深海的“呼吸”，北海冷泉甲烷排放受潮汐和季节影响

潮汐涨落导致甲烷通量高低

甲烷是一种强效温室气体，会自然从北海海底逸出，受潮汐压力的影响。根据潮汐情况，海底甲烷排放量很容易是原来的三倍或三倍。NIOZ 海洋学家 Tim de Groot 发表了这一研究成果。De Groot 强调：“我们的研究表明，当你想知道有多少甲烷从海底逸出时，你永远不能依赖一次测量。”

甲烷 (CH 4 ) 是一种特别强的温室气体。在北海，这涉及海底 600 米深处的旧有机物层，这些有机物被细菌转化为甲烷。就像用棍子戳进泥泞的运河一样，当压力足够高时，甲烷也会从海底逸出。

在位于丹麦和苏格兰之间的 Dogger Bank 附近 40 米深处的一个冒泡甲烷源进行的测量表明，可能会出现相当大的变化。不仅夏季和冬季的甲烷排放量不同，而且涨潮和退潮似乎也有很大的影响，根据潮汐，排放量很容易高出或降低三倍。如果不考虑这种影响，你可能会高估或低估海底的甲烷排放量。

简而言之，这项研究主要研究了北海冷泉的活动以及甲烷氧化菌的效率如何受到潮汐和季节的影响。研究发现，潮汐和季节变化对冷泉的甲烷释放量以及水体中甲烷氧化菌的活性有着显著的影响。具体来说，低潮时冷泉的甲烷释放量较高，而甲烷氧化菌的活性在夏季较高。这项研究强调了潮汐和季节在控制海洋甲烷排放中的重要性。

参考文献：Tim R. de Groot, Malika Menoud, Judith van Bleijswijk, Sonja M. van Leeuwen, J. van der Molen, Victor Hernando-Morales, Helen Czerski, Hossein Maazallahi, Sylvia Walter, Darci Rush, Thomas Röckmann, Helge Niemann. Tidal and seasonal influence on cold seep activity and methanotroph efficiency in the North Sea. Communications Earth & Environment, 2024; 5 (1) DOI: 10.1038/s43247-024-01483-8

一、什么是冷泉？为什么冷泉会释放甲烷？

冷泉，听起来很奇怪，其实是一种海底的特殊地质现象。它不是像温泉那样冒出热气腾腾的水，而是从海底渗出低温高压的流体，这些流体中富含甲烷、硫化氢等气体。

为什么冷泉会释放甲烷呢？在海底的沉积物中，蕴藏着大量的有机物质。这些有机物质在缺氧的环境下，经过微生物的作用，会产生大量的甲烷。海底的地质构造活动，如断层、裂隙的形成，为甲烷提供了通道，使其能够从海底深处向上渗透。在一些海底火山活动频繁的区域，高温高压的热液会携带大量的甲烷向上涌升。

形象地说，冷泉就像是海底的“天然气喷泉”，不断地向海水中释放甲烷。

冷泉周围往往会形成独特的生态系统。一些特殊的生物，如巨型管虫、蛤类等，能够利用冷泉中的甲烷和硫化氢作为能量来源。甲烷是一种强效的温室气体，其温室效应是二氧化碳的数十倍。因此，冷泉的甲烷释放对全球气候变化有着重要的影响。

二、甲烷对气候有什么影响？

甲烷（CH₄）的温室效应比二氧化碳（CO₂）更强。 甲烷分子结构的特殊性使其对特定波长的红外辐射的吸收能力远高于二氧化碳。这意味着甲烷可以更有效地捕获地球释放的热量，从而加剧温室效应。虽然甲烷在大气中的存留时间比二氧化碳短得多，但其在较短的时间内对气候的影响更为显著。这是因为甲烷的温室效应潜力（GWP）在短期内要比二氧化碳高得多。

从时间维度，在20年的时间尺度上，甲烷的温室效应是二氧化碳的80多倍。这意味着，相同质量的甲烷在短期内对气候变暖的贡献要远大于二氧化碳。在100年的时间尺度上，甲烷的温室效应潜力有所下降，但仍然是二氧化碳的20多倍。

甲烷在大气中的寿命虽然比二氧化碳短，但其强烈的温室效应使得它对短期内的气候变暖起到了显著的推动作用。甲烷的增加会改变大气层的热量分布，进而影响全球的气候模式，如降水、极端天气事件等。

三、甲烷氧化菌是如何工作的？它们对海洋生态系统有什么作用？

甲烷氧化菌是一类能够以甲烷为唯一碳源和能源的微生物。它们通过一系列复杂的生化反应，将甲烷氧化为二氧化碳和水，从而获取能量。甲烷氧化菌的分为好氧甲烷氧化菌、厌氧甲烷氧化菌。好氧甲烷氧化菌需要氧气才能进行甲烷氧化。厌氧甲烷氧化菌在缺氧条件下，利用其他电子受体（如硝酸盐、硫酸盐）氧化甲烷。

