Efficiency and adaptability of the benthic methane filter at Quepos Slide cold seeps, offshore of Costa Rica

哥斯達黎加近海Quepos滑塌冷泉區底棲甲烷過濾系統的效率與適應性

來源：Biogeosciences, 12, 6687–6706, 2015

 

摘要

摘要指出，在哥斯達黎加俯沖帶侵蝕性前弧區域，大量甲烷通過流體輸送至沉積物表面形成冷泉。Quepos Slide是一個由海底山俯沖引發的滑坡區域，該區域的底棲微生物通過厭氧氧化甲烷（AOM）過程高效消耗流體中的甲烷?，F場測量和數值模擬顯示，Quepos Slide的AOM速率范圍為12.9±6.0至45.2±11.5 mmol m?2 d?1，僅有1%至2.5%的甲烷釋放到水體中。此外，作者利用新型沉積物流通系統（SLOT）模擬流體和甲烷通量增加的情景，發現底棲甲烷過濾器在約170天內表現出高適應性，能夠快速響應流體流動變化。

研究目的

本研究旨在探究流體流動對Quepos Slide冷泉區甲烷消耗和排放的影響，評估底棲微生物甲烷過濾器的效率及其對流體動態變化的響應能力。

研究思路

研究采用多方法結合的策略：

 

現場調查：通過視頻引導的多管采樣器獲取沉積物巖心，分析孔隙水化學和微生物速率。

數值模擬：建立一維傳輸反應模型，模擬孔隙水剖面，估算流體流速和AOM速率。

 

室內實驗：使用SLOT系統模擬不同流體流速（低流速10.6 cm yr?1和高流速106.3 cm yr?1），監測硫酸鹽-甲烷過渡帶（SMTZ）的動態變化和甲烷氧化效率。

 

測量數據及研究意義（附圖表來源）

 

孔隙水化學參數：

 

硫酸鹽（SO?2?）和甲烷（CH?）濃度：用于確定SMTZ深度。例如，SO206-29站位的SMTZ位于17.5 cmbsf（圖1a），而SO206-31站位的SMTZ更淺（5-15 cmbsf）（圖2a）。這些數據揭示了流體流動對甲烷遷移路徑的控制作用。

硫化物（H?S）和總堿度（TA）：作為AOM和硫酸鹽還原的副產物，其峰值出現在SMTZ內（圖1d、圖2d），反映了微生物活動的強度。

 

 

數據來源：圖1（a, d）和圖2（a, d）展示了現場孔隙水剖面。

 

微生物速率：

 

AOM和硫酸鹽還原速率：通過放射性示蹤技術（1?CH?和3?SO?2?）測量。SO206-31站位的AOM峰值達1400 nmol cm?3 d?1（圖2c），表明該區域甲烷循環極為活躍。

 

數據來源：圖1（b, c）和圖2（b, c）顯示了微生物速率的垂直分布。

 

流體流速與甲烷通量：

 

數值模型估算的流體流速為5-29 cm yr?1（表2），而SLOT實驗通過溴化物（Br?）示蹤監測SMTZ遷移（圖3d、圖4a）。高流速條件下，SMTZ抬升至更淺深度（圖4g），證明流體流動是控制甲烷氧化效率的關鍵因素。

 

 

 

數據來源：表2總結了模型參數；圖3和圖4展示了SLOT實驗中硫酸鹽-溴化物過渡帶（SBTZ）的演化。

 

沉積物特性：

 

 

總有機碳（TOC）、總無機碳（TIC）和C/N比值（圖8、圖9）用于評估有機質降解對硫酸鹽還原的貢獻。高C/N比值（8.67-9.43）表明沉積物經歷顯著微生物降解。

 

結論

 

Quepos Slide的底棲甲烷過濾器極其高效，現場測量顯示90%以上的甲烷被AOM消耗。

SLOT實驗證明，微生物群落能快速適應流體流動變化：高流速條件下，SMTZ變窄但AOM速率升高，甲烷氧化效率在170天內恢復至99%。

 

突發性事件（如地震或天然氣水合物分解）可能導致甲烷通量短期增加，但已建立的甲烷氧化菌群可迅速響應，限制甲烷釋放。

 

Unisense電極測量數據的詳細解讀

論文中使用丹麥Unisense的硫化氫微電極（H?S-N型，尖端直徑0.8 mm）監測沉積物中硫化物的動態變化。這些數據的研究意義如下：

 

高分辨率監測：微電極提供了毫米級精度的硫化物濃度剖面（圖3b、e、h、k、n、q；圖4b、e、h、k、n、q），揭示了SMTZ內硫化物的生成與消耗過程。例如，在低流速核心（LFC）中，硫化物峰值達920 μmol L?1（圖3k），而在高流速核心（HFC）中峰值較低（<500 μmol L?1），表明流體流動抑制了硫化物的積累。

指示微生物活動：硫化物濃度變化直接反映AOM和硫酸鹽還原的強度。峰值出現于SMTZ內（如LFC中4.5-5.5 cmbsf處，圖3q），證實了該區域為微生物活躍帶。

揭示氧化機制：硫化物在沉積物-水界面處的降低（圖4q）可能源于化學合成細菌（如Beggiatoa）利用硝酸鹽氧化硫化物，這有助于理解冷泉生態系統的能量循環。

 

系統適應性評估：通過連續監測硫化物動態，作者發現微生物群落在流體變化后能快速調整硫化物生成速率，進一步驗證了底棲甲烷過濾器的適應性。

 

綜上，Unisense電極的數據不僅提供了關鍵的地球化學證據，還深化了對冷泉生態系統微生物響應機制的理解。