海洋環境中甲烷好氧氧化過程的研究進展

李晶，劉昌嶺，吳能友，賀行良，孟慶國，許曉晴,3，陳燁

1. 自然資源部天然氣水合物重點實驗室，中國地質調查局青島海洋地質研究所，青島 266237

2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，青島 266237

3. 中國海洋大學環境科學與工程學院，青島 266100

海洋作為地球的主要碳庫之一，是溫室氣體甲烷的重要源和匯，在全球碳循環及生態環境調控中扮演著關鍵角色[1]。據統計，每年由海洋產生的甲烷量為85～300 Tg/a，占全球甲烷總產量的7%～25%[2]，然而海洋最終向大氣釋放的甲烷不足10 Tg/a[3]，大部分甲烷在向上運移的過程中發生了生物地球化學轉化，被海洋中微生物代謝消耗（包括甲烷厭氧氧化和甲烷好氧氧化）[4]（圖1）。雖然長期以來甲烷厭氧氧化作用被認為是海洋攔截甲烷排放的主要因素[5-6]，但最近的研究表明，無論從賦存范圍還是從甲烷降解潛力來看，海洋環境中甲烷好氧氧化（Aerobic oxidation of methane，AeOM）在降解甲烷方面的貢獻是不容忽視的[7-8]。

圖 1 海洋滲漏甲烷的生物地球化學過程示意圖[2-3,7, 15-18]Fig.1 Schematic diagram of biogeochemical processes of methane seeps in the ocean[2-3,7, 15-18]

海洋環境中AeOM主要發生于含氧的沉積物層、沉積物-水界面和水體中，其賦存環境特殊且十分復雜，例如高壓、低溫、少氧以及甲烷動態滲漏等[5]，這些因素耦合疊加導致海洋AeOM研究難度大。隨著分子生物學技術和海洋調查技術的快速發展，越來越多海底極端環境下的AeOM作用及其相關微生物證據被發現，包括超過3 000 m水深高壓環境下的AeOM速率監測證據、極酸極熱或缺氧環境中的好氧甲烷氧化菌跡象等[9-10]。在這些復雜環境條件下AeOM的分布特征、甲烷降解能力以及甲烷氧化菌類型和豐度等可能存在明顯差異[8,11]，某些極端環境下還可能存在特殊的甲烷氧化菌新菌種[12]。但目前針對海洋環境中AeOM特征還沒有相關的綜述對其進行總結歸納，缺乏對海洋AeOM的全面認識，制約了對甲烷生態環境功能以及海洋碳循環的深入理解。

本文綜述了海洋環境中AeOM的相關研究進展，介紹了AeOM在海洋環境中的賦存位置及賦存環境特征，以及在該賦存背景下驅動氧化發生的甲烷氧化菌菌群特性及分布特征，同時總結了不同賦存環境中AeOM所發揮的甲烷降解潛力及其影響因子。另外，嘗試展望了海洋AeOM研究的發展方向。

1 海洋環境中AeOM的賦存特征

1.1 海洋AeOM的賦存位置

AeOM是在好氧甲烷氧化菌介導下甲烷與氧分別作為電子供體和電子受體的氧化反應，它的賦存有反應物甲烷、氧和好氧甲烷氧化菌3個必要條件。首先，AeOM的賦存位置必然位于海底正在發生或曾發生過氣體滲漏的甲烷高異常海區。位于深海沉積物中的天然氣水合物[13]、常規油氣資源[14]、河口海岸帶的淺層氣[19]以及地殼深處地幔甲烷[20]等是海底滲漏甲烷的主要來源，在地質構造活動、人為勘探開發等因素的擾動下，甲烷會以冷泉或熱液流體的形式沿海底斷裂、泥底辟、氣煙囪等運輸通道在海底發生滲漏[21]，從而形成海底甲烷濃度高異常。據統計，目前已發現的海底冷泉數量可達數千個，主要分布于大陸邊緣及邊緣海盆地[22]，而海底熱液活動則主要分布在洋中脊、弧后盆地等構造活動部位，已發現的熱液噴溢區達數百個[23]。另外，河口海岸帶區域的淺層氣分布同樣十分可觀[24]，這些正在發生甲烷滲漏或存在潛在滲漏風險的環境可為AeOM的賦存提供必需的甲烷條件。

