现代海洋极端环境微生物的地质作用及其分子和同位素响应年度报告

围绕现代海洋极端环境条件下微生物分布特征和环境因子相互关系的研究在前期工作积累的基础上进行了更深入的分析,通过对北极冰川前沿和西南印度洋深海微生物资源的调查,初步了解了微生物群落结构的多样性及微生物的部分生态功能,为探索地质历史时期的微生物生命过程提供了良好的资源;发现西南印度洋深海微生物群落结构与钙、磷、硫等元素具有相关性,为揭示深海微生物的地球化学循环创造了条件;对深海环境铁还原菌的研究对探讨古海洋环境与生命的协同演化具有重要意义。开展了微生物对模拟环境条件如海洋酸化及火山爆发等地球历史时期的重大地质突变事件为背景,在现代海洋环境中进行了一系列的模拟研究,针对目前研究相对薄弱的环节,重点研究了海洋酸化及火山灰添加对浮游异养细菌的影响,初步揭示了浮游细菌对大气CO_2升高及火山爆发事件的反馈,完善了地质突变期海洋生态系统反馈的认识。另外,在深部生物圈MCG古菌的研究上取得了重要进展。MCG是迄今为止发现分布最为广泛的一类未培养古菌,被认为是海底深部生物圈中最丰富,并且最活跃的类群之一,很可能在全球物质和能量循环过程中发挥了重要的作用。课题组发现MCG古菌在系统发育上处于一个深的分支,代表了一类自然界较古老的古菌,显著不同于目前分类已确定的所有古菌门类,并提议将MCG古菌归类于一个全新的门类,命名为深古菌门(Bathyarchaeota)。这是目前首个由中国学者提议的古菌门的分类,是古菌和生命起源和演化研究的重要进展之一,也将为该领域的科学研究起到积极推动作用。     

嗜盐嗜碱菌的研究新进展

嗜盐嗜碱菌是嗜盐古菌中重要的组成类群,不仅为微生物生理,遗传和分类及生命科学和相关学科许多领域的研究提供新的课题,也为生物进化,生命起源的研究提供新的材料.文章主要讨论了嗜盐嗜碱菌的分类和嗜盐嗜碱机制方面的研究进展.     

嗜盐嗜碱菌的研究进展

嗜盐嗜碱菌是嗜盐古菌中重要的组成类群,不仅为微生物生理,遗传和分类及生命科学和相关学科许多领域的研究提供新的课题,也为生物进化,生命起源的研究提供新的材料。文章主要讨论了嗜盐嗜碱菌的分类和嗜盐嗜碱机制方面的研究进展。     

海洋嗜盐古菌功能物质利用的遗传工程技术研究报告

极端嗜盐古菌是古菌域的一个重要生理类群,可以产生具有重要价值的产品,如生物可降解塑料PHBV和生物纳米材料紫膜等,但相关基础研究及生物技术亟待加强。该研究以重要海洋嗜盐古菌为材料,在基因组水平开展了其重要功能物质生物可降解塑料PHBV合成关键基因和途径的解析,以及其遗传、代谢及生物工程利用技术的研究,已取得如下研究成果:(1)完成了两株产PHA的极端嗜盐古菌的基因组注释和分析工作,通过基因敲除等手段,鉴定100多个与PHA代谢、碳源利用及调控相关的新基因,包括合成PHBV的关键酶基因pha A、bkt B、pha B、pha E和pha C;PHA颗粒结构蛋白编码基因pha P;以及一系列PHBV途径特异性基因等,形成了对嗜盐古菌PHA合成生物学的系统认识。(2)结合功能基因组及分子生物学技术,首次揭示极端嗜盐古菌合成PHBV独特的代谢途径,尤其是发现了4条可利用非相关碳源合成丙酰-Co A,进而为合成高质量PHBV提供3HV前体的独特的代谢途径。还利用功能基因组学等方法,在基因组水平研究了嗜盐古菌PHA可能的代谢调控机制。(3)构建了两株极端嗜盐古菌高效遗传操作系统,尤其是高效的基因敲除体系和基因表达系统。通过敲除富盐菌胞外多糖的编码基因,获得了PHBV产能优化的工程菌株。(4)建立了富盐菌及其工程菌生产生物塑料PHBV的5L发酵缸发酵工艺,发酵水平由前期的2 g/L提高到25.15 g/L(占细胞干重的50%);同时,发现该菌可利用更加廉价的几丁质和水解的纤维素作为碳源积累较高水平的PHBV。发酵条件的优化和廉价碳源的使用明显降低了PHBV的生产成本。该研究开辟了PHBV在古菌域中的遗传工程研究与开发的新领域,揭示了极端嗜盐古菌PHBV合成关键基因及其独特的代谢途径,研发了相关遗传操作与发酵技术,获得了性能提高的工程菌。这不仅为生产优良性能的PHBV提供了理论指导,还为降低PHBV生产成本,向实现其工业化生产迈进了重要的一步。     

