王东启 课题组 两瓣星球  2024-01-16 09:00  发表于上海

01 文章荐读

富含溶解甲烷的地下水在全球或区域碳循环中经常被忽视。考虑到目前对浅层含水层甲烷生物地球化学行为的认识存在空白，特别是在有机碳含量较高的湿润冲积-湖相平原,Tian et al.(2024)在Water Research上发表的论文“Identification of methane cycling pathways in Quaternary alluvial-lacustrine aquifers using multiple isotope and microbial indicators”.研究了长江流域中部地下水系统中甲烷的来源和循环途径。

02 文章简介

     该研究结合多种稳定同位素(水中²H/¹⁸O、溶解无机碳¹³C、甲烷¹³C/²H、二氧化碳¹³C)的组成，结合微生物和溶解有机物(DOM)的特点进行研究。结果表明，在有机质丰富的厌氧地下水环境中，生物源甲烷浓度可达13.05 mg/L。确定了甲烷循环的不同途径(产甲烷CO₂还原和乙酸发酵以及甲烷氧化)。在两种产甲烷途径中，CO₂还原作用主要与腐殖质DOM相关，而甲烷氧化作用则与微生物来源的DOM密切相关。从同位素组成可以看出，在CO₂大量还原的样品中，专性二氧化碳还原微生物(Methanobacterium和Methanoregula)的丰度更高。在具有明显乙酸发酵特征的样品中，专性乙酸发酵微生物(Methanosaeta)更为丰富。此外，在甲烷氧化明显的样品中发现了高丰度的Candidatus Methanoperedens。与其他地区对比发现，地下水温度、DOM丰度和类型、水文地质条件等多种因素可能导致地下水甲烷循环的差异。该研究为研究无地热干扰的浅层冲积-湖泊含水层系统的甲烷循环提供了新的视角和认识。

图1 研究区域及样点分布图。

03 研究结果

图2 甲烷δ²H与共存地层地下水的交叉图。实线描述了通过二氧化碳还原和甲基发酵产生甲烷。R代表CO₂还原产甲烷，F代表乙酸发酵产甲烷。二氧化碳还原的预期斜率为1，乙酸发酵产甲烷的预期斜率为0.25 (Whiticar et al.，1986, 1999)。

图3  地下水样品甲烷浓度与δ¹³C-CH₄曲线(a)和δ¹³C-CH₄与δ_D-CH₄曲线(b)。

图4 不同同位素分馏线甲烷生成和甲烷氧化过程引起的δ¹³C-CO₂和δ¹³C-CH₄碳同位素分布轨迹(a)δ¹³C-DIC与δ¹³C-CH₄的对比图，将甲烷循环分为三组(b): CO₂还原产甲烷(Group1)， AOM (Group2)和乙酸发酵产甲烷(Group3) (Whiticar et al.， 1986, 1999)。

图5 不同样品组DOM的荧光特性。Group1为CO₂还原产甲烷，Group2为甲烷氧化产甲烷，Group3为乙酸发酵产甲烷。

图6  不同样品组中与各种甲烷循环过程相关的优势甲烷功能微生物相对丰度的比较。

04 文献来源

Hao Tian, Yao Du, Yamin Deng, Xiaoliang Sun, Jiawen Xu, Yiqun Gan, Identification of methane cycling pathways in Quaternaryalluvial-lacustrine aquifers using multiple isotope and microbial indicators.Water Research 250 (2024) 121027.https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.121027