不同營養鹽水體甲烷產生機制與潛力對比

溫健文,劉 建,張介霞,李玉紅,陳維聰,詹力揚,吳 曼,葉旺旺

(自然資源部第三海洋研究所、海洋大氣化學與全球變化重點實驗室,福建 廈門361005)

甲烷(CH4)在百年尺度的溫室潛力上是二氧化碳的32倍[1],貢獻了20%的溫室效應。自工業革命以來,它們在大氣中的濃度迅速增加：截止2021年,大氣中甲烷濃度為1 893 nmol/mol。甲烷通過參與對流層臭氧和羥基的光化學調節以及平流層水分子的形成[2],積極參與大氣化學循環進而間接影響全球氣候。海洋被認為是大氣中甲烷的凈來源,盡管僅占全球甲烷排放的2%[3],但是受陸源輸入、水深較淺和上層海水通風等原因的影響,河口近海區域占全球海洋甲烷總排放量的75%[4],是甲烷的活躍區域。

富含氧氣的表層海水理論上不利于甲烷產生,然而世界上大多數海域的表層海水甲烷濃度相對于大氣都是過飽和的,這種現象稱為海洋甲烷悖論[5]。近年來的研究表明含甲基的有機物是甲烷產生的潛在前體物質[6-7]。國內已有學者對現有的甲烷悖論產生機理進行了梳理[8-9],現場受控培養實驗也表明向海水中添加甲基膦酸(MPn)[10-11]、二甲基巰基丙酸內鹽(DMSP)[12-14]和三甲胺(TMA)[15-18]等含甲基的物質可以促進甲烷產生。最新的研究表明所有生物體在胞內都可以進行由活性氧驅動的甲烷生成,表明該過程可能是除傳統認為的甲烷厭氧產生外存在的另一種甲烷產生途徑[19]。

陸豐近海和九龍江河口作為亞熱帶近海的典型水域,受人為影響較大。九龍江是中國東南部一條中等規模的亞熱帶河流,大部分降雨發生在春夏兩季。在過去的30年,受人為干擾的影響(如畜牧業和人為廢棄物的排放等),流域水體的營養鹽含量較高[20]。另外,九龍江河口上游段的溶解有機碳約為下游段的4～6倍[21]。目前,已有學者對九龍江河口和珠江口溫室氣體的分布和通量進行了研究,發現九龍江河口水體是大氣甲烷的強源[22],渦流驅動的珠江口羽流對甲烷分布有重要的影響[23]。然而,目前這兩個水域溶存甲烷的產生和消耗過程及其主要影響因子還不清晰。本研究擬在前人研究基礎上[24-25],對九龍江河口和陸豐近海水體進行受控培養實驗并分析溫室氣體產生速率,以更好地了解甲烷在不同營養鹽環境下的產生潛力。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

于2021年在九龍江河口(6月)和陸豐近海(8月)進行了現場采樣和培養實驗,其他室內培養實驗在航次結束后的1個月內完成。九龍江河口的樣品采集于潮汐作用較強的中游流域(玉枕洲南側水道,24.42°N,117.87°E)。由于高低潮之間表層海水的鹽度變化較大(9.5),且已有研究表明該區域溫室氣體濃度變化與鹽度變化呈負相關[26],因此該站位是研究河口溫室氣體受潮汐影響變化的典型區域。陸豐近海的采樣站位位于陸豐市甲子港的南側(22.51°N,116.12°E),是珠江口羽流中心。兩個采樣站位之間相距236 km,采樣時使用有機玻璃采水器,通過繩吊的方法采集表層海水(水面以下0.5 m)。在每次實驗之前,將海水轉移到預先酸洗的聚碳酸酯容器(25 L)中,然后使用蠕動泵定量往3 L無菌氣袋(Tedar PVF采樣袋,大連德霖氣體包裝有限公司)中注入1 L海水。隨后在各個袋中添加相應的試劑(表1)：葡萄糖(碳源,C)、亞硝酸鹽(氮源,N)、MPn、DMSP、TMA。實驗分3個實驗組進行,其中實驗1和實驗3的對照(Control)組不做任何處理;實驗2的過濾(filtered)樣品(C+N)組和(C+N+MPn)組依次使用0.45 μm和0.22 μm的一次性針頭濾器配套蠕動泵進行抽濾(流速控制在200 mL/min),以盡量降低過濾對溶解氣體的影響。氣袋需要把空氣排盡,并在實驗室外露天放置培養,實現晝夜更替的效果,盡量模擬原位條件。

