生成甲烷的细菌的同位素与有机地球化学

甲烷细菌的生成途径与稳定碳、氢同位素比值的关系是广泛应用于评价甲烷起源的方法 ,但对其有效性有必要进一步研讨。乙醚类脂化合物和五甲基二十碳烷有可能成为甲烷细菌的生物标志 ,但也要考虑其它生物来源的可能性。１甲烷细菌地球化学的重要性大气中的甲烷是仅次于二氧化碳的使地球变暖的气体 ,有人指出近年来甚至超过二氧化碳的增加量（ＢｌａｋｅａｎｄＲｏｕｌａｎｄ，１９８８）。大气中甲烷的主要来源是湿地、湖沼、水田、填埋废碴、家畜、白蚁、森林火灾、油田、煤田、甲烷水合物等 ,这些甲烷的８０ %系细菌成因。甲烷细菌广泛分布…     

冷泉渗漏区海底微生物作用及生物标志化合物

在有冷泉活动和水合物产出的海底环境中,甲烷氧化古细菌和硫酸盐还原细菌十分发育,它们主导着海底天然气(主要是甲烷)的缺氧氧化作用,并在海底碳循环和生物种群繁衍中发挥着重要作用。海底天然气渗漏活动区的甲烷氧化古细菌使渗漏CH4缺氧氧化为HCO3-,硫酸盐还原细菌使SO42-转化为HS-,从而使细菌微生物获得生命所需的能量,生物种群得以发育和繁衍。甲烷氧化古细菌有ANME-1、ANME-2、ANME-3三个种群,形成相应的醚类异戊二烯类和类异戊二烯烃类生物标志物。硫酸盐还原细菌有Desulfosarcina和Desulfococcus两个主要的细菌群落,形成二烃基甘油二醚和脂肪酸生物标志化合物。这种天然气渗漏区内微生物活动产生的生物标志化合物都具有特别负的碳同位素组成,δ13C值为-41.1‰~-95.6‰,说明微生物群落在生命代谢过程中摄取了来自甲烷的碳,同时也反映了天然气渗漏系统缺氧带存在的古细菌和硫酸盐还原细菌活动。     

生物标志物及其碳同位素在冷泉区生物地球化学研究中的应用

甲烷通量在很大程度上控制着海底冷泉区生物地球化学过程及生态系统。缺氧甲烷氧化(AOM)作用是消耗CH4的一种重要途径,主要是由甲烷氧化古菌和硫酸盐还原菌共同调节的,其反应机制及碳循环可以利用生物标志物及其碳同位素比值来表征。这两种微生物所产生的特定生物标志物都具有相对负的δ13C值,且硫酸盐还原菌生物标志物的δ13C值要比古菌的略偏正,说明在AOM过程中,甲烷碳从古菌到细菌的传递。甲烷通量决定海底冷泉区微生物群落结构,通量高时以ANME-2古菌群落为主,而OH-AR和BIPH两个生物标志物指标可以指示古菌群落结构变化。所以,利用生物标志物及其δ13C值不仅能够证明AOM作用的存在和反应机制,还可以对冷泉区(尤其是古冷泉区)环境及微生物群落结构进行分析和重建。     

南海东沙东北部甲烷缺氧氧化作用的生物标志化合物及其碳同位素组成

南海东沙东北部碳酸盐岩和泥质沉积物中的生物标志化合物组合及其碳同位素组成分析表明,研究区内甲烷缺氧氧化作用(anaerobic oxidation of methane-AOM)发育.研究区内碳酸盐岩中含丰富的AOM标志化合物,2,6,11,15-四甲基十六烷(Crocetane-Cr.)、2,6,10,15,19-五甲基番茄烷(Pentamethylicosane-PMI)和2,6,10,15,19,23-六甲基二十四烷(Squalane-Sq角鲨烷)的13C亏损强烈(δ13C值介于-74.2‰~-119.0‰PDB之间),表明碳酸盐岩形成于AOM,同时反映该研究区曾发生过强烈、持续的富CH₄流体释放活动.柱状泥质沉积物中,AOM生物标志化合物在硫酸岩-甲烷过渡带(SMI-Sulfate-Methane Interface)边界附近相对丰度高,SMI之上样品中含量低,或未检出,表明现代环境在SMI附近有大量嗜甲烷微生物生长,使得深部上升的甲烷被大量消耗,很少有甲烷逸出海底.AOM生物标志化合物可用来指示SMI边界.不同站位、不同岩性AOM生物标志化合物组成(包括碳同位素组成)的差异反映了嗜甲烷古细菌组成的不同.     

