华北中元古代氮同位素组成的时空变化及其对真核生物和海洋水化学演化的启示

Early Mesoproterozoic (>1300 Ma) was a stasis in the evolutionary history of eukaryotic diversity. It has been supposed that crisis in nitrogen cycle due to deficient in trace metal in the Mesoproterozoic sulfidic ocean would be a possible mechanism. However, it is unclear about the characters of the Mesoproterozoic nitrogen cycle up to date, which will be the target of this project. On the basis of well preserved and low metamorphosed Mesoproterozoic strata in North China, this project will analyze the spatial-temporal variation pattern of nitrogen isotopic composition of different nitrogen fraction including bulk nitrogen, kerogen nitrogen and nitrogen trapped in clay minerals, oceanic geochemistry (mainly trace metal composition) and redox condition from the Chuanlinggou Formation (about 1650 Ma) to the Xiamaling Formation (about 1350 Ma). Based on these data, this project will analyze the spatial variation pattern of nitrogen cycle and temporal evolution of nitrogen cycle in the early Mesoproterozoic, unravel the variation pattern of some important steps in nitrogen cycle, such as nitrogen fication, denitrification, anaerobic ammonia oxidation and nitrogen assimilation and their relationship to the oceanic geochemistry and redox condition. Finally, this project will try to answer the question that how did the crisis in nitrogen cycle affect the biological evolution.

中元古代早期（>1300 Ma)是真核生物演化史上的一个停滞期。有学者认为海洋中微量元素匮乏所引起的氮循环异常可能是中元古代早期真核生物演化缓慢的主要原因。然而目前对中元古代氮循环的认识还非常不足，这是本项目拟解决的重大问题。为此，本项目将以我国华北地区出露良好、变质程度较低的中元古代早期地层为研究对象，重点分析从常州沟组到下马岭组（时间跨度约300 Ma）不同沉积环境和不同组分氮（全岩、干酪根和粘土矿物）的氮同位素组成的时空变化特征，古海洋水化学和氧化还原状况，分析这一时期氮循环的空间分布和时间演化特征，查明氮循环过程主要环节（固氮作用、反硝化作用、氨的厌氧氧化作用和氮的同化作用）的变化特征及其与古海水化学和氧化还原环境之间的关系，重点探讨这一时期氮循环的变化特征与生物演化之间的关系。

中元古代是真核生物早期演化的重要阶段，对这一关键时期生物与环境的深入认识对理解真核生物演化的过程和机制有重要的意义。受各种因素的影响，中元古代的研究也是前寒武纪研究中最薄弱的一个时段，被认为是一个非常‘boring’的时段。针对这一科学问题，本项目以燕辽地区保存完好的中元古代地层为基础，从生物与环境两个方面入手，开展了较为系统的中元古代地球生物学研究，在以下三方面取得了新的认识：. 1）从化石角度进一步确认了真核生物在中元古代早期就已出现，说明其起源发生于古元古代，但不会早于大氧化事件，即23.3亿年前。虽然真核生物在中元古代已经存在，但其在此时海洋生态系中所占的比例是非常有限的。分子化石的研究表明中元古代海洋主要是以化能自养微生物为主，好氧细菌在中元古代中晚期的氧化浅水区才繁盛起来，并逐渐向深海和缺氧环境扩张。. 2）氮氧化代谢启动的时间早于大氧化事件，氧气的升高对氮循环有重要的影响，促进了固氮微生物功能群的发展。中元古代海洋的氮循环与海洋的氧化还原结构密切相关，氧化浅水区可能有NO3-的积累，但不能长期稳定存在。这些变化对真核生物的发展有重大影响。. 3）中元古代早期大气氧含量显著下降，海洋总体处于分层缺氧的状态，且化变层位于较浅水的位置。海洋中的硫化面积大约占7%，远高于现代海洋，但低于之前所推测的中元古代海洋的硫化程度。海水中氧化还原敏感元素和作为辅酶因子的金属元素的含量显著降低，对生物的发展有重大影响。中元古代晚期，海水的氧化程度升高，但对其持续的时间还需进一步的研究。. 在本项目的资助下，标注本项目号的SCI论文共计9篇（全部为国际SCI论文），包括项目成员为第一作者发表在Nature Communications、Science Advances和Geochimica et Cosmochimica Acta等Nature Index论文4篇。项目负责人还以主要成员身份获得2016年国家自然科学二等奖（排名第5），2015年度湖北省自然科学一等奖（排名第3）和第四届青年古生物学奖（2018）。