當甲烷達到一定濃度時，甲烷氧化菌及其好氧氧化作用是否存在則受海底含氧量的直接影響。除了缺氧環境中在特殊甲烷氧化菌NC10門介導下與反硝化作用耦合發生的AeOM[25]之外，大部分AeOM所利用的氧分子主要指直接來自海水或沉積物孔隙水的溶解氧。傳統觀念認為AeOM僅局限于含氧量相對較為豐富的淺水海域，但事實上，近年來隨著人類對深海環境的不斷探索，越來越多的研究表明AeOM還存在于含氧量極低的深海環境。例如，在Amon和H?kon Mosby等多個水深大于1 000 m的海底冷泉中，均檢測到了明顯的AeOM作用，甲烷氧化速率為13～36 mmol/m2/d[26-27]。在水深超過3 000 m的Cheops泥火山（水深3 005 m）和REGAG麻坑（水深3 160 m）中，發現了AeOM作用的存在，氧化速率最大可達289 mmol/m2/d。另外，一些學者還從微生物及其相關生物標志物角度進一步證實了AeOM在深海的廣泛發育。例如，Li等[28]發現了水深約2 000 m的 Guaymas 熱液噴口附近水體中的烴類好氧氧化菌，Talbot等[29]發現了位于Congo深水扇北部（ODP 1075站位）水深達2 996 m的沉積物中與AeOM相關的生物標志物。目前，AeOM的水深賦存極限仍在持續探索中，這些已有的以及未來可能發現的深海賦存證據，將拓展人類對AeOM在海底極低氧、超高壓等極限環境中的認知。

除了含氧量的影響之外，AeOM在沉積物中的賦存位置還與有機質含量有關。在海底高有機質沉積區，沉積物中的好氧氧化通常賦存于水體-有氧沉積物交界處至1 m深的微含氧沉積物層范圍內[7]。而在海底寡營養區，已有研究表明具有活性的需氧微生物可以縱深至86 Ma的沉積物基底[30]。因此，AeOM作用在沉積物中的賦存深度也可能遠超我們的預期，其賦存深度極限可能還需要進一步探索。

海底甲烷垂向滲漏時，在厭氧沉積物層發生的NO3?-AeOM與甲烷厭氧氧化可能存在重疊（圖1），而常規AeOM通常發生在厭氧氧化作用之后，因此，AeOM的賦存還與氣體滲漏強度、厭氧氧化程度密切相關。在典型的以擴散控制為主和低/中通量平流控制的滲漏海域，甲烷厭氧氧化菌能夠在氣體上升至含氧沉積物之前，通過厭氧氧化作用把甲烷濃度降低到可以忽略的水平，此時AeOM的作用微乎其微；而在高氣體通量或氣體穿過厭氧氧化帶后繼續上涌的滲漏海域中，AeOM是調節甲烷通量的另一種重要手段[31-32]。

1.2 海洋AeOM的賦存環境

海洋AeOM的賦存環境特征與其賦存位置息息相關。從海底AeOM賦存位置的縱深角度來看，AeOM可跨越厘米-米級沉積物表層和百米-千米級上覆水體中，賦存環境從海水表面的常壓、常溫、常氧縱深至海底沉積物表層的高溫/低溫（分別對應熱液和冷泉系統）、高壓、高鹽、低氧、寡營養等極端環境[33]，由此可見氧化作用的賦存環境條件十分寬泛。例如，在深海海底高壓、低溫、低氧等極端環境下，已報道AeOM可賦存的較大水深約為3 000 m，對應約30 MPa和4 ℃的溫壓環境，其氧濃度亦相對較低[9]；在熱液噴口等高溫環境下，AeOM的賦存溫度可達約260 ℃[34]。另外，在海底極端酸堿環境中也發現有AeOM的存在[10]。

