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。     

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.     

俄罗斯勘察加半岛热泉的地球化学和微生物学

勘察加半岛位于欧洲板块、北美板块和太平洋板块交汇的过渡带上,是世界火山活动最活跃的地区之一.其众多的热液系统不断的向地表释放地热气体和流体.以N2和CO2为主的地热气体也经常含有高浓度的H2,CH4和H2S.大气水和熔岩水构成了勘察加热泉水的主要源,水体温度从20 ℃到＞90 ℃不等.水化学性质变化同样显著,pH范围从3.1到9.8.热泉水溶解盐以氯化钠为主,同时包括K+,H3BO3,H4SiO4,Ca2+和SO42-等其他多种溶解组分.此区域也有以直链烷烃为主的石油形成.从勘察加的热泉系统中已分离出至少24种嗜热微生物.尽管其中大多数是异养微生物,但根据其生存环境的特点,自养微生物在热泉系统中可能同样很多.这些微生物对碳、硫和铁在热液系统中的生物地球化学循环有着非常重要的作用.目前,非培养的方法和生物定量的手段已用来研究勘察加热泉中微生物生态及其所具有的生物地球化学功能.     

认识生态未知物:用统计系统方法研究生物多样性

包括变性梯度凝胶电泳实验、16S rDNA克隆库、DNA生物芯片在内的分子生物学技术表明在自然环境中物种存在极端多样性。这些种类绝大多数都是不可培养的,不能完全了解其特征。通常运用Shannon和Simpson的经验参数来评估多样性。这些参数依赖于样品的大小r不可靠。目前3种有效途径,即参数评估、非参数评估和系统多样性评估来解决生物多样性问题,同时和分子学技术相结合,三者可以增加种群数以及多样性评估的正确性,并可以在不同群落间进行严格比照。     

海洋微型生物碳泵储碳机制及气候效应

海洋中存在一个巨大的惰性溶解有机碳(RDOC)库,可与大气CO2碳量相媲美.两个碳库之间的交换势必影响气候变化.RDOC可在海洋中保存数千年,构成了海洋储碳的重要机制.探寻RDOC碳库形成机制是认识海洋如何储碳的关键.新近提出的"海洋微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump,MCP)"理论指出,海洋微型生物是RDOC碳库的主要贡献者.本文从MCP的主动机制和被动机制及其环境调控出发,论述了海洋RDOC的组成与生物来源,RDOC组分的微型生物代谢途径,病毒的裂解过程以及浮游动物活动对RDOC生产的贡献,不同类群微型生物有机碳代谢特征及其生物标记物与碳氢同位素表征,以及MCP的能量代谢特征与储碳效率,并结合MCP储碳的地史证据展望了MCP在增加海洋储碳能力方面的应用前景.     

西沙地区碳酸盐台地发育过程与海平面变化:基于西科1井BIT指标分析数据

为了探讨南海碳酸盐台地的发育过程及控制因素, 采用有机分子化合物指标方法对其进行了研究.有机分子化合物指标BIT(branched isoprenoid tetraether)是沉积物中源自陆源的细菌膜脂支链甘油双烷基链甘油四醚(branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers,简称bGDGTs)与主要来自海洋泉古菌中的类异戊二烯GDGTs(isoprenoid GDGTs,简称iGDGTs)的含量之比,在古环境研究中,用来区分沉积物有机质的来源、判断沉积环境.通过对西科1井的数据研究发现,西科1井BIT指数随深度呈现三段式规律性变化,从下到上呈现高-低-高的变化,反映了中中新世以来南海海平面变化及碳酸盐台地生长发育的过程:在中中新世晚期,受全球及区域海平面变化下降影响,西沙地区碳酸盐台地形成礁-滩交互的沉积地层,由于大气淡水的影响,造成BIT指数呈现高值;到晚中新世至上新世,全球及区域海平面出现持续上升,有利于西沙碳酸盐台地的生长发育,使该井沉积环境以礁内泻湖相为主,造成BIT指数呈现低值;在第四纪冰期,全球及区域海平面出现总体下降趋势,西沙碳酸盐台地又频繁暴露于地表,造成BIT指数又呈现高值.研究表明,西沙地区碳酸盐台地受区域相对海平面变化影响更大,说明南海海平面变化既受全球海平面变化的影响,也受南海区域构造沉降的控制.      

青海湖:研究地质微生物的天然实验室

青海湖位于青海省的东北部,是中国境内最大的内陆高原咸水湖泊。由于青藏高原的不均匀隆升,使这些湖泊形成了封闭的水系和地球化学物质循环特征。青海湖有限的几条供给河流的水化学受其所经过岩石的化学成分控制,而湖水的化学成分和物理化学特征则受补给水系的影响。湖泊的碳循环除受盆地周围风化搬运作用以外,主要碳源为湖泊以及周围的生物群落。青海湖水的物理化学特征本身由于受补给水源和深度的影响而具不均一性,并随季节温度的变化而发生调整。这些特征预示其独特的微生物生态系统和与之有关的碳循环和元素地球化学循环特征。丰富的铁、硫酸根、碳酸根和钙镁离子为其中嗜铁和嗜硫的微生物繁盛以及随后的矿化作用提供了有利的条件。藻类也具有很高的多样性并且不同种类具有明显的随季节或气温变化的特点。这些微生物活动会在湖泊沉积物中形成有机的和无机的生物标记化合物或矿物。进一步揭示这些生物标记化合物与局部环境的碳循环、元素循环、微生物生态以及相关环境变迁的关系将具有重要意义。     

嗜热和非嗜热Crenarchaeota的生物多样性及演化意义

Crenarchaeota, Euryarchaeata和Korarchaeota组成古菌中3个领域. Euryarchaeota是原核生物中重要的种群,得到了很好的研究,而Crenarchaeota和Korarchaeota直到最近才逐渐受到关注.古菌的生态和演化研究都属于Crenarchaeota领域.一个很重要的观点就是Crenarchaeota的所有独立种群都是极端嗜热的,非嗜热Crenarchaeota目前为止还没有分离出来.嗜热Crenarchaeota主要是在深海热烟囱和陆地热泉中发现的,特征是高温(>80 ℃)和低pH值(<6).多种嗜热Crenarchaeota化能自养可以利用还原性无机化合物,例如H2和还原性硫.这个特性连同生命树群的深入分支说明生命最后共同的祖先可能是在热液体系中的嗜热自养生物.非嗜热Crenarchaeota和嗜热Crenarchaeota有很近似的系统关系.尽管一般情况下非嗜热Crenarchaeota是不可以培养的,但是其对敞开体系海相、陆相土壤、湖泊和地下的中低温环境的适应性日益增强.这主要取决于独立培养分子学技术的发展,例如16S rRNA基因序列.此外,海洋和土壤中非嗜热Crenarchaeota的研究还表明,非嗜热Crenarchaeota确定组成在碳循环的生物地球化学循环中起着非常重要的作用.     

古今结合论碳汇、见微知著识海洋

海洋是地球上最大的活跃碳库,发挥着全球气候变化"缓冲器"的作用,研究海洋碳循环过程与储碳机制是当前的国际热点。然而,地球系统的复杂性注定了这个重大命题必须通过学科交叉、古今结合才能取得较全面的认识和新的突破。     

微型生物碳泵——海洋生物地球化学研究的新模式

"微型生物碳泵"的核心是依赖于微型生物的生物学过程把容易被利用的活性溶解有机碳(DOC)或可被缓慢降解的半活性DOC转化为难以被降解或利用的RDOC.该理论为海洋生物地球化学研究提供了新的视角和思路并得到国际同行的一致认可.