李婧婧，楊 歡，鄭峰峰，高 超，雷麗丹

(1：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008) (2：中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室流域關(guān)鍵帶演化湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074) (3：南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系深圳古菌組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518055) (4：西南大學(xué)巖溶環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715)

來源于微生物細(xì)胞膜脂的甘油二烷基甘油四醚(glycerol dialkyl glycerol tetraethers，GDGTs)，是一類對環(huán)境參數(shù)響應(yīng)敏感的化合物，特別是溫度以及pH值，因此成為近年來古環(huán)境定量重建研究的熱點(diǎn)之一[1]. 根據(jù)生物來源、碳鏈結(jié)構(gòu)以及立體構(gòu)型等差異，GDGTs主要分為兩種類型，一類是來源于古菌的類異戊二烯GDGTs(isoprenoid GDGTs，簡稱isoGDGTs)，其碳骨架以類異戊二烯(—C5H12)為單元，并攜帶不同個數(shù)的五元環(huán)和六元環(huán)，甘油構(gòu)型為2，3-二-O-?；?sn-甘油結(jié)構(gòu)(圖1)；另一類則是由細(xì)菌合成的支鏈GDGTs(branched GDGTs，簡稱brGDGTs)，碳骨架由攜帶不同個數(shù)甲基(—CH3)的C28烷基鏈組成，攜帶0 ～ 2個五元環(huán)，甘油構(gòu)型為1，2-二-O-?；?sn-甘油結(jié)構(gòu)(圖1)[2]. 近10年來，隨著測試技術(shù)和分離手段的逐步優(yōu)化，有別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的四醚類化合物也被陸續(xù)鑒定，包括碳鏈上攜帶不同個數(shù)羥基(—OH)以及五元環(huán)的羥基GDGTs(hydroxy GDGTs，簡稱OH-GDGTs)[3](圖1)、兩條碳鏈以一個共價鍵聯(lián)接的甘油單烷基甘油四醚化合物(glycerol monoalkyl glycerol tetraethers，簡稱 GMGT，因結(jié)構(gòu)形似H，也稱H-GDGTs)[4-5]. 此外，isoGDGTs以及brGDGTs的異構(gòu)體(isomers)也被有效分離[6-7]，近年來對不同生境這些化合物的生物來源及其所蘊(yùn)含環(huán)境信息的研究，已為古環(huán)境變遷以及定量重建研究提供了新基礎(chǔ)與新方法[8-10].

圖1 文中涉及的類異戊二烯isoGDGTs、羥基OH-GDGTs與支鏈brGDGTs的化學(xué)結(jié)構(gòu) (其中isoGDGTs以及OH-GDGTs的阿拉伯?dāng)?shù)字指示五元環(huán)個數(shù)；brGDGTs的羅馬數(shù)字指示甲基個數(shù)， 字母指示五元環(huán)個數(shù)，化合物攜帶“′”符號則指示6-甲基brGDGTs，即甲基位于碳鏈的α和/或ω-6位置)Fig.1 Chemical structure of isoprenoid GDGTs, hydroxy GDGTs and branched GDGTs discussed in this text (For isoGDGTs and OH-GDGTs, arabic numbers indicate the cyclopentane rings. For brGDGTs, roman numbers indicate tetra-(Ⅰ), penta-(Ⅱ), and hexamethylated (Ⅲ) brGDGTs, letters indicate the absence (a), presence of one (b), and two (c) cyclopentane rings, while the prime symbols indicate 6-methyl brGDGT isomers in which the additional methyl groups occur at the α and/or ω-6 position instead of α and/or ω-5 position of 5-methyl brGDGTs)

GDGTs與環(huán)境參數(shù)之間的定量關(guān)系也被逐步挖掘，其中被廣泛用于古環(huán)境定量重建的GDGTs指標(biāo)主要有兩種，分別是TEX86與MBT/CBT指標(biāo)[11]. TEX86(tetraether index of 86 carbon atoms)指標(biāo)首先構(gòu)建于海洋環(huán)境，研究顯示海洋表層沉積物中isoGDGTs碳鏈上五元環(huán)的環(huán)化程度與海水表層溫度(sea surface temperature，SST)之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系[12]，其生理學(xué)基礎(chǔ)是這些isoGDGTs來源于海洋奇古菌Thaumarchaeota 1.1a，可以通過改變自身環(huán)化程度以適應(yīng)環(huán)境溫度變化[13]. MBT/CBT指標(biāo)(methylation index/cyclisation ratio of branched tetraethers)則是根據(jù)土壤細(xì)菌合成的brGDGTs，其甲基化和環(huán)化程度有效指示大氣年均氣溫(annual mean air temperature，MAT)以及pH值的變化[14]. 與海洋和土壤相比，湖泊在物理(大小、深淺、流域形態(tài))和化學(xué)(溫度、鹽度、pH值、氧濃度以及營養(yǎng)鹽濃度)等特征上呈現(xiàn)多樣性的特點(diǎn)，然而即使在極端湖泊，如高鹽[15]、富/寡營養(yǎng)[16]湖泊等也能檢測到GDGTs的分布，這為湖泊環(huán)境開展GDGTs研究提供了重要前提. 事實(shí)上，將上述基于海洋與土壤環(huán)境構(gòu)建的TEX86、MBT/CBT指標(biāo)應(yīng)用到湖泊環(huán)境，在一定程度上也能定量重建湖泊溫度和pH值的變化[17-19]. 然而隨著研究工作的逐步推進(jìn)，這些指標(biāo)在湖泊環(huán)境的應(yīng)用也面臨著挑戰(zhàn)和不確定性，因?yàn)楹闯练e物合成有別于土壤的GDGTs[15, 20-21]，因此將基于土壤環(huán)境建立的MBT/CBT指標(biāo)生搬硬套于湖泊環(huán)境，必然會造成恢復(fù)的溫度或者pH值與實(shí)測值之間的誤差，故后續(xù)根據(jù)湖泊環(huán)境brGDGTs分布特征而建立MBT/CBT指標(biāo)[22-23]，以及選取湖泊brGDGTs中對環(huán)境響應(yīng)最敏感的組分構(gòu)建逐步回歸方程[24-26]，以此進(jìn)一步優(yōu)化GDGTs在湖泊古環(huán)境定量重建的準(zhǔn)確性.

然而越來越多的研究顯示，湖泊水體也會貢獻(xiàn)GDGTs，并且由于不同湖泊物理、化學(xué)以及生物屬性的差異，不同湖泊水體合成的GDGTs存在差異，以及在同一湖泊水體不同層位的GDGTs也存在差異性分布[27]，表明水體中GDGTs分布的多樣性，這是在以往研究中經(jīng)常被忽略的部分. 例如水體中混入產(chǎn)甲烷古菌與甲烷氧化古菌的影響[28-29]，則勢必會貢獻(xiàn)與對溫度響應(yīng)敏感的奇古菌Thaumarchaeota 1.1a類似的isoGDGTs分布模式[13]，而這些不同來源的GDGTs對溫度響應(yīng)存在差異，因此如果在利用GDGTs進(jìn)行古環(huán)境定量重建時，對這些不同古菌來源isoGDGTs進(jìn)行無差別計(jì)算，不僅會引起重建溫度的偏差，更是忽略湖泊水體中生物地球化學(xué)過程的研究. 因此即使利用上述基于湖泊沉積物構(gòu)建的GDGTs相關(guān)指標(biāo)來重建環(huán)境變遷信息時，也往往會帶來誤差. 事實(shí)上湖泊水體普遍合成GDGTs，這些化合物的生物來源以及對環(huán)境響應(yīng)如何，是否有別于土壤或者湖泊沉積物中的GDGTs還需進(jìn)一步挖掘，鑒于其普遍性以及對湖泊沉積物GDGTs的重要貢獻(xiàn)，非常有必要開展湖泊水體GDGTs的現(xiàn)代過程研究.

