膠州灣海水甲烷氧化速率的水平與垂直變化初步研究?

趙慧敏，丁海兵，呂麗娜，楊桂朋,3，劉昌嶺，賀行良

(1. 中國海洋大學 化學化工學院，山東 青島 266100；2. 海洋化學理論與工程教育部重點實驗室，山東 青島 266100；3. 海洋科學與技術(shù)青島協(xié)同創(chuàng)新中心；4. 青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071)

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膠州灣海水甲烷氧化速率的水平與垂直變化初步研究?

趙慧敏1,2，丁海兵2，3??，呂麗娜1，2，楊桂朋1,2,3，劉昌嶺4，賀行良4

(1. 中國海洋大學 化學化工學院，山東 青島 266100；2. 海洋化學理論與工程教育部重點實驗室，山東 青島 266100；3. 海洋科學與技術(shù)青島協(xié)同創(chuàng)新中心；4. 青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071)

摘要：系統(tǒng)考察2014年4月膠州灣海水中甲烷的氧化速率。通過一系列的海水培養(yǎng)實驗，采用氣相—穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀(GC-IRMS)追蹤了培養(yǎng)樣品中δ13CH4的變化，計算了膠州灣海水的甲烷氧化速率(MOX)。結(jié)果表明：膠州灣表層水中甲烷的氧化速率的變化范圍為3.7～255.5 nmol·L-1·d-1，平均值為(104.7±89.7)nmol·L-1·d-1。底層水中甲烷的氧化速率的變化范圍為38.2～227.1 nmol·L-1·d-1，平均值為(148.9±76.2)nmol·L-1·d-1。總體而言，在膠州灣東部和西部，特別是海泊河口、洋河河口附近的水域，表層海水中甲烷氧化速率的分布都明顯呈現(xiàn)出近岸高，遠岸低的趨勢。膠州灣甲烷的氧化速率與溶解無機碳濃度的變化以及甲酸的含量呈較明顯的線性正相關(guān)。根據(jù)甲烷氧化速率估算出膠州灣氧化甲烷的量為1.15×108mol/a，該值相當于膠州灣甲烷海-氣通量的6.4～14.3倍。

關(guān)鍵詞：甲烷；甲烷氧化速率(MOX)；氣相色譜-穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀(GC-IRMS)；δ13C；膠州灣

引用格式：趙慧敏，丁海兵，呂麗娜，等.膠州灣海水甲烷氧化速率的水平與垂直變化初步研究[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版)， 2016,46(6)： 90-99.

ZHAO Hui-Min, DING Hai-Bing, LV Li-Na, et al. The preliminary study of horizontal and vertical variations of methane oxidation rates in the Jiaozhou Bay[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016， 46(6)： 90-99.

甲烷是一種重要的溫室氣體，它通過吸收紅外輻射和大氣中的光化學反應影響全球氣候[1]。雖然CH4在大氣中的濃度比CO2小得多，但從單個分子來看，其吸收輻射的能力是CO2的20多倍，因此總體上，甲烷對溫室效應的貢獻可達20%以上[2]。另一方面，CH4在大氣中的存留時間約為10年，作為大氣中的活性物質(zhì)，它能夠參與控制對流層中O3和OH·的光化學反應，進一步影響了導致酸雨和光化學煙霧的氮氧化物的生成[3]。多年的觀測結(jié)果表明，大氣中CH4的濃度從150年前開始顯著增加。美國海洋與大氣管理局(NOAA)的數(shù)據(jù)顯示，與工業(yè)革命前相比，到目前為止，大氣中的甲烷濃度增加了近乎一倍，達到了1.8mL/m3，現(xiàn)在仍以每年1%的速率增加[4]。大氣中不斷升高的甲烷濃度對全球氣候變化的影響，也受到越來越多的關(guān)注。由于甲烷在全球氣候變化和大氣化學方面的重要作用，各方面已對甲烷的生物地球化學循環(huán)，包括其在大氣、海洋、陸地中的源和匯以及濃度變化進行了長期、大量的研究。

