胶州湾海水甲烷氧化速率的水平与垂直变化初步研究❋

赵慧敏，丁海兵，吕丽娜，杨桂朋,3，刘昌岭，贺行良

(1. 中国海洋大学 化学化工学院，山东 青岛 266100；2. 海洋化学理论与工程教育部重点实验室，山东 青岛 266100；3. 海洋科学与技术青岛协同创新中心；4. 青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071)



胶州湾海水甲烷氧化速率的水平与垂直变化初步研究❋

赵慧敏1,2，丁海兵2，3❋❋，吕丽娜1，2，杨桂朋1,2,3，刘昌岭4，贺行良4

(1. 中国海洋大学 化学化工学院，山东 青岛 266100；2. 海洋化学理论与工程教育部重点实验室，山东 青岛 266100；3. 海洋科学与技术青岛协同创新中心；4. 青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071)

摘要：系统考察2014年4月胶州湾海水中甲烷的氧化速率。通过一系列的海水培养实验，采用气相—稳定同位素比值质谱仪(GC-IRMS)追踪了培养样品中δ13CH4的变化，计算了胶州湾海水的甲烷氧化速率(MOX)。结果表明：胶州湾表层水中甲烷的氧化速率的变化范围为3.7～255.5 nmol·L-1·d-1，平均值为(104.7±89.7)nmol·L-1·d-1。底层水中甲烷的氧化速率的变化范围为38.2～227.1 nmol·L-1·d-1，平均值为(148.9±76.2)nmol·L-1·d-1。总体而言，在胶州湾东部和西部，特别是海泊河口、洋河河口附近的水域，表层海水中甲烷氧化速率的分布都明显呈现出近岸高，远岸低的趋势。胶州湾甲烷的氧化速率与溶解无机碳浓度的变化以及甲酸的含量呈较明显的线性正相关。根据甲烷氧化速率估算出胶州湾氧化甲烷的量为1.15×108mol/a，该值相当于胶州湾甲烷海-气通量的6.4～14.3倍。

关键词：甲烷；甲烷氧化速率(MOX)；气相色谱-稳定同位素比质谱仪(GC-IRMS)；δ13C；胶州湾

引用格式：赵慧敏，丁海兵，吕丽娜，等.胶州湾海水甲烷氧化速率的水平与垂直变化初步研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016,46(6)： 90-99.

ZHAO Hui-Min, DING Hai-Bing, LV Li-Na, et al. The preliminary study of horizontal and vertical variations of methane oxidation rates in the Jiaozhou Bay[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016， 46(6)： 90-99.

甲烷是一种重要的温室气体，它通过吸收红外辐射和大气中的光化学反应影响全球气候[1]。虽然CH4在大气中的浓度比CO2小得多，但从单个分子来看，其吸收辐射的能力是CO2的20多倍，因此总体上，甲烷对温室效应的贡献可达20%以上[2]。另一方面，CH4在大气中的存留时间约为10年，作为大气中的活性物质，它能够参与控制对流层中O3和OH·的光化学反应，进一步影响了导致酸雨和光化学烟雾的氮氧化物的生成[3]。多年的观测结果表明，大气中CH4的浓度从150年前开始显著增加。美国海洋与大气管理局(NOAA)的数据显示，与工业革命前相比，到目前为止，大气中的甲烷浓度增加了近乎一倍，达到了1.8mL/m3，现在仍以每年1%的速率增加[4]。大气中不断升高的甲烷浓度对全球气候变化的影响，也受到越来越多的关注。由于甲烷在全球气候变化和大气化学方面的重要作用，各方面已对甲烷的生物地球化学循环，包括其在大气、海洋、陆地中的源和汇以及浓度变化进行了长期、大量的研究。

尽管海洋面积占全球的71%，但研究结果表明海洋对全球大气中甲烷的贡献率却非常低。Reeburgh等估计从海洋进入大气的甲烷只占全球人为和天然甲烷排放总量的 2%，因而近代以来源自海洋的甲烷对大气中甲烷浓度的增加，其贡献几乎可以忽略[5-6]。Reeburgh等认为沉积物和水体中微生物主导的甲烷的氧化，使绝大部分甲烷气体(90%以上)在进入大气圈之前已被消耗掉。在海水和沉积物中，甲烷的氧化过程主要包括两种类型：在沉积物中由甲烷氧化古菌进行的甲烷厌氧氧化；在水体中由甲烷氧化细菌进行的甲烷需氧氧化[7]。Sommer等人[8]对东北太平洋地区水合物海脊研究表明在深海沉积物与海水界面上甲烷的需氧氧化有很大的潜力。由于甲烷氧化过程对甲烷在海洋生物地球化学循环中的关键性作用，以甲烷产生速率和氧化速率研究为中心内容的甲烷生物与化学动力学过程研究逐渐成为海洋中甲烷研究的一个重要方面。

