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

北太平洋東部熱帶低氧區(qū)的甲烷的來源與歸宿

來源：The ISME Journal,2017, 1–14

 

論文摘要

摘要指出，海洋缺氧區(qū)（OMZs）蘊(yùn)藏著海洋中最大的甲烷庫，但其來源和歸宿尚不清楚。本研究通過高分辨率水柱剖面，在全球最大的OMZ——東熱帶北太平洋（ETNP）的缺氧核心區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)300米厚的甲烷富集層（濃度20-105 nM）。沉積物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)確定了一個(gè)清晰的底棲甲烷源，位于OMZ與大陸架交匯處（350-650米水深），其通量反映了上覆缺氧水體的甲烷濃度。進(jìn)一步的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表征了沉積物表層（即使在孔隙水中存在硫酸鹽和硝酸鹽的情況下）高達(dá)88 nmol g?1 day?1的產(chǎn)甲烷潛力。分子分析表明，這些產(chǎn)甲烷沉積物中的絕大多數(shù)（85%）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）聚類，該科能夠進(jìn)行非競爭性產(chǎn)甲烷作用。使用13C-CH?的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，在OMZ內(nèi)部及上方的水體中存在好氧和厭氧甲烷氧化的潛力。好氧和厭氧甲烷氧化的證據(jù)分別得到了顆粒性甲烷單加氧酶（pmoA）基因序列（與I型甲烷氧化菌和能夠進(jìn)行亞硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化（N-DAMO）的Candidatus Methylomirabilis oxyfera譜系相關(guān)）的證實(shí)。

研究目的

本研究的主要目的是：

 

定位甲烷來源：直接確定ETNP OMZ中大量甲烷的起源，是來自水體中有機(jī)質(zhì)的分解，還是來自沿海或底棲來源。

量化關(guān)鍵過程：通過培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定同位素示蹤，直接測量沉積物的甲烷通量、產(chǎn)甲烷潛力以及水柱中的甲烷氧化速率，這是首次在海洋OMZ中進(jìn)行此類直接測量。

驗(yàn)證核心假設(shè)：驗(yàn)證所有沉積物都含有活性產(chǎn)甲烷菌，但其活性受底層水溶解氧濃度控制；同時(shí)，從沉積物釋放的甲烷在向OMZ邊緣運(yùn)移過程中，會(huì)被好氧和/或厭氧甲烷氧化菌氧化。

 

結(jié)合多學(xué)科證據(jù)：將生物地球化學(xué)測量數(shù)據(jù)與分子微生物學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合，以更全面地理解全球最大OMZ中甲烷的起源和歸宿。

 

研究思路

研究遵循了“大范圍觀測-聚焦機(jī)制-多方法驗(yàn)證”的思路：

 

區(qū)域調(diào)查：進(jìn)行了兩次海上考察，首次（D373）沿92.5°W設(shè)置了6個(gè)“離岸”站點(diǎn)，重點(diǎn)構(gòu)建水柱剖面（0-4000米），以界定OMZ范圍并定位甲烷峰值區(qū)。

重點(diǎn)采樣：第二次（JC097）集中在危地馬拉海岸外70-150公里的大陸架和斜坡區(qū)域，同時(shí)采集沉積物和水柱樣品。

過程量化：

 

沉積物作為甲烷源：使用沉積物柱狀樣培養(yǎng)，量化了沉積物-水界面的甲烷通量；通過沉積物泥漿培養(yǎng)，測定了不同深度層的產(chǎn)甲烷潛力。

 

水柱甲烷匯：使用13C標(biāo)記的甲烷進(jìn)行水樣培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，量化了好氧和厭氧甲烷氧化的潛力，并設(shè)置了劑量響應(yīng)實(shí)驗(yàn)和N-DAMO驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

 

微生物群落分析：對水體和沉積物樣品進(jìn)行DNA提取，通過分析mcrA（產(chǎn)甲烷菌標(biāo)志基因）和pmoA（甲烷氧化菌標(biāo)志基因）的基因序列，揭示了驅(qū)動(dòng)上述生物地球化學(xué)過程的微生物群落組成和分布。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測量了多個(gè)方面的數(shù)據(jù)，其意義和來源如下：

