高压条件下嗜高压细菌脂类生物合成过程中的碳同位素分馏研究

We propose to investigate stable isotope fractionation in biosynthesis of lipids by deep-sea piezophilic bacteria under high-pressure conditions. This research is significant because establishing the systematics of high-pressure isotope geochemistry will afford the fundamental theory and principles of biological isotope fractionation under high-pressure conditions. These theories and principles are essential for studying life in the deep sea and the deep biosphere and the biogeochemical processes they modulate. This project will investigate carbon isotope fractionation in lipid biosynthesis by piezotolerant, piezophilic, and hyperpiezophilic bacteria with different metabolic pathways. It is a step toward attainment of the Principal Investigator's long-term goals of establishing the high-pressure isotope geochemistry by investigating (1) isotope fractionation of all bio-elements (e.g., C, H, O, N, and S) under high hydrostatic pressure conditions; (2) abiotic isotope fractionation under high hydrostatic/lithostatic pressure conditions. Results from this study can lead to new predictive models for understanding marine biogeochemistry and carbon cycle in the deep sea and the deep biosphere and provide a key to understanding paleoclimate, paleooceanography, and paleoecology through analysis of marine sediments and sedimentary rocks.

深海和深部生物圈无论在空间上还是在生物量上均占极大优势，研究它们对探究全球碳循环和气候变化具有重要理论和实际意义。脂类化合物及其稳定碳同位素比值是研究碳循环和生物地球化学过程的重要工具，但由于脂类化合物碳同位素分馏与微生物的生长压力有关，传统的根据常压微生物发展起来的碳同位素理论不适合深海和深部生物圈生物地球化学过程的研究。本项目拟通过实验室嗜高压细菌的培养，系统调查高压条件下深海嗜高压细菌脂类化合物生物合成过程中的碳同位素分馏与压力、温度、呼吸条件和代谢方式间的关系，查明不同脂类化合物间碳同位素分馏的差别，并建立各种嗜高压细菌不同脂类化合物碳同位素分馏与水压力、温度、呼吸条件和代谢方式间的关系模型。我们的研究将为探索深海和深部生物圈碳循环、微生物生理和生物地球化学过程提供有价值的研究工具，也将为今后建立高压同位素生物地球化学、进行脂类化合物的同位素异数体研究提供理论基础和实验数据。

微生物脂类生物标志化合物及其碳、氢同位素比值，是研究深海碳循环、深部生物圈生物-岩石-水相互作用、微生物代谢和生物地球化学循环的重要工具。但目前海洋学家和地球化学家所用的碳、氢同位素地球化学理论是基于地表微生物而建立起来的，不适用于深海和深部生物圈地球化学过程研究。在本项目实施的四年里，我们系统研究了嗜高压细菌在不同温度和生长压力条件下在脂类化合物生物合成过程中的碳、氢同位素分馏。项目按计划实施，已圆满完成原定研究目标，并取得了丰硕成果：（1）建立了嗜高压微生物在不同生长压力条件下脂类化合物生物合成过程中的碳同位素分馏模型。我们的研究表明，深海革兰氏阴性嗜高压微生物在脂类化合物生物合成中的碳同位素分馏与微生物生长压力有关，压力越高，碳同位素分馏越大；（2）建立了嗜高压微生物在不同生长压力条件下脂类化合物生物合成过程中的氢同位素分馏模型；（3）通过同位素测定，首次确定了嗜高压细菌生物合成多不饱和脂肪酸的生物合成途径，这是科学界过去欲通过基因鉴定和其他方法未能阐述的生物合成途径；（4）创立了新的同位素地球化学分支学科：高压同位素生物地球化学；（5）上述碳、氢同位素分馏模型的建立为生物地球化学家研究深海和深部生物圈碳、氢循环打下了基础。