地球科学进展

地球科学进展 ›› 2021, Vol. 36 ›› Issue (12): 1272 -1290. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.095

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微生物醚类化合物在泥炭古环境重建中的应用：进展与问题
樊嘉琛 1( ), 钱施 1, 裴宏业 1, 吴杰 1, 赵世锦 1, 党心悦 1, 杨欢 2( ), 谢树成 1   
  1. 1.生物地质与环境地质国家重点实验室，中国地质大学（武汉），湖北 武汉 430078
    2.关键带演化 湖北省重点实验室，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，湖北 武汉 430078
  • 收稿日期:2021-07-06 修回日期:2021-10-03 出版日期:2021-12-10
  • 通讯作者: 杨欢 E-mail:1367083879@qq.com;yhsailing@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目“末次冰消期以来湖北神农架大九湖泥炭湿地产甲烷生物地球化学过程对气候环境变化的响应”(42073072);“地质脂类记录的中国中东部晚中新世以来水热格局的时空演化”(41830319)

Application of Microbial Ether Lipids in the Reconstruction of Paleoenvironments in Peatlands： Progress and Problems

Jiachen FAN 1( ), Shi QIAN 1, Hongye PEI 1, Jie WU 1, Shijin ZHAO 1, Xinyue DANG 1, Huan YANG 2( ), Shucheng XIE 1   

  1. 1.State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology，School of Earth Sciences，China University of Geosciences，Wuhan 430078，China
    2.Hubei Key Laboratory of Critical Zone Evolution，School of Geography and Information Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430078，China
  • Received:2021-07-06 Revised:2021-10-03 Online:2021-12-10 Published:2022-01-20
  • Contact: Huan YANG E-mail:1367083879@qq.com;yhsailing@163.com
  • About author:FAN Jiachen (1997-), male, Handan City, Hebei Province, Master student. Research area include geomicrobiology. E-mail: 1367083879@qq.com
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China "The response of methanogenic biogeochemical cycles to climate change in Dajiuhu peatland from Shennongjia, Hubei since the last deglaciation"(42073072);"Spatiotemporal evolution of hydroclimate and temperature pattern in central and eastern China recorded by geolipids since late Miocene"(41830319)
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泥炭是研究古环境的良好载体，也是陆地重要的有机碳库。泥炭中微生物醚类化合物结构多样、含量丰富、生物来源较为明确，其分布主要受温度、pH和氧化还原状况的影响，可以作为古环境重建的代用指标，也是甲烷循环等生物地球化学过程的示踪计。一些微生物醚类如GMGTs、isoGDGTs异构体和BDGTs的含量可能被开发为泥炭新的古环境和产甲烷作用指标。当前，醚类在泥炭古环境重建和产甲烷作用重建中还存在一些问题，包括pH指标与有效降水量之间的关系不明确，沉积相转变对泥炭古环境重建和产甲烷活动重建可能存在影响，brGDGTs重建温度存在不确定性，需要进一步研究。

关键词: 泥炭, GDGTs, 微生物醚类, 古环境重建

Peat is a good archive for paleoenvironment reconstruction and an important terrestrial organic carbon sink. Microbial ether lipids in peatlands are structurally diverse and rich in abundance， and most of these lipids have been thought to be derived from specific biological sources. Their distributions are mainly controlled by temperature， pH and redox conditions， etc. They can be used as proxies for the reconstruction of paleoenvironments， such as temperature， water table and redox conditions and also as tracers of biogeochemical processes， e.g.， methane cycling. Microbial ether lipids identified in peatlands can be divided into seven groups： archaeol and OH-archaeol， isoGDGTs and OH-isoGDGTs， brGDGTs， BDGTs and PDGTs， isoGMGTs and brGMGTs， Me-isoGDGTs and Me-isoGMGTs， and GDDs. Here we introduced the structures， biological sources of these ether lipids， and environmental factors influencing their distributions in global peatlands. We showed how microbial ether lipid-based proxies for the reconstruction of the peat paleoenvironment were developed and discussed their advantages and disadvantages. We also discussed the application of microbial ether lipids in indicating methane cycling in peatlands. The abundance of some microbial ether lipids such as GMGTs， isoGDGT isomers and BDGTs can be developed as new proxies for the reconstruction of the paleoenvironment （paleotemperature， paleo-pH， paleohydrology） and methanogenesis in peatlands. At present， some problems may still exist in the application of microbial ether lipids to the reconstruction of peat paleoenvironment and methanogenesis， including the unclear relationships of pH proxies and effective precipitation， the impact of sedimentary facies on the brGDGT-based reconstructions， the uncertainty of brGDGT-based proxies， and the influence of insoluble ether lipids. This highlight further research is needed to resolve these issues. In addition， several aspects need to be paid attention to in future studies， including further determining factors influencing microbial ether lipids in peatlands， understanding the role of methanogenesis in boreal peatlands in regulating the atmospheric CH4 concentration， and introducing some new technologies.