2016年古生物学热点回眸

 2016年国际古生物研究领域见证了一系列重要事件和研究热点。本文回顾2016年在地球早期生命研究、琥珀中的特异保存化石、中生代羽毛的颜色的分子证据、志留纪古鱼、早泥盆世植物根系、古DNA等研究方向的重要进展,盘点了国际古生物研究领域的前沿及热点,部分展示了中国古生物学界做出的突出贡献。     

污水处理系统中氨氧化古菌种群的发现及其生存的影响因素

氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)的发现给研究氨氧化提供了新思路.介绍了氨氧化古菌的发现以及不同环境下氨氧化古菌的活性及其群落变化规律,主要分析了不同环境因子对氨氧化古菌群落结构和丰度的影响.研究表明氨氧化古菌对氨的亲和力比较强,对溶解氧的适应范围也比较大,并且在溶解氧较低和pH偏酸性条件下占主导地位.与此同时,氨氧化古菌对温度的适应性很广,对环境适应性很强.最后对氨氧化古菌今后的研究方向进行了展望.     

计算机分子模拟提高蛋白质热稳定性的研究

计算机分子模拟作为一种重要的研究手段在生物、医药、化学、材料、微电子等领域受到了广泛的关注.其不仅可以从分子水平研究系统的微观结构及其宏观性质,而且在某些极端条件下及实验设备非常昂贵时,能直接提供实验数据以供参考.文章以解淀粉芽孢杆菌核糖核酸酶Barnase为研究对象,研究其在高温下的结构特征和动力学行为,分析蛋白质体系内的相互作用,寻找提高该蛋白质热稳定性的因素.为研究提高蛋白质热稳定性提供了一种计算思路和方法,同时为设计新的能在高温下发挥作用的新型酶类提供理论依据.     

氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌生物刻蚀加工的协同作用

研究氧化亚铁硫杆菌(T.f菌)和氧化硫硫杆菌(T.t菌)生物刻蚀加工金属材料的协同作用.通过比较2种菌种及其混合菌种分别刻蚀加工紫铜、锡青铜、T10、40Cr,分析3种情况下刻蚀加工上述4种金属材料的速率.结果表明,混合菌刻蚀上述金属的最大速率分别为单独使用T.f菌时的3.4,3.6,2.5,2.5倍.在存在铁离子和适合的还原性硫化合物的条件下,T.t菌能增强T.f菌的生物刻蚀加工作用,提高刻蚀速率.     

奇妙的古菌——奇古菌(Thaumarchaeota)的代谢和功能多样性

<正>基于对SSU r RNA的系统发育分析,Woese于1977年提出了著名的三域学说,将那些生活于极端环境(如高盐、高温、低p H和缺氧等)中的古菌(Archaea)作为一个生命域独立出来,与细菌域(Bacteria)和真核生物域(Eucaryota)并列为生物的三大域。随后,进一步将可培养的古菌分为广古菌门(Euryarchaeota)和泉古菌门(Crenarchaeota)。广古菌门包括分布广泛且生理特征多样的产甲烷菌、极端嗜盐菌、嗜热嗜酸菌和嗜热菌;泉古菌门代表位于系统发育树根部最原始的古     

