使用碳同位素技术研究海洋微生物对甲烷的氧化速率

使用碳同位素技术研究海洋微生物对甲烷的氧化速率

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摘要

甲烷是一种重要的温室气体，其温室效应贡献率仅低于CO2和水汽。海洋是全球尺度上重要的碳库，水中微生物对甲烷的氧化作用是控制海洋溶解甲烷释放到大气中的重要手段。其氧化速率对全球碳循环、温室气体研究有重要意义。

Uhilig和Loose探索了使用稳定同位素甲烷示踪技术来量化北极海水样品中甲烷氧化速率的方法。使用PICARRO G2201-i光腔衰荡光谱仪（CO2、CH4浓度及同位素分析仪）测定了多层铝箔培养袋中顶空气甲烷浓度和同位素比率。甲烷质量平衡和稳定同位素比值的变化是甲烷氧化过程相互独立的制约因素。结果显示基于两种独立因素计算的甲烷氧化速率趋势一致。

试验方法

1. 多层铝箔气体采样袋

①样气袋1L容积，配有一个聚丙烯组合阀和隔垫。

②试验采集海水大概0.8L，顶空0.1L。

2. 甲烷浓度和同位素比值的测量

①分析仪主机采用PICARRO G2201-i搭配SSIM小样品进样模块；

②主机测量甲烷确保量程1.8~500ppm，如果浓度过高可使用稀释模式；

③实际进样量0.02mL~10mL；

④气体样品导入SSIM模块前进行干燥除水。

3. 数据校正

①校正周期：一般24h，最长间隔31h。

②标气d13C-CH4 范围：-23.9‰ ~ -66.5‰。

③CH4浓度>1.8ppm时 ，dCH4精度是0.62‰

CH4<1.8ppm时 dCH4精度是1.8‰，见上图C。

4. 培养试验

①多层铝箔样袋原位采集~0.8L海水（无气泡），打入0.1L零空气，同时打入标记的甲烷气体（形成浓度梯度和同位素比值梯度）。

②0℃避光保存12天（不同试验处理）

③对照试验中加入NaOH溶液杀死微生物。

④采气前需要静置12h以上，使CH4在水-气界面达到平衡；另外手动摇晃样袋2分钟后采集顶空气；

⑤定期采集顶空气，测量甲烷浓度和同位素比值。

图表 1 水中CH4浓度(c(CH4)water) (a, e)， CH4总摩尔质量的自然对数(ln(n(CH4)t) (b, f)，同位素比率(d13CH4) (c, g)，以及根据公式10 (d, h)在CH4峰值浓度为2003 (a - d)和103/33 (e - h)的条件下的y轴项。Concentration of CH4 in the water (c(CH4)water) (a, e), natural logarithm of the total molar mass of CH4 (ln(n(CH4)t) (b, f), isotope ratio (d13CH4) (c, g), and y-axis-term according to Eq. 10 (d, h) in selected incubations at CH4 spike concentrations of 2003 (a–d) and 103/33 (e–h). Sampling sites are Utqiagvik, Alaska, close to the IMB and Nbay. The slope of the regression lines in (b, f), and (g, h) result in the respective kox as described in the text (Eqs. 5, 10). Error bars are standard deviations of technical replicates from one bag and are, if not present, covered by the symbol size.

结论

1. 稳定同位素比值是甲烷氧化过程一个独立的限制因素。

2. 同位素比值的变化和同位素分馏系数与微生物群落组成相关。

图表 2 由CH4浓度(ppm)测定的一级氧化常数(kox)与同位素比值(delta)的比较。Comparison between first order oxidation constants (kox) determined from CH4 concentration (ppm) and isotope ratios (delta). (a) kox,delta was determined with two different fractionation factors aox=1.007 in gray and aox=1.025 in black. Black solid line is y=x.  Note the different scales on the axes between (a) and (b). Error bars indicate the standard error of the slope of the linear models determined according to Eqs. 5, 10.

3. Picarro G2201-i分析仪在试验中非常有吸引力。分析仪此次实验中展现出多方面的优势：结构紧凑、操作简便，可以在多种环境条件下布置和开展试验。；G2201-i搭配SSIM模块总功率300W，只需要一瓶零空气即可开始测试。

4. 气密的多层铝箔样品袋提供了很大的便利。极地泄露率kox=0.001-0.995d-1；弹性气袋可以自适用应内外气压；采集0.8L海水，大体积样品带来稳定的测量结果；可以使用1-10L容积。

参考文献

Christiane Uhlig and Brice Loose.  2017.  Using stable isotopes and gas concentrations for independent constraints on microbial methane oxidation at Arctic Ocean temperatures.  Limnol. Oceanogr.: Methods 00, 2017, 00–00. doi: 10.1002/lom3.10199

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