谢谢马老师，也感谢科学院微生物所老科协给我机会做这样的一个报告，大家一块讨论一些我们大家会感兴趣的一些话题。

前两天在准备PPT的时候，就在思考，学术沙龙报告的内容应该既不属于科普报告，也不是学术报告，不是工作汇报，不是战略研讨，但以上的方面似乎都应该有所涉及，这是第一次做这样的报告，没有太多的经验，却是有些诚惶诚恐。另外见到这么多老前辈老朋友老同事，觉得这是一个非常难得的机会，与各位在座的在科学研究方面有很多心得体会，做过很多学术研究，并且对科研依然有巨大热情的老前辈、老朋友、老同事一起，汇报我和我的同事在过去25年一直在做的一件事情，并利用这个机会与大家进行探讨，看看下一步怎么能把这个事情继续做好。以下是报告内容：

首先介绍一下背景。我们关注的水圈，包括海洋、湖泊、河流、湿地、热泉、冰川和地下水等等，水圈是地球独有的特色圈层，正是因为水的存在，生命才得以形成和演化；正是依靠水，生物细胞才拥有了赖以生存、繁衍的物质基础。可以说，有水才有地球生命。人类每呼吸两次，就有一次的氧气来自于海洋；人类生命活动及生产活动产生的二氧化碳中的一半被海洋吸收；重要温室作用气体-甲烷的一半多产生于湿地、沼泽和水稻田；海洋也储存着大量固态甲烷；海洋固定的氮占全球自然固氮总量的三分之二；空气中30%的氧化亚氮，也是一种重要的温室效应气体，也是来源于海洋。显然，水圈在全球元素循环中发挥了至关重要的作用。我们知道，这些元素循环，或者物质循环的任何扰动，都会带来严重的生态后果。19世纪工业革命之后，人类活动产生的温室气体，如二氧化碳、氧化亚氮等，排放不断增加，造成全球气候变暖；实际上，从工业革命前的1880年到2012年的130年里，全球气温增加了0.85度；全球变暖造成极端气候频发，海平面上升，又导致生态系统变化的一系列问题，并可能引起生态灾难，因此现在全球气候变暖已经成为人类面临的重大挑战。为了避免全球气候变化引发生态灾难，我国和世界上很多国家一起参与了《巴黎协定》（2015），希望将全球平均气温较工业化前水平上升幅度控制在2摄氏度以内；努力将全球平均气温较工业化前水平上升幅度限制在1.5摄氏度以内。我们国家的双碳战略，也是为了应对这个巨大的合作和目标。

我们再了解一下微生物。微生物无处不在，尽管它由于个体微小大家都看不见，但实际上微生物的生物量是非常巨大的，我们具体看一下水圈，以海洋为例，据估计，在海洋水体和沉积物中微生物的细胞数都达到了10的29次方个，也就是说，海洋里的微生物甚至相对于长期被认为是微生物的主要家园的土壤来说，它们的数量级是一样的。大洋水体中微生物的浓度也许比较低，比如每毫升10的4次方，但是乘以海水的体积，我们可以想象它们的数量之巨大。还有就是病毒，这次疫情大家都知道了病毒这类微生物，地球上的病毒是非常多的，海洋病毒，它的数量比细胞微生物还要高2个数量级，达到10的31次方。实际上，海洋微生物的生物量占包括大型生物的海洋总生物量的98%以上。

举一个例子，2009-2013年曾经实施了一个非常著名的Tara环球大洋考察计划，称之为Tara Ocean，也就是全球大洋微生物盘点，一艘命名为Tara的远洋帆船，在全球68个海洋站位收集了243个样品，获得了7.2Tb的元基因组，也称宏基因组序列信息，从中发现大于4000万个基因，其中大部分为新基因，它们属于35,000多个微生物物种，就这一次考察，加深了大家对水圈或者对海洋微生物丰度和多样性的认识，2015年就同时有5篇文章发表了同一期Science上，后续又不断有文章发表，这些结果表明，水圈微生物的丰度和多样性都是非常巨大的，它们是隐藏的巨人。