在中国近海，甲烷的生物地球化学研究取得了一系列的成果，如张桂玲[9-10]等系统研究了东、黄海、长江口及胶州湾的甲烷分布情况，赵玉川[11]等研究了长江口区域甲烷的源和汇等，但多数研究仍然集中在甲烷的时空分布规律、源和汇等相对静态的过程，还没有对其化学和生物动力学过程进行深入的研究。根据国内外的研究现状，本文选择受人类活动影响较大的典型半封闭海域—胶州湾作为主要研究对象，研究甲烷在该海域的氧化速率，考察影响胶州湾甲烷氧化速率的相关因素，从而初步了解甲烷在胶州湾的生物与化学动力学过程。

1实验

1.1 实验准备

采样和分析过程中所用的玻璃仪器均先后用10% 盐酸，蒸馏水、Milli-Q水以及甲醇、二氯甲烷、正己烷等有机溶剂洗净后，于450 ℃马弗炉中灼烧6 h，对于不能进行灼烧处理的容器或物品，进行超声处理后，先用10%盐酸洗液浸泡24 h，然后依次用去离子水、Milli-Q水、甲醇、二氯甲烷、正己烷冲洗干净，干燥后保存。

用除去CO2的高纯空气稀释含99%13CH4的甲烷气体(Sigma)，在300 mL铝塑袋内配制浓度(v/v)约3 000mL/m3的13CH4气体，现用现配。

10 mL的西林瓶先充满高纯N2(99.99%)，然后用丁基橡胶塞迅速塞上并用铝帽将其密封。用60 mL的塑料注射器抽取其中的N2直至注射器的推拉杆不能拉动，取出注射器，此时西林瓶内部接近真空状态。

1.2海水样品采集及培养

胶州湾位于山东半岛南岸，是南黄海沿岸的一个半封闭海湾，水域面积3.20×108m2[12]，湾内水深较浅，平均水深为7 m，汇入胶州湾的大小河流有十几条，其中径流量较大的有大沽河和洋河。虽然李村河、娄山河、海泊河、板桥坊河等基本无自身径流，但河道中、下游成为工业废水和市区生活污水的排污河。在胶州湾中，设置了14个站位，于2014年4月乘考察船采集海水样品(见图1)。水深小于5 m的站位为湾内的A1、A2、B1、B2、B3、C2和青岛近海的站位F1，只取表层海水；水深大于5 m小于10 m的站位B5、C3、C5、D4，取表层和底层海水；水深大于10 m小于20 m的站位D2、E1，取表层、10 m和底层海水；水深大于20 m站位E3，取表层、10 m、20 m和底层海水。

海水样品用5 L的有机玻璃采水器采集后装入2.5 L的塑料桶内，返回实验室后放入培养箱内保存，温度保持在15 ℃，与现场温度相同，测定甲烷氧化速率的海水样品培养实验在取样后一日内进行。海水样品的培养和气体样品的采集采用了改进的Bastviken等[13]的方法。利用13CH4测定海水样品的氧化速率。培养实验包括空白组、实验组和对照组3部分，对于所采集的每一个海水样品，均分别在注满的7个100mL的盐水瓶里进行培养，盐水瓶用1-7的数字编号。因2、5号盐水瓶均是加入13CH4后立即取顶空气体，故两个盐水瓶子中DIC(溶解无机碳)、TA(碱度)、pH理论上应一致，选取2号瓶子测定这3个参数；因盐度很稳定，从2.5 L塑料桶内取出海水测定S(盐度)，海水样品培养方案如表1所示。

实验具体操作如下：盐水瓶用采集的水样冲洗后，注入海水至溢出约瓶体积的一半以除去气泡。盐水瓶中加入HgCl2时，用塑料注射器吸取l mL饱和HgC12，快速加入液面以下然后迅速塞上一插有注射器针头的丁基橡胶塞并旋紧，多余的水通过针头排出。然后取下针头，用铝帽将盐水瓶密封。加入13CH4时，用1 mL塑料注射器从铝塑袋内取出1 mL配制好的含13CH4混合气体，迅速打入盐水瓶中，然后将盐水瓶上下颠倒几次，使13CH4气体均匀分散开避光恒温(胶州湾海域现场的平均温度15℃)培养24 h。

气体样品采用顶空平衡法采集。取气体时将插有8 cm长针头的10 mL空塑料注射器1从胶塞的一侧插入盐水瓶底部；取另一注射器2，其针头略短，用高纯N2清洗3遍，然后通过三通阀连接到高纯N2(99.99%)瓶上，N2慢慢注入盐水瓶中，多余的水进入塑料注射器1中；当塑料注射器1中的水体积达到10mL时(此处 10mL海水备用)，将两注射器取出，关闭三通阀；盐水瓶用手剧烈摇动2min后，放置半分钟至气液平衡，将装满10mL水样的注射器1和另一10mL空塑料注射器3同时插入盐水瓶中，慢慢将10mL备用海水打入盐水瓶中，当空塑料注射器3的推拉杆不再上升时立即将其取出，将收集的气体打入呈真空状态的10mL西林瓶中用于甲烷浓度等参数的测定。