未来关于天然气水合物循环的研究

在20世纪60年代,已有大量证据表明, 碳以游离气、溶解气和水合物的形式存在于 海洋沉积物中,数量巨大.在典型的温度(洋 底温度为摄氏数度)和约50巴(相当水深 500m或更大)的条件下,如有足够的甲烷气 或其它形式的气存在,就可形成天然气水合 物.科学家估算,天然气水合物中的碳相当 于石油、天然气和煤中的碳之两倍. 大洋钻探146和164航次在俄勒冈和新 泽西州大陆边缘发现和回收了水合物、流体 和气以及对下部界面环境影响之证据.这 样,对未来大洋钻探计划提出了挑战:需要 在全球海洋中广泛布置井位,以采集水合物 样品.这是我们弄清水合物形成和释放是怎 样影响全球生物地球化学循环,以及它们怎 样和构造过程有关的唯一途径.今天,水合 物存在于海洋沉积物中,但这仅是水合物生 成及消亡这一复杂过程之一部分.生成甲烷 细菌消化沉积中的有机质,以代谢作用产生 甲烷,当这些甲烷迁移至水合物稳定带后,它 们将形成另外的水合物.某些情况下,深部 热成气也可进入上部水合物稳定带并形成水 合物. 现在科学家认为,天然气水合物系统是 全球碳循环系统的重要组成部分,关于碳从 水合物系统中输入和输出,以及水合物储层 尺度之大小仍然是需要研究的.用先进的技 术进行大洋钻探,对于很好地了解水合物形 成和破坏(分解)以及它在全球循环中的作用 是非常重要的.用将来的科学钻探来研究水 合物之目的需回答下列问题:海洋天然气水 合物的形成机制是什么?碳循环的全球系统 之组成何在? 为什么要研究天然气水合物循环? 姚伯初摘译自 ,1999     

墨西哥湾北部富甲烷岩心SMI上的甲烷氧化作用

在富甲烷和含天然气水合物的海洋沉积物中,硫酸盐-甲烷界面（SMI）正逐步为大家所认识,被看作一个基本的生物地球化学氧化还原作用边界。SMI之上沉积物富硫酸盐,其下贫硫酸盐和富甲烷。SMI是一个很薄的带,甲烷的厌氧氧化作用是通过甲烷氧化作用完成的。在甲烷氧化作用过程中,甲烷和硫酸盐被消耗,形成溶解无机碳（DIC）和硫化氢（HS^-）,反应式如下：     

甲烷流体活动与沉积物中碳、氮同位素组成响应——南海东北部海洋IV号地区研究

南海东沙群岛东北部海洋IV号地区GC16站重力柱状沉积物中的有机碳、总氮,以及自生碳酸盐岩矿物的无机碳同位素组成分析结果表明,甲烷流体活动区硫酸盐甲烷转换带(SMTZ—sulfate methane transition zone)是重要的生物地球化学界面,该带内沉积物中有机碳、氮与无机碳同位素组成变化明显。GC16站SMTZ上界面以下的沉积物中有机碳、氮同位素组成分别比其上的沉积物负偏1.4‰PDB和0.93‰,反映该带内甲烷缺氧氧化作用(AOM—anaerobic oxidation of methane)与氨氧化作用发育。无机碳同位素组成表明SMTZ界面之下沉积物中的自生碳酸盐岩矿物为以微生物为媒介的甲烷驱动成因,地质历史时期(至柱状沉积物底部沉积时期)曾发生过2次较强烈的CH₄流体活动;目前该区甲烷流体活动较弱,甲烷流体影响深度与SMTZ上界面一致,未能到达海底。     

甲烷流体活动与沉积物中碳、氮同位素组成响应——南海东北部海洋Ⅳ号地区研究

南海东沙群岛东北部海洋Ⅳ号地区GC16站重力柱状沉积物中的有机碳、总氮,以及自生碳酸盐岩矿物的无机碳同位素组成分析结果表明,甲烷流体活动区硫酸盐-甲烷转换带(SMTZ—sulfate methane transition zone)是重要的生物地球化学界面,该带内沉积物中有机碳、氮与无机碳同位素组成变化明显。GC16站SMTZ上界面以下的沉积物中有机碳、氮同位素组成分别比其上的沉积物负偏1.4‰PDB和0.93‰,反映该带内甲烷缺氧氧化作用(AOM—anaerobic oxidation of methane)与氨氧化作用发育。无机碳同位素组成表明SMTZ界面之下沉积物中的自生碳酸盐岩矿物为以微生物为媒介的甲烷驱动成因,地质历史时期(至柱状沉积物底部沉积时期)曾发生过2次较强烈的CH4流体活动;目前该区甲烷流体活动较弱,甲烷流体影响深度与SMTZ上界面一致,未能到达海底。     

