【基金标书】2011CB808800-若干重大地质环境突变的地球生物学过程

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： 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 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 0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 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（ 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（ ）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 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 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、 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、 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 手段，表征微生物成因矿物的特点。再通过 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 及 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（ 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 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、 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 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、 研究材料的采集点，开展以了解气候、环境、生物信息的传输 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 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，非烃组分经 用气相色谱仪、气相色谱 定和定量，用气相色谱 热裂解 氢同位素。 有壳变形虫分析 : 有壳变形虫和水文条件的相关关系已经得到应用，为了进一步确定在研究区两者之间的定量关系，本项目将开展所研究泥炭地现代有壳变形虫和水文（水位、含水量）等环境变量之间的关系，建立 “有壳变形虫 水位 ” 转换函数模型，然后将沉积物中的有壳变形虫数据（百分含量）代入该模型，从而反推古水位的变化曲线，实现古水位的定量重建。在神龙架大九湖泥炭地表层设 30集各样点的泥炭藓植物用于现代有壳变形虫的分析，同时测量各 样点的环境指标，经过统计，并根据生态学方法确定 “有壳变形虫 环境变量 ”之间的关系，计算各属种的最佳水位适宜值，并建立 “属种 水位 ”转换函数模型。 沉积物同位素地球化学分析：通过对湖泊和洞穴沉积物进行精细定年、测定其碳、氧和钼同位素组成，以及各类化合物的单体同位素组成，研究微生物与碳循环耦合关系。 