小小地质微生物演绎跨圈层的相互作用

地球系统科学特别关注跨圈层的相互作用,包括深部系统与表层系统的相互作用、表层系统海-陆-气之间的相互作用。这种庞大时空尺度的地质作用过程可以被小小的地质微生物记录下来,足见地质微生物的以小见大、见微知著特征。在二叠纪-三叠纪之交和晚奥陶世这两个完全不同场景的显生宙火山活动过程中,爆发的初期都出现了包括蓝细菌在内的海洋固氮微生物繁盛,紧接着出现了包括藻类、放射虫、有孔虫等真核微生物的繁盛,显示了火山活动引发了从原核微生物向真核微生物群落的转变过程。不仅如此,人们还发现地质微生物可以通过条带状铁建造等生物成因岩石引发了前寒武纪的火山活动,而且还可能启动了最早的板块运动。地质微生物不仅对火山活动这一与碳循环有关的跨圈层地质作用具有很灵敏的响应和反馈能力,而且还能示踪表层系统复杂的海-陆-气相互作用及其物质传输过程。利用地质微生物的诸多干湿古气候代用指标,发现了中国东部地区不同时间尺度干湿状况的三极模态空间变化格局,而且还识别出了西北地区与西太平洋海洋上层热量有关的极端干旱事件。地质微生物记录的这些干湿状况是高纬与低纬的海-陆-气相互作用在水循环方面的体现。地质微生物演绎的与碳循环和水循环有关的这些跨圈层过程仅是地球系统的冰山一角,随着地球生物学的发展和技术方法的创新,越来越多的宜居地球形成之谜会被地质微生物所破解,包括地质微生物与深部过程的互馈效应、地质微生物与地球重大环境转型的关系以及地质微生物对地球生态系统演化的影响。

基于XLNET模型的开阳磷矿成矿条件相关地质实体识别与应用

随着磷矿找矿难度越来越大,地质勘探成果报告也愈来愈多,通过人工识别海量文档中与磷矿成矿相关地质信息耗时低效,无法满足知识共享传播和地质报告智能管理的需求。为快速获得磷矿地质文档报告中隐藏的成矿地质知识,基于XLNET模型建立了磷矿成矿地质实体自动识别的方法。首先对实体进行BIO标注建立地质实体字典,利用XLNET作为底层预处理模型学习句子双向语义;然后使用BILSTM-Attention-CRF模型实现文本多标签的智能分类;最后通过定位磷矿实体在报告中的分布位置大致推测该处磷矿成矿条件和成矿模式。将该模型与其余3种模型比较得出结果,该模型识别的准确率(P)、召回率(R)及F1值都接近了90%,较前3种模型分别调高了2%,5%,6%。该研究为开阳磷矿地质研究人员提供了更加高效的地质实体自动识别的方法。

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。

“四深”微生物的地质作用——从气候环境变化到生态灾难

“四深”微生物是指深海、深地、深空和深时环境的微生物,特别是细菌、古菌、真菌、病毒等。人们对“四深”微生物的了解非常有限,是亟待突破的地球生物学前沿领域。“四深”微生物的研究对理解地球生命起源、界定生物圈的边界条件、促进地球科学与生命科学以及行星科学之间的交叉融合具有不可替代性的贡献。随着我国深海、深空、深地等重大工程计划的推进,一系列与“四深”微生物有关的前沿科学问题不断提出,包括地质微生物与气候环境的相互作用、地质微生物的生物安全与生态安全、地质微生物参与的隐匿地质过程等。特别是,“四深”环境活性氧自由基对微生物的影响、地质病毒对生物演化和地质过程的影响等前沿领域都亟待突破。活性氧自由基能对生物分子、细胞、组织和器官,乃至整个生物圈的演化以及微生物地质作用都产生重要影响。病毒引发了现代和近代诸多全球性疫情爆发,地质病毒则可能对生物的背景灭绝和大灭绝以及一些地质过程产生影响。

地质微生物——地球环境中的“协调员”