尽管水圈中存在大量微生物，但人们对它们的了解却非常少。原因是，这些微生物中的大部分还不能够在人工条件下培养，换句话说，它们不能在人工实验室条件下存活和生长，使得对这些微生物的研究难以展开。我们看看一棵由微生物类群组成的进化树，每个枝杈代表一大类群，现在通过分子生物学的手段，知道地球上存在很多不同的微生物类群，这些枝杈在不断地增加，树枝越来越繁茂。但这些类群中的成员具体做什么至今不清楚，尽管人们可以通过分子生物学和生物信息学推测这些类群的可能功能，但由于无法在实验室把它们培养起来，实际上，我们以前研究微生物都是需要把它们从环境中分离出来，经过培养纯化得到单一的微生物，然后研究它们的特性和功能，但是这样的微生物非常少，绝大部分的微生物都属于未知的或未培养的，这些未能培养的微生物被称为微生物暗物质。据估计，它们居然占据了自然界微生物总数的99%。也就是说，了解比较多的微生物只是微生物世界的冰山一角。而前面所说的水圈的重要作用，本质上是水圈中这些体量最大，代谢最活跃的生物体-微生物，通过多样的代谢活动，改变地球元素价态，促进矿物岩石风化、土壤及矿藏形成，改变大气与海洋的成分，推动地球与生命的共进化，也使水圈成为地球元素循环的重要场所。

我们看看世纪之交几个微生物学上特别重要的发现，说明微生物对地球生态环境的作用和巨大影响。一个例子是DeLong等人在上个世纪末（1999年）的发现，海洋中一种甲烷古菌ANME可与硫酸盐还原细菌(DSS)共代谢，在厌氧条件下将甲烷氧化成二氧化碳，这一厌氧甲烷氧化使海底甲烷的75％转化为碳酸盐沉淀，从而降低海洋温室气体的排放。我们知道，海底有大量的可燃冰，也就是甲烷，如果没有一个过程制约这些甲烷的释放，它的温室效应将给地球带来巨大的影响，因此这一微生物过程的发现，生态意义极为重大。另一个例子是浮霉状菌的发现，也是在上个世纪末，发现有一类叫浮霉状菌的微生物，它们可以在厌氧条件下利用亚硝酸盐作为电子受体，将氨氧化为氮气，这是一个改变教科书的发现，厌氧氨氧化途径的发现导致重新认识和构建新的氮循环, 地球上50%的氮化合物由此途径转化为氮气。这类新型微生物在各海域广泛分布，具有重要的生态功能，并为污水生物脱氮处理提供了新的思路。另外一种新的微生物，我们称之为奇古菌，也称氨氧化古菌，它们在海洋特别是深海中广泛分布且丰度较高的一类古菌，它们可以固定二氧化碳，并将氨氧化为亚硝酸盐，这一发现改变了一百多年来关于氨氧化细菌是地球氨氧化过程主要驱动者的看法。再看看二氧化碳的固定，我们目前关注的双碳战略，碳固定是一个非常重要的过程。大家都知道植物光合作用是通过卡尔文循环进行二氧化碳固定，实际上，微生物不仅可以通过卡尔文循环进行固碳，它们还有其他更多的途径进行固碳，已经公认和确定的微生物固碳途径有6条，目前还有新的微生物固碳途径被发现，因此可以说，微生物是碳固定途径的发明者。这些过程和途径的发现，也为我们认识地球上碳循环极为重要。

尽管在本世纪初，我们已经认识到水圈微生物在地球重要元素循环中发挥重要的驱动作用，但由于大部分的微生物是不能培养的，我们似乎只能将水圈视为一个黑箱，对于黑箱中发生的很多关键问题却所知甚少，包括参与水圈物质循环微生物的群落构成，它们的代谢方式、生态贡献以及环境响应等，也就是说，在水圈微生物的地球生物化学作用方面存在着巨大的知识沟壑。所以我们在差不多20年前，即2002年在昌平举行的微生物资源前期开发国家重点实验室的学术年会，晚上例行PI脑洞大开，提出了一个大的科学问题和研究设想，就是能否针对地球上某类特定的生态系统，开展“典型稳态环境微生物的系统科学研究”。由于当时基因组学已经取得了一定的进展，可以开展微生物基因组分析，因此我们认为这个研究可以不再按照传统步骤把微生物培养后再一个一个研究，而是把一个特定生境中的所有微生物看作一个单一的生命单元，用元基因组（现在也叫宏基因组，metagenome）表述该生命单元的遗传容量和代谢能力，即将一个环境作为一个整体，采用环境基因组学方法，研究这个整体系统中所有基因、所有代谢途径和通路以及它们的网络调控，从而在物种和基因水平上揭示特定环境中微生物之间与环境的互作网络，形成对微生物在自然界物质转化过程中作用的全新认识。