沉积物元素地球化学分析：对石笋进行高空间分辨率（ 20微米间隔）的分析，获取 P、 U、等地球化学组成，建立末次冰盛期以来高分辨率的湿度变化曲线。 古 重 增、分子克隆和序列 测定等。 4. 显生宙碳循环异常环境的地球生物学过程 在中国南方有较好地层学研究基础的地区，选择 一些 代表不同沉积古地理背景的地层剖面，以关键环境标志和生态系不同营养层次生态类群为重点开展系统的野外和室内研究工作，建立区 域上具有代表性的关键环境事件和生态系结构演变序列，为 生物与环境协同演变过程分析提供第一手资料。计划重点研究剖面为：安徽巢湖剖面、贵州明塘 关刀剖面、贵州青岩剖面、贵州紫云四大寨、广西田东作登剖面、 贵州安顺六枝 剖面 、湖南桑植 剖面 、安徽巢湖 剖面 、广西东攀 剖面剖面、湖南慈利剖面、湖北崇阳剖面、重庆老 龙洞土地垭剖面等。所要研究的 关键环境事件标志包括：（ 1）沉积古地理（特别生物建隆标志）；（ 2）碳同位素与碳循环；（ 3）元素地球化学与古海洋化学等。生态系结构研究包括：（ 1）生物类群结构；（ 2）生物习性结构；（ 3）食物链结构。 野外工作包括剖面测量（包括岩性和沉积构造的详细描述）、各类大化石和微体化石（放射虫和有孔虫）样品采集、微古植物样品、火山事件、旋回地层样品、同位素样品以及沉积地球化学样品的采集。室内工作包括化石的鉴定与统计、微体化石处理 统计以及其他各类样品的室内处理 分析；不同剖面以上各类 指标的综合对比研究 。 华南晚泥盆世 交主要研究广西横县六景剖面、广西桂林杨堤剖面、贵州独山大河口剖面和四川北川甘溪剖面，以牙形石生物地层和旋回地层为基础，进一步精细和优化研究剖面晚泥盆世 交的年代地层格架。通过对剖面的系统研究确定晚泥盆世 交菌藻微生物类型、丰度、分异度、亲缘关系和演变以及菌藻微生物功能群特征与关键环境因子的关系。通过对主要研究剖面珊瑚 示珊瑚 以 华南奥陶 钾质斑脱岩为载体进行精确定年，从而建立年代地层 定各类事件的时空变化关系。在标定精确的时空格架的同时，努力揭示火山活动及由此产生的大气 营养元素与微生物繁盛之间的可能联系。由于高成熟度导致了生标的直接提取不能奏效，我们将采取 “对比地质学 ”的思路来开展这段地层的微生物功能群替代指标的识别和研究。开展相关地层的岩石地球化学及稳定同位素分析，同时确定古海洋生产力或其替代指标及其变化。 5. 新元古代极端地质环境的地球生物学过程 在华南（扬子）地区，开展成冰 系（南华系）、埃迪卡拉系（震旦系），以及埃迪卡拉系 石、古生物化石及相关矿产的调查和研究。综合运用地质学、古生物学、元素和稳定同位素地球化学等方法，获取沉积岩中记录的各种古气候、古海水化学、微生物和古生物化石的信息和证据，揭示极端寒暖交替时期海洋出现的 “冷泉 ”事件，探讨极端气候环境下的地球生物学过程，以及它们对古海洋化学、早期多细胞真核生物（群）辐射和灭绝的关系。 在极端冷、暖事件研究方面，采用各种铁组分分析、元素和微量元素（包括同位素等地球化学手段研究南华纪（以下江群、江 口群为代表）的古气候（ 数等）与古海洋化学（氧化还原敏感元素、 分等）的变化，根据碳（无机碳和有机碳）、硫（ 黄铁矿）同位素分馏和变化探讨海洋微生物（古菌、细菌和藻类）的响应及作用。同样的地球化学方法还用来研究南沱冰期之后帽白云岩、江口冰期间的 矿和灯影期深水硅岩形成环境、成因及微生物的作用。综合起来，确定新元古代古气候、古海洋环境变化的基本特征，结合发生的（微）生物作用，建立极端气候、海洋氧化还原与地球生物学过程关系的模式。 在冷泉事件研究方面，采用 “将今论古 ”的对比方法阐述华南新元 古代 “冷泉 ”事件的成因、识别标志、古地理分布和微生物功能群印迹，分析 “冷泉 ”事件的古环境效应和地球生物学过程。