简单介绍了微生物-地球环境的相互作用,并从微生物矿物相互作用、微生物环境修复、极端环境地质微生物学和古微生物生态重建等四个方面介绍了微生物-地球环境协调发展的意义。

我国矿山地质环境承载力研究现状

矿山地质环境承载力是近年来从矿山地质环境、生态/资源环境承载力及地质环境评价领域交叉衍生出来的研究热点、难点、理论和应用前沿,目前正处于起步和发展阶段。在回顾承载力研究起源、发展和演化历程的基础上,论述了国内矿山地质环境承载力的研究现状,归纳了国内对矿山地质环境承载力的不同认识、理解和研究思路,总结了当前存在的问题、研究的难点和发展趋势。任何地质环境系统都有自稳定性和抗干扰的能力,在限定的开采强度内合理地对矿产资源进行开发可以使得"资源-环境-经济-社会"协调发展,这也是矿业和国民经济可持续发展的绿色动力和远景目标。

不同类型热泉环境条件对微生物群落分布的影响

热泉环境的水化学条件与其他类型的水环境相比常差异显著,不同类型热泉的水化学条件也往往截然不同。开展不同热泉环境中微生物群落的分布规律及其影响因素的对比研究,有利于获取对热泉环境变化影响下微生物群落演替规律的系统认识,拓展极端环境微生物的研究体系。在云南典型岩浆热源型地热区(腾冲热海)和非岩浆热源型地热区(龙陵)采集了16个热泉沉积物样品,采用高通量测序技术和统计学方法研究了微生物群落的多样性和环境影响因素,并讨论了随机性因素和确定性因素对群落组成的影响以及物种间的相互作用关系。研究结果表明:热海和龙陵热泉的微生物主要由Crenarchaeota、Thermotogota、Aquificota、Acetothermia等门类组成,两地的微生物群落结构和多样性存在差异,这些差异主要由温度、pH值以及特征水化学组分决定;Li、Rb、Cs、B、As、Sb、Al、W、Sr等特征组分含量的差异是导致热海和龙陵热泉沉积物微生物出现物种差异的关键因素;热泉沉积物微生物群落变化则同时受到随机性因素的影响,物种间出现明显的生态位划分,且以正相互作用为主。上述研究结果揭示了岩浆流体输入导致的地热水化学条件对热泉微生物群落分布规律有极大的影响。

中美大学地质学入门课程教学过程对比

以中国地质大学(武汉)的"普通地质学"和美国University of Texas at Arlington的"Earth Systems"这两门地质学的入门课程为研究对象,从提供知识、强化知识、固化知识和考察知识等教学过程的4个方面对中美大学地质学基础课的教学过程进行了对比。相比之下,"普通地质学"课程存在教学媒体质量欠佳、缺少知识巩固的途径、考查方式单一的问题,这导致了学生投入学习时间偏少,掌握知识不牢固,考试后很快遗忘,最终教学质量不高等问题。教材编写的改革、教学方法和考察方式的改善是提高教学质量的一个可行途径。

从地球生物学视角创新地质调查工作

地球生物学是地球科学与生命科学交叉融合而形成的新学科,主要探索生物圈与地球其他圈层之间的相互作用与协同演化。地球生物学研究涉及的时间跨度较大,从地球形成早期一直到现在,是在古生物学的基础上重点发展地质微生物、生物对地质环境的作用与反馈等领域。地球生物学的系统研究工作离不开地质调查,地质调查也需要从地球生物学的新视角进行开拓创新。地球生物学不仅是地球系统科学的一大关键支撑,而且极大地提升了地质学为经济社会发展的服务能力,具有很重要的科学功能和社会功能,因而其繁荣发展对新时期地质调查工作的创新意义重大。