盡管海洋面積占全球的71%，但研究結(jié)果表明海洋對全球大氣中甲烷的貢獻率卻非常低。Reeburgh等估計從海洋進入大氣的甲烷只占全球人為和天然甲烷排放總量的 2%，因而近代以來源自海洋的甲烷對大氣中甲烷濃度的增加，其貢獻幾乎可以忽略[5-6]。Reeburgh等認為沉積物和水體中微生物主導的甲烷的氧化，使絕大部分甲烷氣體(90%以上)在進入大氣圈之前已被消耗掉。在海水和沉積物中，甲烷的氧化過程主要包括兩種類型：在沉積物中由甲烷氧化古菌進行的甲烷厭氧氧化；在水體中由甲烷氧化細菌進行的甲烷需氧氧化[7]。Sommer等人[8]對東北太平洋地區(qū)水合物海脊研究表明在深海沉積物與海水界面上甲烷的需氧氧化有很大的潛力。由于甲烷氧化過程對甲烷在海洋生物地球化學循環(huán)中的關(guān)鍵性作用，以甲烷產(chǎn)生速率和氧化速率研究為中心內(nèi)容的甲烷生物與化學動力學過程研究逐漸成為海洋中甲烷研究的一個重要方面。

在中國近海，甲烷的生物地球化學研究取得了一系列的成果，如張桂玲[9-10]等系統(tǒng)研究了東、黃海、長江口及膠州灣的甲烷分布情況，趙玉川[11]等研究了長江口區(qū)域甲烷的源和匯等，但多數(shù)研究仍然集中在甲烷的時空分布規(guī)律、源和匯等相對靜態(tài)的過程，還沒有對其化學和生物動力學過程進行深入的研究。根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，本文選擇受人類活動影響較大的典型半封閉海域—膠州灣作為主要研究對象，研究甲烷在該海域的氧化速率，考察影響膠州灣甲烷氧化速率的相關(guān)因素，從而初步了解甲烷在膠州灣的生物與化學動力學過程。

1實驗

1.1 實驗準備

采樣和分析過程中所用的玻璃儀器均先后用10% 鹽酸，蒸餾水、Milli-Q水以及甲醇、二氯甲烷、正己烷等有機溶劑洗凈后，于450 ℃馬弗爐中灼燒6 h，對于不能進行灼燒處理的容器或物品，進行超聲處理后，先用10%鹽酸洗液浸泡24 h，然后依次用去離子水、Milli-Q水、甲醇、二氯甲烷、正己烷沖洗干凈，干燥后保存。

用除去CO2的高純空氣稀釋含99%13CH4的甲烷氣體(Sigma)，在300 mL鋁塑袋內(nèi)配制濃度(v/v)約3 000mL/m3的13CH4氣體，現(xiàn)用現(xiàn)配。

10 mL的西林瓶先充滿高純N2(99.99%)，然后用丁基橡膠塞迅速塞上并用鋁帽將其密封。用60 mL的塑料注射器抽取其中的N2直至注射器的推拉桿不能拉動，取出注射器，此時西林瓶內(nèi)部接近真空狀態(tài)。

1.2海水樣品采集及培養(yǎng)

膠州灣位于山東半島南岸，是南黃海沿岸的一個半封閉海灣，水域面積3.20×108m2[12]，灣內(nèi)水深較淺，平均水深為7 m，匯入膠州灣的大小河流有十幾條，其中徑流量較大的有大沽河和洋河。雖然李村河、婁山河、海泊河、板橋坊河等基本無自身徑流，但河道中、下游成為工業(yè)廢水和市區(qū)生活污水的排污河。在膠州灣中，設置了14個站位，于2014年4月乘考察船采集海水樣品(見圖1)。水深小于5 m的站位為灣內(nèi)的A1、A2、B1、B2、B3、C2和青島近海的站位F1，只取表層海水；水深大于5 m小于10 m的站位B5、C3、C5、D4，取表層和底層海水；水深大于10 m小于20 m的站位D2、E1，取表層、10 m和底層海水；水深大于20 m站位E3，取表層、10 m、20 m和底層海水。

海水樣品用5 L的有機玻璃采水器采集后裝入2.5 L的塑料桶內(nèi)，返回實驗室后放入培養(yǎng)箱內(nèi)保存，溫度保持在15 ℃，與現(xiàn)場溫度相同，測定甲烷氧化速率的海水樣品培養(yǎng)實驗在取樣后一日內(nèi)進行。海水樣品的培養(yǎng)和氣體樣品的采集采用了改進的Bastviken等[13]的方法。利用13CH4測定海水樣品的氧化速率。培養(yǎng)實驗包括空白組、實驗組和對照組3部分，對于所采集的每一個海水樣品，均分別在注滿的7個100mL的鹽水瓶里進行培養(yǎng)，鹽水瓶用1-7的數(shù)字編號。因2、5號鹽水瓶均是加入13CH4后立即取頂空氣體，故兩個鹽水瓶子中DIC(溶解無機碳)、TA(堿度)、pH理論上應一致，選取2號瓶子測定這3個參數(shù)；因鹽度很穩(wěn)定，從2.5 L塑料桶內(nèi)取出海水測定S(鹽度)，海水樣品培養(yǎng)方案如表1所示。

