东海沉积物中细菌和古菌醚脂化合物同向变化机制的研究

Archaea and bacteria produce unique membrane lipids composed of glycerol dialkyl glycerol tetraethers (GDGTs), which allow us to establish organic proxies that have enhanced our understanding of paleoclimate change. In the sediments of marginal seas, total GDGTs are commonly dominated by those from archaea (isoprenoid GDGTs) with a minor fraction from bacteria (bGDGTs; commonly less than 10% of total GDGTs) in the open marine environments; the former is commonly considered to be marine in origin whereas the latter is believed to be terrestrially derived. One hypothesis is that the terrestrial input enhances terrestrial bGDGT deposition in marine sediment, and at the same time promotes the growth of iGDGT-producing marine archaea, which get co-buried with bGDGTs; another hypothesis is that bGDGTs are produced in situ in the marine environment, which is enhanced by terrestrial input of organic matter co-occurring with increase in nutrients; or both possibilities exist. However, modern observation is lacking in supporting either of these hypotheses. This project aims to combine the lipid biogeochemistry, isotope geochemistry, and molecular biology to investigate distribution and possible sources of bGDGTs and iGDGTs in the East China Sea, which may shed light on the underlying mechanisms for the correlations between iGDGTs and bGDGTs in the sediments. The outcome would help us to develop proxies that may be used to decipher the interactions between land and sea under the constraints of global climate change.

甘油二烷基甘油四醚(GDGTs)是古菌（iGDGTs）和细菌(bGDGTs)的特殊膜脂化合物。在边缘海沉积物中iGDGTs主要是由海洋古菌产生，而bGDGTs则认为主要来自陆源输入，这提供了在海洋沉积物中同时得到陆地与海洋信号的途径，对理解海陆气候变化和相关性有重要意义。最近发现bGDGTs和iGDGTs在海洋沉积物中有很好的同向变化关系，机制之一是陆源输入加强同时带来营养盐和bGDGTs，其中营养盐的输入刺激了海洋古菌的生长。确定这一机制或其它机制仍需依赖对现代过程进行观测和实验研究的结果。本项申请拟以长江下游到近海为研究区域，综合脂类和同位素地球化学及分子微生物学等实验手段，对bGDGTs和iGDGTs的分布和生物源进行详细研究，为阐明两种不同醚脂化合物同向变化的机制打下基础，并为研究地质历史上气候变化框架下海陆相互作用过程建立潜在的有机（同位素）指标。

微生物醚脂类生物标志物（GDGTs）结构稳定、其组成对环境变化敏感，被广泛的应用于陆源输入估算、古环境重建等研究。本研究针对河口–边缘海沉积物中GDGTs化合物的来源，及bGDGTs和iGDGTs在沉积物中存在显著的同向变化现象开展了以下研究：.1）针对河口-边缘海沉积物中GDGTs化合物的来源，本项目对中国范围内不同类型土壤、表层河床沉积物中脂类和微生物群落组成进行了分析，提出土壤中iGDGTs化合物由多种土壤古菌共同产生。发现土壤与海洋iGDGTs化合组成存在显著差异，表明陆源输入的存在将极大的影响iGDGTs指标在边缘海洋环境的适用。.2）通过微生物微环境培养，对土壤中GDGTs化合物及源微生物进入海洋咸水环境后的变化过程进行了模拟。结果证实：a）陆源土壤中的GDGTs化合物在进入海洋过程中的降解与微生物对GDGTs的调整过程都将对相关指标的应用产生影响。b）陆源bGDGTs与iGDGTs进入水生环境后的降解作用可以导致这两种化合物的同步变化。.3）对长江口-东海表层沉积物及相应站位的表层水体脂类组成及微生物群落进行了系统对比研究。a）发现水体及沉积物中古菌脂类的组成（包括CL-iGDGTs及IPL-iGDGTs）及古菌群落组成在海岸区及陆架区均存在显著的差异。b）提出水体中MGI和MGII是iGDGTs化合物的共同微生物来源，而在沉积物中底栖自生古菌（包括MGI和Bytharchaeota等）可能贡献iGDGTs及BDGTs等化合物，对iGDGTs古环境指标的应用造成影响。c）对沉积物中bGDGTs化合物的分布与细菌群落组成的关系研究表明随着水深的增加，东海陆架区沉积物自生bGDGTs化合物的贡献显著增加，而变形杆菌是海洋沉积物中bGDGTs化合物的潜在微生物来源。.综合以上研究成果，本项目通过结合环境调查及实验室模拟，利用分子生物学及脂类有机地球化学手段，对陆源土壤GDGTs化合物的生物源、对海洋沉积物中iGDGTs指标的影响，bGDGTs与iGDGTs同相变化的机制，海洋自生bGDGTs的生物源等问题进行了尝试性回答，推动了对近海沉积物中GDGTs化合物的来源对其有机地球化学指标的适用性与准确性的认识。