Origin and fate of methane in the Eastern Tropical North Pacific oxygen minimum zone

東熱帶北太平洋最小低氧帶甲烷的成因

來(lái)源：The ISME Journal (2017) 11, 1386–1399

 

論文摘要

本論文摘要指出，海洋缺氧區(qū)（OMZs）蘊(yùn)藏著海洋中最大的甲烷庫(kù)，但其來(lái)源和歸宿卻知之甚少。本研究針對(duì)全球最大的OMZ——東熱帶北太平洋（ETNP）展開(kāi)。高分辨率水體剖面顯示，在ETNP缺氧核心區(qū)存在一個(gè)300米厚的甲烷高值層（20-105 nM）。沉積物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)確定，當(dāng)OMZ與大陸架在350至650米水深處相交時(shí)，海底是一個(gè)清晰的甲烷來(lái)源，其通量反映了上覆缺氧水體中的甲烷濃度。進(jìn)一步的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，在孔隙水中同時(shí)存在硫酸鹽和硝酸鹽的情況下，沉積物表層具有高達(dá)88 nmol g?1 day?1的產(chǎn)甲烷潛力。在這些產(chǎn)甲烷沉積物中，大多數(shù)（85%）的甲基輔酶M還原酶α亞基（mcrA）基因序列與甲烷八疊球菌科（Methanosarcinaceae）聚為一支，該科能夠進(jìn)行非競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)甲烷作用。使用13C-CH?進(jìn)行的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，在OMZ內(nèi)部及上方的水體中均存在好氧和厭氧甲烷氧化的潛力。好氧和厭氧甲烷氧化分別通過(guò)顆粒性甲烷單加氧酶（pmoA）基因序列的存在得到證實(shí)，這些序列分別與已知可進(jìn)行亞硝酸鹽依賴的厭氧甲烷氧化（N-DAMO）的I型甲烷氧化菌和“Candidatus Methylomirabilis oxyfera”譜系相關(guān)。

研究目的

本研究旨在解決一個(gè)核心科學(xué)問(wèn)題：在廣闊的東熱帶北太平洋缺氧區(qū)中，甲烷的具體來(lái)源和消耗途徑是什么？具體目標(biāo)包括：

 

定位甲烷來(lái)源：通過(guò)直接測(cè)量，確定海底沉積物是否是該OMZ中溶解甲烷的主要來(lái)源。

量化產(chǎn)生與消耗過(guò)程：直接測(cè)量和量化沉積物的產(chǎn)甲烷速率和水柱中的甲烷氧化速率（包括好氧和厭氧過(guò)程）。

識(shí)別關(guān)鍵微生物：通過(guò)分子生物學(xué)方法（如mcrA和pmoA基因分析），識(shí)別負(fù)責(zé)產(chǎn)甲烷和甲烷氧化的關(guān)鍵微生物類群。

闡明環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子：探究底層水溶解氧濃度等環(huán)境因素如何控制甲烷的生成和釋放通量。

 

評(píng)估環(huán)境意義：評(píng)估生物甲烷氧化作為一道“屏障”，在阻止海底產(chǎn)生的甲烷釋放到大氣中所起的作用。

 

研究思路

研究遵循了“野外觀測(cè)-控制實(shí)驗(yàn)-機(jī)理驗(yàn)證”的系統(tǒng)思路：

 

大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)采樣：在ETNP進(jìn)行了兩次航次，使用CTD采水器和多管取樣器采集了從海面到海底（最深5320米）的水體和沉積物樣品，覆蓋了從陸坡到海盆的各種環(huán)境。

高分辨率地球化學(xué)剖面：構(gòu)建了水體中甲烷（CH?）、氧氣（O?）、亞硝酸鹽（NO??）等的高分辨率垂直剖面（圖1），以精確描繪OMZ的空間結(jié)構(gòu)并定位甲烷富集區(qū)。

 

沉積物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)：

 

通量測(cè)量：利用原狀沉積物柱進(jìn)行培養(yǎng)，測(cè)量沉積物-水界面的甲烷擴(kuò)散通量。

 

產(chǎn)甲烷潛力：制備沉積物漿液，在厭氧條件下培養(yǎng)，直接測(cè)定不同深度沉積物的產(chǎn)甲烷速率。

 

水體培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)：

 

使用13C標(biāo)記的甲烷（13C-CH?）作為示蹤劑，在不同深度水樣中進(jìn)行培養(yǎng)，通過(guò)檢測(cè)產(chǎn)生的13C標(biāo)記的無(wú)機(jī)碳（13C-DIC）來(lái)量化甲烷氧化潛力。

 

設(shè)置了短期（數(shù)天）和長(zhǎng)期（5個(gè)月）培養(yǎng)，以捕捉不同的微生物響應(yīng)。還嘗試了添加1?N標(biāo)記的亞硝酸鹽（1?N-NO??）來(lái)探究厭氧甲烷氧化（N-DAMO）。

 