时间很快过了将近10年，2011年的夏天我们请了几位志同道合的老师到所里开了一个小型研讨会，把2002年的想法拿出来进行研讨和完善，策划是否可以形成基金委重大研究计划。2011年我们明确是做“微生物组”计划，希望能够了解典型生态环境中微生物组在地球生物化学循环中的作用，这个比之前的典型稳态系统是有进步的，即可以是一些并非稳态的生境，而且第一次明确提出“微生物组”，也就是说，选择典型生态环境，阐明地球微生物家底、代谢多样性概貌、与地球共进化及在地球生物化学循环中的作用，这是当时确定的总体研究目标。随后2012年我们召开了“双清论坛”，会上确定了重大研究计划涉及的基本理念和思想。当时参会的老师都在这张照片上。两天会议时间做了很多报告，整理出很多思想，而后产生了一个具体的申请报告，并开始了一次一次的申请和一次一次的失败，最后到了2016年，这个项目终于获得了立项，项目的名称为“水圈微生物驱动地球元素循环的机制”，简称水圈微生物计划。前面提及的地球微生物计划变成了水圈的一个重要原因是，国家自然科学基金委认为目标需要聚焦和凝练，经费所限只能先集中做水圈；另外，最早提出的元素循环是碳氮硫磷，也改为了“碳氮硫”3个元素。幸运的是，科学院在差不多同一时间启动了另外一个涉及陆地微生物的研究计划，即土壤微生物计划，两个计划的参与者就是早期一起研讨地球微生物计划的老师，原来的设想分为水圈和陆地两个部分分别开展。

 水圈微生物计划在国家自然科学基金委成为一个生命科学和地球科学交叉的重大研究计划。这个计划最大的特点之一，是实质性的全面学科交叉，到目前为止，参加水圈微生物计划的人员中，60%为生命科学，40%为地球科学，可见这是真正的学科融合。这个计划要回答的科学问题，凝练成一句话就是“典型水圈生境碳氮硫元素循环的微生物驱动机制”，分解为三个具体问题，第一个，参与元素循环的水圈微生物群落形成及其与环境互作的机理，就是哪些微生物在做，我们简称为“谁在做”；第二个，水圈微生物物质与能量转换和代谢的新途径及新调控机制，就是“怎么做”这件事情，回答机制的问题；第三个，水圈微生物参与碳氮硫元素生物地球化学循环的宏观机制与生态效应，实际上就是“做多少”，生态上它们有多少贡献。选择研究的环境，我们希望是有代表性的，典型的，也就是大洋、近岸河口、湿地（包括河流和湖泊）以及特殊的水生环境（热泉冰川）等4大类生境。

简单介绍一下这个项目执行到现在获得的一些比较有意思的发现。回答“谁在做”方面，也就是我们需要看看都有哪些微生物，项目从2016年立项到中期考核的时候，就已经从深海热液、冷泉、海沟、河口、极地、盐碱湖、热泉等水圈生境中，获得各种功能微生物菌株28,000多株，鉴定新类群384个，包括16个新目和19个新科。举一个有意思的例子，大约10年前，微生物学有一个非常重要的发现，就是位于北冰洋洋中脊3,000多米深的一个热液喷口的样品中，通过元基因组测序分析，发现了一组新的微生物，因为发现地位于北欧的洛基古城附近，因此命名为“洛基古菌Lokiarchaeota”，这是一类新的古菌，它们基因组中存在大部分真核生物特征蛋白的编码基因，也就是说它们在进化上可能与真核生物更密切；2019年，日本人真正分离到了这类序列所代表的菌株，命名为阿斯加德古菌，它们被认为是真核生物的原核祖先。我们有老师在水圈微生物计划支持下，发现了很多阿斯加德古菌的新类群，15个阿斯加德古菌类群中10个是我们水圈计划支持下发现和命名的，这些发现，拓展了我们对古菌代谢潜能和演化的认识，也就是说了解了更多“谁在做”的问题。在“怎么做”方面，我们特别希望知道微生物有一些什么新过程、新途径和新机制。在水圈计划支持的研究中，就有这样一个非常有意思的发现，发现了一种新的降解长链烷烃产甲烷的古菌。在这之前大家都知道甲烷的产生只能利用简单的二碳以下有机物进行，主要是三种营养型，即二氧化碳和氢营养型，甲基营养型和乙酸营养型，新的发现增加了一种新的甲烷产生营养型，即长链烷烃营养型，这个发现对于认识和应用石油层天然气具有重要意义。在能量利用方面，我们的科学家发现矿物，特别是半导体矿物，在光照之后，日光激发产生光电子，这些光电子可被微生物利用，把光能转化为化学能，这是微生物一种新的能量代谢途径，利用矿物产生的光电子进行生长。后来发现在热泉水体表层含硫的矿物，可以选择性地吸收紫外光产生高能量的光电子，还原大气中的二氧化碳形成甲酸，帮助热泉微生物生长。这些都是能量代谢方面的新发现。对于“做多少”，通过南海和西太平洋现场原位速率及动力学观测和实验模拟，确认两步硝化过程支撑了海洋微生物黑暗固碳，进而量化了其对深海生物圈及全球海洋碳循环的贡献，也就是说，在深海黑暗条件下每年固定的二氧化碳的量是可以推算出来的；另一个有意思的氮循环相关的发现是，全球气候变暖导致的温度升高，会促进反硝化、抑制厌氧氨氧化，从而产生更多的温室效应气体氧化亚氮，进一步促进了增温，也就是说，从氮循环的角度看，气候变暖对氧化亚氮排放具有正反馈作用。另外一个发现，是我国沿海地区的高营养盐输入，利于微生物呼吸，微生物碳泵效率下降，减少惰性有机碳生成，造成海洋缺氧酸化等生态环境问题，因此提出“降低陆源输入，增加海洋碳汇”的政策方案；另一方面，如果仅从海-气通量看，中国海的表面是二氧化碳的净排放，但是考虑到微生物碳泵的调控作用，中国近海向临近大洋输出了大量的惰性有机碳，因此它实际上是一个碳汇区而不是碳源区，这就为维护我国碳减排权益提供了重要支持。