拟选择华南地区有代表性的 “冷泉 ”记录地层剖面（例如，陡山沱组 “盖帽 ”、大塘坡组 “白云岩 ”夹层），在充分收集分析前人资料和已有研究工作基础上，有针对性地开展高分辨的地层学、沉积学、元素和稳定同位素地球化学等研究。加强新元古代 “冷泉 ”事件地质记录，以及 “冷泉 ”环境与地球早期多细胞后生动物的出现和有机质保存之间的关系，进而探索新元古代甲烷 “冷泉 ”极端地质环境的地球生物学过程。 在多细胞真核生物出现、演化与 古环境研究方面，采用古生物学、生物地层学、沉积学和沉积岩石学、同位素地球化学和元素地球化学方法开展华南地区有宏体古生物化石出现的埃迪卡拉系地层的综合研究。在前期关于瓮安生物群、庙河生物群、西陵峡生物群和高家山生物群古生物学研究基础上，开展华南埃迪卡拉系生物地层学研究工作。结合碳同位素化学地层学研究，进行埃迪卡拉系内部划分和地层的区域及洲际对比。开展皖南埃迪卡拉系蓝田组（相当于陡山沱组）蓝田生物群的发掘和系统古生物学研究。结合化石生物群埋藏学和相关地层元素地球化学分析，如 分等，探讨该时期古海洋环境变化。 在此基础上进行地区间古海洋环境和古生物化石保存与埋藏方面的对比。 在富有机质烃源岩与微生物作用研究方面， 充分收集前人有关华南震旦系 有机质沉积岩的分布、 成熟度（ 硫、碳同位素等资料和数据，通过数据和文献资料分析提炼出新的问题和可借鉴的方法，设计实验分析项目。 系统采集地质样品，由于有机质、黄铁矿易被氧化必须有效地去除风化面，并尽量利用石油、煤田、金属矿产钻探所获取的新鲜岩心样品。利用我们已经建立的实验室开展样品前处理与各种分析测试，包括测定不同存在形式的硫及硫同位素、有机碳 及碳同位素分析和可溶有机质与沥青 C 生物标志化合物分析。研究 湘西、黔西北震旦系 机硫同位素、 各种铁组分含量、生物标志化合物组成及特征，探讨微生物作用与烃源岩形成的关系，以及它们与海底火山热液、富 水环境的关系等，建立这一时期烃源岩形成的微生物地球化学作用模型。 6. 中元古代硫循环异常环境的地球微生物学过程 野外地质工作是研究的基础与前提 。 拟选取华北地台天津蓟县、河北平泉、河北怀来、河北兴隆、河北涞水等中元古界不同相区的 3剖面进行多学 科综合的野外地质研究；尽量选择成熟度相对较低、较新鲜的露头，据研究目标运用便携式岩石切割器和微钻机等系统采集岩石、微生物岩、 造及各种地球化学样品。 层序地层与海平面变化是各研究方面共同的基础 。 主要采取野外与室内、地层与沉积、宏观与微观、生物与矿物、定性与定量相结合的技术路线 建立地层与沉积相序列 ,据关键界面、地层结构与副层序叠加形式划分沉积层序并标定沉积体系时空分布；通过生物地层、年代地层及事件地层方法标定时间控制点，建立层序地层年代格架，通过沉积体系的时空分布与变 化分析查明古环境变迁与沉积演化过程。 对微生物岩、 造及沉积微相等研究，传统研究方法与新技术相结合，开展宏观与切片的显微镜和扫瞄电镜的研究，揭示微细结构与形态特征和分类单元。进一步运用 X 光衍射、 光拉曼分析技术测定其主要矿物和化学成分，以确定微生物主要类群及其可能的微生物化学过程。 在微生物类群与功能研究方面，主要对薄片、化学处理获得的实体标本进行显微镜与 究，通过形貌与结构特征识别微生物类分类单元。不同的微生物类群有不同的生物标志物，选择合适的样品开展类脂标志物研究，与现代微生物类群及其功能的对比，确定主导的功能群。 对生物矿化、微生物化学过程的研究，主要通过其产生的矿物组构和地球化学信号反演推断。如 用会使海水中的 致以针状文石等矿物组构的快速形成，由于厌氧细菌活动，会产生显著的 13C 同位负偏；而 生自生黄铁矿， 菌的活动导致海水 34S 偏移。