天然气水合物的上界面——硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面

定义了海域天然气水合物成矿带的上界面。指出在地球深部存在最原始的、从根本上不依靠光合作用来生存的生命系统。根据对ODP岩心样品中微生物数量的统计,海底以下沉积层中的生物数量可能占据全球原核生物总量的70%,其生物总碳量和地球表面所有植物的碳总量相当。地球内部如此巨大的生物总量应该在地壳中的气体分布等方面起着重要作用。甲烷在地壳层中广泛存在,并主要是微生物成因的。微生物产甲烷的途径主要有两个,一是二氧化碳还原,另一个是醋酸盐发酵。相应地,参与产甲烷的微生物菌群主要是产甲烷菌和食醋酸菌。甲烷在沉积层中的厌氧氧化是一个不争的事实。该过程发生在海底以下一个非常局限的区带,称为硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化区带。通常,这个区带很窄,仅为一个面,因此,硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化区带又称硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面。这是一个基本的生物地球化学界面,在功能上它起到屏蔽甲烷向海底和大气逸散的作用,是一个巨大的甲烷汇。甲烷的厌氧氧化同样是一个由微生物介导的过程,参与此过程的微生物主要是食甲烷古菌和硫酸盐还原菌。硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面在海洋沉积层中一般深可达海底以下上百米,浅可至海底。此界面为天然气水合物的上界面,该界面以上没有甲烷...     

厦门沿岸自然浮游细菌种群对于病毒裂解产物的响应

模拟了厦门沿岸海区病毒裂解产物对于自然细菌群落的影响.实验过程中基于不同过滤方式收集的细菌、病毒种群和病毒裂解产物,通过室内模拟培养方式,结合流式细胞计数和总有机碳分析仪分析病毒、细菌丰度和有机碳含量等技术,研究浮游细菌在病毒裂解产物添加下的生长变化.实验结果显示,去除原生生物捕食者的浮游细菌丰度在整个培养过程中持续增加,特别是病毒裂解产物添加组中的细菌类群的增长程度明显,其丰度在5 d的培养时间内从2.76×105cells/cm3上升至1.90×106cells/cm3;而在无病毒裂解产物添加组中其丰度仅仅从3.0×105cells/cm3上升至1.39×106cells/cm3;相对于无病毒裂解产物添加组,培养周期内细菌丰度均值在病毒裂解产物添加组中的绝对增量约为3.64×105cells/cm3,这表明此研究海区的病毒裂解产物在模拟原位环境的培养体系中可快速地被环境中的其他细菌类群吸收、利用,并且在丰度上产生显著影响(p0.05).结合病毒丰度变化以及细菌细胞裂解释放量、细胞碳含量的关系估算了收集来的病毒裂解产物在培养体系中释放的碳量大约为2.12~7.67μg/(dm3·d);它被浮游细菌用于丰度增长方面的贡献大约22.47%~81.25%.此外,在培养过程中,溶解有机碳的浓度在病毒裂解产物添加组中的变化相对于无病毒裂解产物添加组缓慢,但总体上两者随时间变化逐渐减少,它们间的均值差值约为1.04μmol/dm3;结合对应的细菌丰度增量,估算出培养体系中浮游细菌碳含量大约为34.29fg/cell.上述结果揭示了厦门沿岸海域内病毒裂解产物在维持细菌群落多样性和生长繁殖方面的重要生态作用.     

古新世/始新世过渡期碳旋回和气候转暖的年代

现代全球碳旋回模式不能用自然机制解释碳储层中稳定碳同位素比值（δ１３Ｃ）记录大的瞬间变化。大约１２００～２０００Ｇｔ碳输入大气层（如沉积的甲烷水合物分解形成的甲烷）能够解释大约５５Ｍａ前的δ１３Ｃ异常 ,以及高纬度地区温度上升和古新世—始新世界面附近海洋和陆地生物群的变化。对北大西洋西部沉积岩心进行物理、化学和光谱分析显示 ,三分之二的碳同位素异常出现在不足几千年范围内 ,表明是灾害事件将碳释放到大洋和大气中。５４９３～５４９８万ａ前 ,大洋和大陆同期开始δ１３Ｃ异常和生物变化。δ１３Ｃ异常持续时间表明…     

