鄂西洞穴系统地质微生物功能群的时空分布及其古环境意义

以地质微生物功能群为研究对象，以鄂西清江和尚洞为重点研究地区，通过微生物群落代谢分析、死活细胞计数等微生物学方法和克隆文库、454测序、荧光定量PCR等分子生物学技术为手段，结合分子有机地球化学（类脂物）和洞穴现代过程的监测技术，查明洞穴系统（土壤-洞穴滴水-石笋-洞穴沉积物）中地质微生物功能群的时空分布特征及其与现代环境因子（降水、温度、CO2、pH等）之间的关系。在此基础上，建立近9000年来由石笋DNA克隆文库构建的微生物群落结构随时间的变化规律，揭示微生物群落结构对全新世气候事件的响应。重点突破微生物功能群对不同气候因子（如温度和降水）的差异响应这一石笋古气候研究的关键难点，开发独立的古气候新指标。本项目开创性地将洞穴微生物功能群研究与石笋高分辨率古气候记录结合起来，将分子生物学技术引入到石笋研究中，为进一步挖掘石笋中新的古气候指标和解决关键难点问题开辟新途径。

洞穴生态系统一方面由于其具有黑暗、寡营养以及地理空间上的隔离性、相对易到达等特点使其成为研究地质微生物的天然实验室，另一方面由于喀斯特洞穴中往往发育石笋，从而使其成为古气候研究中备受关注的对象。本项目基于微生物对环境变化异常灵敏和洞穴本身具有的上述特点，力图将洞穴地质微生物与古气候研究结合起来，尝试建立独立反映古温度和古水文变化的微生物代用指标，开创古气候研究中的新方法。.项目以鄂西和尚洞和豪猪子洞等岩溶洞穴为依托，通过现代微生物过程和地质过程长时间的监测，综合地球化学、生物有机地球化学、稳定同位素研究和分子生物学以及分子生态学等手段，揭示了地质微生物功能群、微生物脂类化合物的时空分布及其与环境因子之间的关系，建立了能独立反映温度和降水信号的微生物代用指标。在此基础上，以保存在石笋和其他地质记录中的微生物脂类及古DNA为重点研究对象，验证这些代用指标的可靠性。 .项目通过对长江中游全新世地质记录的系统研究，开创性地提出了能够独立反映古水文和古温度变化的微生物新指标，发现来自植物的三萜烯平均芳构指数（AAR）、好氧微生物多样性指数可以反映古水文的变化；而异构脂肪醇指数（BNA15）和3-羟基脂肪酸（3-OH-FA）的变化则反映古温度的变化；而来自古菌的四醚键膜化合物与来自细菌的同类化合物的比值（Ri/b）则反映干旱化事件等。这些微生物代用指标的建立解决了长期以来制约古气候研究的瓶颈问题——古温度和古水文信号的分离，为古气候重建提供了新的手段和方法，为对比研究中国南、北方不同的水热配置模式奠定了基础，增强了对未来气候变化的预判能力。.通过鄂西豪猪子洞HZZ11和HZZ27石笋高精度氧同位素记录，建立了东亚夏季风在10 ~ 20 ka BP之间的演化序列，开创地提出了长江中游HS1事件后期（16 ~ 14.6 ka BP）东亚夏季风的两阶段加强主要受南极~16 ka BP和~14.6 ka BP的两次融水事件的控制，对认识长江中游水热配置模式与全球气候变化之间的联系具有重要意义。