水圈微生物计划的实施加强了我们在相关方面研究能力的提升。在技术方面的创新，产生了一系列新设备的发明研制和应用，研究方法也取得很多突破。另外一个非常重要的方面，就是在研究过程中产生的大量的数据，目前上海有一个叫“NODE”的数据汇交平台，项目中期时汇聚了15T以上的数据，目前已经超过100T了。相关的研究正在加紧进行，我们上海交大的课题组正在通过大团队协作，对马里亚纳海沟开展工程化研究，产生了极大量的数据（100T以上）。他们的研究结果目前撰写文章，估计很快会以Cell专刊的形式发表。当然很重要的一点，就是在这个过程中我们培养了很多的人才，形成了一个很大的团队。在本研究计划主要参与者的推动下，中国微生物学会于2018年组建了“地质微生物学专业委员会” 。该专委会成立后规模不断扩大，里面的学者有生物学家，有地质学家，这两个完全不同领域的学者在一起探讨交流，是非常不容易的。2021年举办的地质微生物学年度交流会吸引了多达167个单位共600余名学者参加，会上约三分之二的报告来自本研究计划支持的工作。

现在最想讲的是最后这一部分，思考与展望。我们水圈微生物的研究目前处于一个什么状态？应该怎么考虑下一步的工作，特别希望能够听到大家的建议和意见。首先我们说一下现在我们还存在的一些挑战，前面介绍了很多获得的成果取得的进展，但是这些成果中，开辟或者颠覆领域的突破依然是非常少的；其次是学科交叉和融合依然不够，特别是深层次的融合不多；还有一个很大的问题，也是中国科研的老问题，就是资源共享，实际上没有资源和数据的共享，很难把一个全球性的项目或者一个宏大的项目真正做到高水平。另外，数据的规范依然是欠缺的，不同的人不同的团队产生的数据之间难以整合。解决的方案，只能是通过国家大型研究计划的支持。

下面是自己的一些思考，因为大概8月份要开真正的战略研讨会，希望能对后续规划提前有一些想法，包括与前期水圈重大研究计划的内容上、关注点上应该有哪些考虑和调整。在大数据的时代，我们需要利用大数据构建大模型，希望通过“微生物地球计划”的实施，即了解更多的新物种新机制、典型生境物质能量转换的过程，结合大数据，最终建立“地球生态系统”大模型，这个模型，能够帮助我们理解地球生态系统，帮助预测这个系统可能发生的变化，最终希望能够通过合成生物学，合成微生物学等实现干预这个系统或者其中某个具体的生态环境，包括对接国家的双碳战略。这未来的研究中，除了更多地关注难以企及生境的考察及取样、未培养微生物的培养、代谢通量与环境应答、数据规范收集与共享等，还有一个最重要的就是人工智能。可以说到目前为止，我们的研究是生命科学和地球科学交叉的研究，而将来需要有第三个学科，就是人工智能的加入来完成这个事情。

