不同营养盐水体甲烷产生机制与潜力对比

温健文,刘 建,张介霞,李玉红,陈维聪,詹力扬,吴 曼,叶旺旺

(自然资源部第三海洋研究所、海洋大气化学与全球变化重点实验室,福建 厦门361005)

甲烷(CH4)在百年尺度的温室潜力上是二氧化碳的32倍[1],贡献了20%的温室效应。自工业革命以来,它们在大气中的浓度迅速增加：截止2021年,大气中甲烷浓度为1 893 nmol/mol。甲烷通过参与对流层臭氧和羟基的光化学调节以及平流层水分子的形成[2],积极参与大气化学循环进而间接影响全球气候。海洋被认为是大气中甲烷的净来源,尽管仅占全球甲烷排放的2%[3],但是受陆源输入、水深较浅和上层海水通风等原因的影响,河口近海区域占全球海洋甲烷总排放量的75%[4],是甲烷的活跃区域。

富含氧气的表层海水理论上不利于甲烷产生,然而世界上大多数海域的表层海水甲烷浓度相对于大气都是过饱和的,这种现象称为海洋甲烷悖论[5]。近年来的研究表明含甲基的有机物是甲烷产生的潜在前体物质[6-7]。国内已有学者对现有的甲烷悖论产生机理进行了梳理[8-9],现场受控培养实验也表明向海水中添加甲基膦酸(MPn)[10-11]、二甲基巯基丙酸内盐(DMSP)[12-14]和三甲胺(TMA)[15-18]等含甲基的物质可以促进甲烷产生。最新的研究表明所有生物体在胞内都可以进行由活性氧驱动的甲烷生成,表明该过程可能是除传统认为的甲烷厌氧产生外存在的另一种甲烷产生途径[19]。

陆丰近海和九龙江河口作为亚热带近海的典型水域,受人为影响较大。九龙江是中国东南部一条中等规模的亚热带河流,大部分降雨发生在春夏两季。在过去的30年,受人为干扰的影响(如畜牧业和人为废弃物的排放等),流域水体的营养盐含量较高[20]。另外,九龙江河口上游段的溶解有机碳约为下游段的4～6倍[21]。目前,已有学者对九龙江河口和珠江口温室气体的分布和通量进行了研究,发现九龙江河口水体是大气甲烷的强源[22],涡流驱动的珠江口羽流对甲烷分布有重要的影响[23]。然而,目前这两个水域溶存甲烷的产生和消耗过程及其主要影响因子还不清晰。本研究拟在前人研究基础上[24-25],对九龙江河口和陆丰近海水体进行受控培养实验并分析温室气体产生速率,以更好地了解甲烷在不同营养盐环境下的产生潜力。

1 材料与方法

1.1 样品采集

于2021年在九龙江河口(6月)和陆丰近海(8月)进行了现场采样和培养实验,其他室内培养实验在航次结束后的1个月内完成。九龙江河口的样品采集于潮汐作用较强的中游流域(玉枕洲南侧水道,24.42°N,117.87°E)。由于高低潮之间表层海水的盐度变化较大(9.5),且已有研究表明该区域温室气体浓度变化与盐度变化呈负相关[26],因此该站位是研究河口温室气体受潮汐影响变化的典型区域。陆丰近海的采样站位位于陆丰市甲子港的南侧(22.51°N,116.12°E),是珠江口羽流中心。两个采样站位之间相距236 km,采样时使用有机玻璃采水器,通过绳吊的方法采集表层海水(水面以下0.5 m)。在每次实验之前,将海水转移到预先酸洗的聚碳酸酯容器(25 L)中,然后使用蠕动泵定量往3 L无菌气袋(Tedar PVF采样袋,大连德霖气体包装有限公司)中注入1 L海水。随后在各个袋中添加相应的试剂(表1)：葡萄糖(碳源,C)、亚硝酸盐(氮源,N)、MPn、DMSP、TMA。实验分3个实验组进行,其中实验1和实验3的对照(Control)组不做任何处理;实验2的过滤(filtered)样品(C+N)组和(C+N+MPn)组依次使用0.45 μm和0.22 μm的一次性针头滤器配套蠕动泵进行抽滤(流速控制在200 mL/min),以尽量降低过滤对溶解气体的影响。气袋需要把空气排尽,并在实验室外露天放置培养,实现昼夜更替的效果,尽量模拟原位条件。

