重金属胁迫对奥陶纪末海洋浮游生物的影响

Modern marine ecotoxicological studies have shown that heavy metal (irons) can exert toxic effects on marine planktons, such as external morphological deformation, ultrastructural variation and changes in community composition. This theory of modern heavy metal ecotoxicology can be used as the guidance (The present is the key to the past) to study the end Ordovician biological - environmental events. In this application, we plan to choose 13 sections which cross the nearshore to the offshore sedimentary facies from western Hunan and eastern Guizhou provinces, and study the taxonomy, biostratigraphy, teratology and diversity changes of planktons (graptolites, chitinozoans, acritarchs). The study of teratological fossils and their distributions will target the "event layers" which have sudden changes in sea waters. Meanwhile, geochemical studies (organic carbon isotopes, metal elements) are designed to reconstruct the palaeo-environments. This application tries to interpret the co-evolutionary relationship between the evolution of planktons and palaeo-oceanic environment changes under the background of heavy metal pollutions from the volcanic events during the late Ordovician. This application will provide a new perspective for the study of biological-environmental events at the end Ordovician.

现代海洋生态毒理学研究显示，重金属(离子）会对海洋浮游生物产生外部形态畸化，超微结构变异和群落结构变化等胁迫作用。这一现代重金属生态毒理学理论，亦可将今论古地指导奥陶纪末生物-环境事件的研究。本申请项目拟选择湘西黔东地区13条跨越近岸到远岸沉积相带的剖面，对产出浮游生物（疑源类、几丁石和笔石）的分类学、生物地层学、化石畸变学以及多样性开展综合研究。通过对畸变化石形态及分布规律的研究，将靶向指示古海水发生变化的“事件层”，在此基础上针对性地开展地球化学（有机碳同位素、全岩微量元素）分析，有利于精准解译奥陶纪末大规模火山事件导致重金属释放环境背景下，浮游生物演化与古海洋环境变化之间的协同演化关系。本申请将为研究奥陶纪末生物-环境事件提供全新视角。

本执行项目参照现代海洋生态毒理学中重金属会对海洋浮游生物产生外部形态畸化，超微结构变异和群落结构变化等胁迫作用的理论，将今论古地指导研究奥陶纪末生物-环境事件。本项目对湘西黔东地区多条跨越近岸到远岸沉积相带的剖面（湖南永顺青坪镇大河坝剖面、重庆石柱木厂沟剖面、湖南益阳南坝村剖面、湖南祁东双江村剖面、湖北保康韩山垭剖面、湖南常德桃园TD-2井岩心和重庆黄莺剖面），开展了多门类浮游生物的系统采样和研究工作，涵盖了笔石和几丁石两大门类。通过详细的系统古生物学基础研究，获得多个剖面的高分辨率的笔石生物带，并以此作为生物地层对比的依据。通过数据分析的方法，从PBDB数据库下载获得数据并分析了早古生代多门类化石在属级和种级水平的多条多样性变化曲线；通过元素地球化学分析，获得奥陶纪末期的有机碳同位素曲线，金属元素 Hg, Mo等元素含量变化曲线，研究上述变化曲线并分析了其古海洋学意义，探讨了奥陶纪末期特殊环境背景下的生物与环境的协同演化关系。在对畸变几丁虫化石形态及分布规律的研究中，借助华南和波罗的板块的一些特殊几丁虫标本的研究和解译，开创性提出几丁虫保存了生殖标本的可能性，并运用近红外显微成像、显微CT、双束电子扫描和场发射电子成像等多项技术手段，发现长久以来部分被认为是畸变的特异标本可能代表的是几丁虫生殖瞬间的关键材料。对几丁虫的生殖过程进行了复原，提出几丁虫更可能为一类独立的原生生物，而非原先认为的后生动物的卵或卵囊。配套的地球化学研究虽然肯定了晚奥陶世大规模火山事件而导致重金属释放，但火山灰层和海水的氧化还原反应会迅速吸收重金属，降低了对海洋生物的直接毒害作用。此外，本项目根据Hg通量计算出的温室气体排放及随后的风化作用的加剧很可能是导致奥陶纪末生物大灭绝的重要因素。本执行项目按照项目的计划开展分析研究，完成了设定的研究目标，精准解译奥陶纪末大规模火山事件导致重金属释放环境背景下，浮游生物演化与古海洋环境变化之间的协同演化关系，为研究奥陶纪末期生物-环境事件提供了全新视角。