中国土壤微生物类脂物对现代过程的响应及其古环境意义

论文摘要

类脂物作为生物标志化合物,其结构和组成的改变能够记录环境的变化,已经被广泛应用于多种沉积载体古环境的重建中。然而,根据“将今论古”的原理,类脂物的环境指示意义必须在现代过程中证实才能应用于恢复古环境变化。现代过程中类脂物对环境温度和降雨等响应的研究是类脂物应用于古环境重建的前提和基础。植物只能在较大时间尺度上才能响应环境的变化,而微生物类脂物的结构和组成变化能够迅速灵敏地记录下生存环境温度等的变化,在第四纪古环境研究中越来越显示出其重要的地位。土壤作为全球变化研究中的一个焦点,其微生物类脂物丰富,容易采集,且在不同气候带分布广泛,是研究现代过程中微生物类脂物对环境温度、降雨等响应的理想材料。本文选取了海南尖峰岭不同海拔表层土壤和中国不同气候带土壤对其中的微生物类脂物进行研究。不同海拔带来的温度差异和不同气候带的温度和降雨量差异为检验和建立基于微生物类脂物的有机地球化学指标提供了良好的条件。通过气相色谱-质谱仪与液相色谱-质谱仪检测了包括脂肪酸、脂肪醇、古细菌膜脂甘油四烷基链甘油四醚化合物（GDGTs）,细菌支链GDGTs在内的多种微生物标志物,并尝试以这些微生物类脂物为基础建立新的古温度计。同时,对中国不同气候带表层土壤中的细菌支链GDGTs进行调查,查明了其分布的环境控制因素,建立适合中国区域范围内的古温度指标MBT/CBT指数的校正公式,并探索陆源输入指标BIT指数的环境影响因素。此外,还利用过氧化氢氧化土壤中GDGTs化合物,以模拟地质体中氧化条件下TEX86、MBT/CBT指数、BIT指数等所受的影响,为准确恢复古环境变化提供依据。上述的研究主要得到以下几点认识：1)尖峰岭不同海拔表层土壤中存在（反）异构脂肪酸,（反）异构脂肪醇、不饱和脂肪醇、3-羟基脂肪酸、2-羟基脂肪酸、古菌GDGTs与支链GDGTs等微生物标志物。土壤中微生物（反）异构脂肪醇是以蜡脂形式存在的,只有经过皂化才能释放出支链脂肪醇。在纯培养的革兰氏阳性菌和海洋好氧不产氧光合细菌中发现了含量明显的异构脂肪醇,为异构脂肪醇来源于微生物提供了直接证据。通过尖峰岭土壤微生物类脂物,建立了反异构十五酸/异构十五酸、反异构十五醇/异构十五醇、反异构十五醇/正构十五醇、不饱和十八醇/饱和十八醇四种新的古温度指标。反异构十五醇/异构十五醇比值、反异构十五醇/正构十五醇比值、不饱和十八醇/饱和十八醇比值均与海拔之间呈负相关关系,而反异构十五酸/异构十五酸比值却随海拔升高而逐渐增大。这其中,反异构十五醇/正构十五醇比值与由海拔换算成的年平均温度MAT、土壤pH的线性关系最为显著,其校正公式为α15/n-15=0.114*pH+0.0234*MAT-0.773（R2=0.80）。微生物脂肪酸和脂肪醇与海拔之间的相关关系,是微生物细胞膜适应温度变化的结果。此外,古细菌GDGTs与细菌支链GDGTs化合物均能够响应不同海拔温度变化,在陆地古环境重建中有较好的应用前景。2)细菌支链GDGTs与古细菌类异戊二烯GDGTs广泛存在于中国不同气候带土壤中,其相对含量变化主要受土壤pH控制。土壤pH在8.0以下时,细菌支链GDGTs较古菌GDGTs含量高；而在pH大于8.0的盐碱化土壤中,古细菌GDGTs一般比支链GDGTs丰度高很多。这些说明泉古菌更适合于盐碱化土壤中生存,而合成支链GDGTs的细菌则更适应酸性环境。古细菌GDGTs中无环的GDGTV （Cald）大部分来源于广古菌门,包括产甲烷古菌和嗜盐古菌等,而泉古菌醇GDGTⅣ与IV’（Cren）则主要来源于营氨氧化功能的泉古菌。基于此构建的古菌群落指数ACI= Cald/（Cald+Cren）表现出与土壤pH的相关性。ACI指数随土壤pH的变化呈现倒抛物线趋势,即随土壤pH增大,ACI值先变小再变大。ACI值的变化指示的是土壤中古菌群落的变化,即土壤pH在6.0～8.0之间时,泉古菌占主导地位；而当pH大于8并继续增大时,ACI值也逐渐增大,土壤中嗜盐古菌的丰度逐渐增加；在酸性环境中,泉古菌不太适合生存,因此酸性土壤中广古菌的相对含量有所增加。3)中国土壤支链GDGTs的甲基化指数MBT与环化指数CBT具有很好的环境指示意义。