因而对这些标志性矿物组合和地球化学信号的研究可以提供生物矿化与主导微生物过程的重要信息。 对氧化还原条件和氧化界面深度的研究标定，主要采用沉积岩的 铁同 位素 58测定进行恢复与研究。近年对新元古代的研究已经证明值可以很好地反映古海洋氧化还原状态，而对中元古代 58研究表明它是一个重要的海洋氧化指标，能够有效地用于氧化界面深度与含氧量的标定与研究。 古海洋化学条件，如硫酸盐浓度与硫化状态，可以通过某些矿物组构与地球化学元素分析相结合取得重要信息。在低硫酸盐浓度、缺氧 于形成以层状鱼骨状方解石、哑铃状文石为标志的海底碳酸盐沉淀；结合微量元素的测定能够提供古海洋化学条件的信息。 在上述多种沉积 环境、海洋化学条件、微生物群落参数的研究基础上，将其置于层序地层年代格架和沉积环境变化序列内综合分析，就能够对中元古代硫化环境变化及微生物过程做出良好的判定，从而取得重要的新成果。 四、年度计划 2011年 研究内容： 主要是 收集文献资料，制定实施研究方案，建立和完善新实验方法 ， 野外地质调查和样品采集。主要研究内容如下。 海洋典型极端环境下的微生物生态及分布特征的研究，典型微生物功能群的分离。 利用不同微生物，合成有机质 置不同的对照实验，通过 碳酸钙矿物的特征。 开展磁铁矿仿生矿化研究。 采集洞穴石笋、大九湖泥炭、鄱阳湖等载体的样品， 研究区域的地质、水文、环境、气候、植被、土壤等特征， 开展现代地质过程观察和模拟试验，分析泥炭沉积微生物类脂物的分子及其单体同位素组成，泥炭沉积有壳变形虫的工作，开发 位素分析新方法。 巢湖、明塘 关刀、青岩剖面、湖南桑植、安徽巢湖、浙江黄芝山和浙江长兴煤山二叠系 广西田东作登剖面、 湖南慈利剖面、湖北崇阳剖面、重庆老龙洞土地 垭剖面二叠纪 泥 盆世 交广西横县六景剖面、广西桂林杨堤剖面、贵州独山大河口剖面和四川北川甘溪剖面采集岩性、化石、岩相和地球化学样品。 华南奥陶 志留界线相关剖面的选择和野外调查工作。微藻自养功能群与异养功能群的控制培养。 南华系剖面（湘黔桂）、 “冷泉 ”事件及相关地层、蓝田组古生物和地层（皖南）、牛蹄塘组黑色岩系（ 黔西北、湘西 ）的野外调查。 常量元素（ 微量元素（ 铁组分、碳硫同位素和生物标志化合物等分析。蓝田生物群的埋藏学研究。 选择中元古代部分典型剖面开展详细的野外地质调查与剖面测制，据野外工作，开 展相关地质图件编制与层序地层、沉积相及微相的研究，开展沉积岩、矿物与微生物岩样品的加工与分析测试。 研究目标： 建立某些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初步认识。分离典型的参与 C/步建立实验室及船载环境条件模拟平台 。 培养成功各种功能微生物，合成粘土 证实有机质在粘土矿物表面或结构的赋存状态。查明异养微生物作用下，碳酸盐矿物形成的过程及特点。 了解长江中游现代气候和环境特征。通过泥炭建立地区反映气候环境变化的细菌、古菌和有壳变形虫的指标 体系；在季节尺度上，认识气候信息的传输 记录过程。 初步建立二叠系 分剖面 的环境恶化过程。完成二叠纪 优化研究剖面晚泥盆世 交的年代地层格架和主要宏观环境因子的特征。 完成华南奥陶系 志留系界线典型剖面的选择和观察、相关样品的采集与初步分析。 发现更多新元古代甲烷 “冷泉 ”记录地层剖面 ， 揭示蓝田生物群面貌特征及代表性分子的生物属性，探讨生物群本身的古环境指示意义 。 完成兴隆、平泉、蓟县 中元古代 剖面的野外地质测制与系统采样工作 ， 完成部分微生物岩与 发表 文 5。 2012年 研究内容： 大量野外工作和大量的室内测试分析。主要研究内容如下。 典型微生物功能类群及其地球化学作用研究，进行典型微生物功能群在生物地球化学过程的功能分析。