深渊生物资源取样装备技术体系研究

针对深渊生物资源研究的需求,自主研发了用于全海深深度的深渊沉积物、水体和宏生物的保压取样装置,深渊沉积物保压转移装置,深渊微生物原位过滤及保存装置和高压培养高压酶学测定装置。在深海模拟环境验证了取样装置在万米深度下的工作性能。相关装置在“探索一号”科考船的TS15、TS21-1和TS21-2大洋科考航次中,搭载“奋斗者”号载人潜器、“2号”深渊着陆器、“原位实验”号着陆器于西菲律宾盆区和马里亚纳海沟进行了海上试验,成功获取了万米深度沉积物、水体和宏生物保压样品以及微生物原位过滤滤膜;成功进行了沉积物保压样品的保压转移试验。初步形成了深渊海域生物资源取样的装备技术体系,为深渊海底生物和基因资源开发,深渊生命过程等科学研究提供技术手段。

^(234)Th/^(238)U不平衡法及其在海洋颗粒物循环研究中的应用

一直以来,对于测定从海洋表层到深层整个全水柱的颗粒物输出通量都是一个很大的挑战。放射性元素^(234)Th因其合适的半衰期(t_(1/2)=24.1d)和超强的颗粒物活性而被广泛应用于示踪颗粒物的循环以及和生物有关的海洋过程,并且^(234)Th/^(238)U不平衡法因其采样简单且能得到高分辨率的垂向和水平向数据而具有更远的发展前景。主要介绍了^(234)Th/^(238)U不平衡法的原理、发展历史、采样和分析方法及其在海洋颗粒物循环过程和其他海洋学研究中的应用、存在的问题和发展前景,并重点探究其对于研究颗粒物有机物再矿化过程和受控机制以及深海碳循环的可能。

快乐教育 快乐教学 快乐地质——北戴河地质认识实习的几点体会

北戴河地质认识实习是中国地质大学(武汉)地学专业本科生的第一次野外实践教学,其效果好坏直接影响学生以后专业学习的态度和积极性。文章从快乐教育和快乐教学重要性出发,介绍了中国地质大学(武汉)北戴河教学团队一贯坚持的"快乐地质"理念及实施举措,同时结合自己的野外实践教学经历,对实践"快乐地质"的"快乐教学法"进行了探讨。

海底深部生物圈菌株泛酸枝芽孢杆菌19R1-5的来源和代谢特征分析

河流输送大量的陆源有机物、无机物和微生物到海洋,沉积到近海海盆。随着陆源和海源沉积物在盆地的逐渐堆积,这些陆源微生物被埋藏,进而逐渐演变为沉积物中固有微生物群体的一部分,是研究微生物环境适应与进化的理想生态系统。本课题组从国际大洋钻探计划(IODP)337航次的一个西太平洋煤层岩芯(1999 mbsf,meter below the seafloor)中,成功分离到一株革兰氏阳性细菌泛酸枝芽孢杆菌19R1-5(19R)。研究发现,19R与分离自陆源土壤的泛酸枝芽孢杆菌DSM 26(26^(T))相比,16S rRNA基因序列相似性为100%,DNA杂交同源性高达91.7%。我们将19R和26^(T)作为研究对象,从比较基因组的角度对19R的来源和代谢潜能进行研究。结果表明,分离自海底深部的19R来源于陆地;同时,19R较26^(T)拥有3个额外的磷酸葡萄糖转移酶系统(PTS),提示19R具有更强的糖利用能力,使之能够适应原位中特殊的营养环境,研究结果对探索海底深部生物圈微生物的来源及其在深海物质循环中的作用具有重要意义。

探索深部生物圈

过去20年间,科学钻探对大洋和大陆沉积物和岩石的研究揭示了地下深部生理和种群都非常复杂的微生物生命的存在.这些微生物存在于海底1km以下和大陆3km以下深度,它们大多在地表生物圈中没有可人工培养或已知的亲缘种.深部生物圈可能代表了全球生物圈中最大的部分,其可能的生物量达50%.本文综述了深部生物圈研究的现有认识和最新研究成果,并对今后的研究方向提出了建议.