1.3海水样品各参数的分析

1.3.1CH4浓度的测定甲烷浓度的测定依据改进的Kinnaman等人[14]的方法。用1 mL的气密性微量注射器(带锁定功能，Hamilton公司)取1 mL顶空气体，注入气相色谱仪(GC-2014，Shimadzu公司)进行测定，色谱柱为填充柱(3.66 m×3.18 mm×2 mm，n-octane on ResSil C，美国Restek公司)。气相色谱(GC)升温程序：柱温40 ℃，柱流速10 mL /min；进样口温度100 ℃；检测器温度175 ℃。FID(氢焰离子化检测器)的响应信号与CH4浓度之间有良好的线性关系，以所测定甲烷标准气体(国家标准物质中心)的色谱峰面积作出标准曲线，依据标准曲线确定样品中甲烷气体的浓度。该方法的检出限为0.08 nmol·L-1，当甲烷浓度大于或等于50 nmol·L-1时，此方法的精密度是±2%，当甲烷浓度小于50 nmol·L-1时，此方法的精密度是±5%。

1.3.2 δ13CH4的测定采用气相色谱—稳定同位素比值质谱仪(GC-IRMS，Thermo Finnigan公司)检测气体样品中的δ13CH4，检测方法的精密度是±0.5%[15]。用1mL的气密性微量注射器(带锁定功能)取400μL顶空气体，进入气相色谱仪(Trace Ultra型GC)中测定，色谱柱为HP-PLOT Q毛细管色谱柱(30m×0.32mm×20.0μm，美国J&W公司)，分离后气体最后进入稳定同位素比值质谱仪(MAT 253 型IRMS)中进一步检测。GC升温程序: 初始温度50℃(保持3min)，以15℃/min升至190℃(保持5min) ；高纯He( 99.999%) 作载气；柱流速1.5mL/min；进样口温度100℃；分流进样，分流比与进样量根据各组分含量高低实时调整。测定δ13C时燃烧炉温度为900℃，还原炉温度600℃；IRMS 离子化能量70eV；发射电流1.5mA，加速电压10kV，真空度为2.0×10-9kPa；IRMS监测离子(m/z) 为 44、45、46[15]。

δ13C测定结果的表达式如下：δ"(‰)=[(R样品/R标准)-1]×1 000。

式中R样品、R标准分别为样品、国际标准物质PDB中13C与12C 的丰度比(13C /12C)。

1.3.3 DOC、DIC、pH、TA、甲酸的分析溶解有机碳(DOC)的分析是采用高温催化氧化的方法，所用仪器为TOC分析仪(TOC-VCPH，Shimadzu公司)，海水样品或标准溶液的测定信号为峰面积，由工作曲线直接求得DOC的浓度。样品平行测定2～3次，测定相对偏差小于2%，在空白被准确测定的条件下，此方法的检测限为0.05mg·L-1[16]。

溶解无机碳(DIC)用TOC分析仪(TOC-VCPH，Shimadzu公司)分析。标准溶液以及海水样品的测定信号为峰面积，溶解无机碳的浓度由标准工作曲线求出。样品平行测定2～3次，测定相对偏差小于2%，在空白被准确测定的条件下，该方法的检测限为0.05mg·L-1[17]。

总碱度(TA) 测定采用TA分析仪(AS-Alk，美国阿波罗科技公司)分析，原理为Gran电位滴定法。用数字泵量取20mL样品后自动滴加0.1mol/L稀HCl，滴定至终点时溶液pH大约3.0，分析误差控制在0.1%之内[18]。

海水pH根据Dickson等[19]的光度法测定，pH的值由加入海水中的指示剂决定。本实验选择了间甲酚紫钠盐，海水的pH与其二次解离反应有关：HI-(aq)=H+(aq)+I2-(aq)。实验中先调节指示剂在578 与434 nm下的吸光度比值约为1.6，分别测434、578、

730nm下的吸光度值，然后向比色皿中加入80 μL指示剂溶液，摇匀，测434 、578 、730nm下的吸光度值，根据pH=pK(HI-)+log10([I2-]/[HI-])，计算出海水的pH。

甲酸的定性定量分析是应用改进的Albert[20]等人的方法。将2mL经0.22μm聚醚砜滤膜过滤的水样转移至带有特氟龙瓶盖的4mL棕色玻璃样品瓶中，加入盐酸化的吡啶缓冲液，通氮气4min，然后依次加入0.1mol/L的硝基代苯酚联肼(NPH, Sigma)溶液、0.3mol/L 2-二甲基氨丙基碳化二亚胺(EDC, Sigma)的缓冲液各0.2mL放置于室温下，1.5h后加入0.2mL 40%(w/v)的氢氧化钾溶液并将样品在70℃加热10min，然后用低速冷冻离心机将样品中由于钙、镁离子而产生的絮状物离心去除，取上清液100μL经高效液相色谱仪(Agilent-1100)分析。