进行功能微生物 有机质相互作用的实验。测定功能微生物对粘土矿物的溶解、沉淀、转化的动力学过程与产物。设置不同对照实验，查明以蓝细菌为代表的光合自养微生物参与下碳酸钙矿物的特征。 开展铁羟基氧化物（如针铁矿和纤铁矿等）的仿生矿物研究。研究蛋白质、脂类化合物、多糖等调节剂对铁羟基氧化物聚集、成核和生长过程的控制作用。 继续开展现代地质过程观察和模拟试验，石笋沉积微生物类脂物的分子的研究，石笋和湖泊沉积物的碳、氧同位素组成研究，石笋中元素地球化学组成的高分辨率测定。样品的 古 重 增、分子克隆和序列测定 。 开展巢湖剖面、青岩剖面和明塘 关刀剖面的生态系结构分析，对不同相区二叠系 广 西田东作登剖面、湖南慈利剖面、湖北崇阳剖面、重庆老龙洞土地垭剖面二叠纪 华南晚泥盆世 交主要研究剖面中搜集和采集的岩性、化石、岩相和地球化学样品进行系统的室内分析。补充完成华南奥陶系 续进行测年工作。完成环境效应促进养功能群和异养功能群的微藻细胞结构、生化成分、代谢通路和基因表达变化的分析。 继续南华系和 “冷泉 ”事件的野外调查和采样，围绕瓮安生物群、庙河生物群、西陵峡生物群和高家山生物群开展埃迪卡拉系地层和古生物化石的野外工作。分析 南华纪古气候、古海洋化学及海洋微生物学活动的数据和资料。 开展华南埃迪卡拉系生物地层学和碳同位素化学地层学研究。 研究 黔西 牛蹄塘组沉积岩中各种形式的铁、硫含量在剖面上的变化、生物标志化合物分布、有机碳、氢、硫同位素组成的变化特征 。 进一步选择代表性中元古代剖面扩展野外工作范围，系统采集各类样品，全面开展资料的分析与整理，开展编图与深入的相分析、沉积环境变化研究。对关键层段的样品进行深入的分析研究，研究微生物与环境相互作用，以及一些典型的微生物化学过程和地质记录。 研究目标： 继续深入认识典型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。建立实验室及船载环境条件模拟平台并进行初步的模拟培养实验；获得典型微生物特异分子探针 。 评价不同微生物活动对单种粘土矿物的溶解、沉淀、转化的控制及环境因素，建立生物成因的粘土矿物学标志。查明光合蓝细菌在不同条件下形成矿物的差异性 。 深入了解现代沉积物中信息的记录过程 ， 通过石笋建立地区反映气候环境变化的细菌、古菌的指标体系 ， 完成部分样品的元素和同位素分析。 建立下 索其与碳循环之间的联系。以安徽巢湖和湖南桑植等剖面为解剖对象，从生物的时空 变化规律阐明环境的恶化过程 。 用扫描电镜揭示微生物岩中钙化了的微生物化石特征。初步查明晚泥盆世交菌藻微生物类型、丰度、分异度、亲缘关系和演变以及菌藻微生物功能群特征与关键环境因子的关系。取得奥陶系 解地球环境条件变化引发细胞结构、代谢和基因表达趋向异养生长的内在规律。 初步建立南华纪古气候、古海洋环境变化和地球生物学过程之间相互关系。小结华南新元古代 “冷泉 ”事件的环境效应和微生物功能群的识别。 提供 黔西北 牛蹄塘组剖面上 化学、同位素和生物标志化合物分布的变化规律， 初步判别是否与火山热液、富 水环境有关。 完成怀来、宽城、西山地区地质剖面测制与系统采样 ， 建立研究剖面的层序地层序列与沉积相编图，建立完整的层序地层年代格架与海平面变化曲线 ， 完成 部分沉积岩与微相分析工作，以及微生物岩类型与 相分研究工作 。 发表 文 8。 2013年 研究内容： 部分野外工作和大量室内工作，阶段性总结。主要研究内容如下。 典型微生物功能类群的分离及其环境指示标记物的识别和提取 。 开展硫酸盐还原菌和铁还原菌对含铁硫酸盐矿物的还原作用研究，包括黄钾铁矾和施氏矿物，并监 测还原过程中矿物相的转变。 