海底CORK观测30年：发展、应用与展望

过去50年深海钻探计划(DSDP)、大洋钻探计划(ODP)及综合大洋钻探计划(IODP)等国际间综合深海钻探计划的实施,使我们对地球和海洋的认识取得了显著进步。海底井控观测装置(CORK)的研发和应用是上述深海钻探计划带给我们的最宝贵财富之一。目前地球科学和海洋科学已由过去的间断性观测模式升级为现在的连续性原位观测模式,海底CORK观测系统为地球科学、海洋科学与生命科学领域的科学家对海底洋壳复杂而又相互关联的深部过程进行数秒至数十年时间尺度的研究提供了新手段和新机遇。通过对海底CORK观测系统的发展演变、在ODP和IODP航次中的使用以及在此过程中获得的科学经验和教训进行总结,对CORK系统如何应用于我国洋壳地质学、水文学、微生物学及生物地球化学过程研究提出看法。

建设深渊生物资源勘探、获取、培养及保藏技术体系

深渊是地球上人类最难以到达的环境,也是资源发现和开发的无人区。深入开展深渊生物生命过程研究,首先要解决全海深生物保压采样装备的研发难题。从2018年开始,在国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项“建设深渊生物资源勘探、获取、培养及保藏技术体系”课题(课题编号:2018YFC0310601)的支持下,浙江大学海工装备团队开始进行“建设深渊生物资源勘探、获取、培养及保藏技术体系”相关设备的研发工作。

秭归地区震旦系陡山沱组碳酸盐岩结核成因新认识及其地质意义

扬子克拉通秭归地区震旦系陡山沱组第四段黑色泥页岩中广泛发育具明显δ^(13) C负异常的碳酸盐岩结核,其是否与古甲烷天然气水合物渗漏有关值得深入研究.对该碳酸盐岩结核开展的沉积结构构造、岩相学和地球化学研究表明,碳酸盐岩结核具典型韵律环带结构,普遍发育有亮晶球体结构、草莓状黄铁矿,以及与渗漏系统有关的凝块组构,δ^(13) C具明显负异常(-5.65‰^-6.76‰),U、Mo元素强烈富集(U_(EF)=8~26,Mo_(EF)=99~320),Y/Ho比值为31.05~37.31,稀土配分型式为平缓左倾,主微量元素K、Sc、V、Cr、Co、Ni、Rb、Sr、Ba、Th、U和Mo等总体显示为缺氧-硫化环境,与冷泉碳酸盐岩的形成环境和特征一致.碳酸盐岩结核环带SiO_2、MgO、CaO、CO_2等地球化学元素含量呈阶段性连续增减变化,显示碳酸盐岩结核形成经历了初始形成、成岩-交代、成岩后改造3个连续演化阶段.据此,提出碳酸盐岩结核是新元古代末噶斯奇厄斯冰期(582~551Ma)结束温度回暖,黑色泥页岩中低温封存固态天然气水合物发生分解释放和成岩-交代形成的冷泉碳酸盐岩结核,也是古天然气水合物存在的重要地质记录和标志,这一新认识为华南扬子克拉通在震旦系和下古生界沉积盖层中寻找页岩气(甲烷天然气)储集层位提供了重要地质依据.

现代酸性矿山废水环境中的真核微生物：生物多样性、生理学、生物地球化学特征及其对古环境和早期生命演化的指示

现代酸性矿山废水(AMD)环境被认为是地球早期环境的理想对应物。AMD的水环境具有金属含量高、pH低的特点,这与太古代-早元古代时期海洋的某些环境条件十分类似。然而,尽管AMD的环境条件恶劣,但仍然栖息着非常丰富的原核和真核微生物,在这其中那些嗜酸的、营光合作用的真核微生物类群(特别是Eugnamutabilis)更是引起众多科学家极大的研究兴趣。本文全面概述了在AMD环境中发现的真核微生物Euglenids种群的生物化学、生理学和生物地球化学特征,以及这些特征对于理解生命演化和早期地球环境条件等方面的指示性作用。Euglenids的细胞具备区域化功能,因而具备需氧和厌氧的蜡酯和甾醇的双生物合成途径,同时它们还可以形成生物膜,所有这些均使得Euglenids能够在早期地球极端恶劣的环境条件下生存并持续演化。在AMD酸性环境中发育的富铁叠层石、嗜酸微生物的脂类化合物及其碳同位素比值以及它们独特的生理和生化特征可用于阐述真核生物的演化、地球早期大气中氧气的产生、条带状富铁建造的形成以及地球早期的环境演化等。