我们看看国外的同行们在想什么？比如美国科学院，最近几年连续发表了两个报告，都是涉及微生物和全球气候变化的。2021年，发表的《微生物与气候变化----科学、人类及影响》。报告提出了四点研究建议：一是强化交叉研究，这和我们想法是一样的，能够认识微生物活动和代谢流对全球气候、降水和温度变化的响应；二是要规范微生物群落结构研究的实验设计与数据收集，以方便全球不同生境数据的比较，这也是我们现在遇到的问题，目的是能够方便不同数据的比较；三将现有关于产生/消耗温室气体的微生物活动的数据与地球气候模型整合，完善模型表现；四是制定评估新发明的科学标准，以便评估新发明的科学和社会影响，也就是国外科学家每次要讨论的伦理学，社会影响等。2022年，美国微生物科学院又有出了一个报告《模型中的微生物：整合微生物于地球系统模型，以便理解气候变化》。这个报告中提出了一些问题，非常专业。首先一个问题是，微生物在未来气候预测中是不是真的重要？这个是一个颠覆性的问题。我们前面一直提到微生物的重要性，认为它们对地球的生态系统影响很大，那微生物对于未来预测气候变化真的是那么重要吗？其实有人并不这么认为，已有的证据是否能够支持这种观点，这个是很重要的。第二点也是特别有意思，叫“tradeoffs”，就是微生物参数的引入，增加了模型的复杂性，那么增加这个复杂性带来的好处跟坏处相比，谁多谁少？这其实也是一个需要讨论的问题。第三个需要把微生物做为功能群来考虑，而不是针对单独的或者某一类属种的微生物，而是哪一个功能类型微生物。第四个要考虑到微生物的进化，这个一是快速变化的过程，比如温度升高，微生物也在进化，因此不能静态的考虑，需要考虑微生物的演化；第五个，需要考虑空间尺度，微生物的尺度和地球的尺度相差27次方，所以需要考虑尺度的区别；然后是时间的尺度，微生物实际上是一个动态的过程；还有一个很重要，就是陆地微生物和水的微生物，跟我们土壤和水圈微生物类似，国外也是分开研究的，有陆地（土壤）和水（圈）两个模型，因此认为这两个模型的结合，以及两个模型的界面（interface）是非常重要的；另外，还需要有正确的信息，这个很有意思，确定哪些数据应该参与到模型构建中是非常重要的，我们发现的大量生物学现象，比如碳固定的多条途径，哪些途径需要考虑到模型中，哪些途径如果放到模型中反而会得不偿失，都是需要考虑的问题；最后是数据的协调性，数据需要在同样的规范下完成，它们之间才具有可比性。

整体看，我个人觉得报告非常的专业，值得我们好好研究，另外感觉到这个报告有建立模型的人的参与，因此想到我们的水圈微生物计划中到目前为止，做模型的人员实在太少，而后续的研究，没有模型似乎是无法完成的。但是“模型”是我完全不熟悉的领域，好在最近机器学习和模型构建已经成为热门话题，这是一个比较容易理解的模式，在这个模式中，有需要输入的数据，有算法，有模型，我们感兴趣和关注的是，这个模式中需要哪些生物学的数据。从这个模式中可以看出，需要的有组学数据（基因组、转录组、多样性等）和元数据（表型数据、环境参数等），在这个模式图中，对我一个巨大的刺激是，“机制”去哪儿了？！所以我一直在跟我的同事们说，我们前期一直在做的事情，最关键的关键词是机制，是我们研究的“魂”，而在现在这个图中，没有机制，需要的都是表观数据，就可以完成了。所以在此想向各位请教的是，虽然我们知道机制其实还是很重要的，但是在机器学习和模型构建的流程图里面，我们看不到在哪里需要“机制”的研究。

最后我们用一张图来阐明我们整个研究思路，即环境化学、微生物群落结构、物种组成、代谢活性的不断研究，形成了生态系统模型，这个模型主要是靠基因组驱动；在20年后，我们是否可以对这个模型做一些改动呢？今天看来，改动只有一点点，就是将基因组驱动“GENOME-ENABLED”改为大数据驱动“BIGDATA-ENABLED”，其他工作20年没有太大变化，而将基因组驱动改变为大数据驱动，是我们今天在座的各位一起来做这个改变。

谢谢大家！

马树恒：黄力研究员做了一个非常精彩的报告，从水圈及水圈微生物在全球元素循环中的贡献和作用，对水圈微生物驱动元素循环过程和机制认知上目前依然存在的知识沟壑，到相关大科学计划设想的提出、完善，以及国家自然科学基金委重大研究计划的立项、实施等方面，介绍了我国近20年在开展“水圈微生物驱动地球元素循环机制”研究所进行的探索以及取得的成果，提出目前面临的新挑战和新思考。我体会到这个重大项目除了在新基因、新功能、新机制和新途径的发现上做出了贡献外，还组织了一个交叉科学的研究团队，这个很重要，研究团队的建设为我们国家的科学研究奠定了很好的人才基础。黄力研究员提出的新挑战和新思考，我们留待后面专家们认真讨论。再次感谢黄所长的报告。接着请中国地质大学董海良教授为我们做特邀报告，报告题目是“碳氮硫循环相关的金属酶矿物起源和演化”。

