干重大地质环境突变的地球生物学过程.pdf

项目名称：若干重大地质环境突变的地球生物学过程首席科学家：谢树成中国地质大学（武汉）起止年限：2011.1 至 2015.8 依托部门：教育部二、预期目标（一）总体目标 对比和阐明现代与地质历史时期不同环境微生物功能群的组成特征、对地质 环境的影响， 以及它们对地质环境突变事件的响应规律查明不同地质时期的古 生产力组成和古埋藏环境条件上的异同点，弄清自养和异养微生物的地质作用， 阐述地质微生物对重大地质环境的响应和影响同时也为我国海相烃源岩评价和 当代全球变化的研究提供地球生物学方面的新思路和新方法 促进地球科学和生命科学的交叉结合，推进高校和科研院所在相关研究领域 的交流和合作，将中国的一些经典地层学剖面建设成为国际上地球生物学研究的 典范，使之成为生命与环境相互作用研究的理论培育基地提高中国科学家在地 球生物学领域的综合学术优势， 培养和造就一批国际知名的中青年专家，使中国 地球生物学的研究提高到一个新高度，为发展地球生物学理论和应用做出原创性 贡献二）五年预期目标 （1）查明现代极端环境的微生物组成及其功能群的地质作用，从实验模拟 角度探索某些微生物功能群对碳酸盐岩沉积的贡献及机制、不同微生物功能群与 粘土矿物和氧化物之间的相互作用，阐述第四纪异常环境的微生物及其地质作 用，建立评估地质时期古生产力及其生物组成、古环境条件（古氧相）的地球生 物学指标。

（2）查明导致中元古代缺氧硫化环境、显生宙重大地质突变期富 CO2环境以 及新元古代极端气候环境时期的微生物功能群及其典型的微生物地质过程阐明 中元古代甲烷厌氧氧化作用对缺氧硫化海洋环境的重要性、微生物功能群对新元 古代极端地质环境条件的响应和影响、显生宙重大地质突变期海洋微生物对地质 环境事件的响应和反馈 （3）在国际重要 SCI刊物上发表 50-70 篇高质量的科学论文，争取在重要刊 物上出版地球生物学方面的论文专辑，出版总结地球生物学方面的系统专著组 织地球生物学方面的重要会议 （4）培养博士研究生 30名左右、硕士研究生 50名左右、相关研究领域中青 年学术带头人和科研骨干10名左右，造就一支既相对稳定又充满活力的多学科交 叉的地球生物学研究队伍三、研究方案（一）总的学术思路 本着“选准方向、突破关键、切入重点、引领前沿”的思想，以微生物地质 过程为主线，以重大地质环境突变为切入重点，通过实验模拟和地质样品测试， 研究现代典型环境和不同地质时期微生物功能群的地质过程在研究思路上， 围 绕一个核心科学问题， 遵循从地球生物学现代过程的解剖，再到地质过程的解剖 与对比的研究思路， 建立碳循环异常地质环境、 硫循环异常地质环境和除此以外 的极端地质环境这三类地质环境的地球生物学过程。

二）总的技术途径 遵循以上总体方案， 需要借助现代生命科学和地球科学两大领域一些技术方 法才能取得重要突破 首先，地球生物学过程的研究必须借助现代生命科学领域的最新技术方法 现代微生物学和生态学的现场调查和模拟控制实验为研究地质时期的地球微生 物学过程提供了重要参考 可以说，没有现代生命科学技术的应用，一些地球生 物学过程的机制研究难以深入 其次，地球上的生命运动都是在一定地质时期和多种地质环境下发生的，地 球生物学的研究必须借助于地球科学领域的关键技术地质时期地球生物学过程 的研究首先必须建立特定地质环境的生态地层格架，可以采用传统的古生物学和 地层学的方法来建立 同时，生命运动本身包含着物理和化学运动，地球生物学 的研究需要借助现代地球科学领域的技术手段 经过长期的工作积累和不懈努力，我们已经初步形成了一些具有特色的技术 和方法总的技术路线是， 利用传统古生物学和地层学的方法和技术建立地质环 境及其相关的生态体系格架（纲）；在此地质环境背景框架下，利用生命科学和 地球科学两大领域的各种技术研究特定生态体系格架下的重要地球生物学过程， 特别是地球微生物学过程（目）因此，各类地质环境与生态体系格架的建立是 “纲”，重要的地球生物学过程研究是“目”。