鄂东武汉地区志留纪红层的发现及其地质意义

鄂东地区的志留纪地层为一套碎屑岩相沉积,因出露不佳且化石稀少,研究程度较低。本文报道了近期在武汉东部原划为“坟头组”的地层中新识别出来的一套紫红、红褐色夹少量黄绿色的碎屑岩组合,并将其厘定为清水组,相当于扬子地区的“下红层”,根据该组中新发现的三叶虫、腕足类、棘皮类和鱼类等化石,其时代相当于埃隆中晚期至特列奇早期。武汉地区清水组的发现说明了扬子地区的“下红层”在某些区域埃隆期就已沉积,即“下红层”的底界具有明显的穿时性,从埃隆中晚期穿时至特列奇早期。结合古流向和古地理分析,清水组下部的物源主要来自于东部,至上部才与扬子其他地区的“下红层”一样来自于南部的华夏古陆,物源区的不同可能也是造成武汉地区“下红层”底界明显低于其他地区的主要原因。

广西东南部钦防海槽晚古生代硅质岩地球化学特征及其地质意义

广西东南部钦防海槽地区晚古生代硅质岩十分发育。对硅质岩主量元素、微量元素及稀土元素的分析结果表明:该区晚古生代硅质岩含有较高的SiO2,硅化程度较高;除上泥盆统弗拉斯阶及下石炭统硅质岩具有较低的Al/(Al+Fe+Mn)值(0.14～0.24;0.07～0.81)及较高的U/Th值(0.34～5.09;0.16～10.1)外,其他层位硅质岩具有较高的Al/(Al+Fe+Mn)值(0.4～0.95)及较低的U/Th值(0.1～2.1);上泥盆统硅质岩稀土元素比值Ce/Ce*、LaN/YbN及LaN/CeN值分别为0.78～1.08、0.4～1.52和0.88～1.35,而下石炭统硅质岩具有较低的Ce/Ce*值(0.55～0.91)、LaN/YbN值(0.12～1.8)及较高的LaN/CeN值(1.12～1.79),中下二叠统硅质岩Ce/Ce*、LaN/YbN及LaN/CeN值分别为1.01～1.62、0.72～2.71和0.62～1.9。钦防海槽晚古生代硅质岩地球化学特征表明:晚泥盆世钦防海槽发生扩张,热液活动比较强烈,处于大陆边缘海环境;早石炭世钦防海槽再次发生扩张,热液活动强烈,硅质岩形成于远离陆源的深海海盆环境;早中二叠世,钦防海槽逐渐收缩,海水变浅。钦防海槽晚古生代并没有出现真正的洋壳,可能属于晚古生代古特提斯分支洋盆的一个坳拉槽盆地。

江苏南通市四甲镇全新世以来有孔虫动物群的发现及其地质意义

对江苏省南通市四甲镇CSJA6钻孔上部近43m的沉积物岩心进行了沉积学、年代学研究和有孔虫鉴定及组合划分，发现41属77种（含8个未定种）有孔虫。根据有孔虫动物群的垂直分布特征与AMS^14C年龄，初步建立了时间被部分标定的全新世有孔虫化石组合，自上而下为Ammonia beccarii vars.-Cribrononion subincertum Asano组合、Ammonia beccarii vars.-Globiger-inira glutinata组合和Ammonia beccarii vars.-Elphidium magellanicum组合。组合2、3带的时间界线约为8.1ka cal BP，组合3带的下界至少是10ka cal BP。这3个组合带的特征与以珠海、上海地区为代表的中国东部沿海平原全新世有孔虫组合相似。若将前人全新世海侵的14C年龄做进一步的校正，并结合本文钻孔研究成果可初步推测，在8.5-8ka cal BP时长江三角洲地区达到最大海侵，形成以镇江、扬州为顶点的长江巨大河口湾。

区域化探数据在华南强烈风化区地质填图中的应用

自区域化探全国扫面计划开始以来,区域化探数据在矿产勘查、环境、生态及农业等方面均发挥了很大作用,但对其在地质填图中的应用研究比较少。在中国南方花岗岩广泛分布的地区,化学风化强烈,风化层覆盖厚,植被发育,基岩裸露少,岩性识别和界线划分困难,严重影响了填图的速度和精度。通过对区域化探数据的处理分析,筛选特征指示元素编制地球化学图,发现对侵入岩体具明显指示的元素地球化学分区。通过野外实地验证,元素地球化学分区可以揭示不同期次侵入体的分布范围,利用元素地球化学分区可以有效提高强风化区地质填图的效率和精度。