Key words: Peat, GDGTs, Microbial ethers, Paleoenvironment reconstruction

中图分类号: 

图1 全球目前已经发表的研究过微生物醚类的泥炭点位
Fig. 1 Global distribution of peatlands where microbial ether lipids have been studied
图2 泥炭中微生物醚类的结构图
Fig. 2 Structures of microbial ether lipids found in peatlands
图3 湖北二仙岩泥炭中醚类的总离子流色谱图（TIC）和质量色谱图
Fig. 3 Total Ion Chromatogram（TIC）and mass chromatograms showing ether lipids identified in a peat sample from a peat profile collected from the Erxianyan peatland in Hubei， China
表1 泥炭中部分微生物醚类可能的生物来源
Table 1 Possible biological sources of some microbial ether lipids in peatlands
微生物醚类 可能的生物来源
archaeol 产甲烷古菌Methanosarcinales、Methanopyrales、Methanococcales、Methanobacteriales、Methanomicrobiales ［ 11 ］ 和 Methanomassiliicoccales［ 12 ］，嗜盐古菌（如Halobacteriales），热球菌Thermococcales ［ 13 ］
OH-archaeol 产甲烷古菌Methanococcales、Methanosarcinales、Methanobacteriales ［ 14 ］
GDGT-0~4 广古菌Euryarchaeota，奇古菌Thaumarchaeota，泉古菌Crenarchaeota ［ 13 ］ ，深古菌Bathyarchaeota ［ 15 ］
GDGT-5~8 广古菌Thermoplasmatales纲 ［ 16 ， 17 ］
crenarchaeol和crenarchaeol' 奇古菌 ［ 17 ］
OH-GDGTs 奇古菌Group I.1a、SAGMCG-1 ［ 10 ］ 和嗜热产甲烷菌Methanothermococcus thermolithotrophicus ［ 18 ］
brGDGTs 酸杆菌Acidobacteria和其他未知细菌 ［ 19 ］
BDGTs和PDGTs 产甲烷古菌第七目Methanomassiliicoccus ［ 12 ］
isoGMGTs 热原体目Thermoplasmatales ［ 20 ］
Me-isoGDGTs 嗜热菌Methanothermobacter thermautotrophicus、Thermococcus kodakarensis、Methanosaeta thermophila， 中温产甲烷菌Methanobrevibacter smithii和Methanosphaera stadtmanae ［ 21 ~ 23 ］
Me-isoGMGTs 极端嗜热产甲烷古菌Methanopyrus kandleri和嗜热产甲烷古菌Methanothermobacter thermautotrophicus中被发现 ［ 22 ~ 24 ］
图4 不同泥炭地brGDGTs重建的大气年均温度变化
（a） Etang de la Gruère泥炭地 ［ 60 ］；（b） Corser泥炭地 ［ 62 ］，实线由公式（5）计算得到，虚线由公式（3）计算得到；（c） Kyambangunguru 火山口沼泽 ［ 63 ］；（d） 若尔盖—红原泥炭地 ［ 34 ］；（e） 水竹洋泥炭地 ［ 65 ］；（f） 哈泥泥炭地 ［ 66 ］；（g） 孤山屯泥炭地 ［ 39 ］；（h） 哈拉沙子泥炭地 ［ 67 ］；（i） 那仁夏泥炭地，由参考文献［ 68 ］中MBT' 5ME数据计算
Fig. 4 Mean annual air temperature variations inferred from brGDGTs in different peatlands
（a） Etang de la Gruère peatland ［ 60 ］； （b） Corser peatland ［ 62 ］； The solid line is calculated from formula （5） and the dashed line is calculated from formula （3）； （c） Kyambangunguru crater marsh ［ 63 ］； （d） Zoigê-Hongyuan peatland ［ 34 ］； （e） Shuizhuyang peatland ［ 65 ］； （f） Hani peatland ［ 66 ］；（g） Gushantun peatland ［ 39 ］； （h） Sahara sand peatland ［ 67 ］； （i） Narenxia peatland， calculated from the data of reference［ 68 ］
图5 不同泥炭地brGDGTs重建的古pH变化