除此之外，海洋AeOM通常伴隨于滲漏甲烷垂向上的動態運移過程，因此甲烷動態滲漏是AeOM賦存的特殊環境特征。不同滲漏背景下甲烷來源不同，根據形成成因差異可將甲烷分為兩類，一是生物成因甲烷，即通過微生物或熱分解作用（微生物成因和熱成因）由有機化合物轉化而成，碳、氫同位素范圍分別為?90‰～?20‰、?400‰～?100‰，主要以冷泉流體形式發生滲漏或以擴散的形式通過沉積物-水界面進入水體[14,35]；另一類是地殼中的無機（非生物）成因甲烷，其同位素標準尚未完全確定，可與地球化學標準一致（碳同位素值高于?25‰），也可能與微生物成因甲烷的同位素值重疊（碳同位素值低于?50‰），無機成因甲烷分布于地殼深處，可隨熱液流體在海底滲漏溢出[36]。隨著流體滲漏速率原位測量或底棲室流體連續取樣分析等甲烷滲漏監測技術的不斷發展，大量監測數據顯示甲烷滲漏通量在時間上和空間上具有多變性，其物理、化學和生物特征也隨之變化[37-38]。在空間上，不同滲漏系統或單個滲漏系統的不同部位甲烷滲漏強度可能存在差異。基于氣體滲漏通量數據并結合氣體滲漏尺寸和可見度，Etiope[14]將甲烷滲漏系統分為宏滲漏系統（Macro-seeps）和微滲漏系統（Microseepage）（圖1），甲烷滲漏通量跨度為672 ～1.2 L/m2/d。在Cascadia水合物脊噴口的不同位置甲烷滲漏強度亦存在差異，滲漏通量從0.6 mmol/m2/d變化至11.5 mmol/m2/d[38]。在時間上，任一固定位置的甲烷滲漏可能存在不規律性的時間變化特征。例如，Bush Hill滲漏系統近10年的海底觀測數據顯示，從滲漏前期到晚期整體經歷了高速、中速及低速3個滲漏階段，其天然氣滲漏通量為0.59～55 kg/m2/a[39-40]。

2 海洋環境中驅動AeOM的氧化菌菌群特征

2.1 好氧甲烷氧化菌的菌群類型

好氧甲烷氧化菌（aerobic methane-oxidizing bacteria, MOB）是一類以甲烷和甲醇為主要代謝物質的功能性細菌，屬于甲基氧化菌的一個分支[41]。傳統分類的MOB屬于變形菌門，根據甲醛同化途徑、磷脂脂肪酸組成等特征的不同，MOB可分為I型（γ-變形菌）和Ⅱ型（α-變形菌）兩種類型。隨著分子生物學技術和海底勘探技術的日益發展，對海洋MOB多樣性的認識更加全面深刻。目前，海洋環境中已發現的好氧甲烷氧化菌主要屬于I型MOB（γ-變 形 菌）[8]，例 如Methylothermaceae科[34]、Methylocicrobium屬[42]、Methylococcales目中的Methylococcus屬和Methylocaldum屬[43]等。同時，前人在海洋環境中還發現了MOB新菌種，例如由大氣氮作為唯一氮源的Methyloprofundus sedimentigen. nov.,sp. nov.[12]、攜帶鑭系元素依賴型XoxF5-甲醇脫氫酶的I型MOB[44]等。Wasmund等[31]在澳大利亞Timor海甲烷噴口表層沉積物中檢測到的MOB中大多數為新菌種，它們的pmoA基因序列與公共數據庫中已知序列的相似度均小于91%，這些數目可觀的新菌種可能能夠構成海洋專屬的MOB譜系。相對而言，海洋環境中II型MOB分布較少[45]，且前人發現一些II型MOB菌株的攜帶基因特征較為特殊，它們并未攜帶MOB普遍具有的由pMMO編碼的pmoA基因[44]。除了傳統變形菌門MOB之外，海底還存在特殊的疣微菌門MOB和NC10門MOB[16,46]。