分子生物學(xué)分析：對(duì)水體和沉積物樣品進(jìn)行DNA分析，通過(guò)測(cè)序mcrA（產(chǎn)甲烷菌標(biāo)志基因）和pmoA（好氧甲烷氧化菌標(biāo)志基因）等功能基因，揭示相關(guān)微生物群落的組成和多樣性（圖3，圖5）。

 

 

數(shù)據(jù)整合：將地球化學(xué)速率測(cè)量結(jié)果與微生物群落數(shù)據(jù)相結(jié)合，為甲烷的生物地球化學(xué)循環(huán)提供機(jī)制性的解釋。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測(cè)量了多個(gè)方面的數(shù)據(jù)，其意義和來(lái)源如下（數(shù)據(jù)均引用自文檔中的圖表）：

 

水體地球化學(xué)剖面（揭示甲烷的宏觀分布與缺氧區(qū)結(jié)構(gòu)）

 

測(cè)量指標(biāo)：水體中甲烷（CH?）、氧氣（O?）、亞硝酸鹽（NO??）的濃度垂直分布。

研究意義：圖1是關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，它清晰地顯示甲烷濃度在OMZ的缺氧核心（230-600米）出現(xiàn)顯著峰值，最高達(dá)102 nM，這直接證明了OMZ是一個(gè)重要的甲烷儲(chǔ)庫(kù)。該剖面將甲烷的富集與特定的氧化還原環(huán)境（O?耗盡，NO??二次最大值出現(xiàn)）聯(lián)系起來(lái)，為后續(xù)探究其來(lái)源和消耗提供了空間框架。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖1。

 

沉積物-水界面甲烷通量（直接證實(shí)海底是甲烷源）

 

測(cè)量指標(biāo)：通過(guò)原狀沉積物柱培養(yǎng)計(jì)算的甲烷釋放速率。

研究意義：圖2a表明，所有采樣點(diǎn)沉積物都向水體釋放甲烷，通量范圍在162-1007 nmol m?2 day?1之間，且在底層水缺氧（O?低于檢測(cè)限）的站點(diǎn)通量最高。圖2b進(jìn)一步顯示沉積物甲烷通量與上覆底層水甲烷濃度呈正相關(guān)，強(qiáng)有力地證明了海底沉積物是水柱甲烷的重要來(lái)源。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2a, b。

 

沉積物產(chǎn)甲烷潛力（揭示產(chǎn)甲烷活動(dòng)的活性和深度分布）

 

測(cè)量指標(biāo)：沉積物漿液在厭氧培養(yǎng)中產(chǎn)生甲烷的速率。

研究意義：圖2c和 表1的數(shù)據(jù)表明，產(chǎn)甲烷活性主要集中在沉積物最表層（0-2厘米），速率最高可達(dá)88 nmol g?1 day?1，并隨深度迅速降低。更重要的是，這種高產(chǎn)甲烷速率是在孔隙水中同時(shí)存在高濃度硫酸鹽和硝酸鹽的情況下發(fā)生的，這強(qiáng)烈暗示了非競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)甲烷途徑的主導(dǎo)地位。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2c和 表1。

 

甲烷氧化潛力（量化水柱甲烷的消耗過(guò)程）

 

測(cè)量指標(biāo)：通過(guò)13C-CH?培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中13C-DIC的產(chǎn)生速率來(lái)評(píng)估甲烷氧化潛力。

研究意義：圖4a, b和 表2的數(shù)據(jù)證明，無(wú)論是在OMZ上層低氧環(huán)境還是核心厭氧環(huán)境的水體中，都存在活躍的甲烷氧化潛力，速率可達(dá)3.0-5.9 nmol l?1 day?1。劑量反應(yīng)實(shí)驗(yàn)（圖4b）表明甲烷氧化菌群在不同甲烷濃度下都能發(fā)揮作用。某些添加了1?N-NO??的培養(yǎng)中檢測(cè)到1?N-N?的產(chǎn)生，提示可能存在N-DAMO過(guò)程，但證據(jù)不如好氧氧化明確。

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖4a, b和 表2。

 

微生物群落結(jié)構(gòu)（從基因?qū)用孀C實(shí)關(guān)鍵過(guò)程的存在）

 

測(cè)量指標(biāo)：mcrA和pmoA功能基因的序列和系統(tǒng)發(fā)育分析。

研究意義：圖3a顯示沉積物中的產(chǎn)甲烷菌優(yōu)勢(shì)類群為甲烷八疊球菌科（Methanosarcinaceae），它們正是已知的非競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)甲烷菌，這從微生物角度完美印證了培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的推斷。圖5a則表明水體中存在多樣化的好氧甲烷氧化菌（主要是I型）和與N-DAMO相關(guān)的微生物（如Candidatus Methylomirabilis oxyfera），為測(cè)得的甲烷氧化潛力提供了生物學(xué)依據(jù)。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖3a和 圖5a。

 

研究結(jié)論

 

沉積物是主要甲烷源：本研究首次在ETNP OMZ提供了沉積物是水柱甲烷主要來(lái)源的直接證據(jù)。產(chǎn)甲烷活動(dòng)主要集中在沉積物表層，即使存在硫酸鹽和硝酸鹽，仍能高效進(jìn)行。