1.4甲烷氧化速率的计算

甲烷的氧化反应总体上可以用方程式CH4+2O2→CO2+2H2O表示，根据此方程式，培养24 h过程中甲烷的平均氧化速率可以由CH4的浓度降低或CO2的浓度增加来计算，由于影响CO2浓度的因素很多，而甲烷氧化对CO2浓度的改变不显著，根据CO2浓度变化计算甲烷的氧化速率会导致较大的误差，因而本研究根据CH4的浓度变化计算其氧化速率。有研究表明，胶州湾海水中可能存在甲烷的净产生[21]，所以本研究采用13CH4作为示踪剂通过培养实验来研究甲烷的氧化。

培养实验进行的过程中，整个体系是封闭的。根据δ13C测定结果的表达式：δ(‰) =[( R样品/R标准)-1]×1 000，可得公式：

R样品=(δ13CH4/1 000+1)×R标准。

(1)

W=R样品/(R样品+1)。

(2)

Δ[13CH4]=C前×W前-C后×W后。

(3)

MOX=Δ[13CH4]·(1-F)·α/(F·t)+[13CH4]/t

=Δ[13CH4]·(α-F·α+F)/(F·t)

=Δ[13CH4]·(α/F-α+1)/t

≈Δ[13CH4]/t。

(4)

式(1)中R标准是国际标准物质PDB(美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石化石)中13C与12C 的丰度比，R标准=0.011 237[22]。式(2)中W是指13C在甲烷气体中所占的比例。式(3)中Δ[13CH4]是指13CH4的浓度变化值，单位是nmol·L-1，C前、C后是培养前、后顶空气体中甲烷的浓度，单位是nmol·L-1；W前、W后是培养前、后13C在甲烷气体中所占的比例；式(4)中F是整个封闭体系中含有13C的甲烷含量与甲烷总含量的比值，本研究中，F≈0.95；α指同位素氧化分馏系数，Coleman 等人[23]的实验估算得到的α≈1.02，水体中甲烷的氧化优先选择12CH4；t是指培养的时间，单位是d；MOX指甲烷氧化速率，单位是nmol·L-1·d-1。

2结果与讨论

2.1溶解甲烷的水平分布

图2显示了2014年4月航次胶州湾表、底层海水中溶解甲烷的分布状况。图2a和图2b的结果显示：胶州湾表、底层海水中溶解甲烷分布规律相似，呈现东部高西部低、近岸高远岸低的趋势；大部分站位表层甲烷浓度比底层略高；但在李村河河口附近表层存在甲烷浓度的异常高值。甲烷分布趋势与张桂玲[9-10]等人的研究结果一致。除了B5站位，胶州湾表层甲烷浓度的变化范围为7.0～21.9nmol·L-1，平均值为(10.2±3.8) nmol·L-1，胶州湾底层甲烷浓度的变化范围为8.8～17.6 nmol·L-1，平均值为(12.3±3.3) nmol·L-1，本研究结果稍低于2003年5月张桂玲等[9,10]在胶州湾的研究结果(表层海水的溶解甲烷浓度为的平均值为(41.4±51.1) nmol·L-1，底层海水的溶解甲烷浓度为的平均值为(23.2±34.3) nmol·L-1。

2.2胶州湾海水中甲烷氧化速率的变化

本次调查表明胶州湾表层水和底层水中甲烷的氧化速率的变化范围分别为3.7～255.5和38.2～227.1 nmol·L-1·d-1，平均值分别为(104.7±89.7)和(148.9±76.2) nmol·L-1·d-1。甲烷氧化速率在天然环境中的变化范围是比较大的。Bastviken等[12]对瑞典中南部的3个湖的湖水通过加入同位素14C的方法进行培养，调查结果显示CH4的氧化速率范围是0.00～3.25 μmol·L-1·d-1。Kelley[24]等对墨西哥湾北部的海水通过加入同位素13C的方法进行培养，调查结果显示CH4的氧化速率范围是0～57 nmol·L-1·d-1。Roman[25]等采用3H示踪剂研究了德国湾(北海东南部)的甲烷的氧化速率，变化范围是0～16.5 nmol·L-1·d-1。胶州湾受人类活动影响比较大，但本研究测定的胶州湾海水甲烷的氧化速率的变化范围与其它水环境的研究结果没有显著差异。

