海底天然氣水合物的微生物成因及識(shí)別

1、 /海底天然氣水合物的微生物成因及識(shí)別The microbial genesis of submarine gas hydrate and its microb-iological indication吳后波1, 蘇曉波1, 顏 文2, 3(1. 中國科學(xué)院南海海洋研究所LED 實(shí)驗(yàn)室, 廣東廣州510301; 2. 中國科學(xué)院廣州天然氣水合物研究中心, 廣東廣州510070; 3. 中國科學(xué)院邊緣海重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東廣州510301中圖分類號(hào):P 618. 130. 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-3096(2008 03-0096-05當(dāng)前, 天然氣水合物作為一種未來新型能源在國際

2、上備受關(guān)注, 世界上已直接或間接發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物116處, 其中海洋就有85處(包括中國南海北部陸坡、南沙海槽和東海陸坡 , 直接采集到天然氣水合物樣品有23處。據(jù)估算, 全球天然氣水合物中蘊(yùn)藏的天然氣總量約(1. 82. 1 1016m 31, 資源總量是全球所有已知常規(guī)礦物燃料總和的2倍。對(duì)天然氣水合物研究受到如此高度關(guān)注的主要原因, 一是由于它是一種潛力巨大、前景誘人的超級(jí)能源; 二是天然氣水合物的形成與演化是全球氣候變化和海底地質(zhì)災(zāi)害的潛在誘發(fā)因素, 對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生重大影響2。所以, 無論從尋找戰(zhàn)略儲(chǔ)備能源的角度看, 還是從防治災(zāi)害和維護(hù)人類生存環(huán)境的角度看, 對(duì)天然氣水合物

3、的研究均具有重要意義。海底天然氣水合物形成與賦存條件特殊, 迄今除了海底鉆探和海底沉積物獲得少量海底天然氣水合物樣品外, 世界各地絕大多數(shù)天然氣水合物的分布主要是通過天然氣水合物的地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)以及生物學(xué)等識(shí)別標(biāo)志來判別的。目前, 針對(duì)海底天然氣水合物的微生物成因及其微生物識(shí)別標(biāo)志的研究還相當(dāng)膚淺, 作者簡要介紹了國內(nèi)外有關(guān)該方面的研究進(jìn)展。1 海底天然氣水合物的形成條件和成因類型海底形成天然氣水合物主要受溫度、壓力、氣體成分與含量等3個(gè)因素的控制。(1 溫度不能太高, 海底的溫度是24e , 適合天然氣水合物的形成, 高于20e 就分解; (2 壓力要足夠大, 在0e 時(shí)只需要3.

4、 03106Pa 就可形成天然氣水合物, 海水深度每增加10m, 壓力就增加1. 01105Pa, 因此, 海水深300m 就可達(dá)到3. 03106Pa, 海水越深壓力越大,天然氣水合物就越穩(wěn)定; (3 要有足量的甲烷氣源, 甲烷在水中的溶解度很低, 一般為每體積水中只能溶解0. 045體積的甲烷3, 而要形成天然氣水合物, 必需是水合物籠狀結(jié)構(gòu)中90%以上被甲烷氣占據(jù)4, 即1體積的水中要容納大于150體積的甲烷氣, 因此要形成海底天然氣水合物, 必須要有足量的甲烷氣來源。除此之外, 還必須有充足的使天然氣水合物形成的有利的流體載體的輸導(dǎo)系統(tǒng)和供應(yīng), 因此地質(zhì)條件是水合物形成的重要控制條件。

5、海底天然氣水合物的氣體成分通常以甲烷氣(CH 4 為主(>99% , 就甲烷的成因而言, 可將天然氣劃分為生物成因氣、熱成因氣和非生物成因氣等3類。生物成因氣主要是指微生物在缺氧環(huán)境下, 分解埋于地層深處大量地質(zhì)時(shí)期的動(dòng)植物遺骸等有機(jī)物產(chǎn)生的天然氣, 也稱為菌解氣。生物成因的甲烷氣通常形成于天然氣水合物穩(wěn)定區(qū)帶中, 其水合物形成速度慢且范圍較廣。熱成因氣的形成方式與石油相似, 沉積有機(jī)質(zhì)隨著沉積物的埋深增大而溫度升高, 其長鏈有機(jī)化合物斷裂、分解形成天然氣。熱成因的甲烷氣比生物成因的甲烷氣更具有富集性, 通常形成于沉積盆地較深部, 并通過盆地鹵水向上遷移至高孔隙度、高滲透率的淺部天然氣水

