mile米乐官方网站 评估甲烷水合物分布的海底的甲烷动态

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”） 地圈资源环境研究部 地圈微生物研究组 宫岛佑介 研究员，燃料资源地质研究组 吉冈秀吉研究组组长，环境创造研究部 铃村正宏 研究部附属人员，环境生理生态学研究组 青柳聪 首席研究员 堀仁智之2020年，高级首席研究员带领的课题组甲烷水合物是分布式的稳定同位素示踪剂利用培养测试的结果，我们估算了微生物消耗甲烷的速率。此外，我们新发现，需要氧气生长的微生物（需氧微生物）和不需要氧气的微生物（厌氧微生物）共存并消耗海底氧化还原边界层中的甲烷。这些发现将有助于准确了解海底甲烷（一种重要的能源和温室气体）的平衡。

这项研究的详细信息将于 2024 年 3 月 6 日公布环境科学与技术它在杂志上在线发表。

甲烷是天然气的主要成分，也是一种温室气体，因此为了可持续地利用它作为资源，详细了解其产生和消失过程非常重要。海底深处产生的甲烷部分以甲烷水合物的形式存在于天然气田和地质构造中，但它也会通过沉积物和断层的缝隙上升，从海底涌入海水。尽管海洋占地球表面积的70%，但从海底释放到海水和大气中的甲烷量仅占全球总量的百分之几。这被认为是因为生活在海底沉积物表层的微生物在消耗甲烷方面发挥着重要作用。然而，对这些微生物在野外环境中的活动和分布以及甲烷消耗率的定量了解尚未取得进展。

这项研究试图利用地球化学和环境微生物学的多学科方法来阐明深海海底微生物消耗甲烷的机制。

AIST受经济产业省委托，正在进行表面型甲烷水合物的研究开发，有望成为未来的国内能源（详情项目网站）。除了评估资源量和检查深海钻探和回收技术外，该项目还解决评估甲烷水合物开发对海洋环境和生态系统影响的重要问题。自2020年以来，我们一直在日本海山形县坂田市和新泻县上越市近海的表层甲烷水合物分布区域，利用海洋观测船和遥控无人水下航行器（ROV）持续开展海洋环境调查。在这些海域中，已确认存在许多特征性海底表面覆盖着微生物垫（微生物聚集体），表明含有甲烷的水（甲烷泉）涌出，并发现重金属和其他物质浓缩在微生物垫正下方的沉积物中（详情）2022 年 11 月 7 日 AIST“主要研究成果”）。这次，我们的研究重点是覆盖有这种微生物垫的海底沉积物中的微生物活动和甲烷消耗。

这项研究是经济产业省甲烷水合物研究开发项目的一部分，并得到了日本学术振兴会科学研究补助金 (KAKENHI) 19H04244 的支持。

我们使用海洋研究船“新星丸”号和遥控潜水器“白洋3000”号对坂田市海岸外约540 m深处的海底进行了调查。从覆盖着灰色微生物垫的海底和没有垫子的参考地点采集了大约 20 厘米长的岩心样本，以研究沉积物和存在的微生物的化学性质。分析岩心样本中甲烷和氧气的浓度（沉积物间隙中存在的水（孔隙水）的溶解成分），并对沉积物进行遗传分析。脂质已执行分析。此外，为了确定流出的甲烷量，在海底测量了流水的流速。

浓度分析显示，与参考地点的沉积物相比，甲烷溶解在微生物垫覆盖的海底以下 15 厘米的深度。他们还发现，虽然海底上方的海水富含氧气，但微生物垫正下方的沉积物中的氧气会迅速减少，并且只能在距离表面 5 毫米的范围内检测到。这与参考点的结果形成鲜明对比，参考点处的氧气含量相对缓慢地下降到海底以下约 15 厘米的深度，并且在更深的深度处低于检测极限。基因和脂质分析结果表明甲烷是通过氧气消耗的。需氧甲烷氧化细菌”并在无氧环境中消耗甲烷“厌氧甲烷氧化古菌”表明它们仅在微生物垫的正下方共存。

此外，为了估算覆盖有微生物垫的海底沉积物中微生物消耗甲烷的速率，我们使用稳定碳同位素作为示踪剂进行了培养测试。甲烷通过微生物转化为二氧化碳，因此当将富含稳定同位素的甲烷添加到沉积物中并进行培养时，二氧化碳的碳同位素比率会随着时间的推移而增加（图1）。甲烷消耗率是根据该同位素比率的增加率来估计的。通过在接近海底的温度下在两个系统中进行培养，一个系统在培养开始时有氧，另一个系统无氧，我们发现培养初期前者的甲烷消耗率是后者的近四倍。

此外，微生物脂质16S rRNA的后续测试稳定同位素探测法) 成功地鉴定了在培养测试中特别活跃的微生物物种。我们还根据 16S rRNA 和脂质的垂直分布阐明了现场环境中已识别微生物物种的分布，这表明沉积物中的微生物活动（图 2）。通过将微生物的垂直分布与培养试验中获得的甲烷消耗率进行比较，估算了田间沉积物中好氧和厌氧微生物的甲烷消耗率。我们还根据海底涌出的水流量和孔隙水中溶解的甲烷浓度计算了渗出的甲烷量。根据这些结果，我们估计，在微生物垫下的沉积物中，渗出的甲烷有10%被好氧甲烷氧化细菌消耗，30%被厌氧甲烷氧化古菌消耗，导致两者共存消耗了总共40%的甲烷（见图）。这表明，除了直接在微生物垫下方占主导地位的厌氧甲烷氧化古菌之外，需氧甲烷氧化细菌也在甲烷消耗中发挥着重要作用。