與2000年就在全球范圍開展的湖泊沉積物GDGTs調(diào)查工作相比[30]，湖泊水體GDGTs的研究工作始于2009年[28]，起步較晚且相對分散，涉及歐洲、非洲、北美以及中國等地區(qū)的湖泊(圖2，3)，主要通過獲取水體懸浮顆粒物(suspended particulate matter，SPM)的方式來富集GDGTs[28]，或者借助沉積物捕獲器(sediment trap)手段來富集水體中的沉降顆粒(settling particles)以獲取不同時間分辨率的GDGTs樣品[27](表1). 借助這兩種富集方式已在不同類型湖泊開展水體GDGTs研究，包括深/淺水湖泊、富營養(yǎng)/寡營養(yǎng)湖泊以及水深相對較淺的池塘(Pond)等. 就目前研究現(xiàn)狀來看，湖泊水體GDGTs研究的關(guān)鍵問題包括以下幾個方面：首先水體GDGTs分布特征如何，對于深水湖泊不同層位的水體，其GDGTs分布是否存在深度差異，如果存在，控制因子是什么；其次，湖泊水體GDGTs分布是否存在時間差異，其分布有無季節(jié)性效應(yīng). 基于以上問題，本文總結(jié)這10年來前人在湖泊水體GDGTs研究方向的進(jìn)展，首先介紹水體GDGTs的分布模式及其來源，并進(jìn)一步分析影響水體GDGTs分布的因素，為后續(xù)準(zhǔn)確開展GDGTs古環(huán)境定量重建研究提供基礎(chǔ)和佐證.

圖2 全球已開展水體GDGTs研究的湖泊(參考文獻(xiàn)詳見表1) Fig.2 Distribution of GDGTs in global lake water column from previous literature, refer to Tab.1

圖3 基于湖泊水體GDGTs發(fā)表的文章數(shù)量 (來源于 ISI Web of Science， 截止日期2020年8月2日)Fig.3 Number of publications on GDGTs in lake water column (from ISI Web of Science extracted on August 2nd, 2020)

1 湖泊水體GDGTs分布研究

作為一個相對獨(dú)立的沉積載體，湖泊可以分布在每一個自然帶，不同湖泊在地質(zhì)、地貌、氣候和水文等自然條件上的差異，導(dǎo)致湖泊水體在物理、化學(xué)以及生物屬性上呈現(xiàn)多樣性. 特別是在深水湖泊，湖泊水體因水深、溫度以及溶解氧(DO)等參數(shù)的差異，會產(chǎn)生比較顯著的分層現(xiàn)象，即水體不同層位的差別. 需要注意的是，雖然GDGTs在淺水湖泊也有分布，然而在水深相對較淺的湖泊，并不顯著的水深差可能無法引起GDGTs的顯著性差異分布. 為方便闡述總結(jié)這些湖泊水體GDGTs分布特征，本部分將從不同生物來源(古菌vs細(xì)菌)GDGTs濃度與各組分變化這兩個方面，梳理近年來湖泊水體，特別是深水湖泊不同深度水體GDGTs研究進(jìn)展.

1.1 湖泊水體GDGTs濃度隨水深變化研究

不同類型湖泊的調(diào)查結(jié)果顯示水體不同層位均可合成GDGTs，例如即使在非洲深水湖泊——Tanganyika湖水深1000 m處，也能檢測出不同類型GDGTs化合物的分布[31]. 然而由于水體不同層位存在溫度、含氧量、光照以及營養(yǎng)鹽濃度等因素的差異[32-34]，在某種程度上影響合成GDGTs微生物的生長或繁盛，從而導(dǎo)致GDGTs濃度在不同層位水體出現(xiàn)差異，并且不同湖泊水體中GDGTs濃度隨水深變化的規(guī)律也不盡相同(表1)，在某些湖泊呈現(xiàn)顯著上升或降低的趨勢，在某些湖泊則未呈現(xiàn)顯著變化，抑或并非呈線性上升或者下降的模式. 此外，考慮到本文對湖泊水柱GDGTs濃度的對比研究大多在同一湖泊完成，因此并沒有比對不同湖泊GDGTs濃度研究，故也未對不同研究中GDGTs濃度或者通量做統(tǒng)一數(shù)學(xué)換算分析.

表1 不同湖泊水體isoGDGTs與brGDGTs濃度隨水深的變化

不同學(xué)者在非洲東部赤道附近的火成湖——Chala(也稱Challa)湖開展了詳盡的GDGTs研究，結(jié)果顯示該湖泊水體中古菌isoGDGTs以及細(xì)菌brGDGTs的濃度均隨水深呈增加趨勢，并在氧躍層附近發(fā)生顯著變化，相較之下，古菌isoGDGTs濃度的增幅要明顯高于細(xì)菌brGDGTs[27]. 然而這些觀測結(jié)果是基于GDGTs核心脂類(core lipid，CL)部分而言，即微生物死亡并降解之后，被保存下來的GDGTs部分[35]，為開展對比研究，隨后有學(xué)者分析該湖泊GDGTs完整極性(intact polar lipid，IPL)脂類部分的變化，即微生物活體還未降解，仍攜帶極性頭基部分的GDGTs[36]. 對比結(jié)果顯示，GDGT-0與其他isoGDGTs化合物呈現(xiàn)并不一致的變化，無論是IPL還是CL部分，GDGT-0在氧躍層附近均未發(fā)生變化，但在水體深部的厭氧層，濃度發(fā)生顯著增加，特別是IPL GDGT-0的濃度呈數(shù)量級增加；然而除GDGT-0以外的其他isoGDGTs化合物則是在氧躍層附近就顯著增加，但在深部厭氧層，這些isoGDGTs的濃度均有所降低，但仍高于水體上部含氧層位[36]. 隨后在對Chala湖不同深度水體IPL brGDGTs以及CL brGDGTs濃度變化的研究中發(fā)現(xiàn)，雖然兩者均呈現(xiàn)隨水深增加的趨勢，但后者的增幅要明顯高于前者，因此在水體深部的厭氧層，用來指示IPL與CL相對比例的IPL%也由水體上層的35%降低至10%[37]. 最近有學(xué)者報道了Chala湖brGDGTs及其異構(gòu)體在水體中的變化研究，發(fā)現(xiàn)幾類濃度占優(yōu)勢的brGDGTs化合物，其濃度均隨水深增加，在水體深部的厭氧層達(dá)到最高[38]. 綜上對非洲Chala湖水體GDGTs濃度的研究可以發(fā)現(xiàn)，不同類型GDGTs化合物隨水深變化的表現(xiàn)不盡相同，但大多隨水深呈現(xiàn)增加的趨勢.