6、合物穩(wěn)定區(qū)的沉積物中。它們一般在斷裂帶附近形成小丘, 或從斷裂帶開始向外蔓延, 并且很好的圈閉且阻止更多的甲烷逸散到地表。收稿日期:2007-09-03; 修回日期:2007-12-20基金項(xiàng)目:中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(KZCX2-YW -211-03 。作者簡介:吳后波(1967- , 男, 湖北洪湖人, 副研究員, 博士, 主要從事海洋環(huán)境與分子微生物學(xué)研究, 電話 E -mail:wu hou -boscsio. ac. cn.96 3/非生物成因天然氣系指地球內(nèi)部迄今仍保存的地球原始烴類氣體, 或地殼內(nèi)部經(jīng)無機(jī)化學(xué)過程產(chǎn)生的烴類氣體。不同成因的甲

7、烷氣具有完全不同的碳同位素組成。Bernar d 等5曾用烴類氣體成分R 值及甲烷碳同位素組成來判斷甲烷來源。微生物成因甲烷氣的R 值比較高(>1000 , 碳同位素比值D13C 很低, 一般為-90j -55j ; 熱成因甲烷氣的R 值比較低(<100 , D13C 值較高, 一般為-55j -29j 。2 生物成因甲烷氣產(chǎn)生的微生物機(jī)制海洋深處及海底微生物產(chǎn)生甲烷氣, 主要有以下2個(gè)途徑:(1 厭氧細(xì)菌通過直接分解埋于地層深處的動(dòng)植物遺骸等有機(jī)物而產(chǎn)生甲烷氣。在這種產(chǎn)甲烷過程中存在種類繁多、關(guān)系復(fù)雜的微生物區(qū)系, 參與甲烷產(chǎn)生的微生物總體上可分為2大類, 即包括硫酸鹽還原菌(S

8、ulphate -reducing bacteria, SRB 、硝酸鹽還原菌(Nitr ate -reducing bacteria, NRB 等在內(nèi)的非產(chǎn)甲烷菌(non -methanog en 和產(chǎn)甲烷菌(methanogen 。甲烷的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜而連續(xù)的微生物學(xué)過程, 是這個(gè)微生物區(qū)系中各種微生物相互平衡、協(xié)同作用的結(jié)果。這兩大類微生物的相互關(guān)系包括:非產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌之間的相互關(guān)系; 非產(chǎn)甲烷細(xì)菌之間的相互關(guān)系; 產(chǎn)甲烷細(xì)菌之間的相互關(guān)系。其中非產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌之間的相互關(guān)系最為重要, 非產(chǎn)甲烷菌將動(dòng)植物遺骸等有機(jī)底物等進(jìn)行厭氧消化, 為產(chǎn)甲烷菌提供了生長和代謝所需的碳

9、源和能源, 非產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌相互依賴, 互為對(duì)方創(chuàng)造良好的環(huán)境和條件。產(chǎn)甲烷細(xì)菌通過乙酸發(fā)酵途徑產(chǎn)生甲烷氣。(2 自養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌還原CO 2形成甲烷氣。海洋環(huán)境中產(chǎn)甲烷氣主要以CO 2還原途徑為主。海底產(chǎn)甲烷菌的CO 2底物有兩個(gè)來源:1 CO 2來源于有機(jī)質(zhì)降解。埋于地層深處的動(dòng)植物遺骸等有機(jī)質(zhì)先被氧化為CO 2, 又由產(chǎn)甲烷細(xì)菌還原為甲烷。這種方式產(chǎn)生甲烷氣也須由兩種或以上的微生物協(xié)同完成。有機(jī)質(zhì)為什么不直接由微生物降解為甲烷, 而要先氧化為CO 2, 又由產(chǎn)甲烷細(xì)菌還原為甲烷, 這種曲折的過程很令人費(fèi)解6。2 CO 2來源于洋底的火山熱液-噴溢系統(tǒng)。產(chǎn)甲烷細(xì)菌生長的溫度范圍非常寬,

