一、研究内容
围绕不同地质环境中微生物功能群的地质作用这一关键科学问题，采用现代地球科学和生命科学两大学科领域的的研究方法和先进技术，以微生物岩和烃源岩为两大载体，从现代过程的现场调查和实验模拟，到现代过程与地质过程的对比，再到典型地质过程的详细解剖，突出对若干重大地质环境突变的地球生物学研究，最终形成互相关联、承上启下、古今结合、涵盖三大主题的研究内容。
1. 现代典型环境微生物的地质作用：现代过程的调查和模拟
要弄清楚重大地质环境的微生物作用和响应特点，本项目首先把精力放在现代典型环境及其若干关键地球生物学记录的解剖上。从两方面入手，一是现代典型环境的现场调查和分析，二是地球生物学现代过程的实验模拟。因此需要借鉴现代生命科学的研究方法，兼顾地球科学的方法和技术。主要开展现代海洋极端环境微生物生态特征、分布、以及对环境作用的分子和同位素响应（课题一），现代环境微生物功能群地质作用的矿物学响应与地质记录（课题二）这两方面的研究，构成本项目的第一主题内容。
在现代海洋极端环境微生物作用的分子和同位素响应方面，主要包括如下研究内容：
（1）海洋典型极端环境下的微生物生态及分布特征：采用分子生物学、有机与同位素地球化学的理论与技术，调查与碳循环或硫循环异常有关的现代海洋极端环境（如天然气水合物区、热泉等）微型生物生态、典型微生物功能群的分布特征。
（2）典型微生物功能类群及环境指示标记物的识别和提取：确定不同极端环境中典型微生物种群，进行极端环境微生物群体的元基因组、转录组学研究；分离参与碳循环或硫循环的微生物功能群；鉴定与典型微生物功能类群相关的特异性脂类生物标记及其同位素信标；进行典型微生物功能群在生物地球化学过程中的功能分析，阐述有地质环境指示意义的代表性脂类分子标记物的生物来源。
（3）典型微生物功能群对环境条件变化的响应：研究典型微生物功能群对环境条件变化的响应方式和程度。评估海洋酸化对微型生物生态系统的影响；建立甲烷氧化和硫酸盐还原共生体系的实验室模拟培养，构建共生微生物群体与环境响应、相互作用的模型。
在现代环境微生物功能群地质作用的矿物学响应，主要研究如下方面的内容：
（1）在常温与中温（60-80℃）条件下，模拟异养好氧菌、厌氧菌与人工合成的有机质-粘土矿物集合体之间的相互作用，分析这些功能微生物对粘土矿物的溶解、沉淀、转化的动力学过程与产物，寻找生物成因矿物的典型特征。
（2）研究微生物参与下形成的碳酸盐矿物的特征、矿物形成过程中微生物特征标记化合物及代谢特征产物的变化，为识别地质记录中微生物成因的矿物提供证据。包括微生物有机大分子对碳酸钙类矿物沉淀的作用、环境中Mg/Ca比对碳酸钙同质异象矿物的影响、微生物EPS和生物标志物对环境中Mg/Ca比变化的响应。
（3）以模型大分子或与生物矿化作用类似组成的蛋白质、脂类化合物等生
物大分子作为矿化调节剂，仿生合成生物成因氧化物（铁氧化物/羟基氧化物、硅石等）等，定向研究与生物矿物形成有关的生物大分子及其特定官能团对生物矿物成核、生长、形貌以及多级组装结构的影响；同时结合改变溶液物理化学条件，研究生物矿物形成中生物基因和晶体化学因素对生物矿物超结构形成的协同作用；进一步确立生物矿物的成因标志。
（4）研究富含盐矿中的微生物特征，通过与盐湖、晒盐场等环境中的相关微生物数据进行对比，选取有代表性的物种研究其在人工模拟的成岩条件下的生理变化规律，从地质学和微生物学角度探询微生物在陆地盐岩形成中的作用。
2. 第四纪异常环境微生物的地质作用：现代过程向地质过程的延伸