除非洲Chala湖以外，在其他湖泊水體中也有類似規(guī)律，即isoGDGTs與brGDGTs的濃度均隨水深增加，如瑞士深水湖泊Lucerne湖[39]以及北美深水湖泊Superior湖[40]. 當(dāng)然并不是所有湖泊都能夠同時滿足這兩類GDGTs濃度變化的研究，往往側(cè)重某一類GDGTs化合物的分析. 例如在不同類型湖泊中也分別觀測到isoGDGTs以及brGDGTs隨水深增加的現(xiàn)象，前者包括東非斷陷湖泊Malawi湖[45]以及中國東北地區(qū)火山湖[46]中的isoGDGTs，雖然Malawi湖的數(shù)據(jù)表明水體中isoGDGTs的濃度隨水深增加到一定深度后又呈現(xiàn)下降趨勢；后者則包括瑞士Lugano湖，研究顯示水體中IPL brGDGTs以及CL brGDGTs濃度均隨水深增加，其中IPL brGDGTs增幅更顯著，IPL%也由表層水體的30%增至深部水體的70%[32]. 此外北美深水池塘(Basin池塘)[43]，以及上述中國東北的火山湖[48]，水體中brGDGTs的濃度也均隨水深而呈現(xiàn)增加趨勢，在水體深部呈現(xiàn)最大值. 需要注意的是，雖然這些湖泊水體中isoGDGTs或者brGDGTs的濃度往往呈現(xiàn)隨水深增加的現(xiàn)象，但不都是簡單的線性模式，在水體最深處這些化合物的濃度也并非達(dá)到峰值，在實(shí)際觀測中，往往會發(fā)現(xiàn)GDGTs濃度在上升到臨界值之后，會呈現(xiàn)下降的趨勢.

然而隨著研究范圍的不斷延伸和擴(kuò)大，不同深度水體中GDGTs濃度隨深度增加的現(xiàn)象并非普遍規(guī)律，在不少湖泊均出現(xiàn)下降的趨勢，包括瑞士的富營養(yǎng)湖泊Lugano湖以及寡營養(yǎng)湖泊Brienz湖，這兩個營養(yǎng)化程度差異顯著的湖泊，無論是在春季還是秋季，水體中isoGDGTs和brGDGTs的濃度均隨水深而降低[16]. 此外，在瑞士的淺水湖泊Rotsee湖[21]，以及地中海附近的一個喀斯特湖也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律[49]. 當(dāng)然，在實(shí)際研究過程中還會發(fā)現(xiàn)，不同深度水體isoGDGTs和brGDGTs隨水深呈現(xiàn)不一致變化的現(xiàn)象，例如位于中國華南地區(qū)的瑪珥湖——湖光巖，雖然湖泊最大水深只有20 m，但水體中brGDGTs的分布有著顯著的“深度效應(yīng)”，深層水體brGDGTs的濃度要高于淺層水體，然而isoGDGTs的分布則并未發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象[34]. 同樣在挪威的Indrepollen湖，水體中brGDGTs和isoGDGTs隨水深變化的趨勢也截然不同，隨著水深的增加，isoGDGTs濃度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，而brGDGTs則在表層水體達(dá)到峰值，隨后一直保持低濃度但在接近湖底位置又略有回升[33]. 然而在某些湖泊，水深對GDGTs濃度的影響似乎并不能簡單描述為增加或減少，如北美淺水碟型池塘(Lower King池塘)，可能是因?yàn)樗w相對較淺，因此brGDGTs濃度變化較大，在觀測期的絕大多數(shù)時間，底部水體brGDGTs的濃度均要高于表層水體，然而在觀測期的某些時間段，表層水體brGDGTs濃度會高出底層水體十倍左右[41].

綜上，在對不同地區(qū)、不同類型湖泊水體GDGTs濃度與水深關(guān)系的研究中不難發(fā)現(xiàn)，雖然大部分湖泊水體GDGTs的濃度隨水深發(fā)生變化，呈現(xiàn)增加或者減少的趨勢，并且不同來源GDGTs的變化模式還存在差異. 然而需要注意的是，在某些湖泊水體GDGTs濃度隨水深的變化并不顯著，如蘇格蘭Lomond湖以及山西呂梁山公海，這兩個湖泊水體GDGTs濃度似乎并不受水深影響，與水深之間也不存在顯著關(guān)系[42,47]，因此僅僅考慮GDGTs濃度的變化可能還無法全面評估湖泊水體中GDGTs的變化，還需進(jìn)一步分析水體GDGTs各組分的變化規(guī)律.

1.2 湖泊水體GDGTs分布特征研究

GDGTs組成的差異主要體現(xiàn)在不同類型GDGTs化合物的相對濃度以及相對濃度最高的化合物(最占優(yōu)勢組分)的變化上，此外GDGTs的相關(guān)指標(biāo)如TEX86、MBT/CBT等的變化也在一定程度上反映水體GDGTs組分變化的信息，據(jù)此本部分將分別闡述isoGDGTs與brGDGTs組成在不同深度水體中的分布特征.

1.2.1 湖泊水體isoGDGTs分布特征研究 以開展GDGTs系統(tǒng)研究的Chala湖為例，陸續(xù)有研究報道isoGDGTs各化合物在不同層位水體的變化特征. 其中開展較早的研究工作僅關(guān)注CL isoGDGTs組分的變化，結(jié)果顯示在氧濃度較高的上層水體，不攜帶任何環(huán)結(jié)構(gòu)的GDGT-0與指示奇古菌的特征標(biāo)志物——crenarchaeol，兩者的相對濃度差別不大，但在氧躍層附近均發(fā)生顯著增加，特別是在水體深部的缺氧層位，GDGT-0濃度增加明顯，約高出上層含氧水體兩個數(shù)量級，且遠(yuǎn)高于crenarchaeol，雖然后者的濃度隨水深也呈上升趨勢[27]. 這與后續(xù)分別探討CL isoGDGTs以及 IPL isoGDGTs的研究結(jié)果一致，即表層水體中CL GDGT-0的濃度占優(yōu)勢，但在位于水體中部的氧躍層附近，CL crenarchaeol的濃度顯著升高，成為該層位的主要組分，然而隨著水深的繼續(xù)增加，CL crenarchaeol逐漸降低，相反CL GDGT-0的濃度顯著上升，從而成為Chala湖水體深部厭氧層的主要組分[36]. 值得注意的是，GDGT-0以及crenarchaeol作為Chala湖水體中濃度較高的組分，這兩類化合物的IPL以及CL組分隨水深變化并不一致[36]. 來自水體3個不同深度即氧躍層以上、氧躍層以及氧躍層以下的結(jié)果顯示，IPL GDGT-0在上層含氧水體以及深部厭氧層位的相對濃度都很高，占明顯優(yōu)勢，分別占到80%以及90%以上，然而CL GDGT-0的相對濃度僅在深部厭氧層位呈現(xiàn)高值，達(dá)到90%以上；相反crenarchaeol的IPL以及CL在深部厭氧層位的濃度都很低，但CL crenarchaeol在氧躍層附近濃度較高，遠(yuǎn)高于CL GDGT-0，相較之下在此深度，IPL crenarchaeol與CL crenarchaeol相對濃度很接近[36].