10、 它可以生活在近于冰點(diǎn)的南極湖泊中, 也可以棲息在110e 的深?；鹕綗嵋簢娍?, 在現(xiàn)代火山-熱液噴孔中發(fā)現(xiàn)了多種高溫自養(yǎng)甲烷菌8, 在天然氣水合物礦床中也發(fā)現(xiàn)有中高溫的自養(yǎng)甲烷桿菌9。D D CH4值(甲烷氫同位素值 被用來區(qū)別以上2個(gè)主要的微生物產(chǎn)甲烷途徑10。由CO 2還原作用產(chǎn)生的甲烷中氫只來源于周圍的水, 其D D CH4值大于-250j SMOW (standard mean ocean w ater , 代表值近于-191j ? 19j 11; 而乙酸發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷中3/4的氫來源于有機(jī)質(zhì), 只有1/4的氫來源于水, 其D D CH4值小于-250j SM OW, 介于-355

11、j 和-290j 之間。3 海底天然氣水合物的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)由于海底天然氣水合物的形成與賦存條件的特異性, 其形成后對(duì)周圍的生物群落必將產(chǎn)生獨(dú)特的影響, 從而在其周圍形成獨(dú)特的生物群落特征。3. 1 海底天然氣水合物形成對(duì)其周圍微生物生態(tài)的影響微生物通過產(chǎn)甲烷作用參與了甲烷水合物的形成, 同時(shí), 微生物在厭氧條件下還可以氧化甲烷水合物晶體中的甲烷氣12以及海底天然氣滲漏系統(tǒng)中的甲烷氣9, 1315, 微生物的這種氧化作用對(duì)甲烷氣及CO 2的全球循環(huán)以及成巖過程影響非常大。因此, 微生物群落的組成對(duì)甲烷水合物的穩(wěn)定性、組成及晶體結(jié)構(gòu)的影響非常重要。為了證明微生物細(xì)胞與水合物晶體有直接的接觸, 并證

12、明水合物晶體內(nèi)存在微生物細(xì)胞, Lanoil 等16對(duì)墨西哥灣的天然氣水合物樣品進(jìn)行了詳細(xì)的微生物學(xué)分析。他們用DNA 染液將天然氣水合物樣品DAPI 染色后在熒光顯微鏡下觀察, 發(fā)現(xiàn)天然氣水合物樣品里存在微生物細(xì)胞, 密度可達(dá)1. 0106個(gè)/m L 。利用分子生物學(xué)方法對(duì)天然氣水合物樣品里的微生物進(jìn)行分類鑒定, 發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的群落組成復(fù)雜, 絕大多數(shù)細(xì)菌屬于紫色細(xì)菌群(Pro teobac -teria 、放線菌群(Actinobacteria 和厚壁菌門(Firm -icutes 的細(xì)菌, 其中33%35%的細(xì)菌屬于放線菌群和厚壁菌門的細(xì)菌。天然氣水合物樣品里的古細(xì)菌群落組成相對(duì)簡單, 幾乎

13、所有古細(xì)菌都屬于產(chǎn)甲烷古細(xì)菌, 特別是鬃毛甲烷菌屬(Methanosaeta 。天然氣水合物晶體里的微生物群落不僅生命活動(dòng)旺盛, 而且它們的生命活動(dòng)并不局限于天然氣水合物晶體內(nèi), 它們還可以自由地與周圍的沉積物環(huán)境進(jìn)行各種物質(zhì)交換。甲烷水合物滲透性強(qiáng), 天然氣水合物晶體中水分子間的空穴(晶穴 大小為100400nm, 而且晶穴占整個(gè)晶體的25%40%17, 這樣就有利于微生物賴以生存的底物如硫酸鹽及其代謝產(chǎn)物亞硫酸鹽等非常容易地進(jìn)出天然氣水合物晶體, 有的晶穴甚至大到可以讓微生物細(xì)胞自由進(jìn)出。微生物在天然氣水合物晶體內(nèi)主要進(jìn)行2種類型的代謝活動(dòng):(1 厭氧甲烷氧化作用(anaero bic m

