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使用碳同位素技術(shù)研究海洋微生物對(duì)甲烷的氧化速率

更新時(shí)間:2023-09-18      點(diǎn)擊次數(shù):692
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Part.01

摘要

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甲烷是一種重要的溫室氣體,其溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)率僅低于CO2和水汽。海洋是全球尺度上重要的碳庫(kù),水中微生物對(duì)甲烷的氧化作用是控制海洋溶解甲烷釋放到大氣中的重要手段。其氧化速率對(duì)全球碳循環(huán)、溫室氣體研究有重要意義。


Uhilig和Loose探索了使用穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)來(lái)量化北極海水樣品中甲烷氧化速率的方法。使用Picarro G2201-i光腔衰蕩光譜儀(CO2、CH4濃度及同位素分析儀)測(cè)定了多層鋁箔培養(yǎng)袋中頂空氣甲烷濃度和同位素比率。甲烷質(zhì)量平衡和穩(wěn)定同位素比值的變化是甲烷氧化過(guò)程相互獨(dú)立的制約因素。結(jié)果顯示基于兩種獨(dú)立因素計(jì)算的甲烷氧化速率趨勢(shì)一致。


Part.02

試驗(yàn)方法

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01

多層鋁箔氣體采樣袋

①氣袋1L容積,配有一個(gè)聚丙烯組合閥和隔墊。

②試驗(yàn)采集海水大概0.8L,頂空0.1L。




02

甲烷濃度和同位素比值的測(cè)量

①分析儀主機(jī)采用Picarro G2201-i搭配SSIM小樣品進(jìn)樣模塊;

②主機(jī)測(cè)量甲烷確保量程1.8~500ppm,如果濃度過(guò)高可使用稀釋模式;

③實(shí)際進(jìn)樣量0.02mL~10mL;

④氣體樣品導(dǎo)入SSIM模塊前進(jìn)行干燥除水。




03

數(shù)據(jù)校正

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①校正周期:一般24h,最長(zhǎng)間隔31h。

②標(biāo)氣d13C-CH4 范圍:-23.9‰ ~ -66.5‰。

③CH4濃度>1.8ppm時(shí),dCH4精度是0.62‰

CH4<1.8ppm時(shí) dCH4精度是1.8‰,見(jiàn)上圖C。




04

培養(yǎng)試驗(yàn)

①多層鋁箔樣袋原位采集~0.8L海水(無(wú)氣泡),打入0.1L零空氣,同時(shí)打入標(biāo)記的甲烷氣體(形成濃度梯度和同位素比值梯度)。

②0℃避光保存12天(不同試驗(yàn)處理)

③對(duì)照試驗(yàn)中加入NaOH溶液殺死微生物。

④采氣前需要靜置12h以上,使CH4在水-氣界面達(dá)到平衡;另外手動(dòng)搖晃樣袋2分鐘后采集頂空氣;

⑤定期采集頂空氣,測(cè)量甲烷濃度和同位素比值。

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圖 1

水中CH4濃度(c(CH4)water) (a, e), CH4總摩爾質(zhì)量的自然對(duì)數(shù)(ln(n(CH4)t) (b, f),同位素比率(d13CH4) (c, g),以及根據(jù)公式10 (d, h)在CH4峰值濃度為2003 (a - d)和103/33 (e - h)的條件下的y軸項(xiàng)。


Part.03

結(jié)論

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1. 穩(wěn)定同位素比值是甲烷氧化過(guò)程一個(gè)獨(dú)立的限制因素。

2. 同位素比值的變化和同位素分餾系數(shù)與微生物群落組成相關(guān)。

3. Picarro G2201-i分析儀在此次實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢(shì):結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便,可以在多種環(huán)境條件下布置和開(kāi)展試驗(yàn);G2201-i搭配SSIM模塊總功率300W,只需要一瓶零空氣即可開(kāi)始測(cè)試。

4. 氣密的多層鋁箔樣品袋提供了很大的便利。極地泄露率kox=0.001-0.995d-1;彈性氣袋可以自適應(yīng)內(nèi)外氣壓;采集0.8L海水,大體積樣品帶來(lái)穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果;可以使用1-10L容積。

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圖 2

由CH4濃度(ppm)測(cè)定的一級(jí)氧化常數(shù)(kox)與同位素比值(delta)的比較。

參考文獻(xiàn):

Christiane Uhlig and Brice Loose.  2017.  Using stable isotopes and gas concentrations for independent constraints on microbial methane oxidation at Arctic Ocean temperatures.  Limnol. Oceanogr.: Methods 00, 2017, 00–00. doi: 10.1002/lom3.10199

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