冷泉碳酸鹽巖中微生物aom的生物標志

冷泉碳酸鹽巖中微生物aom的生物標志

冷泉碳酸鹽巖是大陸邊緣斜坡冷泉泄漏系統(tǒng)的顯著特征之一。當沉積物沿著斷層和裂縫到達沉積物的頂部時，它們將被判氧氣氧化，并隨著硫酸鹽的還原過程中產(chǎn)生。這一過程被稱為ao丙酸酯，簡稱ao[7.9]。這種反應是由特定的微生物參與的。也就是說，在氧化古細菌和硫酸鹽還原菌的共同作用下，發(fā)生了甲烷和硫酸鹽的體積。反應是由hs-和hco3引起的。反應方法為ch4。so42-hs-和hco3-h。這種細菌的參與過程產(chǎn)生了特殊的生物特征。與此同時，周圍的堿含量增加，與水中的鈣、鎂和離子結合形成硅酸鹽沉淀，即ca2。作為該過程中丙酸鈉氧化物的產(chǎn)物，它保存了這些自生物群落的分子信息。生物標志化合物是記載了原始生物母質的特殊分子結構信息的有機化合物,結合碳同位素的分析能夠定義出主導的微生物群落和碳的固定路徑[13~15].AOM生物群落的存在可以用分子技術方法來判定,比如16SrDNA基因序列、熒光原位雜交法和脂類生物標志化合物分析.與海水溶解無機碳相比,甲烷來源的AOM生物標志化合物具有極低的δ13C值,一般低于-50‰,最輕的可低于-130‰.因此,生物標志化合物及其強烈虧損的碳同位素特征可以用來示蹤現(xiàn)代和古代冷泉環(huán)境中的AOM生物群落.一般來說,細菌膜由磷脂組成,包含了含酯鍵的脂肪酸和甘油結構.雖然真核細胞也能合成脂肪酸,但與細菌膜中的脂肪酸大不相同.在現(xiàn)代天然氣滲漏和水合物發(fā)育區(qū),細菌膜中的脂肪酸含有雙鍵、甲基鏈和環(huán)丙烷結構.古細菌膜由異戊二烯醇類和甘油四醚組成.自20世紀90年代開始,我國在南海北部開展了天然氣水合物調(diào)查研究,并于2007年4月首次在南海神狐海域成功取得天然氣水合物實物樣品.近年來,國內(nèi)的研究主要集中在地球物理和地球化學異常的識別上[21~26],有關沉積物中AOM過程的發(fā)育卻鮮有報道.南海東沙東北部冷泉碳酸鹽巖和泥質沉積物中豐富的生物標志化合物及其碳同位素組成表明南海北部AOM過程的發(fā)育.2004年,廣州海洋地質調(diào)查局在南海北部神狐海區(qū)拖網(wǎng)獲取大量的碳酸鹽巖煙囪,這些煙囪的發(fā)現(xiàn)為研究該海區(qū)海底滲漏體系和流體活動以及形成環(huán)境等提供了信息.本文報道了神狐海區(qū)冷泉碳酸鹽巖的生物標志化合物組成及其碳同位素特征,探究了這些化合物與甲烷缺氧氧化古細菌和硫酸鹽還原細菌的關系,揭示了它們對AOM過程的指示意義,分析碳的來源并探討了神狐海區(qū)冷泉碳酸鹽煙囪與天然氣水合物的可能關系.1南海冷泉碳酸鹽巖南海是西太平洋最大的邊緣海之一,位于亞歐板塊、太平洋板塊和印度洋板塊的交匯處.受三大板塊的相互作用,南海具有獨特的邊界構造特征.其中北部離散陸緣發(fā)生一系列的擴張剪切和沉降作用,形成大中型新生代沉積盆地,為有機質的富集提供場所,同時也形成各類裂隙,為海底噴流提供通道.近年來,對我國南海北部陸坡區(qū)開展的天然氣水合物探測表明,南海西沙海槽、神狐海區(qū)和東沙附近海域均有冷泉碳酸鹽巖產(chǎn)出[29~36].