海水养殖碳循环的实验研究

以浮游生物为主体的受控生态实验表明,溶解无机碳和DOC分别占海水碳贮库的89.75％和10.25％;在有机碳贮库中,浮游生物碳占5.43％,细菌碳占7.39％,表明细菌在海水碳循环中起重要作用,这种作用可从虾池样品分析获进一步证实。在食物链(14)C标记实验中,生物对碳吸收率随饵料密度增加而增加,由于饵料利用率的变化,应注意选择最适的饵料密度。鱼虾混养的~(14)C示踪实验表明:营养元素不断从低营养级向高营养级转移,各种生物样品~(14)C放射性活度平均百分比分别是,扁藻84.63％,卤虫8.99％,长毛对虾0.97％,棱鮻5.42％。     

南海北部浅表层沉积底栖有孔虫碳同位素及其对富甲烷环境的指示

对南海北部陆坡东沙海域、神狐海域及西沙海槽甲烷渗漏环境和无甲烷渗漏环境87个浅表层沉积物中的底栖有孔虫Uvigerinaspp.进行碳同位素分析研究,结果表明,东沙海域δ13C值为-0.52‰~-5.68‰,平均值为-1.41‰,出现明显的负偏移;神狐海域δ13C值介于-0.36‰~-1.10‰,平均值为-0.75‰,未见明显的δ13C值负偏移;西沙海槽δ13C值介于-0.01%~-0.89‰,平均值为-0.45‰;对Uvigerinaspp.碳同位素组成与沉积物有机碳(TOC)、甲烷(CH4)间的关系进行探讨,发现δ13C负偏移主要出现在甲烷渗漏环境,发生在末次盛冰期,与溶解无机碳负偏移以及沉积物全样的δ13C值负偏移层位相吻合,有可能作为富甲烷环境的替代指标。     

海底甲烷缺氧氧化与冷泉碳酸盐岩沉淀动力学研究进展

海底缺氧带甲烷氧化作用是一个重要的甲烷生物地球化学过程,已被许多地球化学现象所证实。甲烷缺氧氧化有效地减少了渗漏到海水和大气中的甲烷通量,但目前仅有的数据还不能很好地限定甲烷缺氧氧化在全球甲烷循环和全球碳循环中的作用。甲烷缺氧氧化的机理还存在争议,很可能是一个“反甲烷生成”过程。在许多天然气渗漏发育区域,由于甲烷缺氧氧化作用引起环境碱度的增加而沉淀冷泉碳酸盐岩,在海底表层沉积物中形成块状碳酸盐岩结壳。但冷泉碳酸盐岩生成所需的物理化学和生物地球化学条件在很大程度上还不清楚。数值计算表明,孔隙水中溶解足够量的甲烷、冷泉渗漏强度适中、较小的生物扰动作用有利于冷泉碳酸盐岩的生成,而过高的沉积速率则抑制冷泉碳酸盐岩结壳的生成。因此,海底发育冷泉碳酸盐岩可以指示天然气渗漏系统的演化特征。     

冷水鱼循环水养殖系统生物滤池成熟过程及低温氮降解菌的分离与鉴定

本文研究了冷水鱼循环水养殖系统生物滤池的成熟过程,同时通过对成熟生物滤料上净化微生物进行了富集,对低温条件下具有有效降解氨氮和亚硝酸氮的细菌进行了分离鉴定。研究表明,在温度17～18℃,pH为7.76±0.28,盐度0的条件下,经过40d的培养,生物滤池可完全成熟。但受较高溶氧条件的限制,成熟后的生物滤池只能将养殖水中高毒害的氨氮和亚硝酸氮转化为低毒害的硝酸氮,而无法通过反硝化作用将氮和磷从系统中移除。同时根据水体中有机碳和无机碳的变化,推测生物滤料上自养菌群的产生滞后于异养菌群。经分离、鉴定得到4株耐低温的氮降解细菌,分别为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、Velezensis芽孢杆菌(Bacillus velezensis)、土芽孢杆菌(Geobacillus sp.)和短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)。     