實驗具體操作如下：鹽水瓶用采集的水樣沖洗后，注入海水至溢出約瓶體積的一半以除去氣泡。鹽水瓶中加入HgCl2時，用塑料注射器吸取l mL飽和HgC12，快速加入液面以下然后迅速塞上一插有注射器針頭的丁基橡膠塞并旋緊，多余的水通過針頭排出。然后取下針頭，用鋁帽將鹽水瓶密封。加入13CH4時，用1 mL塑料注射器從鋁塑袋內(nèi)取出1 mL配制好的含13CH4混合氣體，迅速打入鹽水瓶中，然后將鹽水瓶上下顛倒幾次，使13CH4氣體均勻分散開避光恒溫(膠州灣海域現(xiàn)場的平均溫度15℃)培養(yǎng)24 h。

氣體樣品采用頂空平衡法采集。取氣體時將插有8 cm長針頭的10 mL空塑料注射器1從膠塞的一側(cè)插入鹽水瓶底部；取另一注射器2，其針頭略短，用高純N2清洗3遍，然后通過三通閥連接到高純N2(99.99%)瓶上，N2慢慢注入鹽水瓶中，多余的水進入塑料注射器1中；當塑料注射器1中的水體積達到10mL時(此處 10mL海水備用)，將兩注射器取出，關(guān)閉三通閥；鹽水瓶用手劇烈搖動2min后，放置半分鐘至氣液平衡，將裝滿10mL水樣的注射器1和另一10mL空塑料注射器3同時插入鹽水瓶中，慢慢將10mL備用海水打入鹽水瓶中，當空塑料注射器3的推拉桿不再上升時立即將其取出，將收集的氣體打入呈真空狀態(tài)的10mL西林瓶中用于甲烷濃度等參數(shù)的測定。

1.3海水樣品各參數(shù)的分析

1.3.1CH4濃度的測定甲烷濃度的測定依據(jù)改進的Kinnaman等人[14]的方法。用1 mL的氣密性微量注射器(帶鎖定功能，Hamilton公司)取1 mL頂空氣體，注入氣相色譜儀(GC-2014，Shimadzu公司)進行測定，色譜柱為填充柱(3.66 m×3.18 mm×2 mm，n-octane on ResSil C，美國Restek公司)。氣相色譜(GC)升溫程序：柱溫40 ℃，柱流速10 mL /min；進樣口溫度100 ℃；檢測器溫度175 ℃。FID(氫焰離子化檢測器)的響應信號與CH4濃度之間有良好的線性關(guān)系，以所測定甲烷標準氣體(國家標準物質(zhì)中心)的色譜峰面積作出標準曲線，依據(jù)標準曲線確定樣品中甲烷氣體的濃度。該方法的檢出限為0.08 nmol·L-1，當甲烷濃度大于或等于50 nmol·L-1時，此方法的精密度是±2%，當甲烷濃度小于50 nmol·L-1時，此方法的精密度是±5%。

1.3.2 δ13CH4的測定采用氣相色譜—穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀(GC-IRMS，Thermo Finnigan公司)檢測氣體樣品中的δ13CH4，檢測方法的精密度是±0.5%[15]。用1mL的氣密性微量注射器(帶鎖定功能)取400μL頂空氣體，進入氣相色譜儀(Trace Ultra型GC)中測定，色譜柱為HP-PLOT Q毛細管色譜柱(30m×0.32mm×20.0μm，美國J&W公司)，分離后氣體最后進入穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀(MAT 253 型IRMS)中進一步檢測。GC升溫程序: 初始溫度50℃(保持3min)，以15℃/min升至190℃(保持5min) ；高純He( 99.999%) 作載氣；柱流速1.5mL/min；進樣口溫度100℃；分流進樣，分流比與進樣量根據(jù)各組分含量高低實時調(diào)整。測定δ13C時燃燒爐溫度為900℃，還原爐溫度600℃；IRMS 離子化能量70eV；發(fā)射電流1.5mA，加速電壓10kV，真空度為2.0×10-9kPa；IRMS監(jiān)測離子(m/z) 為 44、45、46[15]。