 

水柱剖面數(shù)據(jù)（揭示甲烷分布與OMZ結(jié)構(gòu)）

 

測量指標(biāo)：溶解氧（DO）、甲烷（CH?）、亞硝酸鹽（NO??）的高分辨率垂直剖面。

研究意義：這些數(shù)據(jù)清晰地展示了ETNP OMZ的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)（圖1a, c），并明確顯示甲烷在缺氧核心區(qū)（230-600米）大量積累（圖1b），濃度遠(yuǎn)高于大氣平衡值，最高值出現(xiàn)在靠近沉積物的底層水中。這直接表明OMZ是甲烷的“儲(chǔ)庫”，并將甲烷源指向了與大陸架相交的沉積物區(qū)域。

 

數(shù)據(jù)來源：圖1。

 

沉積物甲烷通量與產(chǎn)甲烷潛力（直接證明底棲甲烷源）

 

測量指標(biāo)：沉積物核心釋放的甲烷通量；不同深度沉積物泥漿的產(chǎn)甲烷速率；孔隙水化學(xué)（硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽）和硫化氫（H?S）剖面。

研究意義：通量數(shù)據(jù)（圖2a）表明甲烷釋放通量在OMZ與海床接觸處（350-650米）最高，且通量與底層水甲烷濃度呈正相關(guān)（圖2b），強(qiáng)有力地證明了沉積物是水柱甲烷的重要來源。產(chǎn)甲烷潛力數(shù)據(jù)（圖2c和表1）發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷活動(dòng)主要集中在沉積物最表層（0-2厘米），盡管該層存在高濃度的硫酸鹽和硝酸鹽，這暗示了非競爭性產(chǎn)甲烷作用的主導(dǎo)地位。H?S的檢測表明存在活躍的硫酸鹽還原過程。

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖2a, b, c和 表1。

 

微生物基因序列（揭示驅(qū)動(dòng)過程的微生物群落）

 

測量指標(biāo)：沉積物中的mcrA基因序列（產(chǎn)甲烷菌）；水體中的pmoA基因序列（甲烷氧化菌）。

研究意義：圖3a的系統(tǒng)發(fā)育樹顯示產(chǎn)甲烷菌群落以甲烷八疊球菌科（Methanosarcinaceae）為主，這類菌可利用甲基化合物進(jìn)行非競爭性產(chǎn)甲烷，從微生物角度解釋了為何在硫酸鹽存在下仍能產(chǎn)甲烷。圖5a顯示好氧甲烷氧化菌主要為I型，且檢測到與N-DAMO相關(guān)的序列，從分子水平證實(shí)了水體中存在好氧和厭氧甲烷氧化的潛力。主坐標(biāo)分析（PCoA）（圖3b, 5b）展示了群落結(jié)構(gòu)的差異。

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖3和 圖5。

 

水柱甲烷氧化潛力（量化甲烷的生物消耗過程）

 

測量指標(biāo)：在添加13C-CH?的水樣培養(yǎng)中產(chǎn)生的13C標(biāo)記溶解無機(jī)碳（13C-DIC）和（在N-DAMO實(shí)驗(yàn)中）1?N標(biāo)記氮?dú)猓??N-N?）。

研究意義：短期培養(yǎng)（圖4a）直接測得了甲烷氧化速率，證明該過程確實(shí)發(fā)生。長期培養(yǎng)和劑量響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（圖4b和 表2）表明甲烷氧化菌群落在較寬的甲烷濃度范圍內(nèi)都有活性，并估算了原位環(huán)境下的氧化速率。盡管N-DAMO的化學(xué)計(jì)量關(guān)系不典型，但13C-DIC和1?N-N?的同時(shí)產(chǎn)生表明存在與反硝化相關(guān)的甲烷氧化過程。

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖4和 表2。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

在研究中，Unisense微電極被用于兩項(xiàng)關(guān)鍵測量，其研究意義在于提供了高時(shí)空分辨率的原位微環(huán)境信息：

 

