云南腾冲热泉化能自养微生物碳源和固碳速率研究

Volcanic hot springs are important sources of greenhouse gas emissions. Climate scientists and geologists often ignore the carbon cycling within hot springs by chemical processes and biological processes when surveying the carbon emissions from hot springs. For example, lots of carbonate mineral deposited in some hot springs. In hot springs with temperatures higher than 72 oC, lithoautotrophs are the dominant microorganisms, which are capable of fixing CO2. However, because of lack of experimental and observation data, the carbon fixation flux of these processes is not yet accurately evaluated. This project will comprehensively use geochemical and molecular biological principles to investigate geochemistry and biological processes of carbon cycle in hot springs. The geochemical processes of carbon cycling within hot springs and carbon source of autotrophic microorganisms can be traced by natural radioactivity 14C. The microbial carbon fixation rate in hot springs will be studied by adding stable isotope 13C and radioisotope 14C marked NaHCO3 as carbon source, and the key microbial groups that can fixing CO2 by autotrophic pathway also can be traced. The carbon fixation efficiency, in terms of electron transferring, will be analyzed by calculating the numbers of transferred electrons during redox reactions and carbon fixation. The project will ultimately contribute to the clarification of geochemistry and biological processes in the process of greenhouse gas emission from hot springs.

火山型热泉是重要的温室气体排放源，气候学家和地质学家在统计热泉碳排放时往往会忽略热泉内部的化学过程和生物过程。例如，有些热泉有大量的碳酸盐沉积；在高温热泉中，微生物都以有固碳能力的化能自养固碳类型为主。由于缺乏实验和观测数据，我们对这些过程的固碳通量尚不能准确评估。本项目将综合运用地球化学和分子生物学原理开展热泉系统中碳循环的地球化学和生物学过程研究。将以自然放射性14C示踪热泉地球化学过程和化能自养微生物的碳源来源；以添加稳定同位素13C和放射性同位素14C标记的无机碳源研究热泉微生物固碳速率，并且示踪研究化能自养固碳的关键微生物类群，分析氧化还原反应过程和生物固碳过程的电子转移效率及其耦合机制。项目最终为厘清热泉排放温室气体过程中的地球化学过程和生物过程做出贡献。

火山型陆地热泉CO2排放是地球自然排放温室气体的重要来源，也为热泉微生物的代谢提供了充足的碳源。伴随CO2逸出的还原性气体H2以及热泉水中的还原性离子S2-、Fe2+、NO2-，热泉嗜热的化能自养微生物利用这些还原性物质作为能量来源，通过化能自养作用或光合作用将无机碳同化为有机碳，该过程控制无机碳和有机碳的互相转化进而影响碳循环。因此，理清自养微生物将无机碳转换为有机碳的通量，研究热泉微生物的固碳能力与环境因子的响应关系，有助于我们深入理解热泉系统碳循环过程及机理和全面了解全球火山区热泉生态系统的碳收支情况。本项目在云南腾冲火山地热国家地质公园开展碳固定作用和微生物固碳途径相关研究，取得的主要结果包括：.（1）测试了一系列中高温热泉（69-75oC）光合作用固碳速率，其最高固碳速率在60 oC的热泉中，为4,637 μg C/g TOC/hr，温度升高限制光合固碳速率，在光合藻席生长旺盛的热泉中，80％的热泉排放CO2在白天排放的固定为有机碳。.（2）在化能自养主导的热泉（温度高于75℃）中，化能自养的固碳速率远远低于光合作用固碳速率（最高固碳速率为114.58 μg C/g TOC/hr，约为最高光合速率的1/50）。固碳速率测定过程中，发现光照会抑制化能自养微生物的固碳速率。.（3）针对化能自养的光抑制效应，推测热泉中主要微生物（如Aquificae门微生物，在海底热液系统广泛存在）是深部起源的，通过进化分析发现所有厌氧的Aquificae门微生物位于进化树的根部，而且都是黑烟囱附近分离得到。微好氧和好氧微生物的形成时间与大氧化事件时间接近，氧气的产生驱动了该类微生物的演化。.（4）宏基因组分析显示热泉中六个原核生物的固碳途径均存在，还原三羧酸循环途径（rTCA）是在热泉微生物群里中分布最广泛的化能自养固碳途径，化能自养微生物的能量来源以氢氧化、硫氧化及硫化物氧化为主，在少数MAGs中发现铁氧化、亚硝酸盐氧化基因。.（5）为了探究微生物能否利用矿物岩石中的能量，在热泉中放置不同矿物进行培养。发现与矿物相互作用的微生物形态非常不一，其中在黄铁矿的表明生长的微生物长有丝状物与矿物相连，推测可能与电子传递有关。另外，文石特异富集泉古菌门的Desulfurococcales目微生物，可能与文石的多孔结构相关，为 Desulfurococcales生长提供微环境。