地质微生物响应地质环境变化的若干问题——兼论环境代用指标的应用

微生物能够通过改变细胞膜脂类成分而灵敏地响应地质环境条件的变化,使得人们建立了一系列微生物的古环境代用指标。应用比较广泛的古温度定量化指标包括藻类的长链烯酮U_(37)~k、古菌甘油二烷基甘油四醚的TEX_(86),以及细菌甘油二烷基甘油四醚的MBT/CBT等。然而,由于缺乏生理学和生态学分析,人们在应用微生物的环境代用指标时不断发现适用性问题。论文重点从微生物对环境响应的化学过程、生理范围和生态效应这三方面分析了一些环境代用指标在应用时需要考虑的多指标相互验证、线性范围和灵敏度,以及地区性差异等问题。微生物通过脂类响应环境变化有多种化学方式和途径可以实现,使得许多代用指标可以相互验证。微生物对地质环境的生理响应是有线性范围的,这决定了微生物脂类的环境代用指标的灵敏度大小。而微生物对环境因子的生态响应则决定了代用指标的应用存在地区性差异。某种环境的微生物活动往往受到一些限制性因子控制,相应地一些微生物脂类的环境代用指标也主要响应这些限制性环境因子的变化。微生物的古环境代用指标的应用不仅需要了解微生物通过脂类响应环境变化的化学机理,更要了解相应微生物的生理学和生态学原理。

吸力可控条件下的北方红黏土蠕变特性

北方红黏土又称三趾马红土,在黄土高原地区呈不连续状分布于黄土之下,为典型的致滑地层。红黏土遇水后强度降低、变形增大从而构成滑动面的过程,与红黏土特别是非饱和红黏土的蠕变特性息息相关,然而相关的研究多集中于南方红黏土。我国南方和北方红黏土的工程特性差异较大,不能等同对待。本文以陕西蓝田典型的北方红黏土为研究对象,借鉴控制吸力的非饱和土研究方法,在吸力分别为0,100 k Pa和200 k Pa条件下分级施加围压,开展了吸力控制条件下的三轴蠕变试验,研究非饱和红黏土的蠕变特性和长期强度。试验表明,红黏土具有明显蠕变特性,不同围压下的应力-应变曲线变化特征相近,均呈现幂函数或对数函数变化特征。当围压和荷载一定时,蠕变量随吸力的减小而增大,稳定时间随吸力减小而增长。吸力越小土体的蠕变性越强,其屈服强度也较小,饱和红黏土(吸力为0)的长期强度比吸力为200 k Pa时的红黏土长期强度降低了约50%,说明含水率增大会增大滑带红黏土的蠕变量,促使滑坡的形成,本研究可为红黏土致滑机理研究提供基础。

黄土水敏性及其时空分布规律

黄土是一种具有水敏性的特殊土,天然状态下可以长期保持直立高陡的状态,遇水后呈现出崩解、湿陷、滑动、流变等变形行为。开展黄土的水敏性特性及其时空分布规律研究,对指导黄土高原工程建设和防灾减灾具有重要的现实意义。笔者在非饱和土力学的框架下,引入吸应力的概念,对黄土的水敏性及其力学机制进行解释,即水敏性的本质是,随着含水率的增大,土体内部吸应力逐渐减小,对应不同的外界边界条件时,产生崩解、湿陷、滑动、流变等不同的宏观变形行为。在黄土高原从西到东、从北向南不同空间位置的黄土剖面的不同的层位,系统采集黄土样品,基于TRIM试验测试技术,开展样品的土-水特征曲线与吸应力特征曲线测试。试验结果表明,脱湿与吸湿条件下的各曲线呈现相同的变化规律,均存在3个明显的特征段。黄土对水的敏感程度随其沉积年代和在黄土高原分布位置的不同,呈现出规律性的变化。空间上,从西向东、由北向南,水敏性增强;时间上,沉积年代由老到新,水敏性增强。