對南海的冷泉碳酸鹽巖樣品的碳同位素組成分析表明,它們與墨西哥灣典型天然氣水合物富集區(qū)冷泉碳酸鹽巖的特征完全一致,具有特別負的δ13CV-PDB值,表明其形成環(huán)境與甲烷冷泉系統(tǒng)直接相關.因此,這些海區(qū)海底很可能發(fā)育有淺埋藏的天然氣水合物,是南海開展天然氣水合物勘查的重要靶區(qū).神狐海域位于南海北部陸坡中段神狐暗沙東南海域附近,即西沙海槽與東沙群島之間(圖1).區(qū)內(nèi)水深300~3500m,是南海北部陸坡和中央海盆的過渡帶.該區(qū)自中中新世以來處于構造沉降階段,海底地形起伏較大,滑塌體以及斷層-褶皺體系非常發(fā)育.神狐海區(qū)沉積物中有機碳含量較高,為0.44%~1.75%.該區(qū)熱流和低溫梯度處于中-低范圍,流體相對活躍,有利于天然氣水合物的發(fā)育.2007年4月在該區(qū)海底以下153~225m成功取得天然氣水合物樣品.本文分析的一個樣品來自2004年廣州海洋地質調(diào)查局在這個區(qū)域拖網(wǎng)獲得的煙囪狀碳酸鹽巖,顏色為灰色和灰綠色,致密堅硬,未見明顯的孔洞.煙囪長約11cm,直徑6cm(圖2),分為內(nèi)外2層,明顯可見2層的分界線.煙囪表面附著有大量肉眼可見的有孔蟲.碳酸鹽煙囪主要以鐵白云石、文石、高鎂方解石等碳酸鹽礦物為主,具有極輕的碳同位素和較重的氧同位素組成.2-[2-甲基-2-酰甲基雙環(huán)[3.2.2]化合物(ⅰ)樣品前處理.樣品的前期化學處理包括制備、脫鈣、皂化和生物標志化合物的萃取.將樣品碎成小塊,用10%HCl和丙酮重復清洗.加入二次蒸餾水,并緩慢倒入10%HCl使樣品脫鈣直至大約80%的碳酸鹽溶解,以避免低pH下的酯交換反應.將未溶解的樣品碎塊除去,余下的殘渣離心,倒掉溶液保留沉積物.加入含6%KOH的甲醇使沉積物皂化.將上層清液轉移到分液漏斗,在余下沉積物中加入已知濃度和碳同位素組成的內(nèi)標,再用二氯甲/甲醇(體積比為3:1)經(jīng)微波萃取儀多次萃取直至溶液無色用10%HCl調(diào)節(jié)混合上層清液pH為2,靜置分離.萃取得到的有機質用無水硫酸鈉干燥,然后經(jīng)柱層析(SupelcoLC-NH2)得到4個極性增加的組分:(1)烴類(4mL正己烷萃取),(2)酮類/脂類(6mL正己烷/二氯甲烷3:1萃取),(3)醇類(7mL二氯甲烷/丙酮91萃取)和(4)羧酸(8mL含2%甲酸的二氯甲烷萃取)其中醇類是以trimethylsilylesters(三甲基硅酯)衍生物(簡稱TMS衍生物)或醋酸鹽的形式被檢測,羧酸則轉化為甲基酯分析.(ⅱ)生物標志化合物色譜-質譜(GC-MS)分析所有的組分用氣相色譜-質譜聯(lián)用(GC-MS)分析,分析儀為ThermoElectronTraceGC-MS,色譜柱:30mRTX-5MS,0.32mm(內(nèi)徑)×0.25μm(膜厚).載氣為氦氣.GC升溫程序如下:初始溫度60℃(恒溫1min)60~150℃,10℃/min;150~320℃,4℃/min(恒溫22min).對于(3)和(4)組分,還有一個擴展的升溫程序:初始溫度60℃(恒溫1min),60~150℃,15℃/min;150~330℃,4℃/min(恒溫60min).單體的鑒定是基于質譜和GC保留時間與已發(fā)表數(shù)據(jù)的比對.(ⅲ)色譜-同位素質譜分析.