首先感谢马老师的主持和学术沙龙的邀请。虽然海洋涉足不多，但跟黄力老师一起互相学习，并作为专家组成员参与了水圈微生物重大研究计划。黄力老师是从微生物向地球靠拢，而我们是从地球向微生物靠拢，我们互相学习。我今天报告的题目是“碳氮硫循环相关的金属酶矿物起源和演化”，是延续前面黄力老师的“微生物的碳氮硫元素循环”的话题，主要涉及的是元素循环的微生物机制，特别是微生物执行元素循环功能时需要的金属酶的起源和演化过程。以下是报告内容：

我们首先了解一下矿物和微生物的关系。在水体和陆地环境中，都发现存在很多固体矿物，所以在水圈环境中，微生物除了跟水存在相互作用之外，还跟很多固体矿物存在相互作用：矿物为微生物提供了能量和物质，在微生物看来，矿物岩石就类似它们的食物一样，通过摄取环境中的岩石矿物得以生长繁殖和代谢。因此矿物与微生物之间的相互作用非常重要。具体而言，一方面，矿物可以为微生物提供物理和化学的保护。比如太空中有很强的紫外，如果有矿物进行保护的话，微生物就会生存得非常好；矿物还可以起到化学保护作用，在极端酸性或者碱性或者高温等环境中如果有矿物，微生物就可以生存，例如在极端的酸性环境，有些碳酸盐矿物可以对酸性环境起缓冲作用。另一方面，矿物还可以给微生物提供主要元素和微量元素。在我们培养微生物的培养基里，我们需要加入各种无机盐和微量金属元素，金属元素对于酶的功能非常关键，如果没有这些微量金属元素，金属酶是没有活性的，生物化学反应就没有办法发生的。此外，很多的矿物，特别是变价的金属元素，如含锰的矿物，锰是有二价、三价、四价甚至更高价态，它在进行价态转换的时候提供或者是吸收电子，在这个过程中可以释放能量被微生物所利用。不同功能的微生物，通过矿物，如半导体矿物提供的能量进行代谢，从而实现生长。我们总结了微生物与矿物相互作用的两种方式，一是微生物利用矿物，二是微生物可以形成矿物。也就是说，微生物与矿物的互作不是被动的，它可以对矿物起很强的反馈作用。有些微生物可以通过基因表达调控在细胞内形成结构非常均一的矿物，如纳米的磁铁矿，碳酸盐矿物（如碳酸钙、碳酸镁）等等。这些微生物形成的矿物在材料合成方面有很好的应用，因为它的结构非常均匀，矿物成分纯度很高；还有另外一些微生物，它们在胞外进行代谢形成矿物，这是一种无意识的行为，微生物通过代谢活动改变了周围的环境，形成了一系列种类更多的矿物。这种通过胞外作用形成的矿物，没有生物标志性，而在胞内形成的特定矿物则可以作为生物标志性物质，用来推断极端环境的历史，特别是类似早期地球，生命个体本身已经没有了，但是这些矿物可以类似指纹一样存留下来，使我们可以推测当时环境条件下的微生物曾经生活过。

让我们看看这几张电镜照片。

第一张照片中的细菌是趋磁细菌，它的体内能够合成磁铁矿。我们看到在它的细胞内呈现出几十个到几百个纳米颗粒的磁铁矿（Fe3O4）。趋磁细菌在胞内形成这种矿物后，会加速利用地球的磁场。此外，还有一类蓝细菌，它在胞内可以合成很多的碳酸盐矿物，类似我们的核潜艇，如果需要下沉到特定水深的时候，它的细胞内部就合成这种碳酸盐矿物，加大细胞的密度和比重，使它可以沉降到一定的深度；当它需要上浮时，把碳酸盐矿物中的碳利用和分解，使重量降低就可以上浮起来。还有一个例子，就是我们土壤中的粘土矿物，比如伊利石转化，可以作为地质温度计，我们用这些矿物的反应去推测地球的温度，特别是古老时代的地质温度，温度可在矿物中留下记录。但是微生物出现以后，矿物的反应中会因为微生物的掺杂而导致地质温度计不准了。比如白云石，很多油气储存在白云石中，这是一类很简单的碳酸盐矿物，化学分子式是CaMg(CO3)2。从化学的角度看，白云石在钙镁和碳酸盐过饱和的条件下是可以形成的，但是发现没有微生物的存在时，四十年都没法将白云石沉淀下来，如天然海水中理论上钙镁离子和碳酸根离子都达到过饱和的状态，但确实无法自然形成白云石，而有了微生物介入，两个星期就可以沉淀下来了。