系统研究地质环境有机大分子、环境物理化学因素对水铁矿等含水铁氧化物转变为稳定铁氧化物过程的影响，揭示成岩过程中，有机质对成岩矿物组成、结构和形貌的影响。 湖泊沉积微生物类脂物的分子工作 ， 2万年来典型环境事件解剖 。 古 现代地质过程观察和模拟试验的继续进行 。 完善明塘 中三叠世生态系结构，补充完善环境标志序列。开展四大寨和 /或作登 等 剖面的生态系结构和环境标志研究。完成和总结广西田东作登剖面、 湖南慈利剖面、湖北崇阳剖面、重庆老龙洞土 地垭二叠纪 对广西桂林杨堤剖面、贵州独山大河口剖面和四川北川甘溪剖面进行补充性野外工作和有针对性的室内分析处理。对华南奥陶系 充少量野外工作。完成微藻功能群成烃与生物标志化合物特征的控制实验研究。 进行陡山沱组帽白云岩、灯影期硅岩野外调查、采样及样品测试。 研究甲烷 “冷泉 ”事件前后的古海洋、古气候变化和古构造背景，探索 “冷泉 ”极端环境下微生物功能群的形貌保存。 开展蓝田生物群相关地 层 分等元素地球化学分析。 研究湘西牛蹄塘组沉积岩中各种形式的铁、硫含量在剖面上的变化、生物标志化合物分布、有机碳、氢、硫同位素组成的变化特征及富有机质烃源岩的成因。 针对前两年的重要发现与进展，对 中元古代 一些关键层段开展野外扫面及重点补充研究与采样工作 ， 全面开展各类样品的多种测试与分析研究工作 ， 总结前两年的研究工作，针对发现的重要科学问题，深入理论研究并重点突破 。 重点研究古海洋化学条件演变与微生物功能群相关性的研究 研究目标： 较全面认识典型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。 鉴定 3与典型微生物功能类群相关的特异性脂类生物标记和他们的同位素信标。 摸清不同环境条件下，不同功能微生物与不同粘土矿物、不同有机质的时空、成因关系。揭示不同微生物功能群作用于于对同一种矿物时的差异性。 通过湖泊建立地区反映环境变化（如富营养化）的细菌的指标体系 ， 建立长江中游近 2万年，特别是全新世以来的气候变化特征及微生物过程 的关系， 认识气候、环境、生物信息保存、记录的时效性。 建立明塘 青岩剖面生态系结构演变序列 ，揭示二叠纪 结构对极端环境的响应。完成微生物岩 中钙化微生物化石的鉴定，总结地球化学及其所反映的海洋环境。查明晚泥盆世 交菌藻微生物类型、丰度、分异度、亲缘关系和演变以及菌藻微功能群特征与关键环境因子的关系。完成奥陶系 清自养与异养微藻功能群在成烃特征和生物标志化合物成因上的差异。 探索冰期后帽碳酸盐岩和末前寒武纪硅岩的成因，揭示气候、海水化学和微生物的各自作用。探索 “冷泉 ”环境下微生物功能群的识别及其环境效应。通过化石生物群埋藏学分析，结合地球化学研究成果，从另一个侧面埃迪卡拉纪早期古海洋环境的变化。 提 供湘西 牛蹄塘组 剖面上化学、同位素和生物标志化合物分布的变化规律，并与黔西北对比 。 完成 中元古代 大部分样品的分析测试与汇总分析，完成各类参数的分析整理 ， 建立各种地球化学、沉积相以及微生物分布相关性对应曲线，建立环境演变与微生物群落的关系 ， 完成微生物类群与主导功能分析及其与海洋环境变化相互作用模式 。 发表 文 6 。 2014年 研究内容： 少量野外和部分室内分析测试。 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 。 开展硫酸盐还原菌和铁还原菌共同存在的条件下对含铁硫酸盐矿物的还原作用 研究，包括黄钾铁矾和施氏矿物，并监测还原过程中矿物相的转变。在研究生物铁氧化物矿物矿化过程机制的基础上 ， 开展生物碳酸钙矿物过程仿生研究，从分子水平揭示其成因机制。 