在现代过程分析基础上，进一步把微生物的作用延伸到第四纪更长的时间段，实现现代过程与地质过程的衔接，这构成本项目的第二主题内容（课题三），为第三主题内容过渡到地球生物学地质过程研究奠定基础，并起到承上启下的作用。从技术层面上，体现了生命科学和地球科学并重，也体现人类活动从无到有、并逐渐增强的这样一个过程。本项目将有重点地选择这个时期，特别是全新世以来一些异常气候环境事件的微生物记录及其作用，主要以长江流域的泥炭沉积、湖泊沉积和石笋，以及部分海洋沉积物为主要载体，建立评估典型地球生物学地质过程的分子和原子（同位素）水平的示踪技术方法。
具体研究内容包括：
（1）以石笋、泥炭沉积和湖泊沉积为载体，利用微生物类脂物分子及其单体同位素，建立地区反映气候环境变化的细菌、古菌和有壳变形虫的指标体系等，查明微生物如何响应干湿、冷暖、水体富营养化等气候环境因子的变化。
（2）调查细菌等微生物随泥炭沉积环境条件的变化如何影响有机质的保存和分解，如何影响泥炭植物的成分及其同位素组成，从而阐述微生物活动对碳循环的影响。结合现代海洋沉积物的有机碳和无机碳同位素分析，建立并完善不同环境下碳循环模型。
（3）在洞穴现代地质过程观察与模拟试验的基础上，利用石笋的元素地球化学高分辨率重建第四纪（尤其是末次冰盛期以来）长江中游气候历史，研究气候变化的幅度与频率。通过与同期的地质微生物特征进行比较，考察不同气候态下环境和生物对气候变化的响应特征，尤其关注地质微生物对极端异常气候的适应性。
（4）利用第四纪样品，如大熊猫、披毛犀、鬣狗、猪和水稻，借助于现代生物实验技术（如PCR等）开展研究生命的遗传物质DNA的碱基序列有种的特异性研究，恢复已经死亡的甚至已经绝灭的生物的全部或部分遗传信息，从根本上反映生物系统演化，从而在分子水平上研究生物演化与环境气候变化、人类活动的关系。
（5）研究Mo同位素的生物地球化学特征，建立其与成岩早期硫酸盐还原阶段的异养微生物的地质过程、古氧相及有机埋藏之间的耦合关系，研究第四纪地质样品的保存与环境的关系。
3. 重大地质环境微生物的作用及其地球生物学过程：地质过程解剖
在现代以及第四纪一些典型环境研究的基础上，有针对性地开展若干重大地质环境的地球生物学解剖，构成本项目的第三主题内容。不同微生物功能群往往通过生物地球化学循环与典型地质环境紧密相连，相互作用。在地质时期有三类
比较典型和重大的地质环境，这些环境与碳、硫等生物地球化学循环密切关联，是不同微生物功能群地质作用的典型代表。一是富H2S 的海洋环境（如中元古代等），与异常硫循环有关；二是富CO2 环境（如显生宙某些重大生物危机时期），与异常碳循环关联；三是除此以外的极端地质环境（如冷泉地质环境等）。本项目将有重点地选择这三类重大地质环境的突变开展地球生物学研究，由此构成本项目三个课题的研究内容（课题四、五、六）。
在显生宙异常碳循环时期，主要研究如下内容：
（1）古生代与中生代之交的生物与环境过程：海洋环境的变迁、生态系结构组成的调整、灾难环境中宏体生物的形态和结构的适应性变化及其环境启示、微生物类群组成和特征、微生物沉积建造类型、微生物岩微区地球化学标志、海洋氧化还原指数的变化、海洋古生产力和有机质埋藏条件、以及富CO2 地质条件下微生物繁盛与碳同位素和硫同位素的对应关系。二叠纪碳酸盐台地生态系构成和演化、海洋古生产力和有机质埋藏条件、铁元素在浅水台地碳酸盐沉积中的地球生物学意义。
（2）古生代晚泥盆世弗拉期和法门期之交以及奥陶纪-志留纪之交的生物与环境演变：华南晚泥盆世弗拉期和法门期之交（F-F）菌藻微生物类型、丰度、分异度、亲缘关系及其演变; F-F之交菌藻微功能群特征与关键环境因子的关系; 珊瑚-层孔虫等宏体生物为主体生态系与菌藻微生物为主体生态系更替的地球生物学过程。华南奥陶-志留纪界线典型剖面多层斑脱岩的精细定年研究；典型剖面岩石地球化学（包括稳定碳同位素）指纹特征分析；典型剖面古海洋初级生产力替代性指标及其纵向变化研究；华南奥陶纪-志留纪之交火山（斑脱岩）事件与古海洋生产力、微生物功能群（替代性指标）以及全球高CO2背景下的异常碳循环之间关系。