下面简单分述本项目涉及到的这 些技术方法 a. 地质环境和生态体系格架的重建技术方法 生态体系格架的建立需要生态地层学的工作，它以生物的群落分析为基础， 研究地层中化石群落的时空分布及演替规律，用以恢复古环境海、陆、大气演 化控制着生态系的演化， 并保存在地层和化石群落中， 利用古生态反演可以识别 海平面升降、 古气候梯度变化、 海洋温度和盐度梯度变化、 古水温曲线或离岸远 近曲线等环境因子 b. 地球微生物学技术 包括传统的微体古生物学技术和微生物沉积组构识别技术采用微体古生物 学方法一方面是研究微体古生物的形貌，确定其类型另一方面是研究微生物的 生物量或其所反映的原始生产力 由微生物及其生命活动产生的各种微生物成因 沉积构造和矿物组构可以保存下来，为研究地球微生物学过程提供了载体其中 最重要的是 MISS 构造，可以精细刻画从微生物繁殖到最后死亡这一地球微生物 学过程的相关信息c. 分子地球生物学和生物地球化学技术方法 由生物脂类分子转化来的各种地质类脂物分子（geolipids）成了分子地球生 物学的关键技术方法 类脂物不仅可以与某些特定微生物功能群联系起来，而且 还与各类环境过程相关联， 示踪其地球生物学过程。

本项目除了使用一些作为生 产力指标的硅、磷、钡、铁元素外，将重点开展对地球生物学过程研究具有明显 创新性的技术方法研究例如，过渡族金属元素（Fe、Mo 等）同位素是近年生 物地球化学家关注的重要对象，它们与生物生产力、 水体环境、 有机埋藏环境有 关，是研究不同地质环境地球微生物学过程的重要手段同步、平行地研究有机 碳和无机碳同位素、 硫化物和碳酸盐晶格中微量硫酸盐的硫同位素组成，为探讨 生物-环境-有机碳埋葬的耦合关系提供基础 d. 古生物学和生物地质学技术 传统古生物学主要研究那些以实体和遗迹形式保存下来的各种动植物化石， 这些动植物又受各种地质环境条件的控制，利用这些动植物化石可以研究环境条 件对生物的影响 同时，通过多种途径对化石资料进行处理，获取古海洋生产力 的相对变化 生物对地质环境的作用可以形成一些特殊的生物地质学记录生物 扰动构造的变化与底层水的氧化还原条件有关早期成岩过程的主要阶段都有特 征性的结核存在，可以根据这些特殊结核及其地球化学数据来识别古氧相及其经 历的主要地球微生物学过程 e. 微生物学与分子生物学技术 将综合采用经典的微生物分子生态技术如文库构建、变性梯度凝胶电泳、大 规模指纹图谱分析技术等， 结合高密度生物芯片、 高通量测序、 单细胞基因组学 等最新分子生态学手段， 同时辅以环境化学与计算机统计和系统分析技术，进行 极端海洋环境的微生物生态， 分布特征以及微生物与环境相互关系的研究。

利用 微生物定量技术包括 FISH、CARD-FISH 技术和原位 PCR技术进行微生物不同类 群丰度的确定和细胞定量、 细胞形态、 细胞间相互关系的确定 应用传统的微生 物分离和生理特征研究技术， 结合现代发展的新的微生物分离技术例如流式细胞 分选技术、 Raman 激光细胞分选技术等，进行极端环境典型微生物功能群包括 硫氧化自养细菌、硫酸盐还原菌、甲烷氧化菌和光合细菌的富集、分离和培养 建立实验室极端环境模拟设备和技术，利用连续流细胞培养技术和高压培养设备 进行矿物形成过程的模拟，综合运用当代各种组学技术包括元基因组、转录组、 蛋白质组、代谢组，结合脂类标记物和同位素地球化学技术阐明微生物功能群的 地球化学过程和地质作用 利用系统生物学技术进行微生物和环境相互作用、动 态发育模型的构建三）各研究内容的详细技术方案 1. 现代海洋极端环境微生物作用的分子和同位素响应 选取如洋中脊深海热液区、冷泉区、西太平洋暖池区和北极等典型的极端海 洋环境进行微型生物生态调查及其分布特征研究将在现场和实验室进行化学参 数采集，采用快速定量流式细胞术、大规模指纹图谱分析、高密度生物芯片、高 通量测序等最新分子生态学手段，结合环境化学与计算机统计分析技术，力图对 极端海洋环境的微生物生态、 分布特征以及微生物与环境相互关系有较为全面的 认识。