1.2.2 湖泊水體brGDGTs分布特征研究 同樣是在非洲Chala湖開展的工作，研究初期的結(jié)果顯示，不同層位水體brGDGTs均以相對高濃度的Ⅱ占主導(dǎo)，但Ⅲ的相對濃度則隨水深而減少，而I隨水深則未發(fā)生顯著變化[27]. 最近有學(xué)者報道該湖泊不同深度水體brGDGTs及其異構(gòu)體的分布情況(圖4)，與研究初期未有效分離brGDGTs的結(jié)果類似，Ⅱ仍然是水體中分布最多的化合物[38]. 但需要注意的是，新近被分離的5-甲基brGDGTs以及6-甲基brGDGTs異構(gòu)體，這兩類化合物的濃度在不同的水體分層時期會呈現(xiàn)差異性變化，例如在觀測期的第1個水體分層時期(2013-2014年)，5-甲基brGDGTs 系列化合物，Ⅰb、Ⅱb的濃度在水深35～60 m處占優(yōu)勢，而6-甲基brGDGTs系列化合物，Ⅱa′、Ⅲa′的濃度則在底部水體(60～80 m處)較高；而在第2個水體分層時期(2014-2015年)，Ⅰb、Ⅱb的濃度較第1個水體分層時期顯著減少，并且高濃度的Ⅱa′、Ⅲa′出現(xiàn)在水深25～35 m處，明顯有別于第1個分層時期的水體底部[38].

圖4 2013-2015年期間東非Chala湖不同深度水體brGDGTs的分布特征(根據(jù)文獻(xiàn)[38]修改)Fig.4 Distribution pattern of brGDGTs in water column from Lake Chala, East Africa during the period of 2013 and 2015(modified from reference [38])

除Chala湖以外，對瑞士深水湖泊Lugano湖不同深度水體brGDGTs的研究結(jié)果也顯示，不同類型brGDGTs化合物對水深變化響應(yīng)各異. 例如，不攜帶五元環(huán)的Ⅲ系列化合物(Ⅲa、Ⅲa′以及Ⅲa″)的濃度在水深不同層位均最高，然而這3類化合物隨水深呈現(xiàn)不同的變化趨勢，其中Ⅲa隨水深逐漸增加，在深部厭氧水體中達(dá)到最高；而Ⅲa′則呈現(xiàn)不一樣的變化模式，在水體上層含氧層位濃度較低，隨水深呈增加的趨勢，并在水體氧化還原過渡帶(redox transition zone，RTZ)上部達(dá)到最高值，但在RTZ位置，Ⅲa′濃度快速降低，隨后低濃度的Ⅲa′隨水深趨于穩(wěn)定[32]. 值得注意的是，在該湖泊水體中還檢測到新被鑒定的Ⅲa″化合物[50]，雖然僅出現(xiàn)在水體深部的厭氧層位(> 90 m)，但其濃度隨水深逐漸增加，表明此類新型異構(gòu)體主要來源于該層位厭氧細(xì)菌的貢獻(xiàn)[32]. 此外在其他湖泊的研究結(jié)果表明，水體brGDGTs各組分隨水深變化的情況不盡相同，某些brGDGTs化合物在水體不同層位的相對濃度較穩(wěn)定，并不會因?yàn)樗畈町惗l(fā)生變化，例如北美Basin池塘中的Ⅰ系列化合物[43]以及中國東北火山湖的Ⅱa[48]，但其他化合物如Ⅲ在這兩個湖泊均呈現(xiàn)隨水深增加的現(xiàn)象. 需要指出的是，正是由于不同類型brGDGTs化合物隨水深的差異性變化，在一定程度上導(dǎo)致相關(guān)的指標(biāo)如MBT、CBT等也隨水深發(fā)生變化[33,43].

需要注意的是，水體GDGTs濃度與各組分的變化趨勢并不一致，即水深可能會影響GDGTs濃度的變化，但這并不意味著GDGTs各組分也會發(fā)生變化. 例如，瑞士Lugano湖以及Brienz湖的對比研究發(fā)現(xiàn)，水體中isoGDGTs各組分隨水深都呈現(xiàn)降低的趨勢，但相對濃度的變化并不顯著，均以高濃度的GDGT-0為主[16]. 類似結(jié)果也出現(xiàn)在瑞士的Rotsee湖，水體GDGTs濃度也呈現(xiàn)隨水深降低的趨勢，但isoGDGTs以及brGDGTs各組分的相對濃度隨水深的變化均不顯著，GDGT-0以及Ⅱa依然是該湖泊不同深度水體中的最優(yōu)勢組分[21]. 同樣北美Superior湖也有類似結(jié)果，雖然在不同季節(jié)，水體isoGDGTs濃度均呈現(xiàn)隨水深增加的趨勢，但與Chala湖水體中變化顯著的GDGT-0以及crenarchaeol[27,36]不同的是，這兩類化合物濃度的變幅都非常接近，因此相對濃度并未發(fā)生改變，究其原因可能在于Superior湖水體中isoGDGTs來源單一，大多由奇古菌合成[40]，而Chala湖水體深部的isoGDGTs可能有其他非奇古菌來源的貢獻(xiàn)，因此會發(fā)生顯著變化[27]，可見isoGDGTs的生物來源影響著此類化合物在水體不同層位的分布. 此外，在瑞士Lucerne湖[39]以及東Tanganyika湖[31]也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律，即水體中GDGTs濃度均隨水深而增加，但各組分之間的相對濃度變化并不顯著，不同層位水體均以高濃度的crenarchaeol為主要組分. 另外在其他湖泊也發(fā)現(xiàn)水深對GDGTs濃度的改變要遠(yuǎn)多于GDGTs各化合物的組成，包括北美Lower King池塘[41]、中國華南湖光巖[34]、挪威Indrepollen湖[33]以及非洲的Malawi湖[45]等.

2 湖泊水體GDGTs生物來源分析

2.1 湖泊水體isoGDGTs生物來源分析

來源于古菌的isoGDGTs在湖泊水體中分布極廣，幾乎覆蓋水體的所有層位[27,31]，然而前人的研究已指出水體不同層位isoGDGTs的分布模式存在差異，除了水體不同層位環(huán)境參數(shù)差異這一外因以外，isoGDGTs不同的生物來源很有可能是造成這些差異的內(nèi)因. 來自分子生物學(xué)的證據(jù)顯示，與海洋環(huán)境類似，湖泊水體以及沉積物中也廣泛分布著奇古菌Thaumarchaeota[51-53]，因此在大多數(shù)湖泊，Thaumarchaeota是合成isoGDGTs的主要生物來源之一[54]. 瑞士Lucerne湖水體的SPM、沉積物捕獲器以及表層沉積物中isoGDGTs的分布模式非常一致，表明這些化合物可能是同一生物來源，而高濃度的crenarchaeol則表明Thaumarchaeota是不同深度水體isoGDGTs的主要生物來源之一[39]. 借助克隆以及測序技術(shù)等分子生物學(xué)手段分析北美深水湖泊Superior湖水體中古菌組成，結(jié)果顯示Thaumarchaeota是不同深度水體中古菌的主要組分，且在系統(tǒng)發(fā)生學(xué)上與由海洋環(huán)境分離的奇古菌Nitrosopumilusmaritimus非常接近[55]，在此分子生物學(xué)結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合水體中高濃度的GDGT-0與crenarchaeol類似的分布特征，作者推測Superior湖不同深度水體isoGDGTs主要來源于Thaumarchaeota的貢獻(xiàn)[40]. 然而需要注意的是，Superior湖水體16S rRNA的結(jié)果顯示廣古菌Euryarchaeota僅分布在深部水體，在沉積物—水界面處的比例可達(dá)15%，表明該湖泊不同深度水體的古菌分布存在顯著差異[55].