传统学科研究生培养的危机与应对:以古生物学为例

由于受到学科知识体系老化、学科边界固化、育人师资的学缘结构单一、人才培养的支撑体系单调及社会发展新需求等因素的影响,传统学科在研究生培养方面出现了一些危机。以中国地质大学(武汉)古生物学研究生培养为例,通过不断谋划学科新生长点,推出新的课程和教材体系,破解学科知识体系老化、学科边界固化等难题,逐步实现育人体系从古生物学向地球生物学的发展,提升学科解决当今社会面临新挑战的能力。通过强化大师引领、构建多样化的育人师资队伍、发展多样化育人平台体系等途径,逐步实现研究生创新培养的可持续发展。

富硒耕地质量评价体系构建及其在湖南省新田县新圩镇的应用

【研究目的】天然富硒农产品是人体摄入硒元素最安全有效的途径,依托天然富硒土地资源建立的富硒农业和富硒特色小镇等富硒产业,成为脱贫攻坚和乡村振兴的新兴产业支柱,其规划和建设需以富硒土地质量等级为基础,但国内缺乏富硒土地资源评价体系。【研究方法】本文以新田县为例,从耕地的开发利用条件和潜力、开发利用价值以及开发制约条件着手,构建耕地地力、经济质量和生态环境“三位一体”的富硒耕地质量评价体系;基于新田县新圩镇富硒土壤详查数据和全国土地调查成果开展富硒耕地质量评价研究,对耕地的自然属性、环境属性、经济属性等进行综合评价。【研究结果】其评价结果与农产品质量和富硒程度耦合良好,真实反映了耕地资源开发条件与潜力。【结论】构建的富硒耕地质量评价体系对富硒耕地资源开发利用有较科学指导价值,为富硒土地资源和富硒产业规划提供了重要参考和借鉴。

军运会期间武汉东南传输通道PM_(2.5)中水溶性离子区域传输解析

2019年10月武汉市举办第七届世界军人运动会。为探究军运会期间武汉市和黄石市两地的大气细颗粒物浓度特征、污染源差异及区域传送情况,于2019年10月10日至2019年11月5日对武汉和黄石两站点的大气细颗粒物进行了连续观测,并分析了PM_(2.5)中水溶性离子的浓度特征,通过后向气团运动轨迹结合潜在源贡献因子(PSCF)和浓度权重轨迹(CWT)分析方法探究了两站点的污染物区域传送。结果表明:本次观测期间武汉站点和黄石站点的PM_(2.5)浓度超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)日均二级限值(75μg/m^(3))的超标率分别为26.1%和17.4%,时间主要处于军运会结束后;武汉和黄石两站点PM_(2.5)中的水溶性离子主要以NO-_(3)、SO_(4)^(2-)和NH~+_(4)为主;黄石站点CE/AE值的拟合曲线斜率小于1,表明颗粒物表面呈弱酸性,而武汉站点CE/AE值的拟合曲线斜率大于1,表明颗粒物表面呈中性或弱碱性;两地PM_(2.5)中水溶性离子的存在形式主要以NH_(4)HSO_(4)或(NH_(4))_2SO_(4)为主,武汉站点的缺氨样品的占比为30.4%,而黄石站点的缺氨样品的占比为43.5%;主成分分析结果表明,两站点污染源相同,以二次污染源、扬尘源和生物质燃烧源为主;PSCF和CWT分析结果表明,黄石是武汉站点PM_(2.5)的主要潜在源区,WPSCF因子大于0.7,且浓度贡献权重超过45μg/m^(3),而黄石站点的主要潜在源区位于湖北省与安徽省交界处和安徽省安庆市内。