單體的碳同位素采用HewlettPackard5890GC經(jīng)ThermoElectronTraceGCcombustion與FinniganMAT252同位素質譜分析儀連接在線分析.GC分析條件與上述一致.碳同位素結果用δ13C(相對于V-PDB標準).標準偏差<0.4‰.以上實驗均在德國不萊梅大學MARUM海洋環(huán)境科學研究中心完成.3結果與討論3.1aom的出現(xiàn)和存在環(huán)境Niemann和Elvert總結了由微生物群落參與的AOM過程的生物標志化合物及其碳同位素特征.與AOM相關的生物標志化合物有2類:甲烷缺氧氧化古細菌相關生物標志化合物(archaealbiomarkers)和硫酸鹽還原細菌相關生物標志化合物(bacterialbiomarkers).甲烷缺氧氧化古細菌相關生物標志化合物主要包括:(1)尾尾相連接的無環(huán)C20和C25類異戊二烯,如2,6,11,15-四甲基十六烷(C20Crocetane)和2,6,10,15,19-五甲基二十碳烷(C25PMI);(2)醚類異戊二烯,如古細菌醇(archaeol,簡稱Ar)和sn2-/sn3-/雙-羥基古細菌醇(sn2-/sn3-/di-hydroxyarchaeol).在AOM環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了與13C虧損的甲烷缺氧氧化古細菌相關生物標志化合物共存的硫酸鹽還原細菌相關生物標志化合物,這些細菌來源的生物標志化合物同樣虧損13C.這些強烈的13C虧損表明甲烷來源碳的加入[41~44].硫酸鹽還原細菌相關生物標志化合物的典型代表有脂肪酸和烷基甘油醚.單烷基甘油醚主要指非類異戊二烯結構的烷基甘油醚(nonisoprenoidalmonoalkylglycerolethers,簡稱MAGEs)和非類異戊二烯結構的二烷基甘油醚(non-isoprenoidaldialkylglycerolethers,簡稱DAGEs).這些生物標志化合物被作為判定發(fā)生AOM的標志.在神狐海區(qū)冷泉碳酸鹽煙囪中,由于有機質含量較低,并未發(fā)現(xiàn)明顯的烴類和脂肪酸組分.在醇類組分中發(fā)現(xiàn)了3種與AOM相關的生物標志化合物(圖3):Ar,DAGE1f和單環(huán)二植基甘油二醚,簡稱單環(huán)MDGD(monocyclicmacrocyclicdiphytanylglycerodiether).這些生物標志化合物都有各自的鑒定特征和生源意義.Ar,含雙植烷鏈的甘油醚(圖4),分子量652.在檢測時以TMS衍生物的形式存在,其分子量為724特征離子碎片為m/z=M-CnH2n+1OH,m/z=M-CnH2n+1OCH3和m/z=CnH2n+1O+Si(CH3)3-H.Ar來源較為豐富,在古細菌中最為常見,特別是嗜鹽菌、嗜熱菌和產(chǎn)甲烷菌.Ar普遍存在于與天然氣水合物有關的冷泉體系厭氧沉積物、年輕的甲烷滲漏體系和富甲烷的泥火山中.在AOM環(huán)境中,由于甲烷來源碳的加入導致Ar具有很輕的δ13C值,幾乎所有的甲烷缺氧氧化古細菌群落中都發(fā)現(xiàn)了13C虧損Ar的存在,且δ13C值在-120‰~-61‰之間變化.