此外，湖泊環(huán)境廣泛分布的產(chǎn)甲烷古菌Methanogens也是isoGDGTs的主要生物來源之一[56]，除GDGT-0以外，產(chǎn)甲烷古菌也合成其他類型的isoGDGTs化合物，包括GDGT-1、GDGT-2以及GDGT-3(圖1)等[57]. 前人的研究顯示產(chǎn)甲烷古菌在不同類型湖泊沉積物貢獻(xiàn)不同比例的isoGDGTs[15,58]，除產(chǎn)甲烷古菌合成的其他生物標(biāo)志物如古菌醇(archaeol)及其碳同位素組成以外，產(chǎn)甲烷古菌功能基因mcrA的檢出，也為產(chǎn)甲烷古菌在湖泊環(huán)境的分布提供分子生物學(xué)的證據(jù)[59]. 和湖泊沉積物一樣，湖泊水體也分布著產(chǎn)甲烷古菌，特別是在厭氧水體，產(chǎn)甲烷古菌成為GDGT-0的主要生物來源[28,34]. 基于此，有學(xué)者提出GDGT-0/crenarchaeol指標(biāo)以評估產(chǎn)甲烷古菌的貢獻(xiàn)程度，該指標(biāo)的生物學(xué)基礎(chǔ)是產(chǎn)甲烷古菌合成GDGT-0而無法合成crenarchaeol，而奇古菌則可以同時合成這兩類化合物，并指出當(dāng)該指標(biāo)大于2時，即代表較多的產(chǎn)甲烷古菌貢獻(xiàn)[28]，隨后該指標(biāo)被廣泛用于衡量湖泊環(huán)境產(chǎn)甲烷古菌貢獻(xiàn)的多寡[60-61].

來源于東非Chala湖的研究結(jié)果也顯示不同深度水體isoGDGTs以及古菌群落組成均存在差異. 在對水體isoGDGTs各組分變化的研究中發(fā)現(xiàn)，Chala湖水體上層含氧層crenarchaeol與GDGT-0濃度相差不大，但隨著水深增加，深部厭氧層GDGT-0的濃度呈數(shù)量級上升，導(dǎo)致crenarchaeol的占比明顯下降[27]. Chala湖水體分子生物學(xué)證據(jù)顯示水體含氧層的古菌主要是由Thaumarchaeota I.1a以及I.1b占主導(dǎo)，這也是該層位GDGT-0以及crenarchaeol的主要生物來源，而至于水體深部厭氧層位出現(xiàn)高濃度的GDGT-0，作者推測可能來源于其他古菌的貢獻(xiàn)，包括奇古菌Thaumarchaeota I.2和泉古菌marine benthic group C(MBG-C)，以及隸屬于廣古菌的嗜鹽古菌Halobacteriales等[27]. 隨后對該湖泊不同深度水體中指示奇古菌的amoA功能基因分析發(fā)現(xiàn)，amoA濃度在水體上部含氧層與下部厭氧層差異顯著，在含氧層中高濃度的amoA指示該層位的古菌類型主要是奇古菌Thaumarchaeota I.1a以及I.1b，而深部水體厭氧層位不可培養(yǎng)奇古菌Thaumarchaeota I.2型以及miscellaneous crenarchaeotic group(MCG)則是該層位高濃度GDGT-0的生物來源[36]. 通過上述對不同湖泊水體中isoGDGTs生物來源的研究不難發(fā)現(xiàn)，合成isoGDGTs的生物來源具有多樣性的特點(diǎn)，此外還需注意的是，即使在同一湖泊，水體不同層位也會分布不同類型的古菌，從而導(dǎo)致不同深度水體中isoGDGTs濃度以及各組分的變化.

2.2 湖泊水體brGDGTs生物來源分析

與isoGDGTs不同，brGDGTs具體生物來源至今還尚未確定，雖然在研究初期發(fā)現(xiàn)泥炭厭氧層位brGDGTs濃度更高，從而推測合成brGDGTs的細(xì)菌為厭氧類型[2,62]. 后續(xù)對比瑞典Saxn?s Mosse泥炭剖面的16S rRNA以及brGDGTs的分布發(fā)現(xiàn)，酸桿菌Acidobacteria是細(xì)菌類群的主要組分，結(jié)合該泥炭剖面brGDGTs的濃度也較isoGDGTs占優(yōu)勢，推測Acidobacteria很有可能是該泥炭高濃度brGDGTs的主要來源[63]. 隨后通過分析上覆不同植被類型土壤brGDGTs裂解產(chǎn)物的單體碳同位素組成，揭示合成brGDGTs細(xì)菌的碳利用途徑，即這些細(xì)菌的營養(yǎng)類型為異養(yǎng)或者兼性異養(yǎng)[64]. 基于此，有學(xué)者通過提取酸桿菌Acidobacteria幾個亞門菌株膜脂的化學(xué)組分，發(fā)現(xiàn)與brGDGTs的化學(xué)構(gòu)型非常類似，因此酸桿菌Acidobacteria被推測是brGDGTs最有可能的潛在生物來源之一[65-66]. 而酸桿菌確實(shí)在某些土壤和泥炭環(huán)境中占據(jù)細(xì)菌群落的主導(dǎo)[63,67]，這與上述推測也吻合，相較之下湖泊環(huán)境酸桿菌的報道并不常見[68-69]，目前聚焦湖泊水體brGDGTs生物來源的研究還非常有限.

最近對瑞士Lugano湖的報道指出，水體中Ⅲa可以跨越氧化還原過渡帶分布，并隨水深呈增加的趨勢，表明在該湖泊中合成Ⅲa的細(xì)菌可能是厭氧、需氧亦或是兼性厭氧類型，而其異構(gòu)體Ⅲa″僅出現(xiàn)在水深超過90 m的地方，因此被認(rèn)為是由生活在水體深部的厭氧細(xì)菌合成[32]. 此外，該湖泊水體的分子生物學(xué)結(jié)果顯示，不同深度水體中Acidobacteria的分布特征與brGDGTs主要類型一致，且在水體不同層位的變化趨勢也與brGDGTs的變化類似，表明在Lugano湖酸桿菌是brGDGTs的潛在生物來源之一[32]. 然而值得注意的是，brGDGTs裂解產(chǎn)物烷烴的單體碳同位素結(jié)果則表明，合成brGDGTs的細(xì)菌也有可能參與水體中的甲烷氧化作用，表明該湖泊水體中不同類型brGDGTs的生物來源存在差異，具有多樣性[32]. 來自Chala湖水體16S rRNA的最新研究表明，水體中某些brGDGTs化合物的濃度(Ⅰb、Ⅱb)與酸桿菌亞門SD21基因拷貝數(shù)的相關(guān)性非常有限[38]，可見在Chala湖水體中，酸桿菌并非brGDGTs的主要生物來源，然而在Lugano湖水體中高濃度的Ⅱa、Ⅲa與酸桿菌亞門SD21的濃度呈顯著相關(guān)[32].