以泥炭沉积为重点，调查细菌等微生物随环境条件的变化如何影响有机质的保存和分解，如何影响泥炭植物的成分及其同位素组成 。 探讨 物标志物之间的相关性 。 长江中游末次冰盛期以来湿度曲线的重建 。 早 中三叠世台地及前缘斜坡区生态系结构及其演变补充研究 ， 台缘及前缘斜坡区关键环境因子的演变过程研究 ， 盆地相区生态系结构和环境因子补充研究。完善 华南 二叠纪 究华南奥陶系 分析火山活动对沉积微相变化的影响。 开展华南新元古代 矿的野外调查、采样和样品测试。 分析华南地区新元古代甲烷 “冷泉 ”事件的综合识别标志。综合华南埃迪卡拉系生物地层和碳同位素化学地层成果，与其它地区和大陆进行对比研究。 完成牛蹄塘组富有机碳地层的 地球化学研究，进行数据分析、对比和归纳，建立成因模式。 重点开展 中元古代 微生物化学过程的研究 ， 深入研究 微生物过程的机理、标识及其对 海洋环境和烃源岩形成的可能影响 ， 深入研究微生物与环境作用过程及其可能的地质意义；研究主导微生物群功能地质记录。 研究目标： 完善建立实验室 环境条件模拟平台， 构建共生微生物群体与环境响应、相互作用的模型。 评价不同微生物活动对复杂粘土矿物 价矿物溶解、沉淀、转化等的控制作用及影响的环境因素，建立生物成因粘土矿物学的标志。考察不同微生物功能群共同存在的情况下，对电子受体的竞争关系，真实反映自然界中各种微生物发生作用的顺序关系。 阐述微生物活动对碳循环的影响 ， 建立关系 。 提出 在年际尺度上认识地质过程中气候与生物信息的记录过程 。 了解长江中游过去气候变化特征，认识干旱事件的强度与周期 。 初步建立中生代 台地及前缘斜坡区生物与环境互动演化关系 ， 初步建立盆地相区生态系结构演变序列 ， 弄清典型剖面二叠纪 山事件与碳循环等的相互关系。建立主要微生物岩剖面的地球化学指标变化曲线，弄清各指标与碳酸盐微相之间的关系。初步揭示珊瑚 清华南奥陶系 程，建立火山活动与氧化还原条件等环境因子的可能关系。 探索新元古代 矿的成因，及与雪球地球、古海洋氧化还原、微生物作用等的关系。初步建立新元古代甲烷 “冷泉 ”环境下的地球生物学过程。通过总结与对比，探讨埃迪卡拉系全球对比的可能性，及同位素和（古）生物标志。 给出华南震旦系 对华北中元古代硫化环境条件下的主导微生物化学过程、地质产物及可能的机理提出系统认识 ， 对 代表性微生物过程在硫化条件形成、烃源岩形成与保存中的生物地质意义做出评价 ， 对微生物影响环境机理做 出分析，确定主导微生物化学过程的地质产物与标识 ， 提出不同微生物岩类型的生物 提出铁的微生物模型及海洋铁循环模型 ， 提出主导微生物群落结构与多样性模式 。 发表 文 8。 2015年 研究内容： 部分补遗，综合、整理、总结和提高。 总结现代海洋极端环境微生物功能群及其地质作用特征 。 微生物与矿物相互作用的特征和规律。 总结第四纪微生物对不同环境因子的响应规律。 早 碳同位素演变的环境指示意义 和 生态学意义。全面总结二叠纪 酸盐台地上微生物岩建造、微生物类型、沉积微相、地球化学特征，综合研究微生物化石、地球化学和草莓状黄铁矿的氧化还原参数。总结晚泥盆世 交的生物与环境过程 。 综合分析奥陶纪 积地球化学特征及各种可能的微生物功能群指标，研究早古生代重大地质突变期的地球生物学过程和各种地质事件记录。 综合分析研究 新元古代 古气候变化、古海洋环境变化和附随的地球生物学过程 ， “冷泉 ”事件的环境、气候影响及地球生物学作用 ， 真核生物演化与古环境背景 ， 烃源岩形成的微生物作用等。 重点研究 中元古代硫化海洋环境起因 、微生物群在形成烃源岩过程中的重要贡献的研究 ， 研究 海洋碳硫循环中的作用、 用对海洋化学条件转变和真核生物发展的影响 ， 研究中元古代硫化条件下 微生物过程的一般性模型。 