中国土壤中支链GDGTs的MBT与年平均降雨量或土壤pH的相关性高于年平均温度MAT,而在全球校正中MBT却主要与MAT相关,证明了全球校正在中国区域条件下会产生较大偏差；而环化指数CBT与土壤pH有很好的负相关关系,与全球校正一致。综合上述关系,建立了中国区域内陆地古温度重建校正公式MBT=-0.02+0.21*CBT+0.03*MAT（R2=0.83）和古降雨量重建公式MBT=0.134+0.109*CBT+0.000318*MAP（R2=0.86）,提高了支链GDGTs应用于中国区域古环境重建中的准确性。4)陆源输入指数BIT值受土壤pH影响显著。土壤pH值增大时,其BIT值减小。pH大于6.0的土壤其BIT值大多小于1,这明显动摇了海洋沉积物BIT值正确估算陆源输入的前提,即BIT值必须接近于1。因此,在利用海洋沉积物BIT值估算陆源输入时,必须考虑陆源土壤的pH,以陆源土壤BIT值为基础,才能避免陆源输入的低估。5)随氧化程度加强,土壤TEX86逐渐减小,而CBT值却逐渐增大,说明含环的GDGTs较无环的GDGTs更容易被氧化。支链GDGTs甲基化指数MBT在氧化实验中保持稳定,古温度指标MBT/CBT受氧化影响很小。陆源输入指标BIT随氧化加强逐渐变大,表明支链GDGTs较古细菌GDGTs更抗氧化。因此,存在有机质氧化等降解过程的沉积物中使用BIT值容易造成高估。氧化实验的结果将对古环境重建中准确评估基于GDGTs所建立的指标受氧化等影响造成的偏差提供依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 选题目的和意义
• 1.2 微生物类脂物研究进展
• 1.2.1 细菌标志物
• 1.2.2 微生物标志物检测
• 1.2.3 支链GDGTs
• 1.2.3.1 支链GDGTs结构
• 1.2.3.2 支链GDGTs检测
• 1.2.3.3 支链GDGTs的生物源
• 1.2.3.4 支链GDGTs在古环境重建中的应用
• 1.2.4 存在问题与解决方法
• 1.3 研究技术路线
• 1.4 完成工作量
• 第二章 尖峰岭不同海拔表层土壤微生物类脂物及其古气候意义
• 2.1 研究区自然地理概况
• 2.2 样品采集处理及类脂物提取分离
• 2.2.1 土壤样品采集和处理
• 2.2.2 类脂物提取与分离
• 2.3 仪器测试
• 2.3.1 GC-MS测试
• 2.3.2 LC-MS/MS测试
• 13C_TOC测试'>2.3.3 土壤pH、TOC与δ¹³C_TOC测试
• 2.4 微生物培养
• 2.4.1 土壤微生物培养
• 2.4.2 海洋好氧不产氧光合细菌培养
• 2.5 不同海拔土壤微生物类脂物分布特征及其古环境意义
• 2.5.1 土壤理化参数特征
• 2.5.1.1 土壤pH
• 2.5.1.2 土壤总有机碳和碳同位素
• 2.5.1.3 土壤和大气原位温度
• 2.5.2 微生物标志物分布特征及来源
• 2.5.2.1 微生物脂肪酸分布特征
• 2.5.2.2 羟基脂肪酸分布特征
• 2.5.2.3 脂肪醇在土壤中分布特征及来源
• 2.5.2.4 四醚膜脂分布特征
• 2.5.3 微生物类脂物对不同海拔温度的响应
• 2.5.3.1 脂肪酸对不同海拔温度的响应
• 2.5.3.2 脂肪醇对不同海拔温度的响应
• 2.5.3.3 四醚膜脂对不同海拔温度的响应
• 2.5.4 尖峰岭土壤中微生物类脂物的古环境意义
• 第三章 中国不同类型土壤GDGTs分布特征,影响因素及其古环境意义
• 3.1 研究区概况及样品情况
• 3.2 样品采集处理与类脂物提取分离
• 3.2.1 土壤样品采集和处理
• 3.2.2 土壤pH与电导率测量
• 3.2.3 土壤过氧化氢氧化
• 3.2.4 类脂物的提取与分离
• 3.3 GDGTs化合物测试
• 3.4 GDGTs分布特征及其环境控制因素
• 3.4.1 土壤pH与气候的关系
• 3.4.2 GDGTs分布特征
• 3.4.3 土壤pH影响的古菌群落变化
• 3.4.4 细菌支链GDGTs分布的环境控制因素
• 3.4.5 土壤pH与BIT指数的关系及对陆源输入和TEX86的指示
• 3.5 过氧化氢氧化GDGTs模拟及古环境意义
• 第四章 结论及存在问题
• 致谢
• 参考文献