东营凹陷沙河街组泥页岩中正丙基胆甾烷与异海绵烷的研究:硫循环对有机质富集的影响

中国东部陆相渤海湾盆地东营凹陷古近系沙河街组油页岩中有机质的富集机制一直是研究热点,但关于异养生物及硫循环对有机质富集过程影响的研究较少.通过有机地球化方法对东营凹陷沙河街组第三、四段富有机质烃源岩进行精细研究,认为伴随着明显的水体分层,藻类勃发进一步加剧了底水缺氧的条件,海水带来了丰富的硫酸盐促进了强烈的细菌硫还原(Bacterial Sulfur Reduction,BSR)作用,将这种缺氧条件进一步扩展到水柱上部形成透光层缺氧(Photic Zone Euxinia,PZE),而PZE有利于光合自养绿硫菌的剧烈活动.强烈的BSR作用及间歇性的PZE控制东营凹陷古湖盆中藻类等水生生物的组成,原核细菌及海相金藻类对有机质富集有一定贡献.通过分析海相藻类生物标志物C_(30)24-正丙基胆甾烷和透光层缺氧生物标志物异海绵烷与有机碳丰度的关系,研究认为在相对丰富的外源硫酸盐输入、厌氧异养细菌作用、光能自养细菌作用和透光层缺氧条件下形成的硫循环,对东营古湖盆沙河街组烃源岩有机质的富集起主要控制作用.     

"海底黑烟囱"与生命起源述评

海底黑烟囱及相关生物群体的发现是近20年来全球海洋科学取得的最重要的科学成就之一.在海底黑烟囱周围高温、高压、黑暗、缺氧、含硫等极端环境中,生活着特殊的深海生物群落,它们的初级生产者嗜热细菌和古细菌,在基因组序列上最接近地球上原始的祖先,生活环境也与生命起源时地球上的高温、缺氧环境非常类似.地球历史早期热液系统曾经在地球表面广泛分布,因而嗜热微生物有着广泛的生存空间.通过对生命起源必须具备的物质条件、环境条件、能量条件、安全条件等方面考虑,现代海底黑烟囱周围的水热环境是探索生命起源的理想场所.     

Isolation of an autotrophic ammonia-oxidizing marine archaeon

For years, microbiologists characterized the Archaea as obligate extremophiles that thrive in environments too harsh for other organisms. The limited physiological diversity among cultivated Archaea suggested that these organisms were metabolically constrained to a few environmental niches. For instance, all Crenarchaeota that are currently cultivated are sulphur-metabolizing thermophiles. However, landmark studies using cultivation-independent methods uncovered vast numbers of Crenarchaeota in cold oxic ocean waters. Subsequent molecular surveys demonstrated the ubiquity of these low-temperature Crenarchaeota in aquatic and terrestrial environments. The numerical dominance of marine Crenarchaeota--estimated at 10(28) cells in the world's oceans--suggests that they have a major role in global biogeochemical cycles. Indeed, isotopic analyses of marine crenarchaeal lipids suggest that these planktonic Archaea fix inorganic carbon. Here we report the isolation of a marine crenarchaeote that grows chemolithoautotrophically by aerobically oxidizing ammonia to nitrite--the first observation of nitrification in the Archaea. The autotrophic metabolism of this isolate, and its close phylogenetic relationship to environmental marine crenarchaeal sequences, suggests that nitrifying marine Crenarchaeota may be important to global carbon and nitrogen cycles.     

Morphological and ecological complexity in early eukaryotic ecosystems.

Molecular phylogeny and biogeochemistry indicate that eukaryotes differentiated early in Earth history. Sequence comparisons of small-subunit ribosomal RNA genes suggest a deep evolutionary divergence of Eukarya and Archaea; C27-C29 steranes (derived from sterols synthesized by eukaryotes) and strong depletion of 13C (a biogeochemical signature of methanogenic Archaea) in 2,700 Myr old kerogens independently place a minimum age on this split. Steranes, large spheroidal microfossils, and rare macrofossils of possible eukaryotic origin occur in Palaeoproterozoic rocks. Until now, however, evidence for morphological and taxonomic diversification within the domain has generally been restricted to very late Mesoproterozoic and Neoproterozoic successions. Here we show that the cytoskeletal and ecological prerequisites for eukaryotic diversification were already established in eukaryotic microorganisms fossilized nearly 1,500 Myr ago in shales of the early Mesoproterozoic Roper Group in northern Australia.     