基于孢粉数据的白垩纪中国东部地貌解读

晚中生代一系列的构造运动使中国东部的地形、地貌发生了巨大的改变,形成了“东高西低”的地貌格局。关于白垩纪中国东部是否存在高原或山脉仍存在争议,故对高原或山脉的演化过程、古高程以及其延伸范围等方面仍需进一步的研究。笔者收集了白垩纪中国各地的双气囊花粉和喜干植物花粉的孢粉数据,通过它们百分含量的变化来分析中国东部的古植被演替和古气候演变,为白垩纪中国东部地形地貌的解读提供证据。孢粉分析表明,白垩纪中国大致分为3个气候区:东北地区为温暖湿润的亚热带—暖温带气候区;北方地区为半干旱的热带—亚热带气候过渡区;南方和西藏、新疆地区为炎热干旱的热带—亚热带气候区。在古气候分析的基础上,根据孢粉数据对白垩纪中国东部地貌进行解读,结果显示:早白垩世早期中国东北地区存在1个高海拔地貌区;早白垩世东部沿海地区可能存在1个较高海拔的山脉,范围大致在闽浙地区;晚白垩世早期,中国东部海岸山脉范围达到最大;晚白垩世最晚期至古新世最早期,中国东部山脉逐步垮塌。推测至古新世早期,中国东部山脉基本已经消失。

西藏塔惹增地区中—上侏罗统仁多组的厘定及其地质意义

在西藏塔惹增地区前人划分的中二叠统下拉组中发现了具有典型意义的、代表中—晚侏罗世的Classopollis,Annulispora,Chasmatosporites等孢粉化石,以及较为丰富的Systematophora cf,Ctenidodinium等沟鞭藻类。表明在该区下拉组中至少有一部分以前没有被识别出的中—上侏罗统。通过岩石组合特征、基本层序、生物化石时代对比,将该套地层归属于仁多组。该地层的厘定,为区域地层对比、地层格架建立及探讨中生代盆地演化提供了基础资料。

基于梯度扩散薄膜(DGT)技术评估玉米农田土壤中铅的生物有效性及动力学过程

为验证梯度扩散薄膜(DGT)技术在准确评估自然环境下玉米农田土壤中铅(Pb)的生物有效性的可行性,并基于该技术探究土壤中Pb的动力学过程,本研究使用DGT技术、土壤溶液法和单独提取法测定了湖南省凤凰县内种植玉米的农田土壤中Pb的可提取态含量,并与玉米不同部位中Pb的含量进行了线性拟合分析;利用DGT技术结合DGT诱导土壤/沉积物通量(DIFS)模型模拟了土壤内部Pb的动力学过程。结果表明:35%的土壤点位中Pb的含量超过湖南省Pb背景值,但不存在玉米粒中Pb超标的情况(GB 2762—2022)。Pb在玉米不同部位迁移富集能力较低,且主要富集在根部,难以向地上部位迁移。不同方法测定的土壤中Pb的生物有效态含量分别为DGT技术(1.32±2.49)µg·L^(-1)、土壤溶液(2.23±3.75)µg·L^(-1)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)单独提取法(5.79±2.51)mg·kg^(-1)、醋酸(HAc)单独提取法(0.81±0.49)mg·kg^(-1)和氯化钙(CaCl_(2))单独提取法(0.05±0.13)mg·kg^(-1)。DGT技术对玉米不同部位Pb含量的预测效果优于其他方法,且对叶中Pb含量的预测效果最佳。研究区大部分土壤固相Pb补给液相的能力较低,但固相上Pb的释放量较为稳定,仍可能会对当地造成潜在的生态风险。整体而言,DGT技术是评估玉米农田土壤中Pb生物有效性的最佳方法,其测定的Pb含量对玉米叶部Pb含量预测效果最佳,但对粒中Pb含量预测效果较差。此外,DGT技术可以结合DIFS模型深入分析土壤内部Pb的动力学的过程,为土壤污染的精准防控提供科学依据。

2024年地质微生物学专刊序言

自2017年开始策划“地质微生物学专刊”以来,《微生物学报》已成功出版了6期,分别是2018年第4期、2019年第6期、2020年第6期、2021年第6期、2022年第6期、2023年第6期。共发表文章124篇,得到了地质微生物学领域学者的关注和好评。为系统介绍该领域国内外的最新研究成果,并促进地质微生物学研究的发展,我们特别组织了本期“地质微生物学”专刊。本专刊以地质微生物学为主题,选取了29篇文章,包括27篇研究报告和2篇综述。