δ13C測定結(jié)果的表達式如下：δ"(‰)=[(R樣品/R標準)-1]×1 000。

式中R樣品、R標準分別為樣品、國際標準物質(zhì)PDB中13C與12C 的豐度比(13C /12C)。

1.3.3 DOC、DIC、pH、TA、甲酸的分析溶解有機碳(DOC)的分析是采用高溫催化氧化的方法，所用儀器為TOC分析儀(TOC-VCPH，Shimadzu公司)，海水樣品或標準溶液的測定信號為峰面積，由工作曲線直接求得DOC的濃度。樣品平行測定2～3次，測定相對偏差小于2%，在空白被準確測定的條件下，此方法的檢測限為0.05mg·L-1[16]。

溶解無機碳(DIC)用TOC分析儀(TOC-VCPH，Shimadzu公司)分析。標準溶液以及海水樣品的測定信號為峰面積，溶解無機碳的濃度由標準工作曲線求出。樣品平行測定2～3次，測定相對偏差小于2%，在空白被準確測定的條件下，該方法的檢測限為0.05mg·L-1[17]。

總堿度(TA) 測定采用TA分析儀(AS-Alk，美國阿波羅科技公司)分析，原理為Gran電位滴定法。用數(shù)字泵量取20mL樣品后自動滴加0.1mol/L稀HCl，滴定至終點時溶液pH大約3.0，分析誤差控制在0.1%之內(nèi)[18]。

海水pH根據(jù)Dickson等[19]的光度法測定，pH的值由加入海水中的指示劑決定。本實驗選擇了間甲酚紫鈉鹽，海水的pH與其二次解離反應有關(guān)：HI-(aq)=H+(aq)+I2-(aq)。實驗中先調(diào)節(jié)指示劑在578 與434 nm下的吸光度比值約為1.6，分別測434、578、

730nm下的吸光度值，然后向比色皿中加入80 μL指示劑溶液，搖勻，測434 、578 、730nm下的吸光度值，根據(jù)pH=pK(HI-)+log10([I2-]/[HI-])，計算出海水的pH。

甲酸的定性定量分析是應用改進的Albert[20]等人的方法。將2mL經(jīng)0.22μm聚醚砜濾膜過濾的水樣轉(zhuǎn)移至帶有特氟龍瓶蓋的4mL棕色玻璃樣品瓶中，加入鹽酸化的吡啶緩沖液，通氮氣4min，然后依次加入0.1mol/L的硝基代苯酚聯(lián)肼(NPH, Sigma)溶液、0.3mol/L 2-二甲基氨丙基碳化二亞胺(EDC, Sigma)的緩沖液各0.2mL放置于室溫下，1.5h后加入0.2mL 40%(w/v)的氫氧化鉀溶液并將樣品在70℃加熱10min，然后用低速冷凍離心機將樣品中由于鈣、鎂離子而產(chǎn)生的絮狀物離心去除，取上清液100μL經(jīng)高效液相色譜儀(Agilent-1100)分析。

1.4甲烷氧化速率的計算

甲烷的氧化反應總體上可以用方程式CH4+2O2→CO2+2H2O表示，根據(jù)此方程式，培養(yǎng)24 h過程中甲烷的平均氧化速率可以由CH4的濃度降低或CO2的濃度增加來計算，由于影響CO2濃度的因素很多，而甲烷氧化對CO2濃度的改變不顯著，根據(jù)CO2濃度變化計算甲烷的氧化速率會導致較大的誤差，因而本研究根據(jù)CH4的濃度變化計算其氧化速率。有研究表明，膠州灣海水中可能存在甲烷的凈產(chǎn)生[21]，所以本研究采用13CH4作為示蹤劑通過培養(yǎng)實驗來研究甲烷的氧化。

培養(yǎng)實驗進行的過程中，整個體系是封閉的。根據(jù)δ13C測定結(jié)果的表達式：δ(‰) =[( R樣品/R標準)-1]×1 000，可得公式：

R樣品=(δ13CH4/1 000+1)×R標準。

(1)

W=R樣品/(R樣品+1)。

(2)

Δ[13CH4]=C前×W前-C后×W后。

(3)

MOX=Δ[13CH4]·(1-F)·α/(F·t)+[13CH4]/t

=Δ[13CH4]·(α-F·α+F)/(F·t)