3 影響湖泊水體GDGTs分布的因素

3.1 季節(jié)性因素

3.1.1 湖泊水體GDGTs季節(jié)性變化研究 湖泊水體GDGTs分布的季節(jié)性差異在不同類型湖泊均有報道. 在對北美Lower King池塘兩年多的觀測發(fā)現(xiàn)，水體SPM中brGDGTs的濃度以及沉積物捕獲器中brGDGTs的通量均有著明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，其中在春季和秋季湖水混勻時期，brGDGTs通量最高，約高出低通量時期兩個數(shù)量級，作者推測出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因與此時增加的顆粒沉降有關(guān)，但需要注意的是，brGDGTs各組分的相對濃度并沒有呈現(xiàn)顯著的年內(nèi)或者年際差異[41]. 位于地中海附近利比里亞的一個寡營養(yǎng)喀斯特湖泊同時開展水體SPM以及沉積物捕獲器對比研究顯示，該湖泊水體isoGDGTs濃度以及通量的高值出現(xiàn)在水體分層的4—9月期間，有別于上述Lower King池塘的結(jié)果，作者推測該時段高濃度的isoGDGTs可能與以藻類為食的浮游生物繁盛有關(guān)[49]. 上述這兩個湖泊水體GDGTs分布的季節(jié)性差異，除了和合成這些化合物的生物來源差異有關(guān)，水體的季節(jié)性變化所引起的溫度、光照以及營養(yǎng)條件的改變也是影響湖泊水體GDGTs分布變化的主要原因. 此外還有學(xué)者對比分析中國中部東湖水體isoGDGTs以及brGDGTs的IPL以及CL部分的研究，調(diào)查結(jié)果顯示不同類型GDGTs的IPL、CL 部分均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，從而引起相關(guān)指標(biāo)如IPL isoGDGTs%以及IPL brGDGTs%的顯著變化，但考慮到研究對象為城市淺水型湖泊，相對深水湖泊更易受環(huán)境因素季節(jié)性變化的影響[44].

3.1.2 湖泊水體不同層位GDGTs季節(jié)性變化研究 與淺水湖泊相比，深水湖泊更能展示不同深度水體GDGTs的季節(jié)性變化特征. 例如瑞士深水湖泊Lucerne湖，其表層水體isoGDGTs濃度的高值出現(xiàn)在冬季與來年春季之間，并在湖水混勻的1月份達(dá)到最高值，而深部水體isoGDGTs的高值則在夏末和秋季[39]. Lucerne湖水體isoGDGTs的季節(jié)性分布變化影響著相關(guān)GDGTs指標(biāo)的變化，例如TEX86指標(biāo)在表層水體最高，高于其他層位，其最高值通常出現(xiàn)在夏末至秋季，而深部水體TEX86指標(biāo)的最高值則出現(xiàn)在3月份[39]，表明不同深度水體GDGTs濃度以及相關(guān)指標(biāo)都發(fā)生季節(jié)性變化. 同樣在北美Lower King池塘的研究結(jié)果也顯示，不同深度水體brGDGTs的季節(jié)性變化規(guī)律并不一致，首先不同水深brGDGTs濃度的季節(jié)性變化存在差異，表層水體brGDGTs濃度在春季和夏初之間最高，而該時段底層水體中brGDGTs濃度略高于表層，但在夏末至來年春季湖水混勻的時候，底層水體brGDGTs的濃度則遠(yuǎn)高于表層，但在有冰雪覆蓋的冬季，表層水體brGDGTs濃度則高于底層水體[41]. 此外還需要注意的是，水體表層和底層brGDGTs各組分的相對比例也存在季節(jié)性差異，但不攜帶五元環(huán)的Ⅰa、Ⅱa以及Ⅲa系列化合物在水體中的濃度依然占據(jù)優(yōu)勢[41]. 然而北美Superior湖連續(xù)3年的監(jiān)測結(jié)果顯示，位于不同水深的兩個沉積物捕獲器，在觀測期內(nèi)其isoGDGTs與brGDGTs的通量與沉積通量(mass flux)之間均顯示非常一致的季節(jié)性變化特征，在冬季和夏季均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢[40]，但通量峰值出現(xiàn)的時間并不完全一致，存在一定的時間滯后效應(yīng)，并且在不同季節(jié)這種滯后時間顯現(xiàn)出差異. 此外與上述Lucerne湖水體中TEX86指標(biāo)季節(jié)性變化不同的是，Superior湖不同水深沉積物捕獲器的TEX86指標(biāo)在不同季節(jié)均未發(fā)生顯著變化[40]. 蘇格蘭Lomond湖不同盆地水體GDGTs也呈現(xiàn)不一致的季節(jié)變化特征，研究顯示南部盆地水體中brGDGTs在不同季節(jié)差別不大，但在湖泊的北部盆地，水體IPL brGDGTs與CL brGDGTs的濃度均在3月份出現(xiàn)高值，且不同季節(jié)crenarchaeol濃度的高值出現(xiàn)在水體的不同層位[42]，研究還顯示該湖泊不同水深沉積物捕獲器中IPL GDGTs也呈現(xiàn)不同的季節(jié)變化規(guī)律，表層水體GDGTs通量的季節(jié)性變化規(guī)律要遠(yuǎn)遠(yuǎn)顯著于底層[42]. 湖光巖的報道顯示，不同水深沉積物捕獲器中brGDGTs通量幾乎都在冬季達(dá)到最高，但不同水深brGDGTs通量的季節(jié)性變化并不完全一致，底部水體的brGDGTs通量最高，同樣SPM中brGDGTs的分布也有著類似的季節(jié)性變化規(guī)律，雖然不同層位brGDGTs的濃度差異并不顯著，但表層水體中brGDGTs高值出現(xiàn)在冬季，而底部水體的brGDGTs高值則出現(xiàn)在夏季的6月份，可見水體不同層位brGDGTs的季節(jié)性變化存在著顯著差異[34]. 來自北美Basin池塘水體不同深度的brGDGTs通量也顯示在夏季呈現(xiàn)較低值，但隨后在秋季出現(xiàn)水體分層時，水體不同層位的brGDGTs通量均呈現(xiàn)明顯上升的趨勢，并且水深越深，通量增加越顯著，據(jù)此作者認(rèn)為湖泊沉積物brGDGTs記錄的溫度信號實(shí)際上是響應(yīng)的季節(jié)信號，即秋季溫度而非年均溫[43].

然而并非所有湖泊水體中的GDGTs分布均受季節(jié)的影響，又或者在不同季節(jié)所呈現(xiàn)的差異并不顯著. 例如瑞士兩個水體營養(yǎng)化程度差異很大的湖泊，水體GDGTs的濃度以及各組分的比例在春季和秋季的差別并不顯著，但是水體表層GDGTs的濃度在不同季節(jié)還是呈現(xiàn)出差異，在春季GDGTs濃度要高于秋季[16]. 此外中國山西公海水體中brGDGTs的濃度在不同月份也未發(fā)生顯著變化[47].

3.2 溫度因素

在湖泊環(huán)境，水深與溫度、DO濃度以及pH值之間往往存在一定的耦合關(guān)系，因此無法獨(dú)立評估某一環(huán)境因素對水體GDGTs分布的影響，而且從嚴(yán)格意義上來講，目前還沒有直接證據(jù)顯示溫度影響湖泊水體GDGTs的分布，但眾多研究結(jié)果均表明水體GDGTs敏感響應(yīng)溫度的變化，首先體現(xiàn)在基于GDGTs的分布或相關(guān)指標(biāo)所恢復(fù)的溫度往往與實(shí)測溫度接近.

