使用碳同位素技術(shù)研究海洋微生物對甲烷的氧化速率

甲烷是一種重要的溫室氣體，其溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)率僅低于CO₂和水汽。海洋是全球尺度上重要的碳庫，水中微生物對甲烷的氧化作用是控制海洋溶解甲烷釋放到大氣中的重要手段。其氧化速率對全球碳循環(huán)、溫室氣體研究有重要意義。

Uhilig和Loose探索了使用穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)來量化北極海水樣品中甲烷氧化速率的方法。使用Picarro G2201-i光腔衰蕩光譜儀（CO₂、CH₄濃度及同位素分析儀）測定了多層鋁箔培養(yǎng)袋中頂空氣甲烷濃度和同位素比率。甲烷質(zhì)量平衡和穩(wěn)定同位素比值的變化是甲烷氧化過程相互獨立的制約因素。結(jié)果顯示基于兩種獨立因素計算的甲烷氧化速率趨勢一致。

①氣袋1L容積，配有一個聚丙烯組合閥和隔墊。

②試驗采集海水大概0.8L，頂空0.1L。

①分析儀主機采用Picarro G2201-i搭配SSIM小樣品進樣模塊；

②主機測量甲烷確保量程1.8~500ppm，如果濃度過高可使用稀釋模式；

③實際進樣量0.02mL~10mL；

④氣體樣品導(dǎo)入SSIM模塊前進行干燥除水。

①校正周期：一般24h，最長間隔31h。

②標(biāo)氣d¹³C-CH₄ 范圍：-23.9‰ ~ -66.5‰。

③CH₄濃度>1.8ppm時，dCH₄精度是0.62‰

CH₄<1.8ppm時 dCH₄精度是1.8‰，見上圖C。

①多層鋁箔樣袋原位采集~0.8L海水（無氣泡），打入0.1L零空氣，同時打入標(biāo)記的甲烷氣體（形成濃度梯度和同位素比值梯度）。

②0℃避光保存12天（不同試驗處理）

③對照試驗中加入NaOH溶液殺死微生物。

④采氣前需要靜置12h以上，使CH₄在水-氣界面達(dá)到平衡；另外手動搖晃樣袋2分鐘后采集頂空氣；

⑤定期采集頂空氣，測量甲烷濃度和同位素比值。

圖 1

水中CH₄濃度(c(CH₄)water) (a, e)， CH₄總摩爾質(zhì)量的自然對數(shù)(ln(n(CH₄)t) (b, f)，同位素比率(d¹³CH₄) (c, g)，以及根據(jù)公式10 (d, h)在CH₄峰值濃度為2003 (a - d)和103/33 (e - h)的條件下的y軸項。

1. 穩(wěn)定同位素比值是甲烷氧化過程一個獨立的限制因素。

2. 同位素比值的變化和同位素分餾系數(shù)與微生物群落組成相關(guān)。

3. Picarro G2201-i分析儀在此次實驗中展現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便，可以在多種環(huán)境條件下布置和開展試驗；G2201-i搭配SSIM模塊總功率300W，只需要一瓶零空氣即可開始測試。

4. 氣密的多層鋁箔樣品袋提供了很大的便利。極地泄露率kox=0.001-0.995d-1；彈性氣袋可以自適應(yīng)內(nèi)外氣壓；采集0.8L海水，大體積樣品帶來穩(wěn)定的測量結(jié)果；可以使用1-10L容積。

圖 2

由CH₄濃度(ppm)測定的一級氧化常數(shù)(kox)與同位素比值(delta)的比較。