表1 九龍江河口和陸豐近海培養實驗的試劑添加情況Tab.1 Addition of reagents in incubation experiments in Jiulongjiang Estuary and Lufeng offshore

對于上述的樣品,在實驗開始、實驗正好滿2、4、6 d時的固定時間節點上分別進行采樣。采集海水樣品時首先采集溶解氧樣品,然后采集甲烷分析樣品,轉移氣袋樣品到瓶口涂有油脂的20.0 mL頂空玻璃瓶中,并加入飽和氯化汞溶液0.1 mL以抑制微生物活動,使用丁基橡膠隔膜和鋁蓋密封。每個采樣時間點均采集雙樣進行分析,采樣結束后將樣品置于避光環境下保存。

1.2 樣品分析方法

本研究按照靜態頂空分析方法對水體樣品中的甲烷進行分析[27],該方法的準確度和精密度均在2%以內。用濃度為1.00 μmol/mol甲烷的標準氣體(中國計量科學院國家標準物質研究中心,成分為氮氣為底氣的甲烷標氣)進行頂空處理。頂空置換出12.4 mL海水樣品,經45 ℃恒溫振蕩后,抽取1.0 mL頂空氣進入氣相色譜儀(日本島津,型號：GC-2000)分析。實驗采用測定標準水樣的方法來繪制標準曲線。標準水樣是預先添加氯化汞并在25 ℃的恒溫水浴槽中鼓氣與空氣達到平衡時(大于48 h)的超純水。隨后,分別使用高純氮氣(精度在99.999%以上)、4.00 、6.00、8.00、12.00、16.00 μmol/mol的甲烷標準氣體進行頂空。標準水樣的頂空體積、頂空氣的測定方法與測定樣品時一致。在樣品分析過程中,通過每隔2～3 h重復測定同一標準氣體頂空(4.00 μmol/mol甲烷)的標準水樣濃度來校正氣相色譜的基線漂移。

溫度和鹽度使用便攜電導率儀(德國WTW,型號：Cond3110)測定。溶解氧濃度使用溶氧探頭(賽默飛,型號：STARA3235)測定。營養鹽使用AA3型流動注射分析儀(德國SEAL,型號：AA3)進行分析,其測定方法分別為：亞硝酸鹽濃度采用萘乙二胺分光光度法測定,磷酸鹽濃度采用磷鉬藍分光光度法測定,硝酸鹽濃度采用銅鎘柱還原法測定[28],銨鹽濃度采用靛酚藍分光光度法測定[29],檢出限分別為0.02、0.02、0.05、0.16 μmol/L。本研究對于不同組別的溫室氣體濃度和環境參數(溫度、鹽度、溶解氧和營養鹽)的對比分析主要采用比較平均值±標準偏差的方法。

2 結果與分析

2.1 陸豐近海和九龍江河口的水體性質

表2中發現兩個采樣區域的溫度和溶解氧濃度相似：由于緯度差異較小,因此溫度相似;溶解氧濃度基本都處于與大氣平衡的狀態。不同的是,兩個采樣站位的總無機氮濃度相差3個數量級。其中,陸豐近海站位水體鹽度較高,以海水為主,在實驗室測得硝酸鹽和磷酸鹽濃度均在檢出限以下(總無機氮濃度為0.6 μmol/L),屬于貧營養化水體;而九龍江河口采樣站位水體以低鹽度和高營養鹽的海水為主,其硝酸鹽濃度高達309.7 μmol/L、總無機氮濃度為351.4 μmol/L、磷酸鹽濃度為2.4 μmol/L,屬于富營養化水體。