确定不同极端环境中典型微生物种群，获得典型微生物特异分子探针利用 qPCR，CARD-FISH 、同位素地球化学等方法研究典型微生物功能群的生态特征及其地球化学过程和作用 分析典型微生物功能群在极端环境中的分布状态、相 互关系、与生存环境中其它生物共存方式和关系，研究种群分布的生物地球化学 意义进行典型微生物功能群在生物地球化学过程的功能分析应用传统的微生 物分离和生理特征研究技术， 结合现代发展的新的微生物分离技术，例如流式细 胞分选技术、 Raman 激光细胞分选技术等，进行极端环境典型微生物功能群的 富集、分离和培养 以“ 海洋酸化 ” 作为着眼点，利用模拟实验，研究典型微生物功能群对环境条 件变化的响应程度，评估海洋酸化对微型生物生态系统的影响 2. 现代环境微生物功能群地质作用的矿物学响应 利用电子显微镜、扫描透射X 光显微镜、纳米离子探针仪等微区分析手段， 研究现代沉积物中粘土矿物与有机质的成分、结构、形态、同位素特征室内模 拟成岩作用早期不同温度条件下微生物功能群与富含有机质的单粘土矿物和含 多种粘土矿物的复杂沉积物之间的相互作用，用有机地球化学方法测定总有机质 和有机质组分浓度随时间降解， 用液相气相色谱测定电子受体的消耗与产物的生 成。

采用高分辨电子显微镜与扫描透射X 光显微镜，观察起始粘土矿物的溶解 与新矿物的生成，找出矿物反应与功能微生物新陈代谢的成因关系 以将今论古的原则为指导， 以现代地质环境中常见的微生物菌株或微生物群 落为例，设臵不同的实验条件， 收集微生物参与下形成的碳酸盐矿物， 利用 XRD、 SEM、TEM 等手段，表征微生物成因矿物的特点再通过ICP-MS 对溶液化学 性质的分析， 阐明矿物形成前后溶液性质的变化，揭示微生物对环境条件的改造 作用利用 SEM、TEM 以及 GC 和 GC-MS 等对微生物形态、微生物特征标志 化合物进行监测， 揭示微生物对环境条件的响应 为寻找地质记录中微生物成因 的矿物提供实验依据 拟采用仿生矿化的实验方法， 以与自然界中与生物矿化作用相关的生物大分 子蛋白质、 脂类、多糖以及类似组成、 结构的化合物为仿生矿化调节剂和矿化模 板体系通过改变溶液物理化学环境（pH、溶液化学组成、浓度等） ，有效控制 目标矿物的生成，进而研究与生物矿物形成密切相关的生物大分子及其特定官能 团对生物矿物成核、 生长和分级结构的影响 以X-射线衍射、场发射扫描电子显 微镜、环境扫描电子显微镜、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、选区电 子衍射、 X-射线能谱分子等现代纳米科学与技术研究手段，配合固体核磁共振、 穆斯堡尔谱、红外光谱、拉曼光谱、原子吸收和发射光谱等确立矿物组成、结构 和形貌特征。

以生物大分子相互作用分析仪或等温滴定微量热仪原位测定组织大 分子间相互作用 3. 第四纪异常气候环境与地质微生物 野外研究：在长江中游地区，选择已有研究基础的湖北省长阳土家族自治县 境内的清江和尚洞和湖北武汉梁子湖、神农架大九湖等湖泊/泥炭为研究地点， 采集洞穴沉积物和湖泊沉积物等研究材料，详细研究区域的地质、水文、环境、 气候、植被、土壤等特征；根据研究对象化石分布和保存特点，采集大熊猫、披 毛犀、鬣狗，猪，水稻古 DNA 分析样品；在部分研究地点（如湖北清江和尚洞） 设立了自动温度和湿度观测站， 获取高频气温和湿度变化信息 通过科研合作的 方式，收集研究点附近的水文观测数据，如气温、降水量、大气湿度、CO2等基 本数据在研究材料的采集点，开展以了解气候、环境、生物信息的传输-转换- 记录过程为目的的现代地质过程观察与模拟试验，为利用洞穴、湖泊沉积物重建 过去生物与环境提供科学依据资料收集与分析：系统收集长江中游及其。