图3a显示在胶州湾的西海岸、洋河附近海域，甲烷的氧化速率与胶州湾东海岸的水平分布趋势相似，呈现出近岸高、远岸低的趋势。但是在红岛以南、黄岛东北部及李村河附近的海域，甲烷氧化速率的变化趋势有明显的不同，大致呈现出近岸低、远岸高的趋势。由图3b可知，底层海水中甲烷氧化速率的变化不大，水平分布有自东北向西南逐渐升高的趋势。比较图3a和图3b，胶州湾表层和底层甲烷氧化速率的分布变化均呈现出自沿岸向外海逐渐降低的趋势。胶州湾表层海水和底层海水的甲烷的氧化速率的对照如图4所示。由图4可以看出，胶州湾表层海水中甲烷氧化速率的最大值和最小值分别位于D4和B5站位，分别为255.5和3.7 nmol·L-1·d-1，当水深小于5 m时，由于水深较浅，可粗略认为表层和底层海水中甲烷氧化速率差别不大，本实验底层海水取的是水深大于5 m的B5、C3、C5、D2、D4、E1、E3 7个站位。由图4可以看出，胶州湾底层海水中甲烷氧化速率的最大值位于E1站位，其值为227.1 nmol·L-1·d-1；最小值位于B5站位，其值为38.2 nmol·L-1·d-1。由图4还可以看出除了D4、C5站位外，B5、C5、D2、E1、E3站位底层海水甲烷氧化速率均大于表层海水甲烷氧化速率。图5则显示出胶州湾海水从表层向底层甲烷氧化速率逐渐增大。

2.3影响胶州湾海水甲烷分布和甲烷氧化速率分布的因素

2.3.1 影响胶州湾海水甲烷分布的因素甲烷的分布与氧化还原条件、水动力环境和生物活动等多种因素相关。胶州湾海水中溶解甲烷呈现近岸高、远岸低的趋势，主要是由于陆源输入的强烈影响。2002年5月胶州湾周边河流河水中甲烷浓度范围为1.67×102～5.39×104nmol·L-1[9],比本次调查中测得的胶州湾海水的甲烷平均浓度高出几倍至几百倍，此种差别可以归因于河流输入的高浓度甲烷导致胶州湾近岸甲烷浓度增高。本研究的结果显示，李村河河口附近B5站位表层存在的甲烷浓度的异常高值与李村河河水的输入有密切关系。李村河是青岛市重要的排污河，携带了大量有机污染物进入胶州湾，有机污染物在海水和沉积物中中氧化降解，为甲烷生成提供了条件。仇天雷[26]等人从胶州湾浅海沉积物中分离出一株产甲烷菌，此产甲烷菌能够产生甲烷，河水输入和产甲烷菌的生产叠加，可能导致B5站位甲烷的异常高值。

2.3.2 影响胶州湾海水甲烷氧化速率分布的因素胶州湾海水中甲烷的氧化速率受到多种生物、物理和化学过程的控制和影响。根据海水中甲烷的氧化过程，甲烷氧化速率可能与温度、甲烷的浓度、氧气含量有关。因为培养实验是在恒温条件下进行的，所以本论文主要讨论甲烷的浓度和氧气含量对胶州湾中甲烷氧化速率的影响。

2.3.2.1 胶州湾中甲烷浓度对甲烷氧化速率分布的影响本实验的研究结果表明胶州湾大部分站位底层海水的甲烷浓度和甲烷氧化速率均稍高于表层，而胶州湾东部地区表层水中溶解甲烷的浓度分布趋势与甲烷氧化速率的分布趋势相似(见图2和3)，这些结果表明，多数情况下，胶州湾甲烷浓度与甲烷氧化速率的变化是一致的，但两者之间变化关系复杂。实际上，甲烷的氧化与海水中甲烷氧化细菌的活动密切相关，是一个酶动力学过程。通常情况下，在底物浓度较低时，酶反应速率与底物浓度呈现一级或者混合级反应关系，而底物浓度较高时，酶反应速率与底物浓度为零级反应。从这个角度考虑，胶州湾甲烷浓度与甲烷的氧化速率有较为复杂的关系是合理的。

2.3.2.2 胶州湾中溶解氧对甲烷氧化速率分布的影响甲烷需氧氧化总反应式为：CH4+2O2→CO2+2H2O，氧化途径如图6所示[27]，氧气是影响甲烷氧化速率的一个重要因素。但俞光耀[27]等人研究发现胶州湾海水溶解氧浓度一年的平均变化范围为187.5～357.1 μmol·L-1，远远高于胶州湾海水中的甲烷浓度，因此在整个培养过程中，胶州湾海水样品中的溶解氧对于甲烷的氧化反应来说是远远过量的，所以溶解氧浓度高低并不会对甲烷氧化速率产生实质影响。