=Δ[13CH4]·(α/F-α+1)/t

≈Δ[13CH4]/t。

(4)

式(1)中R標準是國際標準物質(zhì)PDB(美國南卡羅來納州白堊紀皮狄組層位中的擬箭石化石)中13C與12C 的豐度比，R標準=0.011 237[22]。式(2)中W是指13C在甲烷氣體中所占的比例。式(3)中Δ[13CH4]是指13CH4的濃度變化值，單位是nmol·L-1，C前、C后是培養(yǎng)前、后頂空氣體中甲烷的濃度，單位是nmol·L-1；W前、W后是培養(yǎng)前、后13C在甲烷氣體中所占的比例；式(4)中F是整個封閉體系中含有13C的甲烷含量與甲烷總含量的比值，本研究中，F(xiàn)≈0.95；α指同位素氧化分餾系數(shù)，Coleman 等人[23]的實驗估算得到的α≈1.02，水體中甲烷的氧化優(yōu)先選擇12CH4；t是指培養(yǎng)的時間，單位是d；MOX指甲烷氧化速率，單位是nmol·L-1·d-1。

2結(jié)果與討論

2.1溶解甲烷的水平分布

圖2顯示了2014年4月航次膠州灣表、底層海水中溶解甲烷的分布狀況。圖2a和圖2b的結(jié)果顯示：膠州灣表、底層海水中溶解甲烷分布規(guī)律相似，呈現(xiàn)東部高西部低、近岸高遠岸低的趨勢；大部分站位表層甲烷濃度比底層略高；但在李村河河口附近表層存在甲烷濃度的異常高值。甲烷分布趨勢與張桂玲[9-10]等人的研究結(jié)果一致。除了B5站位，膠州灣表層甲烷濃度的變化范圍為7.0～21.9nmol·L-1，平均值為(10.2±3.8) nmol·L-1，膠州灣底層甲烷濃度的變化范圍為8.8～17.6 nmol·L-1，平均值為(12.3±3.3) nmol·L-1，本研究結(jié)果稍低于2003年5月張桂玲等[9,10]在膠州灣的研究結(jié)果(表層海水的溶解甲烷濃度為的平均值為(41.4±51.1) nmol·L-1，底層海水的溶解甲烷濃度為的平均值為(23.2±34.3) nmol·L-1。

2.2膠州灣海水中甲烷氧化速率的變化

本次調(diào)查表明膠州灣表層水和底層水中甲烷的氧化速率的變化范圍分別為3.7～255.5和38.2～227.1 nmol·L-1·d-1，平均值分別為(104.7±89.7)和(148.9±76.2) nmol·L-1·d-1。甲烷氧化速率在天然環(huán)境中的變化范圍是比較大的。Bastviken等[12]對瑞典中南部的3個湖的湖水通過加入同位素14C的方法進行培養(yǎng)，調(diào)查結(jié)果顯示CH4的氧化速率范圍是0.00～3.25 μmol·L-1·d-1。Kelley[24]等對墨西哥灣北部的海水通過加入同位素13C的方法進行培養(yǎng)，調(diào)查結(jié)果顯示CH4的氧化速率范圍是0～57 nmol·L-1·d-1。Roman[25]等采用3H示蹤劑研究了德國灣(北海東南部)的甲烷的氧化速率，變化范圍是0～16.5 nmol·L-1·d-1。膠州灣受人類活動影響比較大，但本研究測定的膠州灣海水甲烷的氧化速率的變化范圍與其它水環(huán)境的研究結(jié)果沒有顯著差異。

