找矿工作具有不容忽视的意义。     

有机污染土壤-地下水系统中的微生物场及多场耦合研究

了解污染场地中微生物群落对有机污染物迁移转化的影响是高效修复治理有机污染场地的基础。自然界中的微生物以“场”的形式通过与水动力场、温度场、化学场等耦合作用,发挥其在维护生态稳定性及物质循环过程中的功能。微生物与有机物关联研究的文献计量分析结果显示,近年来关于微生物和有机物的研究主要集中在微生物群落结构、有机物的生物降解及有机物的迁移转化3个方面及一系列的关联研究中,而关于将微生物以“场”的形式定量刻画微生物在物质循环转化和维持生态稳定性方面作用的研究几乎没有。为此,本文通过研究给出了微生物场的定义,提出了有机污染场地中的微生物场概念模型和数学模型,分析了微生物场的主要影响因素及影响机制,构建了微生物场与水动力场、温度场、化学场之间耦合的本构模型。最后,对微生物场下一步的研究提出了展望。     

现代大洋不同热液区地球化学特征及微生物成矿

生物圈将地球其他圈层有机地联系在一起。已有研究发现,地质与生物密切相关,地质过程为生物提供生活场所、能量和营养物质,生物活动改变地质过程,如微生物改变洋壳和海洋的化学组成,生物地球化学循环改变元素的迁移。研究发现,陆地上已发现的一些矿床,是生物成矿的或与生物作用有关。微生物在现代大洋中的多金属结核和结壳的形成起到重要作用。对大     

地球系统中生物成因硫化物矿物:类型、形成机制及其与生命起源的关系

作为生物矿物一种十分重要的类型,生物成因硫化物矿物形成于多种海水和淡水环境中.它们是自然界硫和金属元素循环中的关键一环,并有可能在地球早期生命起源中扮演了重要的角色.现代环境中形成的生物成因硫化物矿物与多种生命过程有着十分密切的联系,微生物和大型生物均可直接或间接地影响生物成因硫化物矿物的形成.重点从生物成因硫化物矿物类型、参与生物矿化的有机体、生物成因硫化物矿物形成机制以及硫化物矿物与生命起源的关系等几个方面综述了生物成因硫化物矿物研究的最新进展.     

岩溶生物地球化学研究的进展与问题

在CO2-水-碳酸盐岩活跃的代谢体系中,由于参与岩溶作用过程的二氧化碳来源复杂,因而研究碳酸盐岩环境中二氧化碳在生物介导下所耦联的物质循环过程及其与全球变化的关系成为岩溶生物地球化学学科的主要内容,并使其成为现代岩溶学的重要分支。在分析国内外岩溶学、地球化学、生物学等交叉学科研究成果的基础上,本文简要评述了基于岩溶生物地球化学特性的水土流失与石漠化过程,碳酸盐岩矿物在生物作用下的化学风化、元素释放规律以及控制元素循环的界面过程,碳酸盐岩区土壤－大气界面下的气体循环及其控制因素和过程,碳酸盐岩区有机污染物在环境中的来源、分布规律与降解,微型生物在岩溶水体碳循环过程中的作用等主题的主要研究进展和存在的科学问题。因此,需要以CO2为核心把岩溶环境中不同尺度上生物有机体参与的地球化学过程联系起来,但人们对生物有机体是如何通过协同作用而改变岩溶环境的,还了解得很少。如果能查明碳酸盐岩一土壤一水一生物相互作用产生的功能,岩溶生物地球化学将进一步拓展CO2-水-碳酸盐岩相耦合的岩溶作用过程,并在岩溶资源领域和全球变化领域有广阔的应用前景。因此,岩溶生物地球化学需要多学科的协同研究,特别是加强生物过程与岩溶过程的耦合研究,方能解决岩溶领域存在的生态环境问题。      

对地球系统科学的几点认识

地球系统科学将是２１世纪地球科学的主旋律,它被定义为：“将地球作为一个整体来伯全部知识;对地球的气圈、水圈、生物圈和岩石中的各种作用及各层圈间相互作用时间进行的研究”。此种学术思想可追溯到１００多年前,见於文字也有近二十年。它对当代地学的发展起了重要的推动作用,有四个特点：地球现象的远距离相互联系、影响;内动力和外动力研究一体化;地质作用和生物作用研究一体化;一类活动作为地球系统的一部分。当前地球系统科学的发展也提出了一些新问题,主要的是：在学术思路上对与岩石圈有关的地质作用有所忽视;观察研究系统不全面;还未深人到资源形成和小环境的研究中。近年来的观测试验表明,发生在岩石圈的各种地质作用正积极参与垒球各圈层间的物质能量交换。对它们的忽视,可能正是目前一些生物地球化学循环模型无法平衡的原因。