2.2 好氧甲烷氧化菌的菌群分布

不同海洋環境中MOB的分布存在明顯差異。首先，MOB菌群豐度存在差異。MOB菌群豐度的高低與氣體滲漏強度、溶解甲烷濃度等環境因素息息相關。在甲烷噴口或甲烷高異常海域附近MOB的豐度明顯高于正常海水區，其pmoA基因拷貝數的量級范圍一般為105～106copies/g，正常海水甲烷背景區的pmoA基因拷貝數通常僅為103～104copies/g[8]。其次，MOB在海水及沉積物中的分布也存在差異，某些類型的MOB對海水或沉積物環境存在明顯偏向性。例如在海水中檢測發現的OPU1、OPU3和Group-X菌群（圖2），與通常從富含甲烷的海洋沉積物中報道的MOB類型不同，它們喜好海水中浮游的生活方式，被認為是海洋水體中甲烷的重要消耗者，其中OPU1和OPU3廣泛分布于110～2 000 m水深的中深海區域，而Group-X菌群目前主要發現于加州大陸邊緣[47]。另外，海洋II型MOB可賦存于包括熱液噴口[48]、正常沉積海區[44]等多種海域生態環境，在這一點上與I型氧化菌相比并未顯示出特異性。但海水或沉積物孔隙水中的CH4、O2及微量金屬元素等環境參數對兩類MOB的分布影響是十分顯著的，例如海洋I型MOB偏好賦存于CH4高濃度異常環境，II型MOB則與之相反，這一分布特征與土壤MOB相似[49]。此外，特殊MOB中疣微菌門氧化菌不僅可賦存于熱液噴口等極酸、極熱環境，還可繁殖在富甲烷-富鐵-貧氧的海底環境中[46]，而NC10門MOB通常多見于海底NO3-還原帶或海水最小含氧層中[16]。

圖 2 海洋水體中的MOB新菌種OPU1、OPU3和Group-X菌群系統發育樹[47]Fig.2 Phylogeny of new putative aerobic methanotrophs （OPU1, OPU3 and Group-X） in marine water column[47]

3 海洋AeOM的甲烷降解潛力及其影響因子

3.1 海洋AeOM的甲烷降解潛力

海底任一甲烷滲漏系統都不是恒久存在的，其氣體滲漏必然存在一個時間起點。當氣體滲漏逐漸開始或突然爆發之初，海底正常沉積海水中以低豐度存在的MOB及其產生的氧化作用需要多久發揮效用，是需首先關注的關鍵問題之一。研究表明，海底MOB可以對大規模甲烷輸入深海做出快速響應，響應時間大約為幾天到幾個月不等[49-50]。例如，在2010年4月底墨西哥灣“深海地平線”漏油事故發生后，5月到6月初海水中攜帶pmoA基因的MOB豐度即達到最大值，對應最大氧化速率高達5 900 nM/d，最終在7—8月將大部分的泄露甲烷（泄露總量高達50萬噸）幾乎消耗殆盡[49]。另外，實驗室微生物富集培養研究中同樣發現了甲烷輸入狀態下MOB迅速的生長繁殖反饋。當人為給予實驗體系一定量的甲烷碳源時，好氧氧化菌在24 h內最高可暴增至初始豐度的約213%，在細菌類群中占比增至約68%[15]，相較于甲烷厭氧氧化古菌的倍增時間（1.1～7.5個月）而言明顯迅速了很多[51]。