圖3a顯示在膠州灣的西海岸、洋河附近海域，甲烷的氧化速率與膠州灣東海岸的水平分布趨勢相似，呈現(xiàn)出近岸高、遠岸低的趨勢。但是在紅島以南、黃島東北部及李村河附近的海域，甲烷氧化速率的變化趨勢有明顯的不同，大致呈現(xiàn)出近岸低、遠岸高的趨勢。由圖3b可知，底層海水中甲烷氧化速率的變化不大，水平分布有自東北向西南逐漸升高的趨勢。比較圖3a和圖3b，膠州灣表層和底層甲烷氧化速率的分布變化均呈現(xiàn)出自沿岸向外海逐漸降低的趨勢。膠州灣表層海水和底層海水的甲烷的氧化速率的對照如圖4所示。由圖4可以看出，膠州灣表層海水中甲烷氧化速率的最大值和最小值分別位于D4和B5站位，分別為255.5和3.7 nmol·L-1·d-1，當水深小于5 m時，由于水深較淺，可粗略認為表層和底層海水中甲烷氧化速率差別不大，本實驗底層海水取的是水深大于5 m的B5、C3、C5、D2、D4、E1、E3 7個站位。由圖4可以看出，膠州灣底層海水中甲烷氧化速率的最大值位于E1站位，其值為227.1 nmol·L-1·d-1；最小值位于B5站位，其值為38.2 nmol·L-1·d-1。由圖4還可以看出除了D4、C5站位外，B5、C5、D2、E1、E3站位底層海水甲烷氧化速率均大于表層海水甲烷氧化速率。圖5則顯示出膠州灣海水從表層向底層甲烷氧化速率逐漸增大。

2.3影響膠州灣海水甲烷分布和甲烷氧化速率分布的因素

2.3.1 影響膠州灣海水甲烷分布的因素甲烷的分布與氧化還原條件、水動力環(huán)境和生物活動等多種因素相關(guān)。膠州灣海水中溶解甲烷呈現(xiàn)近岸高、遠岸低的趨勢，主要是由于陸源輸入的強烈影響。2002年5月膠州灣周邊河流河水中甲烷濃度范圍為1.67×102～5.39×104nmol·L-1[9],比本次調(diào)查中測得的膠州灣海水的甲烷平均濃度高出幾倍至幾百倍，此種差別可以歸因于河流輸入的高濃度甲烷導致膠州灣近岸甲烷濃度增高。本研究的結(jié)果顯示，李村河河口附近B5站位表層存在的甲烷濃度的異常高值與李村河河水的輸入有密切關(guān)系。李村河是青島市重要的排污河，攜帶了大量有機污染物進入膠州灣，有機污染物在海水和沉積物中中氧化降解，為甲烷生成提供了條件。仇天雷[26]等人從膠州灣淺海沉積物中分離出一株產(chǎn)甲烷菌，此產(chǎn)甲烷菌能夠產(chǎn)生甲烷，河水輸入和產(chǎn)甲烷菌的生產(chǎn)疊加，可能導致B5站位甲烷的異常高值。

2.3.2 影響膠州灣海水甲烷氧化速率分布的因素膠州灣海水中甲烷的氧化速率受到多種生物、物理和化學過程的控制和影響。根據(jù)海水中甲烷的氧化過程，甲烷氧化速率可能與溫度、甲烷的濃度、氧氣含量有關(guān)。因為培養(yǎng)實驗是在恒溫條件下進行的，所以本論文主要討論甲烷的濃度和氧氣含量對膠州灣中甲烷氧化速率的影響。

2.3.2.1 膠州灣中甲烷濃度對甲烷氧化速率分布的影響本實驗的研究結(jié)果表明膠州灣大部分站位底層海水的甲烷濃度和甲烷氧化速率均稍高于表層，而膠州灣東部地區(qū)表層水中溶解甲烷的濃度分布趨勢與甲烷氧化速率的分布趨勢相似(見圖2和3)，這些結(jié)果表明，多數(shù)情況下，膠州灣甲烷濃度與甲烷氧化速率的變化是一致的，但兩者之間變化關(guān)系復雜。實際上，甲烷的氧化與海水中甲烷氧化細菌的活動密切相關(guān)，是一個酶動力學過程。通常情況下，在底物濃度較低時，酶反應速率與底物濃度呈現(xiàn)一級或者混合級反應關(guān)系，而底物濃度較高時，酶反應速率與底物濃度為零級反應。從這個角度考慮，膠州灣甲烷濃度與甲烷的氧化速率有較為復雜的關(guān)系是合理的。

2.3.2.2 膠州灣中溶解氧對甲烷氧化速率分布的影響甲烷需氧氧化總反應式為：CH4+2O2→CO2+2H2O，氧化途徑如圖6所示[27]，氧氣是影響甲烷氧化速率的一個重要因素。但俞光耀[27]等人研究發(fā)現(xiàn)膠州灣海水溶解氧濃度一年的平均變化范圍為187.5～357.1 μmol·L-1，遠遠高于膠州灣海水中的甲烷濃度，因此在整個培養(yǎng)過程中，膠州灣海水樣品中的溶解氧對于甲烷的氧化反應來說是遠遠過量的，所以溶解氧濃度高低并不會對甲烷氧化速率產(chǎn)生實質(zhì)影響。

