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（OMZs）蘊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）的缺氧核心區發現了一個300米厚的甲烷富集層（濃度20-105 nM）。沉積物培養實驗確定了一個清晰的底棲甲烷源，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。進一步的培養實驗表征了沉積物表層（即使在孔隙水中存在硫酸鹽和硝酸鹽的情況下）高達88 nmol g?1 day?1的產甲烷潛力。分子分析表明，這些產甲烷沉積物中的絕大多數（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，該科能夠進行非競爭性產甲烷作用。使用13C-CH?的培養實驗表明，在OMZ內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行亞硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化（N-DAMO）的Candidatus Methylomirabilis oxyfera譜系相關）的證實。

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，是來自水體中有機質的分解，還是來自沿海或底棲來源。

量化關鍵過程：通過培養實驗和穩定同位素示蹤，直接測量沉積物的甲烷通量、產甲烷潛力以及水柱中的甲烷氧化速率，這是首次在海洋OMZ中進行此類直接測量。

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

 

結合多學科證據：將生物地球化學測量數據與分子微生物學數據相結合，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-聚焦機制-多方法驗證”的思路：

 

區域調查：進行了兩次海上考察，首次（D373）沿92.5°W設置了6個“離岸”站點，重點構建水柱剖面（0-4000米），以界定OMZ范圍并定位甲烷峰值區。

重點采樣：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域，同時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，量化了沉積物-水界面的甲烷通量；通過沉積物泥漿培養，測定了不同深度層的產甲烷潛力。

 

水柱甲烷匯：使用13C標記的甲烷進行水樣培養實驗，量化了好氧和厭氧甲烷氧化的潛力，并設置了劑量響應實驗和N-DAMO驗證實驗。

 

微生物群落分析：對水體和沉積物樣品進行DNA提取，通過分析mcrA（產甲烷菌標志基因）和pmoA（甲烷氧化菌標志基因）的基因序列，揭示了驅動上述生物地球化學過程的微生物群落組成和分布。

 

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：

 

水柱剖面數據（揭示甲烷分布與OMZ結構）

 

測量指標：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：這些數據清晰地展示了ETNP OMZ的物理化學結構（圖1a, c），并明確顯示甲烷在缺氧核心區（230-600米）大量積累（圖1b），濃度遠高于大氣平衡值，最高值出現在靠近沉積物的底層水中。這直接表明OMZ是甲烷的“儲庫”，并將甲烷源指向了與大陸架相交的沉積物區域。

 

數據來源：圖1。

 

沉積物甲烷通量與產甲烷潛力（直接證明底棲甲烷源）

 

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

研究意義：通量數據（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（圖2b），強有力地證明了沉積物是水柱甲烷的重要來源。產甲烷潛力數據（圖2c和表1）發現產甲烷活動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甲烷作用的主導地位。H?S的檢測表明存在活躍的硫酸鹽還原過程。

 

 

數據來源：圖2a, b, c和 表1。

 

微生物基因序列（揭示驅動過程的微生物群落）

 

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

研究意義：圖3a的系統發育樹顯示產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行非競爭性產甲烷，從微生物角度解釋了為何在硫酸鹽存在下仍能產甲烷。圖5a顯示好氧甲烷氧化菌主要為I型，且檢測到與N-DAMO相關的序列，從分子水平證實了水體中存在好氧和厭氧甲烷氧化的潛力。主坐標分析（PCoA）（圖3b, 5b）展示了群落結構的差異。

 

 

數據來源：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：在添加13C-CH?的水樣培養中產生的13C標記溶解無機碳（13C-DIC）和（在N-DAMO實驗中）1?N標記氮氣（1?N-N?）。

研究意義：短期培養（圖4a）直接測得了甲烷氧化速率，證明該過程確實發生。長期培養和劑量響應實驗（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都有活性，并估算了原位環境下的氧化速率。盡管N-DAMO的化學計量關系不典型，但13C-DIC和1?N-N?的同時產生表明存在與反硝化相關的甲烷氧化過程。

 

 

數據來源：圖4和 表2。

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在研究中，Unisense微電極被用于兩項關鍵測量，其研究意義在于提供了高時空分辨率的原位微環境信息：

 

沉積物培養中溶解氧的精確控制與監測：在沉積物通量培養實驗中，研究人員在密封培養前，使用氮氣吹掃上覆水以去除氧氣。此時，他們使用Unisense氧微電極來驗證吹掃后水體的缺氧狀態（“precise concentration verified using an oxygen micro-sensor, Unisense”）。這確保了所有培養實驗的初始氧化還原條件一致且可控，這對于準確測量對氧氣極其敏感的產甲烷過程和甲烷通量至關重要。沒有這種精確測量，實驗條件的微小差異可能導致結果不可比或產生偏差。

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”）。這項測量結果（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物（H?S）在沉積物中的分布。其意義在于：

 

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

 

印證產甲烷環境：數據顯示產甲烷潛力最大的表層（0-2厘米）位于H?S峰值之上很遠的位置（>20厘米），這證實了產甲烷活動發生在硫酸鹽還原帶之前或之上，符合海洋沉積物的經典生化分層理論，進一步支持了非競爭性產甲烷是表層產甲烷主要途徑的結論。

 

總之，Unisense微電極的使用不僅保證了實驗條件的嚴謹性，更重要的是，它提供了關于沉積物內部微環境的高分辨率“快照”，這對于理解甲烷產生時伴隨的復雜生物地球化學循環（如硫循環）及其空間關系具有不可替代的價值。

研究結論

 

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。其產甲烷潛力很高，且主要由能夠進行非競爭性產甲烷的甲烷八疊球菌科所驅動。

甲烷的遷移與積累：底棲產生的甲烷進入水體，在OMZ的缺氧核心區（230-600米）積累形成甲烷富集層，并可以持續到離岸數百公里處。

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相關厭氧菌）支持了這一結論。

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

 

對全球變化的啟示：在氣候變暖導致OMZ擴大的背景下，底棲甲烷源可能增強，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入大氣，從而影響全球氣候變化。

 

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