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项目计划名称：若干重大地质环境突变的地球生物学过程首席执行专家：谢树成中国地质大学（武汉）项目起止年限：2011.1至2015.8项目依托部门：教育部二、项目预期目标（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、项目研究方案（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，设置不同的实验条件，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附近地区（宜昌、恩施、长阳、五峰、绿葱坡、神农架、武汉、九江等）最近50年的气象资料，分析当地气候对区域生态环境的影响。技术开发：开发石笋微生物类脂物的分离、富集和分析技术，为提取研究载体中的低含量类脂物提供技术保障；开发Mo同位素分析技术，为研究其对环境和生物的作用过程提供技术支撑。地质样品微生物类脂物分析：同一个样品同时分析游离态和结合态的类脂物。其中游离态类脂物的分析按常规超声方法进行，而结合态类脂物的分析采用酸消解方法。烷烃和芳烃可以直接上机测试，非烃组分