神狐海區(qū)的碳酸鹽煙囪中也存在13C強烈虧損的Ar,表明該區(qū)AOM過程的存在,微生物群落在生命代謝過程中攝取了來自甲烷的碳,導致甲烷缺氧氧化古細菌相關生物標志化合物具有很低的δ13C值.DAGE1f,非類異戊二烯結構的二烷基甘油醚結構式如圖4.sn-1和sn-2位均為反異構C15烷基鏈.分子量584,特征離子碎片為m/z130,其他典型的離子碎片有m/z133,342和356.其特定來源尚不能完全確定,很多人將該化合物歸結于細菌來源,特別是硫酸鹽還原細菌.因為DAGEs只存在于嗜熱細菌中,如Thermodesulfobacteriumcommune和Thermodesulfobacteriumhveragerdense.嗜熱硫酸鹽還原細菌含有支鏈為C16-C18的反異構、異構和正烷基鏈的二醚,其中最為常見的是含有2個C17反異構烷基鏈,與DAGD1f的結構非常相似.地中海泥火山冷泉碳酸鹽結殼中發(fā)現(xiàn)的DAGE1f的δ13C值在-99.6‰~-71.2‰之間,明顯低于正常的海洋生物標志化合物,說明微生物利用的碳源至少部分來自貧13C的甲烷.跟甲烷缺氧氧化古細菌來源的Ar相比,DAGE1f更富13C,這是受到了甲烷碳源的影響,甲烷可能不是直接被利用.一種可能性是其他異養(yǎng)生物在碳酸鹽結殼沉積環(huán)境中利用了硫酸鹽或者其他氧化劑,另一個解釋是細菌利用溶解無機碳(dissolvedinorganiccarbon,簡稱DIC),但大部分的DIC來源于甲烷氧化.在結殼沉積過程中,DIC的濃度遠高于周圍海水并可作為碳源.DAGE1f同樣存在于神狐的碳酸鹽煙囪中,由于含量較低,目前只能確定這一種DAGE.除了以上2種眾所周知的甲烷缺氧氧化古細菌相關生物標志化合物和硫酸鹽還原細菌相關生物標志化合物,我們還發(fā)現(xiàn)了1種罕見的非類異戊二烯結構的甲烷缺氧氧化古細菌相關生物標志化合物:單環(huán)MDGD(單環(huán)二植基甘油二醚,圖4).特征碎片離子為m/z145,即C3H4O2Si(CH3)3.其他典型的離子碎片有m/z43,57,90,103,130,131和132.古細菌的核膜脂中含有環(huán)戊烷環(huán)和環(huán)己烷環(huán).碎片離子為m/z165的存在表明了環(huán)戊烷環(huán)在雙植烷鏈上的存在和位置(圖4).由于古細菌的甲烷厭氧氧化導致碳同位素極虧損,該化合物可能來源于甲烷古細菌,因為這些甲烷古細菌能夠生物合成結構上近似GDGTs的化合物,即含有1個或2個環(huán)戊烷環(huán)的雙植烷鏈.該化合物的分子結構結合了2個不同古細菌群體的特征.嗜熱產(chǎn)甲烷細菌Methanococcusjannaschii是唯一已知含環(huán)醚的古細菌.另一方面,含環(huán)戊烷的GDGTs在嗜熱泉古細菌(crenarchaeota)、嗜熱廣古細菌(euryarchaeota)、海洋嗜溫泉古細菌(crenarchaeota)和與AOM相關的嗜溫廣古細菌(euryarchaeota)中普遍存在.目前僅在布萊克海東北部Sorokin海槽泥火山的甲烷來源碳酸鹽結殼和意大利北部中新世的Marmorito灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)了這種化合物,它們都具有非常輕的碳同位素組成(-104‰和-105‰),表明該化合物并不局限于嗜熱甲烷菌,也參與了廣古細菌的AOM過程.