研究目标： 重点阐述某些重要微生物功能群的地球化学过程和地质作用，古今结合。建立生物成因粘土矿物、碳酸盐矿物的标志和特征。 揭示中生代初复苏、辐射过程中生态系结构的转变过程及 “现代型海洋生态系 ”结构的建立机制。弄清二叠纪 生物岩和微生物化石广泛分布的原因，阐明地微生物对环境变化的地质 记录及其可能的后续环境效应。揭示晚泥盆世 交珊瑚 标定华南奥陶纪明各地质事件之间的关系，探讨该阶段海洋初级生产力的变化及与奥陶纪末高 景下的全球生态系统演化事件之间的可能对应关系。 摸清新元古代极端地质环境下的主要地球生物学过程。 阐明 地球（微）生物学作用与极端气候变化、海洋环境转变的关系，建立相关模型。 为 “冷泉 ”事件成因解释、 “寒武纪生命大爆发 ”背景、新元古代 矿及前寒武纪 过渡期富有机质烃源岩出现，提供理论依据。 提出海洋硫 的可能的微生物过程 ， 提出不同微生物功能群的作用与对烃源岩的贡献程度 ， 对 用在中元古代影响气候与在海洋硫循环中的作用做出评估 ， 对 除海洋硫化的可能机理提出认识 ， 探讨中元古代大气与海洋环境相对稳定性与微生物过程的相关性。 发表 文 10左右。 一、研究内容 围绕不同地质环境中微生物功能群的地质作用这一关键科学问题，采用现代地球科学和生命科学两大学科领域的的研究方法和先进技术，以微生物岩和烃源岩为两大载体，从现代过程的现场调查和实 验模拟，到现代过程与地质过程的对比，再到典型地质过程的详细解剖，突出对若干重大地质环境突变的地球生物学研究，最终形成互相关联、承上启下、古今结合、涵盖三大主题的研究内容。 1. 现代典型环境微生物的地质作用：现代过程的调查和模拟 要弄清楚重大地质环境的微生物作用和响应特点，本项目首先把精力放在现代典型环境及其若干关键地球生物学记录的解剖上。从两方面入手，一是现代典型环境的现场调查和分析，二是地球生物学现代过程的实验模拟。因此需要借鉴现代生命科学的研究方法，兼顾地球科学的方法和技术。主要开展现代海洋极端环境 微生物生态特征、分布、以及对环境作用的分子和同位素响应（课题一），现代环境微生物功能群地质作用的矿物学响应与地质记录（课题二）这两方面的研究，构成本项目的第一主题内容。 在现代海洋极端环境微生物作用的分子和同位素响应方面， 主要包括如下研究内容： （ 1）海洋典型极端环境下的微生物生态及分布特征：采用分子生物学、有机与同位素地球化学的理论与技术，调查与碳循环或硫循环异常有关的现代海洋极端环境（如天然气水合物区、热泉等）微型生物生态、典型微生物功能群的分布特征。 （ 2）典型微生物功能类群及环境指示标记物的识别和提 取：确定不同极端环境中典型微生物种群， 进行极端环境微生物群体的元基因组、转录组学研 究；分离参与碳循环或硫循环的微生物功能群；鉴定与典型微生物功能类群相关的特异性脂类生物标记及其同位素信标； 进行典型微生物功能群在生物地球化学过程中的功能分析， 阐述有地质环境指示意义的代表性脂类分子标记物的生物来源。 （ 3） 典型微生物功能群对环境条件变化的响应： 研究典型微生物功能群对环境条件变化的响应方式和程度。 评估海洋酸化对微型生物生态系统的影响； 建立甲烷氧化和硫酸盐还原共生体系的实验室模拟培养，构建共生微生物群体与环境响应、 相互作用的模型。 在现代环境微生物功能群地质作用的矿物学响应，主要研究如下方面的内容： （ 1）在常温与中温（ 60）条件下，模拟异养好氧菌、厌氧菌与人工合成的有机质 析这些功能微生物对粘土矿物的溶解、沉淀、转化的动力学过程与产物，寻找生物成因矿物的典型特征。 （ 2）研究微生物参与下形成的碳酸盐矿物的特征、矿物形成过程中微生物特征标