深海和深部生物圈革兰氏阳性嗜高压细菌在脂类化合物生物合成过程中的碳同位素分馏

The deep ocean and the marine deep biosphere are spatially extensive and host abundant microorganisms, thus studying microbes and microbial processes in the deep ocean and the deep biosphere has far-reaching significance and important implications to understanding global carbon cycle, climate change and origin of life. Lipid biomarkers and stable carbon isotopes are important tools for studying carbon cycle and other biogeochemical processes. Because carbon isotope fractionation in lipid biosynthesis by piezophilic bacteria is related to microbial growth pressure, the traditional carbon isotope geochemistry theory, which is built upon surface microorganisms, cannot be applied to studying biogeochemical processes in the deep ocean and the deep biosphere. Furthermore, previous research has been focusing on gram-negative piezophilic bacteria, and there has been no report on investigating carbon isotope fractionation in lipid biosynthesis by gram-positive piezophilic bacteria. Because gram-positive bacteria are equally important as gram-negative bacteria in mediating global biogeochemical processes, lack of understanding of carbon isotope fractionation by gram-positive bacteria will hinder our ability to decipher carbon cycle and other biogeochemical processes in the deep ocean and the deep biosphere. This is the rationale and impetus for us to propose this project: to investigate carbon isotope fractionation in lipid biosynthesis by gram-positive bacteria from the deep ocean and the deep marine biosphere. Our ultimate goal is, in combining with previous results on gram-negative bacteria, to build a model of carbon isotope fractionation and hydrostatic pressure/temperature, so as to guide our future endeavor in investigating carbon cycle and other biogeochemical processes in the deep ocean and the deep biosphere.

深海和深部生物圈无论在空域上还是在微生物生物量上均占极大优势，研究它们对探究全球碳循环、气候变化和生物演化均具有重要意义。脂类化合物及其碳同位素比值是研究碳循环和生物地球化学过程的重要工具，但由于脂类化合物碳同位素分馏与微生物生长压力有关，传统的根据常压微生物发展起来的碳同位素理论不适合研究深海和深部生物圈生物地球化学过程，而且以往关于深海和深部生物圈微生物的研究主要集中于革兰氏阴性菌，目前没有关于革兰氏阳性嗜高压细菌碳同位素分馏方面的报道。本项目通过在实验室对分别来自深海和深部生物圈的革兰氏阳性嗜高压细菌进行不同温度、压力和呼吸条件下的培养，系统调查其不同生长条件下脂类化合物生物合成过程中的碳同位素分馏特征，查明不同脂类碳同位素分馏特征的差别，并与革兰氏阴性嗜高压细菌进行对比，建立不同种类革兰氏阳性嗜高压细菌脂类化合物的碳同位素分馏模型，以期指导深海和深部生物圈生物地球化学过程的研究。

深海和深部生物圈无论在空域上还是在微生物生物量上均占极大优势，研究它们对探究全球碳循环、气候变化和生物演化均具有重要意义。脂类化合物及其碳、氢同位素比值是研究碳循环和生物地球化学过程的重要工具，但由于脂类化合物稳定同位素分馏与微生物生长压力有关，传统的根据常压微生物发展起来的稳定同位素理论不适合研究深海和深部生物圈生物地球化学过程，而且以往关于深海和深部生物圈微生物的研究主要集中于革兰氏阴性菌，目前没有关于革兰氏阳性耐高压或嗜高压细菌碳、氢同位素分馏方面的报道。本项目从不同环境沉积物中分离出了N102T、PWS21T、WS11T和DSL-17T等新的菌株并进行了微生物学研究，用于项目比较菌；对新不列颠海沟不同深度水柱中的可培养细菌及其胞外酶多样性以及氨基肽酶蛋白活性进行了研究；用DNA稳定同位素探针技术对海洋细菌在POC和DOC降解过程中的作用进行了研究；通过在实验室对分别来自深海和深部生物圈的革兰氏阳性耐高压、嗜高压细菌及其比较菌进行不同温度、压力（0.1、10、20、30、40和50 MPa）和呼吸条件下的培养，调查了其不同生长条件下脂类化合物组成特征及其脂类化合物生物合成过程中的碳、氢同位素分馏特征，并与革兰氏阴性嗜高压细菌进行对比，在地球化学界首次得到了可用于深海和深部生物圈微生物驱动的生物地球化学过程研究的拉姆达比值，同时对高压条件下支链脂肪酸生物标志化合物的生物合成途径进行了厘定。项目研究结果表明：耐压和嗜压细菌脂肪酸的同位素组成与压力间有一定的依存关系，合成途径是影响其同位素分馏的重要因素；革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌在氢同位素比值与压力变化的关系中表现出相反的特征。拉姆达比值不但可用于探索深海和深部生物圈有机质的来源，还可用于示踪哪种微生物在何种压力（即深度）下驱动的生物地球化学过程。项目得到的研究结果是独特的，给出的全新地球化学参数可为深海和深部生物圈生物地球化学过程的解释提供依据。