近海低氧区的发生是影响海洋生态系统健康的重要因素，也是海洋科学的研究热点。世界范围内近海低氧区的面积呈指数增长，爆发频率和持续时间日益增加，已经成为威胁海洋生态健康的重要因素。海洋沉积物和水体中微生物矿化分解有机质的耗氧作用，导致海水底层缺氧，当水体溶解氧低于临界值时，底栖动物会大量死亡，鱼虾等渔业生物的生存受到威胁。CH4是大气中除CO2外的另一种主要温室气体，能强力吸收由地球表面反射的红外线，其效率分别是CO2的300倍，而低氧环境有利于CH4的产生和积累，因为大量有机物不能被氧化分解，从而不断地沉降到沉积物上，进行厌氧发酵生成大量的CH4，本论文对于太平洋的东部海洋低氧区域内的甲烷产生的源头及机制进行了相关性研究，并且首次依据分子生物学数据跟踪分析证实海洋低氧区内的甲烷产生过程。


微电极的应用


应用了unisense微电极测试了海洋沉积物柱芯中不同深度位置处的氧气以及硫化氢的含量。其中的氧气微电极在使用前进行了常规的两点校正做出标准曲线。氧气微电极应用于测试海床沉积物不同深度处的氧气浓度。


实验结果


海洋低氧区域是一个存有大量甲烷的区域，因为低氧有利于甲烷的积累，近海洋的大陆架沉积物（300米的厚度）中的甲烷浓度大概在20-105nmol，通过对所取的柱状海洋沉积物进行培养，确定了海洋大陆架低氧区域（350-650m）以及该区域海底沉积物中的甲烷来源，并进一步证实了沉积物表面的产甲烷菌在硫酸盐和亚硝酸盐的孔隙水中产甲烷的产能为88nmol/nmol g−1day−1，所需的产甲烷的沉积物中的85%的甲基辅酶M还原酶的基因序列与甲烷球菌科类似。应用13C标记跟踪甲烷的方法表明该沉积物中的产甲烷菌在海洋低氧区区域以上的水中也有进行有氧和无氧氧化过程中的潜能。

图1、海水低氧区中的氧气、甲烷、亚硝酸盐的浓度分布剖面图。海水低氧区区的水样是采用尼斯金采样瓶获取的水样，插图是测试的深度在0~5000米处的不同海水样品测试的氧气、甲烷、亚硝酸盐的剖面浓度图。其中的灰色区域表示的是海洋的低氧区域（氧气的浓度在0~1.6umol/L）。图B中的黑色直线表示的是特定的深度下的温度和盐度时的大气平衡甲烷浓度。从图中可以看出，该海洋水域中的低氧区域主要是分布在50-600m之间，在海水深度为368米处的甲烷的浓度最大（102nmol）。

图2、海底不同位置所取的柱芯沉积物中甲烷的空间通量变化以及沉积物上覆水区域的不通位置处硫化氢的浓度和甲烷的生成速率。图a中的灰色区域表示的是海洋海床上部区域十米处的缺氧水区域的甲烷通量及甲烷浓度分布情况。图中的黑色线表示的是实际测试的甲烷通量的回归线，红色线是理论预测回归线。图b中的插图表示的是海洋海床上部10m处的甲烷浓度与氧气浓度之间的相关性。图c表示的是在不同深度的海床沉积层（550m(灰色柱形图)、650m(黑色柱形图)中0-25cm处的甲烷的生产速率和550处所取海床沉积层中的硫化氢浓度。

图3、通过13C-DIC标记追踪的甲烷浓度分情况分析。其中图a表示的是在深度为200米和深度为226米处海洋低氧区（氧的浓度小于1.6umol/L）处所取的水样中加入甲烷微菌进行培养15天时，水样中的甲烷浓度的变化情况。图b表示的是所需海水样品放置5个月后不同起始浓度的甲烷所对应的13C-DIC标记浓度。


总结


产甲烷菌是一类极端厌氧古细菌，存在于严格厌氧的环境、动物粪便、厌氧污泥湖泊或海底沉积物、深部油层和煤层等环境中，产甲烷菌参与有机物厌氧降解的最后一步。但是目前对于海洋低氧区域的甲烷的来源和归宿的报道较少，本论文从分子生物学数据分析了海洋低氧区域内的甲烷的生成根源。通过对北太平洋低氧区域取的柱芯海洋沉积物以及沉积物不同位置处所取的水样进行分析，应用unisense微电极测试了水样中的氧气浓度以及沉积物中孔隙水的氧气浓度，确定了海洋的低氧区域位置，从而准确的提出关于海洋低氧区域内的甲烷来源及生成机制。这说明unisense微电极系统在研究深海的海洋沉积物方面存在很好的应用前景。