表1 九龙江河口和陆丰近海培养实验的试剂添加情况Tab.1 Addition of reagents in incubation experiments in Jiulongjiang Estuary and Lufeng offshore

对于上述的样品,在实验开始、实验正好满2、4、6 d时的固定时间节点上分别进行采样。采集海水样品时首先采集溶解氧样品,然后采集甲烷分析样品,转移气袋样品到瓶口涂有油脂的20.0 mL顶空玻璃瓶中,并加入饱和氯化汞溶液0.1 mL以抑制微生物活动,使用丁基橡胶隔膜和铝盖密封。每个采样时间点均采集双样进行分析,采样结束后将样品置于避光环境下保存。

1.2 样品分析方法

本研究按照静态顶空分析方法对水体样品中的甲烷进行分析[27],该方法的准确度和精密度均在2%以内。用浓度为1.00 μmol/mol甲烷的标准气体(中国计量科学院国家标准物质研究中心,成分为氮气为底气的甲烷标气)进行顶空处理。顶空置换出12.4 mL海水样品,经45 ℃恒温振荡后,抽取1.0 mL顶空气进入气相色谱仪(日本岛津,型号：GC-2000)分析。实验采用测定标准水样的方法来绘制标准曲线。标准水样是预先添加氯化汞并在25 ℃的恒温水浴槽中鼓气与空气达到平衡时(大于48 h)的超纯水。随后,分别使用高纯氮气(精度在99.999%以上)、4.00 、6.00、8.00、12.00、16.00 μmol/mol的甲烷标准气体进行顶空。标准水样的顶空体积、顶空气的测定方法与测定样品时一致。在样品分析过程中,通过每隔2～3 h重复测定同一标准气体顶空(4.00 μmol/mol甲烷)的标准水样浓度来校正气相色谱的基线漂移。

温度和盐度使用便携电导率仪(德国WTW,型号：Cond3110)测定。溶解氧浓度使用溶氧探头(赛默飞,型号：STARA3235)测定。营养盐使用AA3型流动注射分析仪(德国SEAL,型号：AA3)进行分析,其测定方法分别为：亚硝酸盐浓度采用萘乙二胺分光光度法测定,磷酸盐浓度采用磷钼蓝分光光度法测定,硝酸盐浓度采用铜镉柱还原法测定[28],铵盐浓度采用靛酚蓝分光光度法测定[29],检出限分别为0.02、0.02、0.05、0.16 μmol/L。本研究对于不同组别的温室气体浓度和环境参数(温度、盐度、溶解氧和营养盐)的对比分析主要采用比较平均值±标准偏差的方法。

2 结果与分析

2.1 陆丰近海和九龙江河口的水体性质

表2中发现两个采样区域的温度和溶解氧浓度相似：由于纬度差异较小,因此温度相似;溶解氧浓度基本都处于与大气平衡的状态。不同的是,两个采样站位的总无机氮浓度相差3个数量级。其中,陆丰近海站位水体盐度较高,以海水为主,在实验室测得硝酸盐和磷酸盐浓度均在检出限以下(总无机氮浓度为0.6 μmol/L),属于贫营养化水体;而九龙江河口采样站位水体以低盐度和高营养盐的海水为主,其硝酸盐浓度高达309.7 μmol/L、总无机氮浓度为351.4 μmol/L、磷酸盐浓度为2.4 μmol/L,属于富营养化水体。

表2 九龙江河口和陆丰近海水文参数的范围和平均值Tab.2 Range and average value of hydrological parameters of Jiulongjiang Estuary and Lufeng offshore

