微生物时空分布广、地质作用大，不仅对地球重大环境转型产生了重要影响，而且在减污降碳、减灾降毒等方面也具有重大的工程实践价值，由此实现从微生物地球到微生物地球工程的发展。微生物是驱动生源要素和金属元素地球化学循环的引擎，在碳汇工程、生态工程和农业工程等领域发挥着不可或缺的关键支撑作用。微生物与矿物存在广泛而紧密的相互作用，在岩土工程、深地工程和矿业工程等领域应用微生物不仅可以节省成本、提高效率，还具有重要的环保价值。特别重要的是，微生物对地质环境变化具有广泛而灵敏的响应能力，不仅可以应用于许多重大工程的治理和防控，还可以应用于诸如生态灾害、气候环境灾害和地质灾害等领域的预警，布局微生物预警工程的建设尤其重要和紧迫。

矿冶影响区重金属的迁移和富集造成了严重的土壤重金属污染问题。深入了解矿冶影响区土壤中重金属的来源和迁移途径是开展土壤重金属污染高效治理的科学基础。近年来飞速发展的金属稳定同位素在识别土壤重金属污染来源和明确重金属迁移过程等方面有较大的应用优势。对金属稳定同位素分析技术、示踪原理及溯源模型进行系统分析，综述了矿产开采及冶炼过程（高温冶炼、电化学工艺和尾矿风化）导致的金属稳定同位素分馏研究进展，并总结了金属稳定同位素在矿冶影响区土壤重金属污染源解析的代表性应用成果。V同位素体系处于初期研究阶段，土壤重金属源解析应用研究相对缺乏；Zn、Cd和Hg同位素在识别高温冶炼过程相关的重金属污染源时有较大优势；Cu、Tl和Ni同位素可直接指示土壤中矿石的输入。但是，目前还存在部分金属稳定同位素分析难度大、溯源模型应用限制多、金属同位素易发生分馏导致源不确定等问题。在未来的工作中，需进一步探索和优化金属同位素分析方法，建立更多金属稳定同位素指纹图谱，开发适用性更强、结果更精确的溯源模型，明确复杂界面过程和反应中的金属稳定同位素分馏特征及机理，加强金属稳定同位素在追溯土壤重金属污染形成的时间尺度等方面的实际应用。

白垩纪大洋缺氧事件记录了地球气候和古海洋环境的显著变化，是全球碳循环的主要扰动事件，受到了国内外学者的广泛关注。近20年来，随着金属稳定同位素测试技术的发展，越来越多的金属稳定同位素（例如钼同位素、锌同位素、铀同位素、铬同位素、镉同位素和钙同位素等）被用于研究大洋缺氧事件期间的环境变化。通过系统总结钼同位素（δ⁹⁸Mo）、锌同位素（δ⁶⁶Zn）和铀同位素（δ²³⁸U）的地球化学性质以及在大洋缺氧事件中的研究进展，发现钼同位素主要用于指示局部海洋硫化和非硫化环境的转变过程；锌同位素多用于区分局部海洋对初级生产力、大陆风化以及沉积物埋藏/分解等过程的不同响应情况；铀同位素可以估算全球海底缺氧面积占海底总面积的比例，同时可以结合碳—磷—铀耦合模型模拟全球海洋对大火成岩省形成、大陆风化、生物活动等过程的响应机制。但目前这些金属稳定同位素在海洋体系中的循环分馏机制尚未完善，且研究对象主要聚焦于大洋缺氧事件OAE2的沉积记录，未来还需要更系统全面的研究。

水体稳定同位素作为贯穿水循环的介质，是研究大气环流过程和传输路径的有效手段。介绍了水体稳定同位素技术在青藏高原大气环流研究中的应用，聚焦典型站点降水、河水和冰芯等水体稳定同位素的季节和空间变化特征，揭示了大气环流对地表水稳定同位素高程效应的显著影响，以及大气降水对地表水的主导；引入降水稳定同位素标准判断亚洲夏季风爆发时间；通过冰芯稳定同位素揭示了厄尔尼诺—南方涛动对整个青藏高原水循环的影响及其响应机制的区域差异。在未来的研究中，将加强跟地球系统模型的结合，关注水体稳定同位素在不同时间尺度的控制因子、突变过程以及激发机制，进而量化古气候替代指标中的稳定同位素变化、从较长的时间尺度上重建影响青藏高原的水汽来源的演变历史。同时关注过量氘等具有水汽来源诊断能力的参数，研究其与大尺度环流参数的相关性，从海表温度、蒸发等陆—气相互作用分析并将高原环流过程与全球环流过程紧密结合综合分析。

煤系烃源层的构造—热演化过程研究对揭示煤系气的生成机制具有重要意义。为揭示鄂尔多斯盆地东南缘黄陵矿区向斜核部中生代煤系烃源层的构造—热演化过程、生排烃阶段及煤系气成因类型，根据含煤地层岩性、剩余地层现今埋深、储层孔隙度、镜质组最大反射率、甲烷碳氢同位素组成和生物甲烷产率等数据，运用Petromod 1D模拟软件与回剥反演法及EASY% R_O法对研究区煤系烃源岩的受热和生烃演化过程进行重建。研究结果表明：黄陵矿区自晚三叠世以来，煤系主要经历了3~4次“沉降—抬升”过程，其生烃演化过程可分为原生生物成因气、热成因气和次生生物成因气3个阶段。晚三叠世末期至中侏罗世早期，煤系烃源岩镜质组最大反射率演化至0.3%，对应原生生物成因气生成阶段；中侏罗世早期至早白垩世末期，煤系埋深及受热温度逐渐升高至最大值，镜质组最大反射率演化至0.67%~0.74%，热解生烃作用停止，对应热成因气生成阶段；自始新世早期至今，煤系发生抬升且埋深浅于2 077~2 148 m，受热温度低于75 ℃，对应次生生物成因气生成阶段。侏罗系延安组3号和2号煤层中甲烷碳、氢同位素组成数据和微生物降解煤岩生成生物气实验（甲烷累计产率为10.5~16.1 μmol/g）为该区存在次生生物成因气提供了直接证据。