表2 九龍江河口和陸豐近海水文參數的范圍和平均值Tab.2 Range and average value of hydrological parameters of Jiulongjiang Estuary and Lufeng offshore

2.2 陸豐近海貧營養化水體中甲烷培養實驗

在陸豐近海的水體培養中(實驗1),(C+N+MPn)組水體中的甲烷濃度與其余四組相比發生了明顯變化。在培養的0～2 d,(C+N+MPn)組的甲烷濃度增加了2個數量級(378.0 nmol/L);甲烷增長速率為183.9 nmol/(L·d)[圖1(a)]。在2～4 d的培養過程中,甲烷濃度增加到了444.0 nmol/L,比前兩天增加了17.4%,增長速率為33.0 nmol/(L·d)。在4～6 d培養過程中,甲烷濃度降低到398.0 nmol/L,增長速率為-23.0 nmol/(L·d),相比于2～4 d時的最高值減少了10.4%。其他四組甲烷濃度的增長幅度在-6.7～16.0 nmol/L之間,增長速率在-1.0～8.9 nmol/(L·d)之間,與(C+N+MPn)組的變化相比可以忽略不計。同時,在0～2 d內,(C+N+MPn)組的溶解氧濃度變化和變化速率是各組中最大的,從284.4 μmol/L下降到257.8 μmol/L,變化幅度為-9.4%,變化速率為-13.3 μmol/(L·d)[圖1(b)]。

圖1 陸豐近海水體各參數濃度變化Fig.1 Concentration changes of some parameters in Lufeng offshore(a)為實驗1的甲烷濃度變化,(b)為實驗1的溶解氧濃度變化,(c)為實驗2的甲烷濃度變化。

在實驗2中,實驗開始2 d,(Not filtered+C+N+MPn)組的甲烷濃度為653.1 nmol/L,比實驗1同時期的甲烷濃度高72.7%,增長速率也是各組中的最高值,為320.2 nmol/(L·d)(比實驗1的速率高69.3%)[圖1(c)]。雖然發現甲烷濃度的增長幅度和增長速率都比實驗1的更高,但是隨著培養時間增加,在2～6 d甲烷消耗速率與實驗1的相似,如2～4 d和4～6 d的增長速率分別是-23.3 nmol/(L·d)和-27.4 nmol/(L·d)。而(Filtered+C+N+MPn)組也觀測到略高于(Not filtered+C+N+MPn)組的甲烷濃度,可能受到了光降解的影響[30]。

2.3 九龍江河口富營養化水體中甲烷培養實驗

在九龍江河口水體培養實驗中(實驗3),0～2 d內甲烷生產速率最高,分別為(C+N+DMSP)組2.2 nmol/(L·d)、(C+N+MPn)組10.1 nmol/(L·d)和(C+N+TMA)組1.9 nmol/(L·d)。同時,甲烷濃度在實驗2 d時也達到了最大值,分別為13.7、29.4、13.4 nmol/L[圖2(a)]。這可能是由于碳源、氮源和含甲基有機物(MPn、DMSP和TMA)的添加,使得九龍江河口的微生物可以獲得足夠的底物去生產甲烷。其中,(C+N+MPn)組的增長率最高,達到了211%,比(C+N+DMSP)組和(C+N+TMA)組高5倍。該結果表明九龍江河口可能存在多種基于甲基分解產生甲烷的路徑,其中基于MPn路徑的微生物最活躍。同時,(C+N+DMSP)組、(C+N+MPn)組和(C+N+TMA)組的溶解氧濃度也是在培養0～2 d下降最多,分別是-22.9%、-21.0%和-22.0%[圖2(b)]。在2～6 d,隨著原有底物的耗盡,甲烷的生產速率逐漸小于甲烷的消耗速率,總體上體現為甲烷的消耗。Control組和(C+N)組甲烷濃度在0～2 d沒有增長,但在2～4 d存在甲烷濃度輕微波動,表明水體中可能存在甲烷厭氧產生和甲烷氧化。綜上,九龍江河口水體也存在基于MPn、DMSP和TMA路徑生產甲烷的路徑,但是基于MPn路徑生產的甲烷更多。

