Efficiency and adaptability of the benthic methane filter at Quepos Slide cold seeps, offshore of Costa Rica

哥斯達(dá)黎加近海Quepos滑塌冷泉區(qū)底棲甲烷過濾系統(tǒng)的效率與適應(yīng)性

來源：Biogeosciences, 12, 6687–6706, 2015

 

摘要

摘要指出，在哥斯達(dá)黎加俯沖帶侵蝕性前弧區(qū)域，大量甲烷通過流體輸送至沉積物表面形成冷泉。Quepos Slide是一個(gè)由海底山俯沖引發(fā)的滑坡區(qū)域，該區(qū)域的底棲微生物通過厭氧氧化甲烷（AOM）過程高效消耗流體中的甲烷。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和數(shù)值模擬顯示，Quepos Slide的AOM速率范圍為12.9±6.0至45.2±11.5 mmol m?2 d?1，僅有1%至2.5%的甲烷釋放到水體中。此外，作者利用新型沉積物流通系統(tǒng)（SLOT）模擬流體和甲烷通量增加的情景，發(fā)現(xiàn)底棲甲烷過濾器在約170天內(nèi)表現(xiàn)出高適應(yīng)性，能夠快速響應(yīng)流體流動(dòng)變化。

研究目的

本研究旨在探究流體流動(dòng)對(duì)Quepos Slide冷泉區(qū)甲烷消耗和排放的影響，評(píng)估底棲微生物甲烷過濾器的效率及其對(duì)流體動(dòng)態(tài)變化的響應(yīng)能力。

研究思路

研究采用多方法結(jié)合的策略：

 

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查：通過視頻引導(dǎo)的多管采樣器獲取沉積物巖心，分析孔隙水化學(xué)和微生物速率。

數(shù)值模擬：建立一維傳輸反應(yīng)模型，模擬孔隙水剖面，估算流體流速和AOM速率。

 

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)：使用SLOT系統(tǒng)模擬不同流體流速（低流速10.6 cm yr?1和高流速106.3 cm yr?1），監(jiān)測(cè)硫酸鹽-甲烷過渡帶（SMTZ）的動(dòng)態(tài)變化和甲烷氧化效率。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（附圖表來源）

 

孔隙水化學(xué)參數(shù)：

 

硫酸鹽（SO?2?）和甲烷（CH?）濃度：用于確定SMTZ深度。例如，SO206-29站位的SMTZ位于17.5 cmbsf（圖1a），而SO206-31站位的SMTZ更淺（5-15 cmbsf）（圖2a）。這些數(shù)據(jù)揭示了流體流動(dòng)對(duì)甲烷遷移路徑的控制作用。

硫化物（H?S）和總堿度（TA）：作為AOM和硫酸鹽還原的副產(chǎn)物，其峰值出現(xiàn)在SMTZ內(nèi)（圖1d、圖2d），反映了微生物活動(dòng)的強(qiáng)度。

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖1（a, d）和圖2（a, d）展示了現(xiàn)場(chǎng)孔隙水剖面。

 

微生物速率：

 

AOM和硫酸鹽還原速率：通過放射性示蹤技術(shù)（1?CH?和3?SO?2?）測(cè)量。SO206-31站位的AOM峰值達(dá)1400 nmol cm?3 d?1（圖2c），表明該區(qū)域甲烷循環(huán)極為活躍。

 

數(shù)據(jù)來源：圖1（b, c）和圖2（b, c）顯示了微生物速率的垂直分布。

 

流體流速與甲烷通量：

 

數(shù)值模型估算的流體流速為5-29 cm yr?1（表2），而SLOT實(shí)驗(yàn)通過溴化物（Br?）示蹤監(jiān)測(cè)SMTZ遷移（圖3d、圖4a）。高流速條件下，SMTZ抬升至更淺深度（圖4g），證明流體流動(dòng)是控制甲烷氧化效率的關(guān)鍵因素。

 

 

 

數(shù)據(jù)來源：表2總結(jié)了模型參數(shù)；圖3和圖4展示了SLOT實(shí)驗(yàn)中硫酸鹽-溴化物過渡帶（SBTZ）的演化。

 

沉積物特性：

 

 

總有機(jī)碳（TOC）、總無機(jī)碳（TIC）和C/N比值（圖8、圖9）用于評(píng)估有機(jī)質(zhì)降解對(duì)硫酸鹽還原的貢獻(xiàn)。高C/N比值（8.67-9.43）表明沉積物經(jīng)歷顯著微生物降解。

 

結(jié)論

 

Quepos Slide的底棲甲烷過濾器極其高效，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量顯示90%以上的甲烷被AOM消耗。

SLOT實(shí)驗(yàn)證明，微生物群落能快速適應(yīng)流體流動(dòng)變化：高流速條件下，SMTZ變窄但AOM速率升高，甲烷氧化效率在170天內(nèi)恢復(fù)至99%。

 

突發(fā)性事件（如地震或天然氣水合物分解）可能導(dǎo)致甲烷通量短期增加，但已建立的甲烷氧化菌群可迅速響應(yīng)，限制甲烷釋放。

 

Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

論文中使用丹麥Unisense的硫化氫微電極（H?S-N型，尖端直徑0.8 mm）監(jiān)測(cè)沉積物中硫化物的動(dòng)態(tài)變化。這些數(shù)據(jù)的研究意義如下：

 

高分辨率監(jiān)測(cè)：微電極提供了毫米級(jí)精度的硫化物濃度剖面（圖3b、e、h、k、n、q；圖4b、e、h、k、n、q），揭示了SMTZ內(nèi)硫化物的生成與消耗過程。例如，在低流速核心（LFC）中，硫化物峰值達(dá)920 μmol L?1（圖3k），而在高流速核心（HFC）中峰值較低（<500 μmol L?1），表明流體流動(dòng)抑制了硫化物的積累。

指示微生物活動(dòng)：硫化物濃度變化直接反映AOM和硫酸鹽還原的強(qiáng)度。峰值出現(xiàn)于SMTZ內(nèi)（如LFC中4.5-5.5 cmbsf處，圖3q），證實(shí)了該區(qū)域?yàn)槲⑸锘钴S帶。

揭示氧化機(jī)制：硫化物在沉積物-水界面處的降低（圖4q）可能源于化學(xué)合成細(xì)菌（如Beggiatoa）利用硝酸鹽氧化硫化物，這有助于理解冷泉生態(tài)系統(tǒng)的能量循環(huán)。

 

系統(tǒng)適應(yīng)性評(píng)估：通過連續(xù)監(jiān)測(cè)硫化物動(dòng)態(tài)，作者發(fā)現(xiàn)微生物群落在流體變化后能快速調(diào)整硫化物生成速率，進(jìn)一步驗(yàn)證了底棲甲烷過濾器的適應(yīng)性。

 

綜上，Unisense電極的數(shù)據(jù)不僅提供了關(guān)鍵的地球化學(xué)證據(jù)，還深化了對(duì)冷泉生態(tài)系統(tǒng)微生物響應(yīng)機(jī)制的理解。