莺歌海近岸沉积环境中Fe-AOM的地球化学与地微生物学记录

Anaerobic methane oxidation coupled with iron reduction (Fe-AOM) is the new breakthrough in the studies of methane cycle, but the evidence for its universal exsit in the marine sedimentary environment and explaination for its occcurance mechanism are still lacking.The cold seeps, that have abundant terrigenous iron input and high methane flux, on the seafloor nearshore Lingtou promontory, Yinggehai, is an ideal place for this research. Therefore, this proposal intends to consider the sediment columns in the cold seeps area as the study object, and carry out the following three research aspects:1.Using the geochemical methods to reveal the change regularity in response to Fe-AOM occurred in situ sedimentary environments; 2. Using microbiological methods to study the vertical changes of microbial community structure, and focusing on the spatial relationship between AOM and iron, sulfur reducing microbial metabolism, and to track the microbiological evidences for the presence of Fe-AOM in this sediment column; 3. Constructing in situ micro-cosmic environment, to calculate the rate of iron reduction and AOM, and evaluate its internal occurrence mechanism. This research can not only provide the important basis for the hypothesis that the existence of Fe-AOM in marine environment, but also has important significance for further understanding the methen geochemical cycle in the marine sedimentary environments.

与铁还原偶联的甲烷厌氧氧化作用(简称Fe-AOM)的发现是当前甲烷循环研究的最新突破，但目前尚缺少证据支撑它在海洋沉积环境中普遍存在的理论假设，更无研究详细阐释其运行机制。莺歌海岭头岬近岸冷泉渗漏区具有丰富的陆源高价铁输入和较高的甲烷释放通量，是Fe-AOM研究的理想场所。本项目拟以该区沉积物柱为对象，展开如下工作：1.利用地球化学手段来追踪Fe-AOM在原位孔隙水中的地球化学信息记录；2.利用地微生物学方法，研究原位沉积环境中的微生物群落结构纵向演替规律，并聚焦甲烷厌氧氧化与铁、硫还原代谢微生物的空间共生关系，为Fe-AOM提供分子证据；3.以原位沉积物开展模拟实验，人工添加铁氧化物和同位素标记甲烷，刺激Fe-AOM活跃，推算Fe-AOM的发生机理。开展此课题将为海洋环境中普遍存在Fe-AOM的假说提供新证据，对进一步理解海洋沉积物中甲烷的生物地球化学循环具有重要的科学意义。

海底冷泉系统在全球汇聚和离散大陆边缘广泛分布，每年通过冷泉所释放的甲烷通量约为0.4~12.2Tg。对于冷泉系统中甲烷的迁移转化规律进行研究，对全球环境变化和气候变暖机制等重要科学问题，均有重要的意义。 本课题以南海、冲绳海槽的冷泉沉积物及冷泉碳酸岩进行了铁还原介导的甲烷厌氧氧化研究，获得了一定的进展。我们在南海冷泉活动区的沉积物中发现，间隙水DIC和DOC的碳稳定同位素随深度的增加是与二价铁离子的产生呈正相关性，这表明铁还原介导的甲烷厌氧氧化在该区域的确有可能发生。同时，地质微生物学证据在沉积物柱体中找到了一定比例的甲烷厌氧氧化古菌和铁还原微生物的共存。. 冷泉碳酸岩是海底冷泉活动和甲烷释放的重要地质记录，它保藏了冷泉甲烷流体在海底沉积物中迁移转化的重要信息。课题组对采集自冲绳海槽的冷泉碳酸岩进行了地球化学和古分子DNA分析，找到了Fe-AOM在冷泉碳酸岩中存在的证据。数据结果表明，该区域暴露于海底沉积物界面上的冷泉碳酸岩普遍存在着富铁贫硫的特征，矿物组合中的自生矿物以白云石、高镁方解石和菱铁矿为主，含有一定比例的低镁方解石和文石，这一组合特征也指出了这些冷泉碳酸岩形成于低硫酸盐且有亚铁供应的成岩环境。古分子DNA显示，古菌群落结构中ANME含量较低，但MCG和MGGB含量非常高，细菌群落结构中找到大量的潜在的金属还原细菌，而能够进行硫酸盐还原菌含量较低。同时基因芯片数据发现了硫酸盐还原功能基因丰度与碳酸岩矿物（白云石vs方解石比值）具有相关性。该文已经发表于国际地学顶级期刊GCA上。