3 討論

通過水體受控培養實驗,發現貧營養化水體(陸豐近海)在底物充足(如MPn)、無機磷匱乏的條件下能夠比富營養化水體(九龍江河口)產生更多的甲烷(陸豐近海甲烷濃度和甲烷生成速率約是九龍江口的22倍和87倍),說明陸豐近海水體中基于MPn路徑生產甲烷的微生物對添加的有機磷和營養鹽更加敏感。進一步比較發現(C+N+MPn)組和(Filtered+C+N+MPn)組的甲烷增加量前者(640.0 nmol/L)是后者(4.4 nmol/L)的近145倍[圖1(c)],即在加入相同底物量的情況下,兩者的甲烷產量差異明顯,說明甲烷產生可能是微生物新陳代謝的結果。這可能主要與磷的競爭機制有關：九龍江河口的無機磷和實驗所添加的MPn(有機物)同為底質競爭產物,微生物在營養鹽的刺激下可能會同時利用無機磷和MPn,但無機磷的存在在一定程度上抑制了微生物的MPn利用率,因此其副產物甲烷也相應減少。與此相反的是,陸豐近海在無機磷匱乏的情況下,微生物可能利用MPn來補充自身新陳代謝所需的磷源,由此造成更多的甲烷釋放。先前的研究表明,富氧水體中的原位甲烷生產可能是近海甲烷的重要來源[24,31-32]。盡管其潛在機制仍然模糊不清,但已有研究表明添加MPn會增加沿海水域的甲烷產量[24]。添加的碳源和氮源可能有助于創造一個缺磷的環境,刺激需磷微生物的生長;或者微生物分解MPn的過程同時需要碳源和氮源的供給。因此,微生物介導的MPn分解和甲烷產生將依賴于水體中的營養鹽水平,表明貧營養化水體可能是甲烷有氧產生的重要場所。

甲烷生產速率峰值都發生在培養過程的前兩天,這可能與微生物群落更替有關[圖1(a)、(c)]。在實驗開始階段(0～2 d),充足的MPn被迅速消耗并產生大量甲烷。溶解氧的降低速率最大值同樣出現在前兩天也印證了該觀點[圖1(b)]。隨后(2～4 d),MPn的濃度迅速下降,以至于不能維持更高的甲烷產生。同時,由于甲烷濃度升高,可能會提升甲烷氧化速率。隨著培養時間的增加(4～6 d),甲烷會被持續消耗直到降到甲烷可以被氧化的閾值之內,從而保持穩定。因此,在添加碳源、氮源和MPn的0～2 d內,推測陸豐近海水體的微生物活動最活躍,通過微生物新陳代謝過程分解MPn產生甲烷的速率和溶解氧的消耗也最高。

綜上,推測貧營養化的陸豐近海水體中存在基于MPn路徑生產甲烷的微生物,在條件適宜的情況(如充足的碳源和氮源)下可以生產甲烷。

4 結論

根據現場和室內受控培養實驗,可以得出以下主要結論：

(1)陸豐近海水體中添加碳源、氮源和MPn會導致大量甲烷產生(比對照組高兩個數量級),表明陸豐近海水體中存在基于MPn路徑生產甲烷的過程。

(2)九龍江河口水體也存在基于MPn、DMSP和TMA路徑生產甲烷的過程,但基于MPn路徑生產的甲烷最多。

(3)通過比較發現同樣受控培養實驗條件下,陸豐近海通過MPn產生的甲烷濃度最高值是九龍江河口的約22倍,其甲烷生成速率是九龍江河口的約87倍。營養鹽條件的差異可能是造成該結果的主要因素。其中,貧營養化水體可能更有利于基于MPn路徑的甲烷產生。由此推斷,寡營養的開闊大洋表層海水可能是甲烷有氧產生的重要場所。

致謝：感謝自然資源部第三海洋研究所海洋與海岸地質研究室王愛軍老師和海洋生物與生態實驗室顧海峰老師提供的營養鹽、溫度和鹽度數據。感謝中國海監203船全體科考隊員和船員在出海方面提供的幫助。