值得注意的是，指示需氧甲烷氧化细菌活性的16S rRNA和脂质是在海底以下6厘米处发现的，那里的氧气几乎检测不到，而正是厌氧甲烷氧化古菌的活跃区域。我们这次调查的坂田市海岸外覆盖着微生物垫的海底，其特征是含有甲烷的水以每年约2至3米的速度喷涌而出。这些泉水限制了氧气从直接海水渗透到沉积物中，氧气低于海底以下 5 毫米的检测极限。然而，考虑到活性微生物的垂直分布，可以假设在海底以下6厘米的层中，氧气低于检测限，但维持在允许好氧和厌氧微生物共存的水平。

有人认为，世界各地其他海洋中的需氧微生物和厌氧微生物都会消耗甲烷，但人们认为它们分别生活在海底附近和深层沉积物中。这项研究的结果表明，需氧和厌氧微生物共存于同一氧化还原边界层，并通过识别海底下的活性物种来消耗甲烷。这也是首次评估微生物的生理和生态在甲烷平衡中的作用。

像我们这次调查的坂田市海岸那样的甲烷渗漏，不仅在日本附近海域发现，在世界各地甲烷水合物分布的地区也发现了。其他地区的海底下也可能存在需氧和厌氧微生物共存的区域。据信，估计其他海洋区域微生物的甲烷消耗率将有助于更详细地了解海底的甲烷预算。

海洋表面通过光合作用产生的有机物在沉积为海雪时分解，只有百分之几到达深海海底。尽管环境营养贫乏，但在坂田市和上越市海岸附近发现的微生物垫海底，仍经常观察到螃蟹和贝类等大型生物聚集在一起。这个因素尚不清楚，但以甲烷和硫化氢为起点的微生物化学合成

通过定量评估微生物垫中详细的微生物和化学反应过程，预计这项研究结果可用于评估与表面甲烷水合物分布区域的生态系统结构和发展相关的深海生态系统的环境影响。

已出版的杂志：环境科学与技术
论文标题：同时需氧-厌氧甲烷氧化对天然气水合物区域海洋沉积物甲烷排放的影响
作者：Yusuke Miyajima、Tomo Aoyagi（并列第一）、Hideyoshi Yoshioka（通讯作者）、Tomoyuki Hori（通讯作者）、Hiroshi A Takahashi、Minako Tanaka、Ayumi Tsukasaki、Shusaku Goto、Masahiro Suzumura
DOI：https://doiorg/101021/acsest3c09484

甲烷水合物

甲烷（CH）₄)。它只有在低温和高压条件下才稳定，自然界中它分布在大陆边缘的海底和陆地上的永久冻土带中。在日本周边海域，已知以填充沙粒之间的间隙而发育的“砂层型”和在海底浅层泥层中块状发育的“表层型”，分别主要分布在太平洋和日本海沿岸。[返回来源]

稳定同位素示踪剂

同位素是具有相同原子序数但质量数（原子量）不同的元素，稳定存在而无放射性的称为稳定同位素。例如，构成有机物的碳（原子序数6，元素符号C）的碳原子数为12（¹²C) 和碳 13 (¹³C) 有两种稳定同位素。后者仅存在于自然界的 1%。通过人工浓缩极少量的稳定同位素（例如碳 13）并使用含有它们的化合物作为示踪剂，可以高灵敏度地跟踪化学反应和传质。这次，我们使用富集至 99% 碳 13 的甲烷进行了实验。[返回来源]

脂质

从生物组织中提取的物质，不溶于水，但溶于己烷等有机溶剂。它具有主要由碳和氢组成的碳氢化合物骨架，并含有构成细胞膜的脂肪酸和胆固醇。碳氢化合物骨架难以分解，因此被用来检测沉积物中的细菌和古细菌并估算生物量。[返回来源]

需氧甲烷氧化细菌

细菌中，能够通过以下反应利用氧气消耗甲烷的微生物的总称。
中文₄+2O₂→ HCO₃⁻+H₂O+H⁺ [返回来源]

厌氧甲烷氧化古菌

古细菌（archaea）中能够不依赖氧气消耗甲烷的微生物的总称。一个典型的例子是利用硫酸盐还原菌，利用海水中含有的硫酸引起以下反应。使用硝酸、铁和锰的其他反应也是已知的。
中文₄+所以₄²⁻→ HCO₃⁻+HS⁻+H₂O[返回来源]

16S rRNA

核糖体的一种成分，存在于原核细胞（包括细菌和古细菌）中，并进行生物蛋白质合成。 16S rRNA是一种RNA分子，具有比编码它的DNA分子16S rRNA基因更容易合成和降解的特性。从环境中精心提取 16S rRNA 可以直接检测代谢活跃（活跃）的微生物。 16S rRNA 序列信息用于对微生物物种进行分类。[返回来源]

稳定同位素探测法

碳13 (¹³C)并培养微生物一定时间后，¹³富含 C 的化合物被分解并掺入，使用超速离心分离出比未掺入的微生物 RNA 重的微生物 RNA 分子，并使用下一代测序仪一次性确定大量碱基序列。¹³这是一种用于识别吸收 C 的微生物物种的高灵敏度方法。也称为高灵敏度稳定同位素探测 (SIP) 方法。[返回来源]

化学合成

光合作用，是利用甲烷、硫化氢等无机物的化学反应能合成有机物，而不依赖光能。基于微生物化学合成的化学合成生态系统存在于深海热液喷口和甲烷渗漏中。[返回来源]