14、eth -97 /ane ox idatio n, AOM , A OM 是發(fā)生在缺氧環(huán)境下以微生物為媒介的甲烷氧化作用, 通常與硫酸鹽的還原作用(Sulfate Reduction, SR 同時(shí)發(fā)生, AOM 在全球甲烷的收支平衡中極為重要, 并通過其將碳循環(huán)和硫循環(huán)聯(lián)系起來。微生物的AOM 活動(dòng)不僅可以改變天然氣水合物中氣體的組成, 影響天然氣水合物的穩(wěn)定性, 而且還可以改變天然氣水合物的地球化學(xué)特性以及沉積物的成巖過程。微生物的AOM 活動(dòng)通常需要多種細(xì)菌的協(xié)同作用15, 18, 19。AOM 活動(dòng)的機(jī)理目前還不完全清楚, 但存在兩種假說, 一種為單一硫酸鹽還原細(xì)菌說, 另一種是不同細(xì)菌

15、共生體說。類脂類生物標(biāo)志化合物及單分子碳同位素分析特征表明微生物為非單一有機(jī)質(zhì)來源, 古細(xì)菌16S rRNA 基因分析也證實(shí)A OM 古細(xì)菌具有多種來源, Boetius 等13和Orphan 等20在顯微鏡下找到了以甲烷古細(xì)菌為中心外部被硫酸鹽還原細(xì)菌包圍的細(xì)菌共生體, 為共生體假說提供了直接的依據(jù)。(2 非甲烷的碳水化合物氧化。天然氣水合物晶體中的很多細(xì)菌都可以進(jìn)行這種非甲烷的碳水化合物氧化作用21, 特別是對(duì)脂肪族和芳香族的碳水化合物, 天然氣水合物晶體中的細(xì)菌通過這種非甲烷碳水化合物氧化作用影響著天然氣水合物晶體中碳水化合物向周圍環(huán)境的釋放22, 23。海底天然氣水合物在一定的溫壓條件

16、下, 即在天然氣水合物穩(wěn)定帶內(nèi)可以穩(wěn)定存在, 如果脫離天然氣水合物穩(wěn)定帶天然氣水合物就會(huì)分解為甲烷氣和水, 甲烷氣在海底水壓下以一種爆炸式的破裂方式從海底地層泄露出來, 在海底表面形成/梅花坑0地貌(深10m 、直徑100m , 同時(shí)還伴隨著一系列的物理、化學(xué)及生物作用過程, 形成與海底天然氣滲漏相關(guān)的、與海底天然氣水合物伴生的冷泉碳酸鹽巖。6400m 深的日本海溝陸坡冷泉環(huán)境中生長著Caly ptog ena 群落, 該環(huán)境大多數(shù)古細(xì)菌的16S rRNA 序列屬于嗜泉古菌, 顯示出與海洋古菌群1的rRNA 高度相似6。此外, 從沉積物中獲得的一個(gè)與布氏擬甲烷球菌(M ethanococcoi

17、des bur tonii 相關(guān)的序列屬于廣域古菌24?？茖W(xué)家在冷泉碳酸鹽巖中還發(fā)現(xiàn)了微生物化石, 這進(jìn)一步證明了微生物細(xì)胞與天然氣水合物穩(wěn)定帶水合物晶體有直接的接觸, 并證明天然氣水合物穩(wěn)定帶水合物晶體里存在微生物細(xì)胞。東沙群島海域海底冷泉碳酸鹽巖形態(tài)類似于煙囪, 主要由方解石、伊利石、石英、黃鐵礦等礦物組成。方解石保存了細(xì)菌絲狀體形態(tài), 絲狀體直徑小于0. 5L m 。通過掃描電鏡觀察, 在碳酸鹽巖斷裂面上發(fā)現(xiàn)了直徑小于0. 3L m 的細(xì)菌, 同時(shí)在碳酸鹽巖的外表層觀察到薄層外殼(厚0. 5L m , 顯示出細(xì)菌形態(tài)特征。此外, 在光學(xué)顯微鏡下可觀察到黃鐵礦集合體內(nèi)保存了直徑小于0. 1