甲烷氧化通过甲烷单加氧酶 (MMO)，这是甲烷氧化过程中的关键酶，它能将甲烷分子中的一个碳氢键氧化，生成甲醇。甲醇经过一系列氧化反应，最终被转化为二氧化碳。

甲烷氧化菌能够消耗海洋中产生的甲烷，从而减少甲烷向大气的排放，减缓全球变暖的速度。甲烷氧化菌将甲烷转化为二氧化碳，参与海洋碳循环的过程。甲烷氧化菌通过消耗甲烷，影响海洋微生物群落的组成和功能，从而维持海洋生态系统的平衡。甲烷氧化菌产生的有机物可以被其他海洋生物利用，促进初级生产。

特别是在冷泉生态系统中，甲烷氧化菌更是扮演着关键角色。 它们能够利用冷泉释放的大量甲烷作为能量来源，形成独特的微生物群落，并支撑起以它们为基础的复杂的生态系统。

影响甲烷氧化菌活性的因素有哪些呢？主要包括氧气浓度、营养物质、温度、盐度等。

• 氧气浓度： 好氧甲烷氧化菌对氧气浓度非常敏感。
• 营养物质： 氮源、磷源等营养物质是甲烷氧化菌生长所必需的。
• 温度： 温度会影响酶的活性，从而影响甲烷氧化速率。
• 盐度： 盐度会影响细胞膜的通透性，从而影响甲烷的吸收和利用。

甲烷氧化菌作为海洋生态系统中的重要成员，在调节气候、维持生态平衡等方面发挥着重要作用。

四、为什么潮汐和季节会影响冷泉的活动？

潮汐引起的海水水位变化，直接导致海底压力发生波动。当水位下降时，海底压力减小，有利于深部甲烷气体的释放，从而增加冷泉的活动强度。潮汐运动能加强海水的垂直混合，将深层的冷水和富含营养物质的水带到海面，同时也将氧气带入海底。这会影响海底微生物的活动，进而影响甲烷的氧化速率。潮汐产生的水流对海底沉积物有一定的扰动作用，可能加速海底沉积物中有机质的分解，从而增加甲烷的产生量。

不同季节的海水温度差异较大，温度变化会影响海水的密度和溶解氧含量，从而影响海底微生物的活动和甲烷的氧化速率。在高纬度地区，冬季海冰的覆盖会阻碍海水与大气的交换，影响海底的溶解氧含量，进而影响冷泉的活动。不同季节，海洋生物的活动强度不同。例如，夏季浮游生物大量繁殖，其呼吸作用会消耗大量的氧气，导致海底缺氧，从而影响甲烷的氧化。

潮汐和季节的影响并不是孤立的，而是相互作用的。例如，在夏季，海水温度较高，水体分层现象明显，这会减弱潮汐对深层海水的混合作用，从而影响冷泉的活动。需要注意的是，不同海域的冷泉对潮汐和季节的响应可能存在差异，这与当地海洋环境的具体特征有关。

五、这项研究的意义

Tim R. de Groot等人的这项研究，通过深入探讨潮汐和季节对北海冷泉活动及甲烷氧化菌效率的影响，为我们理解海洋生态系统、气候变化等方面提供了重要的科学依据。

冷泉是海洋甲烷排放的重要来源，这项研究揭示了潮汐和季节等环境因素对冷泉活动的影响，有助于我们更准确地评估海洋碳循环的过程，进而更好地预测未来气候变化。 甲烷氧化菌在调节大气甲烷浓度方面起着重要作用。这项研究通过研究甲烷氧化菌在不同环境条件下的活性，有助于我们深入了解这些微生物的生态功能，为开发新的生物修复技术提供理论基础。冷泉是独特的生态系统，其生物多样性丰富。这项研究有助于我们了解冷泉生态系统的脆弱性，为保护这些特殊的生态系统提供科学依据。

这项研究强调了潮汐等小尺度过程对冷泉活动这一大尺度过程的影响，启示我们未来的海洋研究应更加关注小尺度过程对整个海洋生态系统的影响。这项研究涉及海洋地质、生物学、化学等多个学科，表明多学科交叉研究对于深入理解海洋系统具有重要意义。 冷泉是极端环境，甲烷氧化菌是适应极端环境的微生物。研究这些微生物有助于我们发现新的酶、新的代谢途径，为生物技术的发展提供新的思路。

总之，这项研究为我们打开了一扇了解海洋的新窗口，为未来的海洋研究提供了广阔的前景。

六、思考

不同季节下甲烷氧化菌群落的组成和功能有何差异？ 除了物种组成变化，基因功能和代谢途径是否也随之改变？甲烷氧化菌与其他微生物的相互作用如何影响冷泉生态系统的稳定性？ 不同微生物之间的共生、竞争关系如何影响甲烷氧化速率？极端环境下甲烷氧化菌的适应机制是什么？ 冷泉环境温度、压力、盐度等条件变化剧烈，甲烷氧化菌如何适应这些极端条件？

甲烷从海底向海水的传输过程受哪些因素控制？ 除了潮汐和季节，海底地质结构、沉积物类型等因素是否也起重要作用？甲烷在海水中的氧化过程如何？ 除了甲烷氧化菌，其他微生物或非生物过程是否参与甲烷氧化？冷泉释放的甲烷对上覆水体和大气中温室气体浓度的影响有多大？

气候变化（如海温升高、海冰融化）如何影响冷泉活动和甲烷氧化菌的分布与功能？冷泉对气候变化的反馈机制是什么？ 冷泉甲烷排放的增加是否会进一步加速气候变暖？如何量化冷泉对全球气候变化的贡献？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

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