在海底甲烷發生泄漏后，MOB控制下的甲烷氧化速率通常由以下方式獲取：①由野外監測獲得的甲烷濃度、甲烷碳同位素、水流速度等數據代入同位素動力學模型進行計算；②結合穩定同位素（13CCH4）或放射性同位素（14C-CH4、3H-CH4）示蹤技術，通過室內微生物培養方法還原甲烷氧化過程[11,52-53]；③利用充分耦合物理、生物和化學過程的AeOM生物地球化學模式，目前常用的AQUASIM軟件借助偏微分輸運-反應方程進行AeOM模擬[54-55]。綜合前人所獲數據可以發現（表1），受海底甲烷滲漏特征的影響，甲烷好氧氧化強度亦存在強烈的時空變化。首先，在正常海水沉積背景下甲烷好氧氧化速率通常為0.0001～0.1 nM/d，海底滲漏區的氧化速率明顯高于這一背景值，且不同滲漏區的氧化強度具有較大差別。例如，美國哈德遜峽谷甲烷滲漏處海水中的氧化速率為22.8±17 nM/d[11]，非洲REGAB麻坑某一滲漏點的甲烷氧化速率高達28.9×104nM/d[7]，相差4個數量級。其次，同一滲漏區不同位置的氧化速率可能不同。仍以非洲REGAB麻坑為例，其不同噴口位置的氧化速率跨度為6～289 mM/d，相差近50倍之多[9]。另外，滲漏噴口上方不同縱深層位的氣體氧化速率也存在明顯差異。通常在甲烷濃度較高的層位中氣體氧化速率相對較大，例如，Steinle等[32]在對北海北部某甲烷噴口的研究中發現（圖3），噴口上方凹坑水體中甲烷氧化速率最大（498 nM/d），對應甲烷濃度42 097 nM，而其余層位中最小氧化速率僅為0.03 nM/d，對應的甲烷濃度也最低（21 nM）。另外，Steinle等[32]還發現海水溫躍層中甲烷的氧化速率也普遍偏高，可達262 nM/d。最后，海底滲漏噴口不同時刻的氧化速率也在不斷變化中。墨西哥灣“深海地平線”鉆井平臺爆炸事故發生后，Crespo-Medina等[49]對該區域進行了長達9個月的長期觀測，記錄了甲烷氧化速率由0.014 nM/d暴增至最大5 900 nM/d后逐漸回落到3～5 nM/d的變化軌跡。甲烷氧化速率隨時間的變化除了受甲烷濃度顯著影響之外，還與氧化菌消亡以及營養物質、微量金屬元素缺乏等生理或環境因素緊密相關。

圖 3 北海北部某一氣體滲漏噴口甲烷滲漏和氧化情況a.噴口示意圖，b. 噴口實景照片，c. 噴口上方滲漏氣體的聲納圖像，d. CTD溫度剖面及不同層位的甲烷好氧氧化速率[32]。Fig.3 Methane leakage and oxidation at a man-made gas blowout in the North Seaa. schematic representation of a gas blowout crater in the northern North Sea, b. photograph of the center of the crater, c. sonar image of the blowout gas flare,d. temperature profile and average water-column methane oxidation rates[32].

表 1 由野外監測及室內培養方式獲取的海洋甲烷好氧氧化速率數據統計Table 1 Statistics of marine aerobic methane oxidation rates obtained by field investigation and laboratory culture experiment

相較于“變化多端”的甲烷氧化速率，MOB產生的甲烷截濾效率（filter efficiency）是決定微生物發揮效用進而評估甲烷的好氧氧化通量及最終排放通量的重要參數，它指的是一段滲漏時期內氣體氧化量與氣體滲漏總量的比值，需依賴于甲烷氧化速率的長期監測。縱觀整個海洋生態系統發現，海底微生物好氧及厭氧氧化作用所產生的截濾效率可達90%以上[56]，但海底各甲烷滲漏系統的氣體截濾效率卻存在顯著差異。在針對海底沉積物的相關報道中，好氧與厭氧氧化作用共同產生的甲烷截濾效率通常無法有效區分，兩者產生的截濾總效率從4%到100%均有報道，其中38組數據中截濾效率大于60%的僅為18組[7,43]。當滲漏氣體輸入海水后，甲烷截濾效率基本由AeOM單獨完成，其數值跨度同樣較大。例如，Eel River Basin的甲烷截濾效率僅為0.2%～0.4%，而Hudson Canyon的截濾效率可達63%[11]。因此，了解甲烷截濾效率存在差異的原因，同時建立甲烷微生物產生有效截濾效果所需的時間范圍[43]，將有助于科學評估水合物分解、泥火山噴發、大規模石油泄露等海底擾動所帶來的生態環境后果。