18、L m 的棒狀和卵形納米細(xì)菌。在碳酸鹽巖中保存的細(xì)菌化石證明了碳酸鹽巖是海底天然氣滲漏系統(tǒng)中細(xì)菌對(duì)甲烷氣氧化的產(chǎn)物。3. 2 海底天然氣水合物形成對(duì)其周圍大型生物生態(tài)的影響隨著海洋高技術(shù)的發(fā)展, 借助海底電視、遙控觀測器(ROV 和深潛器等先進(jìn)工具, 在海底/梅花坑0內(nèi)可以觀察到與水合物相關(guān)的化學(xué)自養(yǎng)生物群落25, 這些自養(yǎng)生物群落主要包括以Begg iatoa 為主要種屬的厭氧菌、貽貝類和蚌類等深海雙殼類生物, 管蠕蟲及冰蠕蟲, 以大量殼長為2030cm 的巨型貝類遺體為主, 形成了一種特殊的以溢出天然氣為/食物0的生物群落, 因有大量冷甲烷氣泡溢出, 故又稱/冷生物群落溢氣口0。1984年

19、首次在墨西哥灣發(fā)現(xiàn)這類生物, 目前在日本南海海槽、美國俄勒岡外海及大西洋布萊克海脊等地均見到類似現(xiàn)象26, 而在/梅花坑0以外的地區(qū)則難見到此類生物。此外, 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在海底天然氣水合物的周圍同樣棲息著一些特有的蠕蟲動(dòng)物, 通常在這樣深的海底是沒有底棲生物生存的。4 海底天然氣水合物的生物判別標(biāo)志選擇培養(yǎng)與海底天然氣水合物形成密切相關(guān)的微生物, 是海底天然氣水合物現(xiàn)場分析調(diào)查的重要輔助手段之一。但是由于目前分離培養(yǎng)技術(shù)的限制, 加上對(duì)許多海洋細(xì)菌的營養(yǎng)要求、培養(yǎng)條件等知之甚少, 因此未能有效的對(duì)許多已知類群的海洋細(xì)菌進(jìn)行分離培養(yǎng), 導(dǎo)致應(yīng)用常規(guī)的分離培養(yǎng)方法無法全面反映海洋微生物的資源狀況27

20、, 即使是在普通環(huán)境中, 可培養(yǎng)的微生物也僅占微生物總種群數(shù)的0. 01%10%28, 而可培養(yǎng)的微生物所占比例則更少。而且對(duì)微生物進(jìn)行選擇培養(yǎng)時(shí)往往加入了濃度遠(yuǎn)高于自然狀況的營養(yǎng)物質(zhì), 其結(jié)果是在新的選擇壓力下群落結(jié)構(gòu)通常會(huì)發(fā)生變化, 適應(yīng)富營養(yǎng)條件的菌種成為優(yōu)勢種, 取代了自然條件下的優(yōu)勢種。近年來, 分子生物學(xué)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于微生物群落結(jié)構(gòu)分析, 且發(fā)展非常迅速。研究的焦點(diǎn)集中在具有保守序列的16S rDNA 上。研究方法包括分子雜交法29、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)法(PCR 30、克隆基因文庫分析法31, 以及采用基因指紋圖譜技術(shù)的單鏈構(gòu)象多態(tài)性法(SSCP 32、變性梯度凝膠電泳法(DGGE

21、 30、溫度梯度凝膠電泳法(T GGE 33、限性酶切片段長度多態(tài)性法(RFLP 34、限制性酶切末端98 3/片段長度多態(tài)性法(T -RFLP 35等, 具有很高的靈敏性, 與傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法或其它不依賴培養(yǎng)技術(shù)的方法相比顯示出明顯的優(yōu)越性, 推動(dòng)了微生物多樣性研究的快速發(fā)展。因此, 針對(duì)重點(diǎn)采樣區(qū)域, 通過微生物群落和多樣性分析, 研制出特定細(xì)菌的DNA 探針(DNA probe , 為人們?cè)诂F(xiàn)場通過特定的微生物群落特征及特定的細(xì)菌生物標(biāo)志(biomarker 來探測天然氣水合物的存在提供了極大的可能和非常有用的工具。參考文獻(xiàn):1 K venvolden K A. Gas hydrate a

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