矿物为微生物提供能量和物质，微生物利用这些物质进行代谢，代谢过程产生很多酶，最后产生温室气体排放或者吸收等，与此同时在地质记录中留下它们特定的指纹。所以我们不光研究现代过程中微生物的代谢，我们还有办法去研究古代的时候，几亿年甚至几十亿年以前这些微生物干了些什么，对当时的温室气体的排放发挥了什么作用。这样的话， 我们还能对将来地球的继续演化，比如温度继续升高的话，这个地球向何处去进行预测。再比如，对火星进行行星之间的对比，也有非常好的启示，虽然目前火星没有活的微生物，但我们通过早期地球微生物的一些记录，可以研究未来火星是否是可宜居的，或者哪些环境宜居，都是可以预测的。

前面是背景介绍，接下来我们介绍碳氮硫三个代表性元素的循环在微生物-矿物之间发生什么作用。温室效应气体有二氧化碳和甲烷，地质研究者们也关心在地球早期时候，温室效应气体的形态。有人重建了大气中甲烷浓度的变化，由图可见，现在的温室效应气体相比于地球早期而言是微不足道的。在40亿-35亿年以前，甲烷的温室效应是非常强的。尽管早期地球接收到光能很低，但当时地球的温度却比现在要高，原因是当时温室气体的浓度非常高。但在23亿年左右，甲烷气体浓度突然降低了很多。这是由于空气中的氧气突然增加，与大气中的甲烷快速反应所导致的。此时的大氧化事件， 从以前没有氧气到氧气浓度升高到现在的1%左右（第二次大氧化事件使上升到现在的21%左右），这个时期氧气浓度升高，跟甲烷浓度的降低可能是有关系的。大家知道自然界中甲烷绝大部分是生物成因的，那么这个时期甲烷浓度为什么会降低呢？这跟地壳从深度来的一些岩浆岩石的成分有关系，因为产甲烷菌需要一个特殊的元素镍，这个镍是甲烷合成酶的必要和关键元素。如果在这个时期，镍元素的丰度降低很多的话，就会抑制生物产甲烷的过程，导致了氧气浓度的升高。所以从地学上说，这些温室气体跟地球深部相耦连，包括我们现在的温室气体，气候变化也要考虑到地球深部的这些过程。

这引申到甲烷的循环。甲烷循环有甲烷的产生和甲烷的氧化。目前绝大部分甲烷的产生是由生物产生，也有一部分是火山喷发释放；甲烷氧化同样也由微生物完成。有氧气存在的条件下可以用氧气氧化甲烷，没有氧气的条件下可以用三价铁、四价锰、硫酸根氧化甲烷，反应看起来非常简单，但是执行起来非常困难。因为二氧化碳和氢气生成甲烷的过程需要酶，这类酶需要铁和镍作为活性因子（co-factor），如果镍在地球上的丰度非常低的时候，就会限制产甲烷过程，甲烷的产量就会受到影响。甲烷氧化是好氧过程，需要铜作为氧化酶的活性因子。如果没有铜的话，甲烷氧化的过程也会受到影响。

我们考虑整个地球的45亿年历史来看，在很长时间镍是受限制的，也就是说水体里面的镍浓度很低，但是岩石里边的有镍。所以我们做了一些室内模拟实验，观察产甲烷菌是不是能“吃”岩石中的铁镍锌钴等元素。我们在配制培养基时候使用的是金属盐，它们都是可溶性的，对于微生物而言非常容易利用，而自然条件下，微生物吃的可能不是这些可溶性的微量元素，而更多地是岩石中的微量元素。所以在室内的模拟实验中我们采用不同的岩石的形态来表示不同的地质时代，早期地球的岩石选择铁、镍、锌、铜、钼元素浓度高一些的，晚期的时候（地球历史上的晚期），岩石中的这些元素浓度比较低一些，相对的硅、铝等元素的浓度比较高一些，三种岩石代表的是不同地质时代演化的顺序，从高的铁和镍演化到低的铁和镍。通过这些曲线发现，只要给产甲烷菌提供足量的岩石，菌体完全可以利用岩石中的铁和镍以及其他的营养元素进行生长，并产甲烷。微生物细胞可以分泌一些载体或有机物摄取岩石中的金属元素后直接进入到细胞，在这个过程中金属元素在液体里残留是非常少的，但是我们可以看到微量元素进入细胞后产生的酶的表达情况。比如产甲烷过程，从二氧化碳和氢产甲烷或者从乙酸产甲烷，或其他不同途径产甲烷，其每一步都需要特定的功能基因，每一个功能基因都需要特定的微量金属元素。

在我们的岩石实验体系中，铁镍钴锌等元素的获取和转运的相关蛋白，基因的表达量是非常多的，表现出上调。通过一系列的关键的转运蛋白的上调表达，微生物能够从岩石中摄取这些微量金属元素。有科学家认为，镍在海洋中的浓度比较低，即从地球下边喷上来的岩浆的镍浓度低，故而海水中的镍浓度低，导致甲烷的浓度也低。但我们发现事实并非全是如此，因为有些岩石的镍虽然不高，但是仍可以供微生物利用。

