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

來源：The ISME Journal (2017) 11, 1386–1399

 

論文摘要

本論文摘要指出，海洋缺氧區（OMZs）蘊藏著海洋中最大的甲烷庫，但其來源和歸宿卻知之甚少。本研究針對全球最大的OMZ——東熱帶北太平洋（ETNP）展開。高分辨率水體剖面顯示，在ETNP缺氧核心區存在一個300米厚的甲烷高值層（20-105 nM）。沉積物培養實驗確定，當OMZ與大陸架在350至650米水深處相交時，海底是一個清晰的甲烷來源，其通量反映了上覆缺氧水體中的甲烷濃度。進一步的培養實驗表明，在孔隙水中同時存在硫酸鹽和硝酸鹽的情況下，沉積物表層具有高達88 nmol g?1 day?1的產甲烷潛力。在這些產甲烷沉積物中，大多數（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，該科能夠進行非競爭性產甲烷作用。使用13C-CH?進行的培養實驗表明，在OMZ內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顆粒性甲烷單加氧酶（pmoA）基因序列的存在得到證實，這些序列分別與已知可進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。

研究目的

本研究旨在解決一個核心科學問題：在廣闊的東熱帶北太平洋缺氧區中，甲烷的具體來源和消耗途徑是什么？具體目標包括：

 

定位甲烷來源：通過直接測量，確定海底沉積物是否是該OMZ中溶解甲烷的主要來源。

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

識別關鍵微生物：通過分子生物學方法（如mcrA和pmoA基因分析），識別負責產甲烷和甲烷氧化的關鍵微生物類群。

闡明環境驅動因子：探究底層水溶解氧濃度等環境因素如何控制甲烷的生成和釋放通量。

 

評估環境意義：評估生物甲烷氧化作為一道“屏障”，在阻止海底產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-控制實驗-機理驗證”的系統思路：

 

大規模現場采樣：在ETNP進行了兩次航次，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境。

高分辨率地球化學剖面：構建了水體中甲烷（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的空間結構并定位甲烷富集區。

 

沉積物培養實驗：

 

通量測量：利用原狀沉積物柱進行培養，測量沉積物-水界面的甲烷擴散通量。

 

產甲烷潛力：制備沉積物漿液，在厭氧條件下培養，直接測定不同深度沉積物的產甲烷速率。

 

水體培養實驗：

 

使用13C標記的甲烷（13C-CH?）作為示蹤劑，在不同深度水樣中進行培養，通過檢測產生的13C標記的無機碳（13C-DIC）來量化甲烷氧化潛力。

 

設置了短期（數天）和長期（5個月）培養，以捕捉不同的微生物響應。還嘗試了添加1?N標記的亞硝酸鹽（1?N-NO??）來探究厭氧甲烷氧化（N-DAMO）。

 

分子生物學分析：對水體和沉積物樣品進行DNA分析，通過測序mcrA（產甲烷菌標志基因）和pmoA（好氧甲烷氧化菌標志基因）等功能基因，揭示相關微生物群落的組成和多樣性（圖3，圖5）。

 

 

數據整合：將地球化學速率測量結果與微生物群落數據相結合，為甲烷的生物地球化學循環提供機制性的解釋。

 

測量數據及其研究意義

研究測量了多個方面的數據，其意義和來源如下（數據均引用自文檔中的圖表）：

 

水體地球化學剖面（揭示甲烷的宏觀分布與缺氧區結構）

 

測量指標：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是關鍵發現，它清晰地顯示甲烷濃度在OMZ的缺氧核心（230-600米）出現顯著峰值，最高達102 nM，這直接證明了OMZ是一個重要的甲烷儲庫。該剖面將甲烷的富集與特定的氧化還原環境（O?耗盡，NO??二次最大值出現）聯系起來，為后續探究其來源和消耗提供了空間框架。

 

數據來源：圖1。

 

沉積物-水界面甲烷通量（直接證實海底是甲烷源）

 

測量指標：通過原狀沉積物柱培養計算的甲烷釋放速率。

研究意義：圖2a表明，所有采樣點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?低于檢測限）的站點通量最高。圖2b進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，強有力地證明了海底沉積物是水柱甲烷的重要來源。

 

數據來源：圖2a, b。

 

沉積物產甲烷潛力（揭示產甲烷活動的活性和深度分布）

 

測量指標：沉積物漿液在厭氧培養中產生甲烷的速率。

研究意義：圖2c和 表1的數據表明，產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88 nmol g?1 day?1，并隨深度迅速降低。更重要的是，這種高產甲烷速率是在孔隙水中同時存在高濃度硫酸鹽和硝酸鹽的情況下發生的，這強烈暗示了非競爭性產甲烷途徑的主導地位。