3.2.1 湖泊水體isoGDGTs響應(yīng)溫度變化研究 位于東非Chala湖氧躍層之上的沉積物捕獲器中基于TEX86恢復(fù)的溫度與湖水實(shí)測溫度一致，因此推測水體中的isoGDGTs可能反映水體上部的溫度，但是卻無法有效記錄湖水溫度的季節(jié)性變化信號[27]. 而兩個營養(yǎng)化程度差異顯著的瑞士湖泊研究結(jié)果均表明，SPM的TEX86指標(biāo)所恢復(fù)的溫度與湖水表層溫度接近，但相較之下，表層水體TEX86指標(biāo)所恢復(fù)的溫度低于表層水體的原位實(shí)測溫度，而水體底部TEX86所恢復(fù)的溫度則要高于水體的原位實(shí)測溫度，據(jù)此作者推測可能是由于不同深度水體GDGTs的生物來源差異造成的，并且位于不同層位水體isoGDGTs生長的時間也不盡相同，因此可能代表著不同時間尺度的溫度信號[16]. 但北美Superior湖的研究結(jié)果則表明，SPM的TEX86指標(biāo)在水體出現(xiàn)分層以及混勻時期均能有效反映水體溫度變化，但基于TEX86所恢復(fù)的溫度變幅很小，因此即使在夏季湖水出現(xiàn)分層時期，也沒有出現(xiàn)較高的恢復(fù)溫度，可能與Chala湖水體isoGDGTs表現(xiàn)一致[27]，無法有效記載水溫的季節(jié)性變化信號[40]. 相較之下，Superior湖沉積物捕獲器中的TEX86指標(biāo)則不如SPM中的TEX86能有效響應(yīng)溫度的變化，即使在冬季其沉積通量處于最高值的時候，TEX86指標(biāo)也無法有效捕獲水體溫度，但值得注意的是，沉積物捕獲器TEX86指標(biāo)所恢復(fù)的溫度與同一地點(diǎn)表層沉積物的TEX86指標(biāo)所恢復(fù)的溫度一致，均接近水體40 m水深處的溫度[40]. 來自蘇格蘭Lomond湖的結(jié)果則顯示，位于水深30～60 m處的SPM，其TEX86指標(biāo)恢復(fù)的溫度與實(shí)測水溫之間非常接近[42]. 綜上，這些湖泊水體SPM中isoGDGTs的分布敏感響應(yīng)溫度的變化，特別是基于isoGDGTs的TEX86指標(biāo)所恢復(fù)的溫度有效指示實(shí)測溫度.

然而不容忽視的是，奇古菌Thaumarchaeota的生態(tài)學(xué)特征可能在一定程度上影響TEX86指標(biāo)所恢復(fù)溫度的準(zhǔn)確性. 例如瑞士深水湖泊Lucerne湖的研究結(jié)果顯示，雖然淺層水體的TEX86指標(biāo)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化特征，但卻無法有效反映湖水表層溫度的變化，相反位于熱躍層以下Thaumarchaeota生長較多的深部水體，TEX86所恢復(fù)的溫度與實(shí)測溫度接近[39]. 這與Chala湖結(jié)果一致，水體TEX86所重建的溫度不是指示水體表層的溫度，而是反映奇古菌Thaumarchaeota繁盛時期氧躍層的溫度[36]. 此外在非洲Malawi湖中發(fā)現(xiàn)，水體TEX86所恢復(fù)的溫度，在表層水體要低于原位實(shí)測溫度，但在次表層水體則要高于原位實(shí)測溫度，作者認(rèn)為造成該現(xiàn)象的原因是生活在不同層位水體的古菌類群及其生態(tài)型差異[45]. 雖然目前還沒有湖泊方面的研究工作來佐證，但海洋環(huán)境方面的證據(jù)顯示TEX86恢復(fù)的溫度究竟高于還是低于實(shí)測溫度，主要取決于水體中占主導(dǎo)奇古菌Thaumarchaeota的生態(tài)型，因?yàn)榘毖趸俾逝cTEX86之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，淺水層位的奇古菌大多生長在高濃度的銨條件下，所恢復(fù)的溫度偏低；而深水層位的奇古菌則大多適應(yīng)低濃度的銨，所恢復(fù)的溫度偏暖[70-72]. 因此Malawi湖相對較深水體TEX86所恢復(fù)的溫度較實(shí)測值偏高，可能是由于生活在深水層位的奇古菌群落影響isoGDGTs的分布[45]. 此外，在評估水體isoGDGTs響應(yīng)溫度的過程中還需要考慮其他古菌的影響，例如東非深水湖泊坦噶尼喀湖的結(jié)果顯示，水體TEX86并不能有效指示水體原位實(shí)測溫度的信息，TEX86值僅在表層水體與實(shí)測溫度接近，在水體次表層所恢復(fù)的溫度則要明顯高于水體的原位實(shí)測溫度，據(jù)此作者推測可能是與水體isoGDGTs有其他非奇古菌來源的貢獻(xiàn)有關(guān)[31].

3.2.2 湖泊水體brGDGTs響應(yīng)溫度變化研究 北美Lower King池塘SPM的結(jié)果顯示， brGDGTs分布不僅有效記錄水溫的變化，還可以指示溫度的季節(jié)性變化規(guī)律，然而沉積物捕獲器中的brGDGTs卻無法有效捕捉溫度變化的信號，表明水體中的brGDGTs可能無法沉降或保存到沉積物中[41]. 不過在湖水分層時期，沉積物捕獲器中的brGDGTs可以反映底層水體的溫度，雖然所恢復(fù)的溫度與實(shí)測水溫之間并非完全一致，但實(shí)測水溫與幾類brGDGTs化合物之間均存在較好的相關(guān)性[41]. 東非Chala湖水體brGDGTs的指標(biāo)，包括MBT以及DC(degree of cyclization，去對數(shù)化的環(huán)化指標(biāo))能有效指示水溫信息，這些指標(biāo)均與水溫之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，并且在剔除水深較深的樣品之后，與水溫的相關(guān)性得以提高，表明該湖泊水體中合成brGDGTs的細(xì)菌可以根據(jù)溫度來調(diào)整自身細(xì)胞膜脂組成[37]. 然而需要注意的是，基于brGDGTs恢復(fù)的溫度與實(shí)測氣溫以及水溫之間均存在一定的滯后性，其中滯后于氣溫約5～6個月，水溫則是3個月，這可能是由于湖泊水體brGDGTs與在溫度重建時所利用的湖泊沉積物brGDGTs，兩者對溫度有著不同的響應(yīng)有關(guān)，因?yàn)楹笳叩膩碓匆^前者復(fù)雜，除湖泊水體自生brGDGTs以外，湖泊周邊土壤以及沉積物自身等也會貢獻(xiàn)brGDGTs[37]，此外這種重建溫度與實(shí)測溫度之間的滯后效應(yīng)在Lower King池塘中也有報道[41].

另外，研究顯示溫度也會影響水體brGDGTs新分離的各類異構(gòu)體的分布. 對中國華北地區(qū)公海水體的研究發(fā)現(xiàn)，SPM的MBT′5ME和MBT′6ME指標(biāo)在9月份均隨水深呈現(xiàn)降低的趨勢，這與實(shí)測水體溫度的變化模式一致，然而這兩個指標(biāo)在1月份并沒有發(fā)生變化，也與1月份相對穩(wěn)定的水溫變化模式一致，據(jù)此認(rèn)為該湖泊水體中基于SPM的brGDGTs及其異構(gòu)體的分布模式有效反映水溫的變化[47]. 然而需要注意的是，雖然這兩個指標(biāo)可以有效指示水溫的變化，但所恢復(fù)的不同月份溫差明顯低于實(shí)測值[47]，類似現(xiàn)象在其他湖泊也有發(fā)生，例如北美Lower King池塘，基于表層水體SPM恢復(fù)的季節(jié)性溫差為5.4°C，而實(shí)際溫差則可達(dá)到28.3℃[41]；華南地區(qū)湖光巖基于brGDGTs計(jì)算出的季節(jié)溫差為8℃，而實(shí)際季節(jié)溫差可達(dá)16℃[34].