2.4膠州灣中甲烷的產(chǎn)生和消耗

結(jié)果顯示膠州灣海水在培養(yǎng)過程中存在甲烷的凈產(chǎn)生和凈消耗。培養(yǎng)實驗的結(jié)果表明，膠州灣表層海水中，B5、E3站位的樣品中甲烷濃度在培養(yǎng)后增高，顯示這些樣品中存在甲烷的凈產(chǎn)生，甲烷δ13C的變化則表明甲烷被利用，而A1、A2、B2、B3、B1、C5、D2、D4站位的樣品在培養(yǎng)后甲烷濃度降低，呈現(xiàn)甲烷的凈消耗。因為海水樣品中甲烷的產(chǎn)生和消耗同時發(fā)生，所以不能直接通過甲烷濃度的減少進行甲烷氧化速率的計算。因而本文計算甲烷氧化速率時先假設膠州灣海水中存在甲烷的產(chǎn)生。

2.5甲烷氧化速率(MOX)與pH、TA、DOC變化的相關(guān)性

海水中pH、TA、DOC的變化受多種物理化學和生物地球化學過程的影響。由于本研究中海水樣品的培養(yǎng)的是在恒溫無光的封閉體系進行的，培養(yǎng)之前向海水中加入了定量的13CH4，海水中甲烷氧化有可能導致pH、TA、DOC的變化。但統(tǒng)計分析的結(jié)果表明，MOX與這幾個參數(shù)沒有明顯的相關(guān)性(見表4)。

甲烷在由甲烷氧化菌氧化成二氧化碳的過程中，海水的酸性會增大，引起二氧化碳的平衡和碳酸鹽體系的變化，但海水的pH也受到一些弱酸離子含量與緩沖作用的影響。同時，CO2濃度改變并不會導致TA的變化，從這個角度看，甲烷氧化速率與pH值和TA之間缺乏相關(guān)性是合理的。海水中的DOC與海洋浮游植物的光合作用、生物的代謝和細菌的活動有關(guān)，因為本研究實驗前加入了足量13CH4，甲烷氧化菌的氧化過程是由甲烷變成二氧化碳的過程，此過程中DOC濃度可能會受到一定的影響，但DOC在海水中的含量比甲烷高很多，并且其變化還受到海水中其他因素的影響，所以甲烷的氧化速率與DOC的變化沒有明顯的相關(guān)性。由于海水樣品中甲烷濃度不高，甲烷氧化導致的這些條件因子變化區(qū)間不顯著，因而甲烷氧化速率與pH、TA、DOC的關(guān)系需要通過更精確的實驗進一步探究。

注：N代表分析數(shù)據(jù)的個數(shù)；R代表相關(guān)性的好壞；P代表無相關(guān)性的概率。Npresents the number of analytical data,Rpresents degree of relationship,Ppresents possibility of non-relationship.

2.6甲烷氧化速率(MOX)與DIC變化和甲酸濃度的相關(guān)性

將所獲得樣品的甲烷氧化速率與表層海水的甲酸濃度進行對照(見圖8)，發(fā)現(xiàn)兩者之間有一定的正相關(guān)，由圖5可以看出，甲酸是甲烷氧化成二氧化碳過程中的重要中間產(chǎn)物，從新陳代謝的角度來看，甲酸的濃度較高，則說明氧化甲烷的微生物比較活躍，從而能夠較快的氧化甲烷，使甲烷氧化速率與甲酸濃度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性。

2.7膠州灣甲烷的氧化量

根據(jù)網(wǎng)格法粗略估算了膠州灣海水一年甲烷的氧化量，包括不同站位和整個膠州灣甲烷的氧化量。圖9的結(jié)果顯示膠州灣東部地區(qū)深水區(qū)的甲烷的氧化量大于淺水區(qū)，E1站位甲烷的氧化量達到了最高值。E1和D2站位雖然表層的甲烷氧化量不大，但由于這兩個站位底層甲烷的氧化速率比較大，海水相對較深，因此甲烷的氧化量比較大。