 

數據來源：圖2c和 表1。

 

甲烷氧化潛力（量化水柱甲烷的消耗過程）

 

測量指標：通過13C-CH?培養實驗中13C-DIC的產生速率來評估甲烷氧化潛力。

研究意義：圖4a, b和 表2的數據證明，無論是在OMZ上層低氧環境還是核心厭氧環境的水體中，都存在活躍的甲烷氧化潛力，速率可達3.0-5.9 nmol l?1 day?1。劑量反應實驗（圖4b）表明甲烷氧化菌群在不同甲烷濃度下都能發揮作用。某些添加了1?N-NO??的培養中檢測到1?N-N?的產生，提示可能存在N-DAMO過程，但證據不如好氧氧化明確。

 

 

數據來源：圖4a, b和 表2。

 

微生物群落結構（從基因層面證實關鍵過程的存在）

 

測量指標：mcrA和pmoA功能基因的序列和系統發育分析。

研究意義：圖3a顯示沉積物中的產甲烷菌優勢類群為甲烷八疊球菌科（Methanosarcinaceae），它們正是已知的非競爭性產甲烷菌，這從微生物角度完美印證了培養實驗的推斷。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相關的微生物（如Candidatus Methylomirabilis oxyfera），為測得的甲烷氧化潛力提供了生物學依據。

 

數據來源：圖3a和 圖5a。

 

研究結論

 

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源的直接證據。產甲烷活動主要集中在沉積物表層，即使存在硫酸鹽和硝酸鹽，仍能高效進行。

非競爭性產甲烷占主導：高通量的產甲烷作用在富含硫酸鹽的沉積物中發生，且優勢菌群為甲烷八疊球菌科，共同表明非競爭性產甲烷途徑（利用甲基化合物如甲基胺等）是該區域主要的產甲烷方式，這打破了傳統認為硫酸鹽還原會抑制產甲烷的觀點。

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）也可能存在但貢獻相對較小。

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

 

微生物功能驅動循環：甲烷的生成和消耗是由特定的微生物功能類群驅動的，其群落結構與環境條件相適應。

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense電極（特指氧微電極）的應用對于實驗的精確性和結論的可靠性起到了關鍵的支撐作用，其研究意義主要體現在以下幾個方面：

 

精確控制培養實驗條件的關鍵工具：在研究沉積物-水界面甲烷通量的培養實驗中（圖2a, b），一個至關重要的步驟是在培養開始前，對沉積物柱的上覆水進行脫氧（通過鼓入無氧氮氣）。為了確保所有培養實驗都在一致且嚴格的缺氧條件下進行，并確認環境甲烷已被有效清除，研究人員使用Unisense氧微電極來實時、精確地監測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對產甲烷菌活性（嚴格厭氧）和甲烷氧化過程的干擾，從而保證了測得的甲烷通量準確反映了沉積物在天然缺氧狀態下的真實釋放速率。

保障“非競爭性產甲烷”推斷的可靠性：本研究的一個核心結論是“非競爭性產甲烷”占主導。這一結論的前提是沉積物環境確實是缺氧的。如果脫氧不徹底，微量的氧氣可能抑制產甲烷菌或促進好氧氧化，從而低估產甲烷速率。Unisense微電極提供的高靈敏度氧濃度檢測（文獻中提到其檢測限LOD約為1.4 μmol L?1），確保了培養體系達到了產甲烷所需的最佳厭氧狀態。這使得觀測到的高產甲烷速率（即使在硫酸鹽存在下）這一現象更加可信，從而強化了“非競爭性途徑”這一機理推斷的說服力。

 

輔助界定原位氧化還原環境：雖然文中未明確提及用微電極進行沉積物剖面掃描，但使用此類高精度傳感器驗證培養體系的條件，間接支持了對現場環境的描述。例如，確認培養用的上覆水與現場底層水的氧濃度狀態一致，有助于將實驗室測得的通量與現場觀測到的甲烷高值區（圖1）進行更可靠的關聯。

 

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圖表，而是作為一種頂級的質控工具。它通過確保關鍵培養實驗在嚴格受控的缺氧條件下進行，為獲得準確、可靠的甲烷通量和產甲烷潛力數據提供了根本保障。這種對實驗條件的精細控制，是本研究能夠得出“沉積物是重要甲烷源”和“非競爭性產甲烷主導”等堅實結論的重要技術基礎，凸顯了高質量方法學在尖端地球微生物學研究中的不可或缺性。