3.3 水深和水體DO濃度因素

研究顯示除溫度以外，水體DO的濃度也會影響湖泊不同深度水體GDGTs的分布. 例如東非Chala湖水體深部厭氧層位isoGDGTs的濃度要高出上層水體兩個數(shù)量級，并且不同層位古菌群落組成也存在差異[27]，此外水體自生的brGDGTs大多生活在水深35～43 m處、氧濃度較低(O2<2 mg/L)的深部水體，表明在該湖泊水體中合成brGDGTs的細(xì)菌偏好低氧濃度的環(huán)境[37]. 同樣在挪威Indrepollen湖水體中也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律，isoGDGTs的總濃度隨著DO的減少而增加，并在氧躍層底部達(dá)到最高值，兩者之間呈現(xiàn)非常顯著的負(fù)相關(guān)，結(jié)果還顯示DO濃度而非溫度是影響該湖泊水體TEX86的首要因素[33]. 類似結(jié)果也出現(xiàn)在地中海附近的寡營養(yǎng)湖泊，對比結(jié)果顯示水體上層SPM和沉積物捕獲器的TEX86均表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性特征，所恢復(fù)的溫度與表層水溫吻合[49]，相較之下位于湖泊深部的缺氧層，TEX86與水體DO濃度之間也存在著明顯的負(fù)相關(guān)，導(dǎo)致湖泊表層沉積物的TEX86信號受水體DO濃度的影響，因此在缺氧環(huán)境使用TEX86指標(biāo)恢復(fù)溫度時可能會產(chǎn)生誤差[49]. 值得注意的是，幾株海洋奇古菌Thaumarchaeota的模擬結(jié)果可以為上述現(xiàn)象提供生物學(xué)基礎(chǔ)，研究顯示氧氣濃度影響奇古菌膜脂中的isoGDGTs組分，特別是當(dāng)氧氣濃度受限時，GDGT-2和GDGT-3濃度增加，而GDGT-1的濃度減少，從而影響TEX86值，導(dǎo)致其所恢復(fù)溫度的變化[70]，因此在利用TEX86指標(biāo)恢復(fù)溫度時需考慮DO濃度的影響.

3.4 其他因素

除溫度、DO濃度等因素以外，其他因素包括湖水pH值、富營養(yǎng)化程度、降水等也會影響水體中GDGTs的分布. 例如Chala湖，雖然基于brGDGTs的DC以及CBT指標(biāo)與溫度之間的相關(guān)性依然最顯著，但pH與MBT之間也呈現(xiàn)較高的相關(guān)性[37]. 但在該湖泊開展的最新研究顯示，不同深度水體brGDGTs與溫度、pH以及DO濃度之間的關(guān)系并不顯著，但卻有效響應(yīng)水體分層以及深部水體的混合，表明在Chala湖，溫度可能并不是影響水體中brGDGTs分布的首要因子，水體分層混合效應(yīng)等所引起的細(xì)菌群落變化也會影響水體brGDGTs的分布[38]. 值得注意的是，降水也在一定程度上影響東湖水體中GDGTs的分布，特別是brGDGTs的Ⅰ/Ⅱ比值可以有效指示降水量，較高的Ⅰ/Ⅱ比值意味著湖泊周邊土壤中以Ⅰ為主的brGDGTs被沖刷至湖泊，從而覆蓋以Ⅱ?yàn)橹鞯暮闯练e物，至于降水對湖泊水體GDGTs分布有如此直接的影響，可能與該湖泊水深較淺，更易受外界水源輸入的影響有關(guān)[44]. 此外，水深以及富營養(yǎng)化等因素也在一定程度上影響著水體GDGTs的分布，如中國東部火山湖泊不同深度水體中，水深與Ⅲa、Ia之間分別存在著明顯的正、負(fù)相關(guān)的關(guān)系，brGDGTs組分的變化可以反映湖泊水體中氧化還原條件的變化，指示水體中DO濃度特征[48]，而水體的富營養(yǎng)化以及氧化還原分層等作用在一定程度上推動合成brGDGTs細(xì)菌的生長和繁盛等[32].

4 結(jié)論

本文主要聚焦微生物膜脂來源的四醚類化合物在湖泊水體中的分布研究，分別介紹來源于古菌的isoGDGTs以及細(xì)菌的brGDGTs在湖泊不同深度水體中的分布特征，包括濃度以及各組分相對濃度隨水深的變化情況研究，此外還歸納總結(jié)湖泊水體中不同類型GDGTs的生物來源問題分析，以及影響湖泊水體GDGTs分布的主要因素等. 雖然相較于在全球尺度上廣泛開展的湖泊沉積物研究，湖泊水體GDGTs的研究工作起步尚晚，但前人這10年來對湖泊水體GDGTs的研究表明，GDGTs幾乎分布在湖泊水體的所有層位，水深影響水體GDGTs濃度以及各組分的變化，并且不同類型湖泊GDGTs隨水深變化的規(guī)律并不一致，在大多數(shù)湖泊會呈現(xiàn)顯著增加或者減少的變化，而在某些湖泊則并沒有發(fā)生明顯的變化，這可能與不同湖泊水體中GDGTs的生物來源以及環(huán)境條件(溫度、含氧量、營養(yǎng)程度等)的差異有關(guān). 關(guān)于水體isoGDGTs的生物來源問題，除了水體中廣泛分布的奇古菌Thaumarchaeota、產(chǎn)甲烷古菌Methanogens以外，其他類型的泉古菌如MBG-C和MCG、以及廣古菌等也能合成isoGDGTs. 而水體中brGDGTs的生物來源，可能與土壤以及泥炭中的研究結(jié)果類似，即大多來源于酸桿菌Acidobacteria的貢獻(xiàn)，然而在某些湖泊，水體中酸桿菌Acidobacteria的豐度與brGDGTs濃度之間的關(guān)系并不顯著，因此酸桿菌可能并不是此類湖泊水體brGDGTs的主要生物來源.

當(dāng)然，湖泊水體GDGTs研究中也存在著其他亟需解決的問題，例如利用水體GDGTs分布定量重建溫度時往往出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象，即基于SPM或者沉積物捕獲器中GDGTs的分布所恢復(fù)的溫度，雖然與實(shí)測溫度吻合，但往往與實(shí)測溫度之間出現(xiàn)時間上的錯位，究竟這種滯后效應(yīng)是否具有普遍性，以及不同湖泊的滯后時間是否一致，并且如何量化等問題. 此外湖泊水體GDGTs具體生物來源問題，以及不同生物來源GDGTs對溫度或者其他環(huán)境因素響應(yīng)問題，還有湖泊周邊土壤GDGTs對水體GDGTs貢獻(xiàn)率以及湖泊水體GDGTs對湖泊沉積物的貢獻(xiàn)率問題等，均需要進(jìn)一步研究.

致謝：感謝中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所姚遠(yuǎn)博士在論文撰寫過程中提供的幫助.