2.4胶州湾中甲烷的产生和消耗

结果显示胶州湾海水在培养过程中存在甲烷的净产生和净消耗。培养实验的结果表明，胶州湾表层海水中，B5、E3站位的样品中甲烷浓度在培养后增高，显示这些样品中存在甲烷的净产生，甲烷δ13C的变化则表明甲烷被利用，而A1、A2、B2、B3、B1、C5、D2、D4站位的样品在培养后甲烷浓度降低，呈现甲烷的净消耗。因为海水样品中甲烷的产生和消耗同时发生，所以不能直接通过甲烷浓度的减少进行甲烷氧化速率的计算。因而本文计算甲烷氧化速率时先假设胶州湾海水中存在甲烷的产生。

2.5甲烷氧化速率(MOX)与pH、TA、DOC变化的相关性

海水中pH、TA、DOC的变化受多种物理化学和生物地球化学过程的影响。由于本研究中海水样品的培养的是在恒温无光的封闭体系进行的，培养之前向海水中加入了定量的13CH4，海水中甲烷氧化有可能导致pH、TA、DOC的变化。但统计分析的结果表明，MOX与这几个参数没有明显的相关性(见表4)。

甲烷在由甲烷氧化菌氧化成二氧化碳的过程中，海水的酸性会增大，引起二氧化碳的平衡和碳酸盐体系的变化，但海水的pH也受到一些弱酸离子含量与缓冲作用的影响。同时，CO2浓度改变并不会导致TA的变化，从这个角度看，甲烷氧化速率与pH值和TA之间缺乏相关性是合理的。海水中的DOC与海洋浮游植物的光合作用、生物的代谢和细菌的活动有关，因为本研究实验前加入了足量13CH4，甲烷氧化菌的氧化过程是由甲烷变成二氧化碳的过程，此过程中DOC浓度可能会受到一定的影响，但DOC在海水中的含量比甲烷高很多，并且其变化还受到海水中其他因素的影响，所以甲烷的氧化速率与DOC的变化没有明显的相关性。由于海水样品中甲烷浓度不高，甲烷氧化导致的这些条件因子变化区间不显著，因而甲烷氧化速率与pH、TA、DOC的关系需要通过更精确的实验进一步探究。

注：N代表分析数据的个数；R代表相关性的好坏；P代表无相关性的概率。Npresents the number of analytical data,Rpresents degree of relationship,Ppresents possibility of non-relationship.

2.6甲烷氧化速率(MOX)与DIC变化和甲酸浓度的相关性

将所获得样品的甲烷氧化速率与表层海水的甲酸浓度进行对照(见图8)，发现两者之间有一定的正相关，由图5可以看出，甲酸是甲烷氧化成二氧化碳过程中的重要中间产物，从新陈代谢的角度来看，甲酸的浓度较高，则说明氧化甲烷的微生物比较活跃，从而能够较快的氧化甲烷，使甲烷氧化速率与甲酸浓度呈现一定的正相关性。

2.7胶州湾甲烷的氧化量

根据网格法粗略估算了胶州湾海水一年甲烷的氧化量，包括不同站位和整个胶州湾甲烷的氧化量。图9的结果显示胶州湾东部地区深水区的甲烷的氧化量大于浅水区，E1站位甲烷的氧化量达到了最高值。E1和D2站位虽然表层的甲烷氧化量不大，但由于这两个站位底层甲烷的氧化速率比较大，海水相对较深，因此甲烷的氧化量比较大。

根据培养实验测定的胶州湾水体中甲烷氧化速率，结合胶州湾总水域面积3.20×108m2[11]，通过网格法粗略估计了胶州湾各站位的甲烷的氧化量(见图9)，得出每年胶州湾氧化甲烷的总量约为1.15 ×108mol/a。张桂玲[9]等人估算出胶州湾向大气释放CH4的年通量约为7.98×106～18.00×106mol/a，则胶州湾氧化甲烷的量约是胶州湾甲烷海气通量的6.4～14.3倍。Susan[28]等人的研究发现加利福尼亚Coal Oil Point地区的甲烷氧化量约是甲烷海-气通量的90～99倍，与本实验的研究结果基本一致。本实验的结果进一步支持了Reeburgh的假设即海水中绝大部分甲烷(90%以上)在进入大气之前都被消耗掉了。

3结语

近年来，国际上利用同位素13C、14C、3H等对海水中的甲烷氧化速率做了初步的研究，但是对受人类活动影响较大的海域甲烷氧化速率的变化情况缺乏相关的研究。本研究验证了利用13C同位素标记法测定胶州湾海水中甲烷氧化速率的有效性。胶州湾甲烷氧化速率在水平方向上呈现出近岸高、远岸低的趋势，大部分海域底层甲烷氧化速率稍高于表层。研究表明胶州湾海水的甲烷氧化速率与DIC的变化以及甲酸浓度呈明显的正相关。胶州湾每年氧化甲烷的量约为1.15×108mol/a，约是胶州湾甲烷海气通量的6.4～14.3倍。本研究首次利用13C同位素通过胶州湾大面范围的培养实验测定了胶州湾甲烷的氧化速率，在更长的时间段追踪甲烷氧化速率的变化情况进而更加全面地了解胶州湾甲烷的生物地球化学循环过程是今后需要进一步进行的工作。

参考文献：

[1]Cicerone R J, Oremland R S. Biogeochemical aspects of atmospheric methane[J]. Global Biogeochemical Cycles, 1988, 2(4): 299-327.