太平洋东北部水合物脊现代甲烷渗漏区有孔虫记录甲烷的碳同位素证据

俄勒冈州外海水合物脊现代甲烷渗漏区的发现,为研究甲烷对活体有孔虫生态和地球化学方面的影响提供了机会。2002年在水合物脊南部高点获取一批岩心。样品经保存和染色后用来测定Uvigerina peregrina、Cibicidoidesmckannai和Globobuliminaauriculata3个底栖有孔虫属种的活体（经染色）和死体的碳同位素（δ13C）组成。有孔虫样经光学显微镜和扫描电镜检查,未发现有成岩作用或自生碳酸盐沉淀作用的迹象。渗漏区活底栖有孔虫单体记录的乎δ13C值在-0．4％--21．2％0之间,说明受高浓度甲烷碳同位素的影响。渗漏区底栖有孔虫护C平均值（由单体样品计算）范围在-1．28％--5．64％0之间,而背景区（没有甲烷渗漏）的介于-0．81％--0．85％之间。为了解环境因素对底栖有孔虫δ13C值的影响,对细菌席和蛤床两种截然不同的甲烷渗漏环境的底栖有孔虫进行研究。细菌席区的有孔虫单体比蛤床区的具有更负的δ13C值。我们解释这种差异是食物来源或共生细菌对底栖有孔虫δ13C值影响的结果,通过溶解无机碳（DIC）作用于底栖有孔虫,使其δ13C值负偏移。对比活体和死体底栖有孔虫的δ13C值,并未发现统计上的差异。这说明自生碳酸盐沉淀作用未在观测到的同位素组成中起主导作用。然而,少量极度亏损δ13C（〈-12％）的死体底栖有孔虫确实显示了自生碳酸盐岩沉积对有孔虫δ13C值影响的潜在证据。     

海南八门湾红树林柱状沉积物中有机生物标志物的分布和降解

对海南岛红树林柱样中有机生物标志物等生物地球化学参数进行了初步研究.结果显示红树林中有机碳(OC)与总氮(TN)比值范围为5.35-7.47,碳稳定同位素(δ13C)值范围为-25‰--22.9‰.脂肪酸与正构烷烃浓度分布范围分别为7.8-21.8μg·g-1(干重)和3.2-25μg·g-1(干重).在表层沉积物中,红树林植物、细菌与浮游生物的脂肪酸生物标志物各占总脂肪酸的25.4%、12.9%和7.5%,结合较低的OC/TN比值和较高的δ13C值,表征了当地微生物和外源浮游植物的有机质贡献.各类脂肪酸在柱样中表现出不同的降解特征:多不饱和脂肪酸(PUFAs)优先被降解,而长链脂肪酸(LCFAs)则较为稳定,没有明显的降解.碳优势指数(CPI)和平均碳链长度(ACL)显示,埋藏深度越深,有机物的生物化学改造程度越大.     

巴基斯坦岸外(阿拉伯海东北部)Makran增长柱的冷渗漏

为了在具高有机碳和气含量的主动大陆边缘研究流体和气体的运移,对巴基斯坦岸外Ｍａｋｒａｎ增生楔进行了调查。沿增生楔在２５０～８００ｍ水深和２５００ｍ水深处发现了冷渗漏。这里从水柱沉积物中辐射出来的细菌成因轻甲烷同位素的含量范围为２９０～５００ｎｌ／ｌ。?..     

硫酸盐-甲烷界面与甲烷通量及下伏水合物赋存的关系

硫酸盐-甲烷界面在富甲烷和含天然气水合物的海洋沉积区已经成为一个重要的生物地球化学识别边界.在硫酸盐-甲烷界面之上,沉积物中的硫酸盐因参与分解有机质和甲烷厌氧氧化反应而被消耗,而界面之下沉积物中的甲烷则不断生成,含量逐渐增加.根据该界面附近硫酸盐浓度和甲烷浓度的变化特征,可以判断该区甲烷流体通量的大小,从而指示下伏天然气水合物的可能赋存状况.南海北部陆坡的柱状沉积物孔隙水数据的分析显示,其硫酸盐-甲烷界面埋深比较浅,表明该海域的甲烷通量较高.这种高甲烷通量很可能是由下伏的天然气水合物所引起的,并暗示着该区下伏海底可能有天然气水合物沉积层赋存.     

海底天然气水合物形成的数学模型

我们建立了一个预测海洋沉积物中天然气水合物的数量和分布的数学模型，认为大陆边缘有机质沉积积累的环境是天然气水合物稳定存在的区域。由于细菌的作用。有机质向甲烷转变有利于形成水合物并消耗了有机碳。我们得到了沉积物中水合物和气体数量的质量平衡方程，并解释了孔隙流体中溶解甲烷和盐类浓度的变化。沉积压实及相关流体的影响明确模型化。尽管我们主要关注仅由沉积输入碳的理想化的被动大陆边缘。我们也提及了深源流体的供应。数学计算显示．沉积速率、有机质的质量和数量、以及表征生物生产力效率的速率常数为该模型的关键参数。应用该模型预测了布莱克海台代表的环境，并将其与ODP164航次的观测结果进行了比较。我们得到，没有任何外来淡水的条件下，包括稳定带以下的区域在内，预测结果与实测的氯离子剖面十分吻合。我们同样预测，水合物不可能占据7％的孔隙体积，这也与观测的结果一致。