海洋下沉颗粒相关微生物群落的相互作用和演替

采用马里亚纳海沟“挑战者深渊”50米深表层海水,并接种^(13)C标记和非标记的POM,设置0.1、10、30和60 MPa 4个压力梯度,以逐渐加压的方式模拟颗粒物沉降过程进行富集培养,探讨在模拟海洋有机颗粒物下沉过程中2种不同形式微生物的演替和相互作用的动态演变。结合稳定同位素探针技术(DNA-SIP)和16S rRNA基因的高通量测序,结果表明,19个活性OTUs被^(13)C所标记,主要隶属于α-Proteobacteria以及γ-Proteobacteria。在不同压力梯度下,附生菌或自由菌中活性OTUs的类型和丰度有显著差异。此外,微生物网络结构(network)的相互作用在高压下呈正向为主,表明着深海中存在着激烈的物种竞争,微生物群落在高压下表现出明显的分离和模块化,具体表现为network拓扑特征系数的弹性和稳定性。模拟颗粒沉降高压培养结果,重点揭示了在沉降过程中静水压力对海洋中下降颗粒物降解相关微生物的群落结构和功能的调控作用。

生长压力对Bacillus subtilis磷脂脂肪酸同位素分馏的影响

已有研究表明,深海中嗜高压革兰氏阴性细菌在磷脂脂肪酸生物合成过程中稳定碳同位素分馏与细菌生长压力之间呈现出线性相关性,而表层革兰氏阳性细菌脂肪酸同位素特征与压力的关系尚不清楚。因此,本研究通过不同压力培养、脂肪酸提取以及二维单体同位素分析等工作,研究了在0. 1,10,20,30,40,50MPa压力下,革兰氏阳性细菌Bacillus subtilis磷脂脂肪酸碳、氢同位素特征。结果表明:(1)高压下(≥10MPa)支链与单不饱和脂肪酸氢同位素分馏随生长压力上升负偏趋势减弱,并与压力之间存在明显线性相关性。(2)高压下(≥10 MPa),支链与饱和脂肪酸的碳同位素分馏随压力上升而负偏趋势减弱,也与生长压力存在明显线性关系,并且,单不饱和脂肪酸δ13C保持稳定。由于压力促进了氢从NADPH向脂肪酸转化的效率,使反应更加完全,分馏效应减弱。因为碳、氢同位素分馏受压力控制,故而在研究深海有机物来源、转运、循环,尤其是深渊生物地球化学时,应充分评估:(1)稳定同位素分馏对生长压力的依赖;(2)嗜高压微生物对海底沉积物中有机物同位素组成的改造。

马里亚纳海沟表层沉积物中微生物的群落组成和功能特征

深渊是迄今人类认识最少的海洋环境之一。深渊蕴含着丰富的微生物生物量,表现出活跃的有机碳周转特征,是深海有机碳降解的“热点”区域。然而,人类对深渊微生物的物种组成和代谢潜力还知之甚少。本文通过宏基因组技术与生物信息学分析,研究马里亚纳海沟“挑战者深渊”表层沉积物(水深10853 m)中的微生物群落组成和功能特征,揭示深渊表层沉积物中微生物驱动深海生物地球化学循环的潜在机制及其相应的生态效应。研究结果表明:变形菌门(Proteobacteria)、奇古菌门(Thaumarchaeota)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)和浮霉菌门(Planctomycetes)是马里亚纳海沟表层沉积物中微生物的优势类群。表层沉积物中微生物的代谢分析表明其主要营异养代谢,可以降解多种有机物,包括一些难降解有机碳化合物(如邻苯二甲酸盐或其他芳香族化合物)。这些结果说明深渊沉积物中的微生物群落具有多样化的有机碳代谢能力,可以支持其开展活跃的有机碳降解过程。除了异养代谢过程,氨氧化等自养代谢过程在本研究的深渊微生物群落中也占据着重要地位,说明自养固碳可能是深渊表层沉积物中有机碳的重要来源。