2.2 陆丰近海贫营养化水体中甲烷培养实验

在陆丰近海的水体培养中(实验1),(C+N+MPn)组水体中的甲烷浓度与其余四组相比发生了明显变化。在培养的0～2 d,(C+N+MPn)组的甲烷浓度增加了2个数量级(378.0 nmol/L);甲烷增长速率为183.9 nmol/(L·d)[图1(a)]。在2～4 d的培养过程中,甲烷浓度增加到了444.0 nmol/L,比前两天增加了17.4%,增长速率为33.0 nmol/(L·d)。在4～6 d培养过程中,甲烷浓度降低到398.0 nmol/L,增长速率为-23.0 nmol/(L·d),相比于2～4 d时的最高值减少了10.4%。其他四组甲烷浓度的增长幅度在-6.7～16.0 nmol/L之间,增长速率在-1.0～8.9 nmol/(L·d)之间,与(C+N+MPn)组的变化相比可以忽略不计。同时,在0～2 d内,(C+N+MPn)组的溶解氧浓度变化和变化速率是各组中最大的,从284.4 μmol/L下降到257.8 μmol/L,变化幅度为-9.4%,变化速率为-13.3 μmol/(L·d)[图1(b)]。

图1 陆丰近海水体各参数浓度变化Fig.1 Concentration changes of some parameters in Lufeng offshore(a)为实验1的甲烷浓度变化,(b)为实验1的溶解氧浓度变化,(c)为实验2的甲烷浓度变化。

在实验2中,实验开始2 d,(Not filtered+C+N+MPn)组的甲烷浓度为653.1 nmol/L,比实验1同时期的甲烷浓度高72.7%,增长速率也是各组中的最高值,为320.2 nmol/(L·d)(比实验1的速率高69.3%)[图1(c)]。虽然发现甲烷浓度的增长幅度和增长速率都比实验1的更高,但是随着培养时间增加,在2～6 d甲烷消耗速率与实验1的相似,如2～4 d和4～6 d的增长速率分别是-23.3 nmol/(L·d)和-27.4 nmol/(L·d)。而(Filtered+C+N+MPn)组也观测到略高于(Not filtered+C+N+MPn)组的甲烷浓度,可能受到了光降解的影响[30]。

2.3 九龙江河口富营养化水体中甲烷培养实验

在九龙江河口水体培养实验中(实验3),0～2 d内甲烷生产速率最高,分别为(C+N+DMSP)组2.2 nmol/(L·d)、(C+N+MPn)组10.1 nmol/(L·d)和(C+N+TMA)组1.9 nmol/(L·d)。同时,甲烷浓度在实验2 d时也达到了最大值,分别为13.7、29.4、13.4 nmol/L[图2(a)]。这可能是由于碳源、氮源和含甲基有机物(MPn、DMSP和TMA)的添加,使得九龙江河口的微生物可以获得足够的底物去生产甲烷。其中,(C+N+MPn)组的增长率最高,达到了211%,比(C+N+DMSP)组和(C+N+TMA)组高5倍。该结果表明九龙江河口可能存在多种基于甲基分解产生甲烷的路径,其中基于MPn路径的微生物最活跃。同时,(C+N+DMSP)组、(C+N+MPn)组和(C+N+TMA)组的溶解氧浓度也是在培养0～2 d下降最多,分别是-22.9%、-21.0%和-22.0%[图2(b)]。在2～6 d,随着原有底物的耗尽,甲烷的生产速率逐渐小于甲烷的消耗速率,总体上体现为甲烷的消耗。Control组和(C+N)组甲烷浓度在0～2 d没有增长,但在2～4 d存在甲烷浓度轻微波动,表明水体中可能存在甲烷厌氧产生和甲烷氧化。综上,九龙江河口水体也存在基于MPn、DMSP和TMA路径生产甲烷的路径,但是基于MPn路径生产的甲烷更多。

