近海低氧區(qū)的發(fā)生是影響海洋生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因素，也是海洋科學(xué)的研究熱點。世界范圍內(nèi)近海低氧區(qū)的面積呈指數(shù)增長，爆發(fā)頻率和持續(xù)時間日益增加，已經(jīng)成為威脅海洋生態(tài)健康的重要因素。海洋沉積物和水體中微生物礦化分解有機質(zhì)的耗氧作用，導(dǎo)致海水底層缺氧，當(dāng)水體溶解氧低于臨界值時，底棲動物會大量死亡，魚蝦等漁業(yè)生物的生存受到威脅。CH4是大氣中除CO2外的另一種主要溫室氣體，能強力吸收由地球表面反射的紅外線，其效率分別是CO2的300倍，而低氧環(huán)境有利于CH4的產(chǎn)生和積累，因為大量有機物不能被氧化分解，從而不斷地沉降到沉積物上，進(jìn)行厭氧發(fā)酵生成大量的CH4，本論文對于太平洋的東部海洋低氧區(qū)域內(nèi)的甲烷產(chǎn)生的源頭及機制進(jìn)行了相關(guān)性研究，并且首次依據(jù)分子生物學(xué)數(shù)據(jù)跟蹤分析證實海洋低氧區(qū)內(nèi)的甲烷產(chǎn)生過程。

微電極的應(yīng)用

應(yīng)用了unisense微電極測試了海洋沉積物柱芯中不同深度位置處的氧氣以及硫化氫的含量。其中的氧氣微電極在使用前進(jìn)行了常規(guī)的兩點校正做出標(biāo)準(zhǔn)曲線。氧氣微電極應(yīng)用于測試海床沉積物不同深度處的氧氣濃度。

實驗結(jié)果

海洋低氧區(qū)域是一個存有大量甲烷的區(qū)域，因為低氧有利于甲烷的積累，近海洋的大陸架沉積物（300米的厚度）中的甲烷濃度大概在20-105nmol，通過對所取的柱狀海洋沉積物進(jìn)行培養(yǎng)，確定了海洋大陸架低氧區(qū)域（350-650m）以及該區(qū)域海底沉積物中的甲烷來源，并進(jìn)一步證實了沉積物表面的產(chǎn)甲烷菌在硫酸鹽和亞硝酸鹽的孔隙水中產(chǎn)甲烷的產(chǎn)能為88nmol/nmol g?1day?1，所需的產(chǎn)甲烷的沉積物中的85%的甲基輔酶M還原酶的基因序列與甲烷球菌科類似。應(yīng)用13C標(biāo)記跟蹤甲烷的方法表明該沉積物中的產(chǎn)甲烷菌在海洋低氧區(qū)區(qū)域以上的水中也有進(jìn)行有氧和無氧氧化過程中的潛能。

圖1、海水低氧區(qū)中的氧氣、甲烷、亞硝酸鹽的濃度分布剖面圖。海水低氧區(qū)區(qū)的水樣是采用尼斯金采樣瓶獲取的水樣，插圖是測試的深度在0~5000米處的不同海水樣品測試的氧氣、甲烷、亞硝酸鹽的剖面濃度圖。其中的灰色區(qū)域表示的是海洋的低氧區(qū)域（氧氣的濃度在0~1.6umol/L）。圖B中的黑色直線表示的是特定的深度下的溫度和鹽度時的大氣平衡甲烷濃度。從圖中可以看出，該海洋水域中的低氧區(qū)域主要是分布在50-600m之間，在海水深度為368米處的甲烷的濃度最大（102nmol）。

圖2、海底不同位置所取的柱芯沉積物中甲烷的空間通量變化以及沉積物上覆水區(qū)域的不通位置處硫化氫的濃度和甲烷的生成速率。圖a中的灰色區(qū)域表示的是海洋海床上部區(qū)域十米處的缺氧水區(qū)域的甲烷通量及甲烷濃度分布情況。圖中的黑色線表示的是實際測試的甲烷通量的回歸線，紅色線是理論預(yù)測回歸線。圖b中的插圖表示的是海洋海床上部10m處的甲烷濃度與氧氣濃度之間的相關(guān)性。圖c表示的是在不同深度的海床沉積層（550m(灰色柱形圖)、650m(黑色柱形圖)中0-25cm處的甲烷的生產(chǎn)速率和550處所取海床沉積層中的硫化氫濃度。

圖3、通過13C-DIC標(biāo)記追蹤的甲烷濃度分情況分析。其中圖a表示的是在深度為200米和深度為226米處海洋低氧區(qū)（氧的濃度小于1.6umol/L）處所取的水樣中加入甲烷微菌進(jìn)行培養(yǎng)15天時，水樣中的甲烷濃度的變化情況。圖b表示的是所需海水樣品放置5個月后不同起始濃度的甲烷所對應(yīng)的13C-DIC標(biāo)記濃度。

總結(jié)

產(chǎn)甲烷菌是一類極端厭氧古細(xì)菌，存在于嚴(yán)格厭氧的環(huán)境、動物糞便、厭氧污泥湖泊或海底沉積物、深部油層和煤層等環(huán)境中，產(chǎn)甲烷菌參與有機物厭氧降解的最后一步。但是目前對于海洋低氧區(qū)域的甲烷的來源和歸宿的報道較少，本論文從分子生物學(xué)數(shù)據(jù)分析了海洋低氧區(qū)域內(nèi)的甲烷的生成根源。通過對北太平洋低氧區(qū)域取的柱芯海洋沉積物以及沉積物不同位置處所取的水樣進(jìn)行分析，應(yīng)用unisense微電極測試了水樣中的氧氣濃度以及沉積物中孔隙水的氧氣濃度，確定了海洋的低氧區(qū)域位置，從而準(zhǔn)確的提出關(guān)于海洋低氧區(qū)域內(nèi)的甲烷來源及生成機制。這說明unisense微電極系統(tǒng)在研究深海的海洋沉積物方面存在很好的應(yīng)用前景。