高温高湿环境中喷射混凝土材料配方试验研究

从喷射混凝土原材料研究入手，针对喷射混凝土实际所处的高温高湿环境，采用模拟试验的方法，模拟现场的高温高湿环境，对试块进行养护、试压，最终确定了喷射混凝土的材料配方。为如何研究材料在特殊环境下的性能积累了一定的经验。     

中国河口海岸研究回顾与展望

本文根据笔者亲身从事河口海岸研究，学术领导工作以及在多次国内外学术交流中所产生的心得体会，回顾了我国４０多年来河口海岸研究和开发的历史，总结了成功的经验和失败的教训，并提出了今后发展的方向，取得的进展有：动力、地貌、沉积相结合的研究方法的形成；从静态描述向动态描述进而向数值模拟的转变，海岸带大量基础资料的积累；一大批达于国际水平的研究成果；一支强大的、专业结构合理的科研队伍。今后的研究方向有：洒口     

The cellular machinery of Ferroplasma acidiphilum is iron-protein-dominated

Ferroplasma is a genus of the Archaea, one of the three branches of the tree of life, and belongs to the order Thermoplasmatales (Euryarchaeota), which contains the most acidophilic microbes yet known. Ferroplasma species live in acid mine drainage, acidic pools and environments containing sulphidic ores such as pyrite and characterized by pH values of 0-2 and high concentrations of ferrous iron and other heavy metals. F. acidiphilum strain Y(T) is a chemoautotroph that grows optimally at pH 1.7 and gains energy by oxidizing ferrous iron and carbon by the fixation of carbon dioxide. Here we show that 86% of 189 investigated cellular proteins of F. acidiphilum are iron-metalloproteins. These include proteins with deduced structural, chaperone and catalytic roles, not described as iron-metalloproteins in any other organism so far investigated. The iron atoms in the proteins seem to organize and stabilize their three-dimensional structures, to act as 'iron rivets'. Analysis of proteins of the phylogenetic neighbour Picrophilus torridus and of the habitat neighbour Acidithiobacillus ferrooxidans revealed far fewer and only typical metalloproteins. F. acidiphilum therefore has a currently unique iron-protein-dominated cellular machinery and biochemical phylogeny.     

古菌病毒

古菌病毒的研究起步较晚,但发展很快。近年来,人们已经从热泉等特殊环境分离得到了数十种古菌病毒。来自热泉的古菌病毒表现出了极为独特、多样的形态学和基因组学特征,据此目前已经或正在建议建立7个病毒新科。已知的古菌病毒均属于双链DNA病毒,极端嗜热古菌病毒中绝大多数基因的功能尚不清楚。古菌病毒的研究不仅极大地丰富了人们对自然界病毒多样性的认识,还为探索病毒的起源与进化提供了重要启示。本文对古菌病毒的主要类群及特点作了简单介绍,并进一步探讨了病毒的起源与进化。     

25SCY14－1B型轴向柱塞泵失效机理研究及寿命提高

本文对２５ＳＣＹ１４－１Ｂ型轴向柱塞泵进行了恒定载荷、冲击载荷、高速及高温等四种工况下的可靠性研究，较完整地掌握了该泵的失效机理、失效模式、失效分布，对泵的寿命特性进行了科学评价．在此基础上，针对泵的薄弱环节提出了提高泵可靠性的有效措施，使泵的寿命提高了１．６倍以上．此外，研究工作还确定了加速寿命试验的理论和实践依据，证明了以压力、转速为加速因子的有效性和可行性．     

南海碳的生物地球化学研究进展

简述南海碳的生物地球化学的研究进展,重点介绍国家杰出青年基金课题“南海碳的生物地球化学循环研究-胶体的显著作用”的研究内容,报道了近年来我们在该领域的最新阶段性研究成果。     

Whole-genome based Archaea phylogeny and taxonomy: A composition vector approach

The newly proposed alignment-free and parameter-free composition vector (CVtree) method has been successfully applied to infer phylogenetic relationship of viruses, chloroplasts, bacteria, and fungi from their whole-genome data. In this study we pay special attention to the phylogenetic positions of 56 Archaea genomes among which 7 species have not been listed either in Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology or in Taxonomic Outline of Bacteria and Archaea (TOBA). By inspecting the stable monophyletic br...