海洋科学学院宫尚桂等人在EPSL期刊发表最新研究成果：多硫同位素方法示踪甲烷厌氧氧化过程
发布时间：2022-09-30
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近日，上海海洋大学极端海洋沉积地球化学研究团队联合南京大学、麻省理工学院等单位合作者，在Nature Index刊物Earth and Planetary Science Letters发表了题为“Multiple sulfur isotope systematics of pyrite for tracing sulfate-driven anaerobic oxidation of methane”的研究论文。宫尚桂博士为论文的第一作者，彭永波教授和冯东教授为共同通讯作者。
越来越多的证据表明，甲烷的释放可能对全球环境气候的调节起到了关键作用，示踪甲烷的消耗过程是目前地球系统科学研究的热点之一。海洋环境，与甲烷厌氧氧化耦合的微生物硫酸盐还原作用（简称MSR）消耗了超过90%的由深部向海底释放的甲烷。MSR驱动的碳硫循环涉及海水硫酸根消耗、黄铁矿和有机质埋藏、甲烷通量等，调节了海洋的氧化还原状态和温室气体排放。微生物硫酸盐还原作用的两条途径：有机质驱动（OSR：2CH2O + SO42− → 2HCO3− + H2S）和甲烷驱动（SD-AOM：CH4 + SO42− → HCO3− + HS− + H2O），在化学计量上和反应速率等方面具有显著的差异。在富甲烷环境，微生物优先利用甲烷，且硫酸盐还原速率会高出正常海洋环境2~3个数量级。 因此，OSR和SD-AOM过程的示踪是定量评估MSR在海洋碳硫循环中的作用及其环境效应的重要前提。利用硫同位素探讨MSR过程已成为行之有效的重要手段之一。
2018年，Gong等发现甲烷“冒泡区”重晶石多硫同位素组成Δ33S vs. δ34S具有负相关关系，与前人报道的OSR主导环境中孔隙水硫酸根Δ33S vs. δ34S正相关关系截然不同，由此创建了多硫同位素识别高甲烷通量环境的新方法，该方法已用于解决重大科学问题，如地球上最古老的冷泉碳酸盐岩成因之谜（Peng et al., 2022）。相比甲烷“冒泡区”，海底低甲烷扩散型渗漏环境分布更加广泛，那么在扩散型甲烷渗漏环境中孔隙水硫酸根Δ33S vs. δ34S的关系又是如何呢，即多硫同位素是否可以示踪扩散性甲烷渗漏环境SD-AOM作用？根据甲烷渗漏环境孔隙水氧硫同位素组成特征（Gong et al, 2021），研究团队提出科学假说：MSR过程中多硫同位素分馏主要受电子类型的控制，在低甲烷通量环境中孔隙水硫酸根Δ33S和δ34S之间仍然为负相关关系。
为了检验这一假说，研究团队选取南海陆坡典型甲烷扩散型渗漏环境，分析了孔隙水硫酸根和黄铁矿多硫同位素组成，确定了扩散型渗漏环境孔隙水硫酸根Δ33S vs. δ34S负相关关系（图 1，红色箭头），验证了电子供体的类型对微生物硫酸盐还原过程中同位素分馏的关键性作用，即甲烷厌氧氧化过程微生物硫酸盐还原作用会产生特有的Δ33S vs. δ34S之间的负相关关系（Gong et al, 2022）。
然而，扩散性甲烷渗漏环境无法形成大量碳酸盐岩和重晶石，这使得孔隙水硫酸根多硫同位素信号难以保存在沉积记录中。考虑到黄铁矿在上述不同沉积环境中均普遍存在，研究团队进一步解析了这些沉积环境中黄铁矿多硫同位素的组成特征，发现扩散型甲烷渗漏环境中的黄铁矿相对正常海洋环境和甲烷“冒泡区”具有更大Δ33S - δ34S分布区间（图 2，非灰色 区域），由此建立了基于黄铁矿的多硫同位素示踪甲烷厌氧氧化过程的新方法。该研究系统阐述了多硫同位素示踪SD-AOM地质记录的适用性，为评估过去甲烷渗漏在地球表层系统中的作用提供了理论基础。
图1. 沉积物孔隙水硫酸根和自生黄铁矿多硫同位素组成。注：扩散性甲烷渗漏环境硫酸盐还原带由OSR带和甲烷硫酸盐转换带（SMTZ）组成。
图2. 海底扩散型甲烷渗漏环境黄铁矿多硫同位素组成特征。其中，灰色 区域为甲烷“冒泡区”和正常OSR主导的沉积环境黄铁矿多硫同位素组成。
研究得到了国家自然科学基金委，中国博士后科学基金和广东省基础与应用研究项目的联合资助。
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Peng, Y.B., Bao, H.M*., Jiang, G.Q., Crockford, P., Feng, D., Xiao, S.H., Kaufman, A.J., and Wang, J.S., 2022, A transient peak in marine sulfate after the 635-Ma snowball Earth. Proc. Natl. Acad. Sci. 119, 19, e2117341119.