[2]Houghton J T, Ding Y, Griggs D J, et al. IPCC 2001, Climate change 2001: the scientific basis. Contribution of Working Group I to the Third of the Intergovernmental Panel on Climate Change[R]. 2001.

[3]Crutzen P J, Zimmermann P H. The changing photochemistry of the troposphere[J]. Tellus B, 1991, 43(4): 136-151.

[4]Khalil M A K, Rasmussen R A. Atmospheric methane: trends over the last 10,000 years[J]. Atmospheric Environment, 1987, 21(11): 2445-2452.

[5]Judd A G, Hovland M, Dimitrov L I, et al. The geological methane budget at continental margins and its influence on climate change[J]. Geofluids, 2002, 2(2): 109-126.

[6]Reeburgh W S. Oceanic methane biogeochemistry[J]. Chemical Reviews, 2007, 107(2): 486-513.

[7]Martens C S, Berner R A. Methane production in the interstitial waters of sulfate-depleted marine sediments[J]. Science, 1974, 185(4157): 1167-1169.

[8]Sommer S, Pfannkuche O, Linke P, et al. Efficiency of the benthic filter: Biological control of the emission of dissolved methane from sediments containing shallow gas hydrates at Hydrate Ridge[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2006, 20(2):DOI:10.1029/2004GB002389.

[9]张桂玲. 中国近海部分海域溶解甲烷和氧化亚氮的生物地球化学研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2004.

Zhang G L. Studies on biogeochemistry of dissolved methane and nitrous oxide in the Coastal waters of China[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2004.

[10]Zhang G L, Zhang J, Xu J, et al. Distributions, land-source input and atmospheric fluxes of methane in Jiaozhou Bay[J]. Water, Air, & Soil Pollution: Focus, 2007, 7(6): 645-654.

[11]赵玉川, 张桂玲, 刘素美. 2009 年 8 月底长江口海水中甲烷的分布与释放通量[J]. 海洋科学, 2012, 35(11): 81-89.

Zhao Y C, Zhang G L, Liu S M, Distribution and fluxes of methane at Chang Jiang(Yangtze River)Estuary at the end of August 2009[J]. Marine Sciences, 2012, 35(11): 81-89.

[12]孙英兰, 孙长青, 王学昌, 等. 青岛海湾大桥对胶州湾潮汐, 潮流及余环流的影响预测——Ⅰ. 胶州湾及邻近海域的潮流[J]. 青岛海洋大学学报 (自然科学版), 1994 (Sp1)： 105-119.

Sun Y L, Sun C Q, Wang X C, et al. Forecast of impact of Qingdao bay bridge on tide tidal current and residual current of Jiaozhou bay—— I.Tidal current of Jiaozhou bay and adjacent sea area[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 1994 (Sp1)： 105-119.

[13]Bastviken D, Ejlertsson J, Tranvik L. Measurement of methane oxidation in lakes: a comparison of methods[J]. Environmental Science and Technology, 2002, 36(15): 3354-3361.

[14]Kinnaman F S, Valentine D L, Tyler S C. Carbon and hydrogen isotope fractionation associated with the aerobic microbial oxidation of methane, ethane, propane and butane[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2007, 71(2): 271-283.

[15]贺行良, 刘昌岭, 王江涛, 等. 气相色谱-同位素比值质谱法测定天然气水合物气体单体碳氢同位素[J]. 岩矿测试, 2012, 31(1): 154-158.

He X L, Liu C L, Wang J T, et al. Measurement of carbon and hydrogen isotopes of natural gas hydrate bound gases by gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry [J].Rock and Mineral Analysis, 2012, 31(1): 154-158.

[16]Sharp J H, Benner R, Bennett L, et al. Analyses of dissolved organic carbon in seawater: the JGOFS EqPac methods comparison[J]. Marine Chemistry, 1995, 48(2): 91-108.

[17]Cai W J, Wang Y. The chemistry, fluxes, and sources of carbon dioxide in the estuarine waters of the Satilla and Altamaha Rivers, Georgia[J]. Limnology and Oceanography, 1998, 43(4): 657-668.

[18]Dickson A G, Goyet C. Handbook of methods for the analysis of the various parameters of the carbon dioxide system in sea water. Version 2[R]. TN (United States)：Oak Ridge National Lab, 1994.

[19]Sharp J H, Benner R, Bennett L, et al. Analyses of dissolved organic carbon in seawater: the JGOFS EqPac methods comparison[J]. Marine Chemistry, 1995, 48(2): 91-108.

[20]Albert D B, Martens C S. Determination of low-molecular-weight organic acid concentrations in seawater and pore-water samples via HPLC[J]. Marine Chemistry, 1997, 56: 27-37.

