运用氘同位素标定技术验证沉积物中古菌对GDGTs的再利用

The archaeal GDGTs-based TEX86 has been widely used to reconstruct the surface or subsurface temperature, which has made a great contribution to the paleo-climate study. However, a critical issue has always been there, which is that although the archaea exist through the whole water column and sediment, yet the archaea based TEX86 from deep sea sediment still represent the upper water temperature. One potential interpretation was proposed that the benthic Archaea might build their membranes by recycling sedimentary core GDGTs deposited from the upper water column (Takano et al., 2010). 13C-labeled technique has failed to tackle this problem due to its relying on the metabolism pattern of archaea; whereas, deuterium water (D2O) labeling might be an alternative tracer due to its high sensitivity. This proposed research will test this hypothesis by deuterium labeled GDGTs in incubation experiments. First, we will enrich deuterium labeled core lipids of GDGTs by natural sea water incubation directly, and then feed the deuterium labeled GDGTs and its ether cleavage product deuterium labeled biphytane as well as its acid and alcohols into the sediments, respectively, to determine weather the sediment inhabited archaea recycle the deposited GDGTs. This project would shed new light on the mechanism of the paleo-proxy and the role of benthic archaea in the carbon cycle.

基于海洋古菌细胞膜脂GDGTs相对丰度的海水温度指标TEX86被广泛用于重建海洋上层水体温度变化，这一指标的建立为古气候研究做出了重要贡献。然而，一个关键问题一直悬而未决: 氨氧化古菌广泛存在于水柱及沉积物中，但基于沉积物中GDGTs校正而来的TEX86却始终同海洋上层水体温度有较好的对应关系。一种潜在的解释认为沉积物中底栖古菌很可能再利用上层水体沉降下来的GDGTs(Takano et al., 2010)，合成自身细胞膜脂，使得沉积物中GDGTs仍然记载了上层水体环境信息。这一解释至今未得到直接验证，本项目计划通过培养富集氘代GDGTs，将氘代GDGTs及其裂解产物氘代双植烷、醇及酸，放入沉积物中作为底物进行培养，在实验室条件下进行直接验证。本研究一方面可以给出GDGTs-TEX86指标作为上层水体温度指标的基础依据; 另一方面也可以初步揭示深海底栖古菌的代谢过程及其在碳循环中的作用。

基于海洋古菌细胞膜脂GDGTs相对丰度的海水温度指标TEX86被广泛用于重建海洋上层水体温度变化，这一指标的建立为古气候研究做出了重要贡献。然而，一个关键问题一直悬而未决: 氨氧化古菌广泛存在于水柱及沉积物中，但基于沉积物中GDGTs校正而来的TEX86却始终同海洋上层水体温度有较好的对应关系。一种潜在的解释认为沉积物中底栖古菌很可能再利用上层水体沉降下来的GDGTs，合成自身细胞膜脂，使得沉积物中GDGTs仍然记载了上层水体环境信息。这一解释至今未得到直接验证，本项目通过培养富集氘代GDGTs，将氘代GDGTs，放入纯培养及沉积物中作为底物进行培养，在实验室条件下进行直接验证。本研究一方面可以给出GDGTs-TEX86指标作为上层水体温度指标的基础依据; 另一方面也可以初步揭示深海底栖古菌的代谢过程及其在碳循环中的作用。本项目按既定计划执行，并根据实际条件，对项目的实施进行了适当优化，并在项目基础之上进行了适当拓展：a、利用项目负责人所属的菌种优势，选取了嗜热古菌A501进行了GDGT的氘同位素标定，该古菌的细胞膜组成较为单一，主要含有GDGT-0与Archaeol两种化合物，便于单体化合物的分离纯化。最终，富集得到了微克级别的氘代GDGT-0，然后将其分别喂养于古菌的纯培养菌株及沉积物样品中，经过一定时间的培养，测定了其中IPL-GDGTs中是否有被氘标记的GDGT出现，结果未发现相应的标记GDGT出现，一方面分析喂养的量可能太少，另一方面由于GDGT分子量太大，无法进入胞内参与进一步的代谢，本实验从侧面证明了GDGT在沉积物中的“循环利用”很可能是大分子裂解后，被运抵胞内，从而循环利用，而非被整体组装利用；b、从地质角度验证了沉积物中完整极性细胞膜质的来源问题，间接证明了沉积物中自生GDGTs的贡献较少，无法掩盖上层水体沉降的信号，并根据沉积记录指出了一种潜在的古菌氨氧化速率的替代性指标；c、利用水体沿深度剖面悬浮颗粒物中GDGT组成的差异以及对应的上层水体深水与浅水氨氧化古菌氨氧化速率的差异，重建了过去18万年以来氨氧化古菌氨氧化速率的历史，结合沉积物中有机氮的氮同位素数据，我们发现了固氮作用与氨氧化古菌的氨氧化作用协同演化的关系。