（3）现代微生物功能群（微藻）的组成、特征、古生产力、有机质埋藏条件与碳循环关系的控制实验：古环境条件下CO2、有机碳源和C/N值对微藻Chlorella. Protothecoides（原始小球藻）的自养和异养营养生长功能、生产力及对成烃母质的贡献；环境效应促进自养功能群和异养功能群的微藻细胞结构、生化成分、代谢通路和基因表达变化的分析。
在新元古代极端地质环境方面，主要研究如下内容：
（１）新元古代的极端冷-暖事件：通过华南地区连续的新元古界地层记录研究江口、南沱两次冰期前后的古气候、古海洋，探讨冰期前后的环境变化。系统完成有代表性剖面的野外工作和矿物、岩石和地球化学研究确定古气候和古海洋化学的变化；开展新元古代BIF铁矿、帽白云岩、硅岩的研究，确定它们与雪球地球、古海洋（氧化还原、海底热液活动等）和（微）生物作用的关系。
（2）新元古代的“冷泉”事件：研究华南地区新元古界地层“冷泉”事件的地质记录和识别标志，包括构造古地理、特殊沉积构造、自生矿物（碳酸盐类、硫酸盐类、硫化物类）及其稳定同位素特征、稀土和微量元素特征；确定华南新元古代“冷泉”事件的区域分布特征；根据“将今论古”原理，探讨“冷泉”环境可能的微生物功能群；分析新元古代“冷泉”事件的碳、硫循环过程和环境效应，并探索其与地球早期动物出现和烃源岩形成之间的关系。
（3）埃迪卡拉纪真核生物演化、埋藏保存与古环境关系：华南地区成为世界瞩目的埃迪卡拉纪特异保存的多细胞真核生物化石库，如陡山沱组磷块岩和硅质岩中保存的以瓮安生物群为代表的微体生物化石库、以蓝田生物群和庙河生物群为代表的页岩相宏体生物化石库以及灯影组以西陵峡生物群和高家山生物群
为代表的具矿化骨骼生物和宏体动物化石库。研究这些化石库的生物群面貌、生物属性和埋藏学特征，以及生物地层学意义；探讨埃迪卡拉纪碳同位素变化的区域、洲际地层对比意义；探讨埃迪卡拉纪生物群辐射和灭绝的古环境背景。
（4）埃迪卡拉纪-寒武纪过渡时期富有机质烃源岩的微生物作用：烃源岩是微生物与环境相互作用的产物之一。通过分析华南震旦系灯影组-寒武系牛蹄塘组富有机碳烃源岩TOC、总硫、黄铁矿硫、CAS、有机硫以及不同铁组分含量的变化，生物标志化合物（特别?-腊烷、芳基类异戊二烯烃）分布特征，对比研究硫酸盐、黄铁矿与有机硫硫同位素、干酪根碳、氢同位素组成的差异。研究震旦纪不同沉积环境下海洋铁含量的变化、下寒武统有机碳富集的原因，以及究竟是火山热液、还是硫酸盐还原菌导致的海洋透光带富H2S静水环境等控制了该边界地球化学事件。
硫循环异常海洋环境主要研究如下内容：
（1）通过对华北中元古代重点时段沉积层序及体系域的旋回序列及其时空变化关系和沉积岩C、O、S稳定同位素以及一些元素含量和比值特征研究，查明华北地台中元古代不同古地理背景下海平面变化旋回、沉积环境演变过程。通过高于庄、雾迷山、铁岭和下马岭组活性铁与全铁比值（HRFe/ TFe）、铁同位素（Fe56/Fe58）以及含铁硫化物沉积的环境磁学研究，揭示华北地台中元古代缺氧-硫化环境下铁的微生物化学过程、影响铁循环的主要微生物功能群及其对氧化还原条件的响应机理。
（2）研究中元古代微生物岩的主要类型、结构、时空分布、有机碳含量以及与环境相互作用关系，揭示其微生物群落、生态功能以及对沉积环境变化的响应机理。查明高于庄组、雾迷山组、铁岭组和下马岭组不同沉积类型中建隆和非建隆型微生物岩发育的环境控制因素、生物-沉积作用方式，以及两类不同性质微生物岩的形成机理、对环境的影响。
（3）重点研究高于庄组、雾迷山组、下马岭组等层段、特别是成岩早期形成的硅质条带中保存的微生物实体化石和生物标志物特征，查明中元古代碳酸盐和泥质沉积环境背景下的主导微生物类群、群落结构、生物-环境作用过程及其对海洋化学条件的影响。