3.2 海洋AeOM的影響因子

海洋AeOM所賦存的環境條件特殊且十分復雜，具有溫度、甲烷濃度、氧濃度、微量金屬元素等多種環境因子差異，這些環境因子變量不僅影響著MOB的生長繁殖，而且還將進一步影響AeOM過程。關于這些影響因子差異下的AeOM規律已有相關報道，且多采用模擬實驗手段以某一環境因子為實驗變量進行AeOM過程研究。但對于海洋AeOM所面臨的某些特殊環境條件目前研究尚不深入，例如海底壓力、甲烷的動態運移狀態等。其中，海底高壓環境是AeOM需面臨的一個特殊環境條件。隨著好氧甲烷氧化菌及其相關生物標志物記錄在深海海域的廣泛報道[29]，對海洋AeOM的壓力賦存極限認知也在不斷突破。近年來，地下煤層瓦斯的AeOM實驗研究發現，壓力是影響AeOM的重要因素，壓力越大越有利于甲烷的氧化降解[63]，但其并未從微生物層面深入探討其中緣由，且最大設計壓力（5 MPa）與深海AeOM賦存壓力（可達30 MPa左右）存在較大差距，無法準確推測海洋AeOM的氧化特征。還有一些學者利用深海環境樣品開展了原位高壓狀態（≤10 MPa）實驗研究，闡明了高壓狀態下的氧化菌類型及好氧氧化速率[64]，但對壓力如何影響AeOM過程仍缺乏了解。

另外，海底甲烷動態運移是海洋AeOM的另一特殊環境條件。海洋環境中參與AeOM的甲烷氣體不是靜止的，而是以一定滲漏速率在沉積物表層及海水的長距離運移過程中發生好氧氧化作用[65-66]，并且底甲烷的滲漏運移速率差異較大，目前已測得的速率范圍為672 ～1.2 L/m2/d，可達4個數量級[14]。在甲烷厭氧氧化的實驗研究中，已有報道證實了甲烷動態運移是影響厭氧氧化過程的重要因素[67]，并闡明了不同運移速率下厭氧氧化速率和氧化菌菌群的顯著差異[68]。然而，目前對海洋AeOM的研究仍多側重甲烷靜止狀態下的氧化過程，包括靜態AeOM的碳同位素分餾機制、氧化菌菌群特征等[69-70]。

最近的一些研究雖已考慮甲烷運移狀態下AeOM的動態情境[71]，但關于甲烷運移狀態對AeOM的影響研究目前并未涉及，甲烷氧化菌的群落多樣性及群落豐度有何表征，不同滲漏狀態下氣體氧化潛力如何，氧化潛力與滲漏狀態之間是否存在相關關系，這些問題尚未探究清楚。

4 結論與展望

（1）海洋AeOM可賦存于超3 000 m水深的深海海底、熱液噴口等極端環境，相對于陸地生態系統而言，海底高壓、深部甲烷滲漏運移等是甲烷好氧氧化所面臨的特殊環境特征。

（2）海洋環境中I型好氧甲烷氧化菌最為常見，沉積物、水體兩種賦存環境以及孔隙水中甲烷、微量金屬元素濃度等環境條件是影響I型和II型氧化菌賦存分布的重要因素。

（3）海洋環境中AeOM強度具有顯著時、空差異，受溫度、甲烷濃度、氧濃度和微量金屬元素等環境因子影響顯著，但海底特有的高壓、甲烷滲漏運移等環境因子影響下的AeOM特征尚缺乏研究。

隨著人類深海探索之路的不斷延伸，深海極端環境下的生命現象與過程一直是持續的研究熱點。深海極端環境的主要特點是高壓、低溫（大洋沉積物表層）或高溫（海底深部沉積物和洋殼）、沒有陽光、缺氧、局部高鹽或高酸堿度等。在這樣的“生命禁區”中，甲烷好氧氧化菌的生存極限可能會不斷刷新我們的認知，進一步完善人們對甲烷氧化菌生理生態特征的認識。同時，結合不斷發展的分子生物學技術，海底更多極端嗜壓、耐低氧的甲烷氧化新菌種可能會被發現，并可能形成海洋專屬的進化分支，豐富傳統已有的分類方案。

目前，現有研究在特殊且復雜的海洋環境中AeOM規律及其影響因子研究仍存在一些問題尚未探究清楚，尤其對海底高壓、滲漏甲烷的動態運移等特殊環境因子影響下的AeOM規律認識不清。單純依靠海底原位的長期監測及連續采樣，操作難度大且成本高昂，借助實驗模擬手段還原海底高壓滲漏狀態下的動態氧化過程，可能是探究以上問題的重要途徑。海洋環境中AeOM規律及其影響因子的深入研究將有助于進一步理解海洋中甲烷的生物地球化學過程，對深刻揭示甲烷遷移轉化機制、科學評估甲烷生態環境效應具有重要意義。