接下来要讲的是氮循环，我们重点说一下氮的固定。氮的固定是很简单的一个反应：N2+6e-+6H+=2NH3，所有的氨基酸、蛋白以及生物的生长中这一步是限速的步骤。空气中有很多的氮气，但是第一步氮气没有办法合成氨氮的话，整个氮循环无从谈起。在这个过程中N2的三键非常的稳定，打断这个键需要一个酶去催化，这个酶叫做固氮酶。固氮酶的活性中心是铁钼钒三个微量金属元素控制活性。

早期地球环境中没有像实验室培养基成分中那么多钼酸盐的物质存在，但是地球上有很多的固体矿物，比如辉钼矿这种矿物的形式存在，那微生物是否能够直接从固体矿物中获取钼进行氮的固定呢？

这是生物化学上表示的三种类型的固氮酶，有钼存在的时候还是需要一个铁，铁元素是这三种固氮酶中都需要的，三种固氮酶包括Fe-Mo固氮酶、Fe-Fe固氮酶和Fe-V固氮酶。这三种固氮酶需要的ATP的个数（能量）是不一样的。钼固氮酶需要的能量最低，所以说如果有钼存在的时候，优先利用钼固氮酶进行固氮，没有钼的时候，可以用钒和铁固氮。很多的微生物的固氮酶中这三种情况都有，也就是说给它们多一点的选择，有钼的时候效率高点，没有钼的时候效率低点，就是把氮气固定成氨氮。

非常有趣的是，从岩石的同位素（岩石中的氨氮）的记录发现，如果固氮菌利用不同的固氮途径合成氨氮的15N的同位素是不一样的，这样就可以检测氨氮中15N的同位素，反推地球早期用的是何种固氮途径。发现用钼为活性中心的固氮酶，15N同位素的分馏是没有的，基本为0，而早期地球（25亿年到40亿年前），15N同位素基本上是没有分馏的，也就是说早期的时候，固氮酶中的微量金属元素主要是以Fe-Mo为主，到后期才变成了利用Fe-V或Fe-Fe。与此同时，利用分子钟手段将蛋白序列进行比对，结果同样表明早期地球固氮酶中的微量金属元素以Fe-Mo为基础。但有意思的是，早期（太古代，几十亿年以前）的海洋钼浓度（< 10-9M）是可以忽略不计的，而这一段时间内，微生物恰恰是用Fe-Mo的固氮酶来进行工作，那么，为什么没有Mo还能用Fe-Mo的固氮酶进行固氮呢？这是一个谜！

我们进行了室内的模拟实验，用辉钼矿来作为钼的来源，辉钼矿里面我们看到它由一个钼两个硫组成，从现在的好氧微生物一直往前推到很古老的产甲烷菌，看微生物是否能够从固体的矿物岩石中获取钼元素进行固氮。我们假设阳性对照（直接利用培养基中提供溶解态的钼盐）利用钼酸盐的效率是100%的话，利用辉钼矿固氮的效率只有10%或者3%。虽然效率很低，但是地球的演化历史时间很长，可以有35亿年来进行这个反应。那微生物如何从矿物中获取这些金属微量元素呢？这是由于微生物代谢产生一些称之为金属载体，包括钼载体、铁载体等有机化合物，这些有机物上有一些特殊金属螯合位点，能够进入到矿物内摄取矿物中的金属元素，合成其固氮酶。为了验证这个观点，我们做了透析袋隔开菌和矿物的实验，证实确实是影响了它的固氮效率。除此之外，还做了一些基因表达的工作和矿物微生物之间的相互作用，通过电镜发现微生物紧密贴附在矿物的表面，甚至将细胞嵌入矿物内部，这是由于固体矿物为微生物的生长提供了必需的营养成分。

这一结果证明，微生物完全可以从固体矿物中获取这些微量金属元素，与此同时矿物的结构也发生变化。

由于时间关系，硫循环我们可以讨论时候再说。

总之，水圈微生物需要合成金属酶才能调控碳氮硫元素循环，而这些酶需要过渡金属元素才具有活性，微生物催化的反应速率往往受限于过渡金属的多少。传统的微生物培养基往往添加足量的可溶性金属离子，但是天然环境中金属往往以固体矿物或者吸附态的形式存在；在古海洋环境，大多数金属也是固定在矿物结构，可溶性金属离子的浓度非常低。因此我们认为，微生物有可能从矿物结构中获取金属元素，合成相关的各种金属酶，但是具体的机制和能力尚不清楚。

谢谢大家！