沉積物培養(yǎng)中溶解氧的精確控制與監(jiān)測：在沉積物通量培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員在密封培養(yǎng)前，使用氮?dú)獯祾呱细菜匀コ鯕狻４藭r(shí)，他們使用Unisense氧微電極來驗(yàn)證吹掃后水體的缺氧狀態(tài)（“precise concentration verified using an oxygen micro-sensor, Unisense”）。這確保了所有培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的初始氧化還原條件一致且可控，這對于準(zhǔn)確測量對氧氣極其敏感的產(chǎn)甲烷過程和甲烷通量至關(guān)重要。沒有這種精確測量，實(shí)驗(yàn)條件的微小差異可能導(dǎo)致結(jié)果不可比或產(chǎn)生偏差。

沉積物孔隙水硫化氫（H?S）剖面的高分辨率測量：在部分沉積物柱中，研究人員從側(cè)面將Unisense H?S微電極插入沉積物，以2厘米為間隔測量了H?S的濃度剖面（“inserting a calibrated, miniaturised amperometric sensor(Unisense) into an extruded portion of the core, from the side, at 2cm intervals”）。這項(xiàng)測量結(jié)果（如圖2c中的空心三角所示）揭示了硫酸鹽還原這一重要厭氧過程的產(chǎn)物（H?S）在沉積物中的分布。其意義在于：

 

界定生化活動(dòng)區(qū)：H?S峰值的出現(xiàn)深度（如25厘米處）指示了硫酸鹽還原活躍區(qū)的下界。

 

印證產(chǎn)甲烷環(huán)境：數(shù)據(jù)顯示產(chǎn)甲烷潛力最大的表層（0-2厘米）位于H?S峰值之上很遠(yuǎn)的位置（>20厘米），這證實(shí)了產(chǎn)甲烷活動(dòng)發(fā)生在硫酸鹽還原帶之前或之上，符合海洋沉積物的經(jīng)典生化分層理論，進(jìn)一步支持了非競爭性產(chǎn)甲烷是表層產(chǎn)甲烷主要途徑的結(jié)論。

 

總之，Unisense微電極的使用不僅保證了實(shí)驗(yàn)條件的嚴(yán)謹(jǐn)性，更重要的是，它提供了關(guān)于沉積物內(nèi)部微環(huán)境的高分辨率“快照”，這對于理解甲烷產(chǎn)生時(shí)伴隨的復(fù)雜生物地球化學(xué)循環(huán)（如硫循環(huán)）及其空間關(guān)系具有不可替代的價(jià)值。

研究結(jié)論

 

明確的底棲甲烷源：沉積物，特別是大陸架斜坡（350-650米）的表層沉積物，是ETNP OMZ中甲烷的主要來源。其產(chǎn)甲烷潛力很高，且主要由能夠進(jìn)行非競爭性產(chǎn)甲烷的甲烷八疊球菌科所驅(qū)動(dòng)。

甲烷的遷移與積累：底棲產(chǎn)生的甲烷進(jìn)入水體，在OMZ的缺氧核心區(qū)（230-600米）積累形成甲烷富集層，并可以持續(xù)到離岸數(shù)百公里處。

活躍的水柱甲烷氧化：水柱中存在好氧和厭氧甲烷氧化過程，作為“生物過濾器”消耗甲烷，限制了其向大氣的釋放。檢測到的甲烷氧化菌群落（I型好氧菌和N-DAMO相關(guān)厭氧菌）支持了這一結(jié)論。

氧化還原環(huán)境的關(guān)鍵作用：底層水的氧濃度是控制沉積物甲烷釋放通量的關(guān)鍵因素。在缺氧水體覆蓋的沉積物區(qū)，甲烷通量最大。

 

對全球變化的啟示：在氣候變暖導(dǎo)致OMZ擴(kuò)大的背景下，底棲甲烷源可能增強(qiáng)，并更靠近海表，而水柱甲烷氧化過程的效率將決定最終有多少甲烷進(jìn)入大氣，從而影響全球氣候變化。

 

綜上所述，本研究通過多學(xué)科方法證實(shí)了ETNP OMZ中的甲烷主要來自大陸架邊緣沉積物的微生物產(chǎn)甲烷作用，并揭示了水柱中復(fù)雜的甲烷消耗過程，為了解海洋甲烷循環(huán)及其對氣候變化的反饋提供了重要見解。