中国酸碱度不同湖泊四醚脂类分布影响因素及对湖泊古环境重建的启示

湖泊沉积物中甘油二烷基甘油四醚化合物(GDGTs)在记录陆地古气候方面有着重要作用.然而,这些化合物,尤其是细菌支链GDGTs(bGDGTs)异构体(5-,6-甲基bGDGTs)在中国不同酸碱性湖泊中的分布及其影响因素仍未可知.本文通过对碱酸度不同的湖泊进行对比,并结合其他环境变量,调查了GDGTs各类化合物在中国中东部湖泊系统和西南酸性青海中的分布特征及其影响因素.结果表明,湖水含氧量能够影响湖泊古菌群落结构,从而影响古菌iGDGTs的分布.GDGT-0/crenarchaeol比值随着含氧量降低而增高,表明厌氧的产甲烷古菌或混杂型泉古菌(MCG)与奇古菌相对含量受控于湖水含氧量.含氧量较低的湖泊奇古菌贡献GDGTs化合物比例较小,四醚指数TEX_(86)不能用来重建表层湖水温度.与土壤不同的是,湖水pH并不会影响古菌iGDGTs和细菌bGDGTs的相对含量,但在单一湖泊,如腾冲青海中,古菌与细菌的相对含量(R_(ilb))与水深相关.虽然这些湖泊中细菌bGDGTs的甲基化指数(MBT')与年均大气温度(MAT)和pH(或年均降雨量)相关,环化指数(CBT)仅与pH相关,但基于5-甲基bGDGTs的MBT'_(5ME)与MAT的关系并不明显,反而是表征6-甲基bGDGTs甲基化程度的MBT'_(6ME)与MAT更相关.与全球土壤相似,湖泊中5-,6-甲基bGDGTs的相对含量也主要受pH影响.因此,6-甲基bGDGTs的相对含量(IR)或CBT'可以作为潜在的湖泊pH计.但在较小pH梯度下,IR和CBT'两个指标可能受其他环境因子,如温度等的影响.

微生物醚类化合物在泥炭古环境重建中的应用:进展与问题

泥炭是研究古环境的良好载体,也是陆地重要的有机碳库。泥炭中微生物醚类化合物结构多样、含量丰富、生物来源较为明确,其分布主要受温度、pH和氧化还原状况的影响,可以作为古环境重建的代用指标,也是甲烷循环等生物地球化学过程的示踪计。一些微生物醚类如GMGTs、isoGDGTs异构体和BDGTs的含量可能被开发为泥炭新的古环境和产甲烷作用指标。当前,醚类在泥炭古环境重建和产甲烷作用重建中还存在一些问题,包括pH指标与有效降水量之间的关系不明确,沉积相转变对泥炭古环境重建和产甲烷活动重建可能存在影响,brGDGTs重建温度存在不确定性,需要进一步研究。

基于脂类的环境pH代用指标:进展与思考

pH是环境中影响生物地球化学过程的关键因子之一,其变化能够影响土壤肥力、改变环境微生物群落结构、影响海洋生物形成钙质骨骼和介壳等。不同沉积环境中pH的变化受控于不同的因素。对于地质历史时期一些重建起来难度较大的环境因素,如降雨量和大气CO_(2)浓度等的变化,pH能够充当“桥梁”的作用。通过重建沉积物或者水体中pH的变化进而间接实现对这些环境因子变化的反演。通过调查现代环境中生物脂类与环境关系等手段,已经逐渐发展起来一系列的环境pH代用指标,包括细菌支链型甘油二烷基甘油四醚化合物(GDGTs)的环化指标(CBT、CBT5ME、CBT6ME)和异构体指标IR(IR6ME、IBT等)、革兰氏阴性菌3-羟基脂肪酸的RIAN、Branched Index、RIN指标、C31藿烷的ββ/(αβ+ββ)立体异构体指标、长链正构2-烷基酮指标等。本文总结了基于生物脂类的pH指标其建立过程及应用原理,并对这些指标在古环境中的应用进行概述,归纳各自优缺点和应用范围,并提出了这些指标未来的研究方向。

长白山冷湿环境下不同海拔土壤四醚膜脂对环境的响应:对海拔与古环境重建的启示

甘油二烷基甘油四醚化合物(GDGTs)是陆地和海洋环境中古环境和生态定量重建的重要工具.目前对陆地土壤GDGTs的研究主要集中在相对暖湿和冷干气候区,冷湿条件下GDGTs对环境的响应尚不清晰.基于此,本文选取具有冷湿气候条件的长白山作为主要研究对象,探究长白山不同海拔土壤GDGTs的分布特征及相关指标对环境的响应.结果表明,长白山冷湿气候条件下,由古菌iso GDGTs分布反映的长白山不同海拔土壤古菌群落结构发生了显著变化,古菌群落结构对温度指标TEX_(86)产生影响;此外,温度季节性对TEX_(86)的影响也较为显著.细菌5-甲基br GDGTs的甲基化指数MBT′_(5me)及MBT_(5/6)与土壤含水量具有一定的相关性而与温度关系不显著,说明MBT′_(5me)及MBT_(5/6)指标可能并不适用于冷湿环境下的温度和海拔重建.6-甲基br GDGTs甲基化指数MBT′_(6me)、环化指数(CBT、CBT_(5me)、CBT_(6me))与甲基位置异构化指数(IR_(IIa′)、IR_(IIIa′))都与p H呈现显著相关性,表明这些指标在冷湿条件下仍具有反映土壤p H的潜力.不同地区的MBT′_(5me),MBT′_(6me)组合与典型气候型(冷干、暖湿、冷湿和暖干)存在较好的对应关系,冷湿条件下MBT′_(5me)值较小(<0.65),而MBT′_(6me)值较大(>0.55),表明MBT′_(5me)-MBT′_(6me)联合具有指示古气候型的潜力.