（a） 水竹洋泥炭地 ［ 65 ］；（b） 若尔盖—红原泥炭地 ［ 34 ］；（c） Kyambangunguru火山口沼泽 ［ 63 ］；（d） 孤山屯泥炭地 ［ 39 ］；（e） 哈泥泥炭地 ［ 39 ］
Fig. 5 Paleo-pH variations inferred from brGDGTs in different peatlands
（a） Shuizhuyang peatland ［ 65 ］； （b） Zoigê-Hongyuan peatland ［ 34 ］； （c） Kyambangunguru crater marsh ［ 63 ］； （d） Gushantun peatland ［ 39 ］； （e） Hani peatland ［ 39 ］
图6 部分泥炭钻孔中crenarchaeol的分布
（a） 若尔盖—红原泥炭地 ［ 34 ］；（b） 孤山屯泥炭地 ［ 39 ］；（c） 哈泥泥炭地 ［ 39 ］
Fig. 6 Crenarchaeol concentration in some peatland cores
（a） Zoigê-Hongyuan peatland ［ 34 ］； （b） Gushantun peatland ［ 39 ］；（c） Hani peatland ［ 39 ］
图7 英国Butterburn Flow泥炭地剖面基于有壳变形虫计算得到的水位深度（a）［ 78 ］（2条细线代表了估计的预测误差范围）和crenarchaeol浓度（b）［ 5 ］
Fig. 7 Downcore profiles of （a） water table depth［ 78 ］based on testate amoeba （the two grey lines represent estimated errors of prediction） and （b） concentration of crenarchaeol［ 5 ］in Butterburn Flow peatland from UK
图8 部分泥炭钻孔中archaeol的含量
（a）Bissendorfer沼泽；（b）Ballyduff泥炭地；（c）~（d）Butternburn Flow泥炭地；（e）Kontolanrahka bog泥炭地 ［ 27 ］；阴影部分代表 sn-2-OH-archaeol出现的层位
Fig. 8 Archaeol concentration in some peatland cores
（a）Bissendorfer Moor；（b）Ballyduff peatland；（c）~（d）Butterburn Flow peatland；（e）Kontolanrahka bog peatland ［ 27 ］； Grey bar denotes the depth interval where sn-2-hydroxyarchaeol was detected
图9 四川若尔盖—红原泥炭地中GDGT-0、archaeol和OH-archaeol的含量［ 28 ， 34 ］
Fig. 9 The concentration of GDGT-0， archaeol and OH-archaeol from Zoigê-Hongyuan peatland， Sichuan province［ 28 ， 34 ］
图10 部分泥炭钻孔的岩性和由CBT重建的古pH随深度的变化
（a）瑞士Etang de la Gruère泥炭地 ［ 60 ］；（b）美国阿拉斯加Corser泥炭地 ［ 62 ］
Fig. 10 Lithology and paleo-pH variations inferred from CBT in some peatland cores
（a）Etang de la Gruère peatland， Switzerland ［ 60 ］；（b）Corser peatland， Alaska， United States ［ 62 ］
表2 由表层泥炭中 brGDGTs重建的年均温与实际土壤、大气年均温的对比
Table 2 Comparison of mean annual temperature reconstructed from brGDGTs in surface peat with actual soil and atmospheric temperature
位置 类型 计算公式 泥炭表层样品 重建年均温/°C 泥炭表层年均温/°C 当地大气年均温/°C 参考文献
德国Bullenmoor 雨养型泥炭地 （3） 最浅20 cm处：12.4 - 9.0 ［ 84 ］
瑞士汝拉（Jura）山 - （3） 13.0 8.0 5.5 ［ 60 ］
美国阿拉斯加南部Corser 雨养型、泥炭藓泥炭地 （3） 5.0 - 4.0 ［ 62 ］
法国汝拉（Jura）山Frasne 雨养型/矿养型泥炭地 （3） 5~7 cm：11.5 6.9/7.1 6.8/6.7 ［ 85 ］
四川省若尔盖—红原 矿养型泥炭地 （5） 5.0 - 1.0 ［ 34 ］
福建省水竹洋 雨养型泥炭地 （5） 17.5 - 15.7 ［ 65 ］
坦桑尼亚Kyambangunguru - - 20.7 - 22.0 ［ 63 ］
中国吉林孤山屯 - （8） 7.2 - 3.0 ［ 39 ］
中国吉林哈泥 - （8） 6.1 - 5.0 ［ 39 ］
中国新疆那仁夏 - （8） -5.8 - -2.1 ［ 68 ］
中国新疆哈拉沙子 - （8） -6.4 - -5.4 ［ 67 ］
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