3 讨论

通过水体受控培养实验,发现贫营养化水体(陆丰近海)在底物充足(如MPn)、无机磷匮乏的条件下能够比富营养化水体(九龙江河口)产生更多的甲烷(陆丰近海甲烷浓度和甲烷生成速率约是九龙江口的22倍和87倍),说明陆丰近海水体中基于MPn路径生产甲烷的微生物对添加的有机磷和营养盐更加敏感。进一步比较发现(C+N+MPn)组和(Filtered+C+N+MPn)组的甲烷增加量前者(640.0 nmol/L)是后者(4.4 nmol/L)的近145倍[图1(c)],即在加入相同底物量的情况下,两者的甲烷产量差异明显,说明甲烷产生可能是微生物新陈代谢的结果。这可能主要与磷的竞争机制有关：九龙江河口的无机磷和实验所添加的MPn(有机物)同为底质竞争产物,微生物在营养盐的刺激下可能会同时利用无机磷和MPn,但无机磷的存在在一定程度上抑制了微生物的MPn利用率,因此其副产物甲烷也相应减少。与此相反的是,陆丰近海在无机磷匮乏的情况下,微生物可能利用MPn来补充自身新陈代谢所需的磷源,由此造成更多的甲烷释放。先前的研究表明,富氧水体中的原位甲烷生产可能是近海甲烷的重要来源[24,31-32]。尽管其潜在机制仍然模糊不清,但已有研究表明添加MPn会增加沿海水域的甲烷产量[24]。添加的碳源和氮源可能有助于创造一个缺磷的环境,刺激需磷微生物的生长;或者微生物分解MPn的过程同时需要碳源和氮源的供给。因此,微生物介导的MPn分解和甲烷产生将依赖于水体中的营养盐水平,表明贫营养化水体可能是甲烷有氧产生的重要场所。

甲烷生产速率峰值都发生在培养过程的前两天,这可能与微生物群落更替有关[图1(a)、(c)]。在实验开始阶段(0～2 d),充足的MPn被迅速消耗并产生大量甲烷。溶解氧的降低速率最大值同样出现在前两天也印证了该观点[图1(b)]。随后(2～4 d),MPn的浓度迅速下降,以至于不能维持更高的甲烷产生。同时,由于甲烷浓度升高,可能会提升甲烷氧化速率。随着培养时间的增加(4～6 d),甲烷会被持续消耗直到降到甲烷可以被氧化的阈值之内,从而保持稳定。因此,在添加碳源、氮源和MPn的0～2 d内,推测陆丰近海水体的微生物活动最活跃,通过微生物新陈代谢过程分解MPn产生甲烷的速率和溶解氧的消耗也最高。

综上,推测贫营养化的陆丰近海水体中存在基于MPn路径生产甲烷的微生物,在条件适宜的情况(如充足的碳源和氮源)下可以生产甲烷。

4 结论

根据现场和室内受控培养实验,可以得出以下主要结论：

(1)陆丰近海水体中添加碳源、氮源和MPn会导致大量甲烷产生(比对照组高两个数量级),表明陆丰近海水体中存在基于MPn路径生产甲烷的过程。

(2)九龙江河口水体也存在基于MPn、DMSP和TMA路径生产甲烷的过程,但基于MPn路径生产的甲烷最多。

(3)通过比较发现同样受控培养实验条件下,陆丰近海通过MPn产生的甲烷浓度最高值是九龙江河口的约22倍,其甲烷生成速率是九龙江河口的约87倍。营养盐条件的差异可能是造成该结果的主要因素。其中,贫营养化水体可能更有利于基于MPn路径的甲烷产生。由此推断,寡营养的开阔大洋表层海水可能是甲烷有氧产生的重要场所。

致谢：感谢自然资源部第三海洋研究所海洋与海岸地质研究室王爱军老师和海洋生物与生态实验室顾海峰老师提供的营养盐、温度和盐度数据。感谢中国海监203船全体科考队员和船员在出海方面提供的帮助。