我們的樣品中檢測到的單環(huán)MDGD表明他們可能與AOM過程有關,但是尚不確定這類化合物是否由甲烷古細菌或者其他未知的滲漏體系古細菌合成,因為它們也可能代表了來自GDGTs的成巖產(chǎn)物.3.2冷泉碳酸鹽巖中aom生物標志化合物的組成冷泉碳酸鹽巖的碳有三大來源:(1)甲烷來源,包括生物甲烷(δ13C<-65‰)和熱裂解來源(δ13C:-30‰~-50‰);(2)沉積有機碳(δ13C=-20‰);(3)海水碳(0).神狐海區(qū)冷泉碳酸鹽巖的δ13C在-40.18‰~-38.69‰之間,表明碳的甲烷來源.該區(qū)甲烷氣體的垂直通量小,表明形成天然氣水合物的甲烷氣體很可能是生物成因.神狐海區(qū)冷泉碳酸鹽巖中發(fā)現(xiàn)的與AOM過程相關的生物標志化合物具有極輕的碳同位素組成(-115‰~-104‰,圖3),明顯低于一般海相沉積物中脂類的δ13C值(-25‰),與國外典型冷泉體系的結果接近,充分表明微生物群落在生命代謝過程中攝取了來自甲烷的碳,同時也說明該區(qū)域天然氣滲漏活動的存在.其中Ar的δ13C為-115‰,在世界各地甲烷冷泉碳酸鹽巖的碳同位素變化范圍之內(nèi)(-116‰~-88‰),表明其來源于甲烷缺氧氧化古細菌.DAGE1f的δ13C值為-104‰,遠低于地中海泥火山冷泉碳酸鹽結殼中的碳同位素組成(-99.6‰~-71.2‰),說明沒有受到富13C碳源的影響.與Ar的值接近,說明這些化合物具有相同的碳源,即微生物將甲烷作為合成脂類的碳源.因此我們認為DAGE1f是硫酸鹽還原細菌的產(chǎn)物.由于神狐海區(qū)沉積物中的氣體絕大部分是甲烷(96.10%~99.82%),這些AOM生物標志化合物的碳同位素組成充分證明了其甲烷來源,并進一步確定了甲烷的生物成因,驗證了吳能友等人的推斷.與南海東沙海區(qū)對比可見(圖5),兩個海區(qū)冷泉碳酸鹽巖中AOM生物標志化合物的組成各有異同.盡管神狐海區(qū)種類較少且均為醇類化合物,但包含了與甲烷缺氧氧化古細菌和硫酸鹽還原細菌相關這兩大類生物標志化合物.東沙海區(qū)中發(fā)現(xiàn)的烴類(crocetane,PMI和squalane)和醚類異戊二烯(archaeol和hydroxyarchaeol),都屬于典型的甲烷缺氧氧化古細菌相關生物標志化合物.此外最新發(fā)現(xiàn)的強烈虧損13C的植烷二元酸也被認為很可能來自于某種嗜甲烷古細菌.因此,雖然兩個海區(qū)都存在AOM過程,但參與此反應的微生物群落有所差別.神狐海區(qū)中甲烷缺氧氧化古細菌和硫酸鹽還原細菌都參與了AOM,而東沙海區(qū)目前只發(fā)現(xiàn)了甲烷缺氧氧化古細菌活動的痕跡.在碳同位素組成上,東沙海區(qū)的δ13C值變化范圍較大(-137‰~-74.2‰),表明這些生物標志化合物并不只來自于缺氧嗜甲烷菌,也可能包含了其他的產(chǎn)甲烷菌.神狐海區(qū)AOM生物標志化合物的碳同位素值基本一致且均小于-100‰,我們認為它們僅來自于缺氧的嗜甲烷菌以及硫酸鹽還原細菌.3.3神養(yǎng)殖的火炬氣來源及其生物成因南海北部東沙東北部冷泉碳酸鹽巖含有豐富的強烈虧損13C的AOM標志化合物,表明這些碳酸鹽巖形成于AOM過程,該區(qū)曾發(fā)生過強烈持續(xù)的富甲烷流體釋放活