关键带地质微生物脂类对pH的响应及其对干旱化和酸化的指示意义

Aridity and acidification are tough issues to deal with in the field of global change. Microbial responses to some major environmental events including aridity and acidification could be closely related to their response to pH in terrestrial critical zones. Systematical investigations are conducted on the lipids from a variety of sediments in critical zones including soils, peatlands, lacustrine sediments and cave sediments, aiming at the establishment of the qualitative and quantitative relationship between pH and the parameters of microbial lipids concerning in particular tetraethers, hopanoids, 3-hydroxy fatty acids. Comparison is made among these relations established in contrasting acidic and alkaline conditions to optimize the lipid indicators to the typical climate and environmental events such as aridity and acidification. This establishment allows the identification of the molecular response in the microbial world to the past global changes of climate, in particular the hydrological conditions, and provides the methods and techniques to identify the major environmental events occurred in the Earth history. Further investigations on four peat cores and one stalagmite in southern China were conducted to explore the spatial variations of these parameters and the inferred hydrological conditions throughout the Holocene. This work would be of great significance for the development on the research of a variety of fields including geobiology, global change and critical zone observatory, providing the basic data for the evaluation on climatic change, ecosystem evolution and environmental events.

干旱化和酸化等环境事件是古全球变化研究的难点问题。关键带地质微生物对干旱化和酸化等重大环境事件的响应可以通过微生物脂类与pH的关系反映出来。系统研究关键带土壤、泥炭、湖泊和洞穴等不同载体微生物脂类（甘油四烷基链甘油四醚、藿类、3-羟基脂肪酸）参数与pH之间的定性和定量关系，对比在酸性和碱性条件下这些关系的差异性，由此建立反映干旱化和酸化等典型气候环境事件的微生物脂类新的指标体系，为识别地质历史时期的一些重要气候环境事件提供技术方法支撑。在此基础上，分析4个泥炭岩芯和1根石笋的微生物脂类指标及其所指示的全新世古水文条件在中国南方的空间变化，探索地质微生物对全球变化在分子水平上的响应规律，为气候变化、生态系统演化、环境事件发生的机制等提供重要证据，这在地球生物学、全球变化科学、关键带研究领域均具有重要的科学意义。

项目的目标是研究关键带土壤、泥炭、湖泊和洞穴等不同载体微生物脂类与pH之间的定性和定量关系，对比分析它们在酸性和碱性条件下的差异性，由此建立反映古气候、古环境的微生物脂类新的指标体系，为识别地质历史时期的一些重要环境事件提供方法。因此，项目的核心是要建立不同载体微生物脂类与pH的定性和定量关系，其次是把相关指标在地质上进行应用，获得一些新认识。.5年来，项目成员通过对全国各类泥炭地（酸性、碱性）、湖泊沉积物（碱性）、土壤（酸性、碱性）、洞穴系统（碱性）等不同载体的微生物脂类的系统调查，建立了这些不同地质体微生物脂类与pH的关系，发现了一系列与pH有关的微生物脂类新指标。这些指标分别是藿类异构体比值、异构与反异构3-羟基脂肪酸和与正构3-羟基脂肪酸比值、支链3-羟基脂肪酸与总3-羟基脂肪酸比值、异构3-羟基脂肪酸与正构3-羟基脂肪酸比值、反映酸杆菌不同类群相对丰度的支链二酸甲基化指数、细菌异构与反异构1-O-单烷基甘油醚比值、细菌支链甘油二烷基甘油四醚的5-甲基和6-甲基异构体比值、分子量为1050(IIIa’)和1036(IIa’)的细菌支链甘油二烷基甘油四醚5-甲基同分异构体比值、分子量为1022(Ia’)的细菌支链甘油二烷基甘油四醚5-甲基同分异构体比值、古菌与细菌的甘油二烷基甘油四醚比值等。在此基础上，项目成员利用这些与pH有关的地质微生物脂类指标探索了一些极端地质事件。发现了冰期终止期在黄土高原出现了极端干旱事件，这些干旱事件主要与赤道地区的海-气相互作用有关；发现了中国东部末次冰期以来干湿古气候的空间变化规律，特别是冰消期表现出三极模态的变化。.项目成员发表SCI论文37篇，包括以第一作者和通讯作者发表的Science、Nature Communications、EPSL、GCA、Quaternary Science Reviews等重要刊物的论文。项目负责人获得首届全国创新争先奖、湖北省自然科学一等奖，研究成果入选中国古生物学十大进展，主办了第四届地球生物学国际会议。研究成果被Science期刊单独撰文进行正面评价，被认为“对理解未来和过去东亚季风的变化都做出了多方面的重要贡献”。