根據(jù)培養(yǎng)實驗測定的膠州灣水體中甲烷氧化速率，結(jié)合膠州灣總水域面積3.20×108m2[11]，通過網(wǎng)格法粗略估計了膠州灣各站位的甲烷的氧化量(見圖9)，得出每年膠州灣氧化甲烷的總量約為1.15 ×108mol/a。張桂玲[9]等人估算出膠州灣向大氣釋放CH4的年通量約為7.98×106～18.00×106mol/a，則膠州灣氧化甲烷的量約是膠州灣甲烷海氣通量的6.4～14.3倍。Susan[28]等人的研究發(fā)現(xiàn)加利福尼亞Coal Oil Point地區(qū)的甲烷氧化量約是甲烷海-氣通量的90～99倍，與本實驗的研究結(jié)果基本一致。本實驗的結(jié)果進一步支持了Reeburgh的假設即海水中絕大部分甲烷(90%以上)在進入大氣之前都被消耗掉了。

3結(jié)語

近年來，國際上利用同位素13C、14C、3H等對海水中的甲烷氧化速率做了初步的研究，但是對受人類活動影響較大的海域甲烷氧化速率的變化情況缺乏相關(guān)的研究。本研究驗證了利用13C同位素標記法測定膠州灣海水中甲烷氧化速率的有效性。膠州灣甲烷氧化速率在水平方向上呈現(xiàn)出近岸高、遠岸低的趨勢，大部分海域底層甲烷氧化速率稍高于表層。研究表明膠州灣海水的甲烷氧化速率與DIC的變化以及甲酸濃度呈明顯的正相關(guān)。膠州灣每年氧化甲烷的量約為1.15×108mol/a，約是膠州灣甲烷海氣通量的6.4～14.3倍。本研究首次利用13C同位素通過膠州灣大面范圍的培養(yǎng)實驗測定了膠州灣甲烷的氧化速率，在更長的時間段追蹤甲烷氧化速率的變化情況進而更加全面地了解膠州灣甲烷的生物地球化學循環(huán)過程是今后需要進一步進行的工作。

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責任編輯徐環(huán)

The Preliminary Study of Horizontal and Vertical Variations of Methane Oxidation Rates in the Jiaozhou Bay

ZHAO Hui-Min1,2, DING Hai-Bing2,3, LV Li-Na1,2, YANG Gui-Peng1,2,3,LIU Chang-Ling4, HE Xing-Liang4

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China,Qingdao 266100,China; 2.Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Qingdao 266100,China; 3.Qingdao Collaborative Innovation Center of Marine Science and Technology, Qingdao 266100， China； 4.Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China)

Abstract:Methane oxidation rates (MOX) of the sea water samples collected from the Jiaozhou Bay in April, 2014 were systematically investigated in this study. Series13CH4incubation experiments of the sea water were conducted and their δ13C-CH4were measured by gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry (GC-IRMS). The MOX of the samples were calculated based on the variations of δ13C-CH4. The results showed that the methane oxidation rates in the surface water samples ranged from 3.7 to 255.5 nmol·L-1·d-1, with an average of (104.7±89.7) nmol·L-1·d-1.While the methane oxidation rates in the bottom water samples ranged from 38.2 to 227.1 nmol·L-1·d-1, with an average of (148.9±76.2) nmol·L-1·d-1. In general, in the eastern area of the Jiaozhou Bay, especially the area around the mouths of the Haibo River and the Yang River, the methane oxidation rates in the surface sea water tend to be higher inshore and lower offshore. The MOX and the variations of dissolved inorganic carbon (DIC) and concentration of formate had significant linear relationship. Total amount of methane oxidized in the bay was about 1.15×108mol/y, which is equivalent to 6.4～14.3 times of sea-air flux of methane in the Jiaozhou Bay.

Key words:methane; methane oxidation rates; gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry(GC- IRMS); δ13C; Jiaozhou Bay

基金項目：? 國家自然科學基金項目(41176061)-膠州灣兩種生源活性氣體甲烷和二甲基硫氧化速率研究；國家自然科學基金創(chuàng)新群體項目(41521064)-海洋有機地球化學資助

收稿日期：2015-02-17；

修訂日期：2015-06-16

作者簡介：趙慧敏(1987-)，女，碩士生。E-mail:zhaohuimin1019@163.com ??通訊作者：E-mail：dinghb@ouc.edu.cn

中圖法分類號：P734.4

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)06-090-10

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150056

Supported by National Natural Science Foundation of China (47716061)-Studying oxidation rates of two biogenic gases-methane and dimethyl sulfide in the Jiaozhou Bay；National Natural Science Foundation of China Innovation Research Group Project (41521064)-Marine organic geochemistry)