非競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)甲烷占主導(dǎo)：高通量的產(chǎn)甲烷作用在富含硫酸鹽的沉積物中發(fā)生，且優(yōu)勢(shì)菌群為甲烷八疊球菌科，共同表明非競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)甲烷途徑（利用甲基化合物如甲基胺等）是該區(qū)域主要的產(chǎn)甲烷方式，這打破了傳統(tǒng)認(rèn)為硫酸鹽還原會(huì)抑制產(chǎn)甲烷的觀點(diǎn)。

水柱氧化是重要甲烷匯：水柱中存在活躍的好氧和潛在的厭氧甲烷氧化作用，構(gòu)成了阻止甲烷向大氣釋放的有效生物屏障。好氧氧化是主要途徑，而厭氧氧化（N-DAMO）也可能存在但貢獻(xiàn)相對(duì)較小。

環(huán)境控制通量：沉積物甲烷釋放通量受底層水氧含量強(qiáng)烈控制，在OMZ與海床相交的缺氧底層水區(qū)域通量最大。

 

微生物功能驅(qū)動(dòng)循環(huán)：甲烷的生成和消耗是由特定的微生物功能類群驅(qū)動(dòng)的，其群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境條件相適應(yīng)。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense電極（特指氧微電極）的應(yīng)用對(duì)于實(shí)驗(yàn)的精確性和結(jié)論的可靠性起到了關(guān)鍵的支撐作用，其研究意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

 

精確控制培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)條件的關(guān)鍵工具：在研究沉積物-水界面甲烷通量的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中（圖2a, b），一個(gè)至關(guān)重要的步驟是在培養(yǎng)開(kāi)始前，對(duì)沉積物柱的上覆水進(jìn)行脫氧（通過(guò)鼓入無(wú)氧氮?dú)猓榱舜_保所有培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)都在一致且嚴(yán)格的缺氧條件下進(jìn)行，并確認(rèn)環(huán)境甲烷已被有效清除，研究人員使用Unisense氧微電極來(lái)實(shí)時(shí)、精確地監(jiān)測(cè)上覆水中的氧氣濃度。原文提到：“...to ensure all cores were incubated under the same hypoxic conditions (precise concentration verified using an oxygen micro-sensor, Unisense, Aarhus, Denmark)”。這種高精度的控制排除了氧氣波動(dòng)對(duì)產(chǎn)甲烷菌活性（嚴(yán)格厭氧）和甲烷氧化過(guò)程的干擾，從而保證了測(cè)得的甲烷通量準(zhǔn)確反映了沉積物在天然缺氧狀態(tài)下的真實(shí)釋放速率。

保障“非競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)甲烷”推斷的可靠性：本研究的一個(gè)核心結(jié)論是“非競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)甲烷”占主導(dǎo)。這一結(jié)論的前提是沉積物環(huán)境確實(shí)是缺氧的。如果脫氧不徹底，微量的氧氣可能抑制產(chǎn)甲烷菌或促進(jìn)好氧氧化，從而低估產(chǎn)甲烷速率。Unisense微電極提供的高靈敏度氧濃度檢測(cè)（文獻(xiàn)中提到其檢測(cè)限LOD約為1.4 μmol L?1），確保了培養(yǎng)體系達(dá)到了產(chǎn)甲烷所需的最佳厭氧狀態(tài)。這使得觀測(cè)到的高產(chǎn)甲烷速率（即使在硫酸鹽存在下）這一現(xiàn)象更加可信，從而強(qiáng)化了“非競(jìng)爭(zhēng)性途徑”這一機(jī)理推斷的說(shuō)服力。

 

輔助界定原位氧化還原環(huán)境：雖然文中未明確提及用微電極進(jìn)行沉積物剖面掃描，但使用此類高精度傳感器驗(yàn)證培養(yǎng)體系的條件，間接支持了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的描述。例如，確認(rèn)培養(yǎng)用的上覆水與現(xiàn)場(chǎng)底層水的氧濃度狀態(tài)一致，有助于將實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的通量與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的甲烷高值區(qū)（圖1）進(jìn)行更可靠的關(guān)聯(lián)。

 

綜上所述，丹麥Unisense氧微電極在本研究中并非用于生成直接的科學(xué)圖表，而是作為一種頂級(jí)的質(zhì)控工具。它通過(guò)確保關(guān)鍵培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)在嚴(yán)格受控的缺氧條件下進(jìn)行，為獲得準(zhǔn)確、可靠的甲烷通量和產(chǎn)甲烷潛力數(shù)據(jù)提供了根本保障。這種對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的精細(xì)控制，是本研究能夠得出“沉積物是重要甲烷源”和“非競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)甲烷主導(dǎo)”等堅(jiān)實(shí)結(jié)論的重要技術(shù)基礎(chǔ)，凸顯了高質(zhì)量方法學(xué)在尖端地球微生物學(xué)研究中的不可或缺性。