[21]杨晶. 胶州湾水体及沉积物中甲烷和氧化亚氮的生物地球化学研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2009.

Yang J. Biogeochemistry of methane and nitrous oxide in the water and sediments of Jiaozhou Bay[D].Qingdao: Ocean University of China,2009.

[22]李文军, 钱秋宇, 张青莲. 碳同位素标准品及其～(13) C 丰度研究[J]. 化学通报, 1985, 7(6)： 23.

Li W J, Qian Q Y, Zhang Q L. The studies of carbon isotope standard and13C abundance[J], Chemistry, 1985, 7(6):23.

[23]Coleman D. D, Risatti J B, Schoell M. Fractionation of carbon and hydrogen isotopes by methane-oxidizing bacteria[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1981, 45(7): 1033-1037.

[24]Kelley C. Methane oxidation potential in the water column of two diverse coastal marine sites[J]. Biogeochemistry, 2003, 65(1): 105-120.

[25]Osudar R, Matoušu° A, Alawi M, et al. Environmental factors affecting methane distribution and bacterial methane oxidation in the German Bight (North Sea)[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2015， 160： 10-21.

[26]仇天雷, 承磊, 罗辉, 等. 一株近海沉积物中产甲烷菌的分离及鉴定[J]. 中国沼气, 2007, 25(2): 3-6.

Qiu T L, Cheng L, Luo H, et al. Isolation and characterization of methanogens from sediments in Jiaozhou Bay[J]. China Biogas, 2007, 25(2): 3-6.

[27]俞光耀, 吴增茂. 胶州湾北部水层生态动力学模型与模拟: I. 胶州湾北部水层生态动力学模型[J]. 青岛海洋大学学报: 自然科学版, 1999, 29(3): 421-428.

Yu G Y, Wu Z M. A pelagic ecosystem model and simulation of the northern part of Jiaozhou Bay I. Introduction to pelagic ecosystem model[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 1999, 29(3): 421-428.

[28]Mau S, Valentine D L, Clark J F, et al. Dissolved methane distributions and air-sea flux in the plume of a massive seep field, Coal Oil Point, California[J]. Geophysical Research Letters, DOI:10.10291/2007GL031344.

责任编辑徐环

The Preliminary Study of Horizontal and Vertical Variations of Methane Oxidation Rates in the Jiaozhou Bay

ZHAO Hui-Min1,2, DING Hai-Bing2,3, LV Li-Na1,2, YANG Gui-Peng1,2,3,LIU Chang-Ling4, HE Xing-Liang4

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China,Qingdao 266100,China; 2.Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Qingdao 266100,China; 3.Qingdao Collaborative Innovation Center of Marine Science and Technology, Qingdao 266100， China； 4.Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China)

Abstract:Methane oxidation rates (MOX) of the sea water samples collected from the Jiaozhou Bay in April, 2014 were systematically investigated in this study. Series13CH4incubation experiments of the sea water were conducted and their δ13C-CH4were measured by gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry (GC-IRMS). The MOX of the samples were calculated based on the variations of δ13C-CH4. The results showed that the methane oxidation rates in the surface water samples ranged from 3.7 to 255.5 nmol·L-1·d-1, with an average of (104.7±89.7) nmol·L-1·d-1.While the methane oxidation rates in the bottom water samples ranged from 38.2 to 227.1 nmol·L-1·d-1, with an average of (148.9±76.2) nmol·L-1·d-1. In general, in the eastern area of the Jiaozhou Bay, especially the area around the mouths of the Haibo River and the Yang River, the methane oxidation rates in the surface sea water tend to be higher inshore and lower offshore. The MOX and the variations of dissolved inorganic carbon (DIC) and concentration of formate had significant linear relationship. Total amount of methane oxidized in the bay was about 1.15×108mol/y, which is equivalent to 6.4～14.3 times of sea-air flux of methane in the Jiaozhou Bay.

Key words:methane; methane oxidation rates; gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry(GC- IRMS); δ13C; Jiaozhou Bay

基金项目：❋ 国家自然科学基金项目(41176061)-胶州湾两种生源活性气体甲烷和二甲基硫氧化速率研究；国家自然科学基金创新群体项目(41521064)-海洋有机地球化学资助

收稿日期：2015-02-17；

修订日期：2015-06-16

作者简介：赵慧敏(1987-)，女，硕士生。E-mail:zhaohuimin1019@163.com ❋❋通讯作者：E-mail：dinghb@ouc.edu.cn

中图法分类号：P734.4

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)06-090-10

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150056

Supported by National Natural Science Foundation of China (47716061)-Studying oxidation rates of two biogenic gases-methane and dimethyl sulfide in the Jiaozhou Bay；National Natural Science Foundation of China Innovation Research Group Project (41521064)-Marine organic geochemistry)