甲烷危机，微生物“暗中作祟”，气候变暖的幕后推手

你可能听说过二氧化碳是导致全球变暖的主要元凶，但你知道有一种气体，其温室效应比二氧化碳强数十倍，而且正在以惊人的速度增加吗？它就是甲烷。

自工业革命以来，甲烷作为一种强效温室气体，其在大气中的浓度持续上升。2020年至2022年期间，甲烷浓度的增长速度创下了记录，成为全球气候变化研究的重要议题。

先前的研究表明，化石燃料生产造成了全球约 30% 的甲烷排放。但10月21日最新发表的最新的一项研究表明，罪魁祸首，竟然是那些微小的生物。

10月21日，由科罗拉多大学博尔德分校的研究人员及其合作者领导的一项研究，罪魁祸首，竟然是那些微小的生物，而不是化石燃料，导致了全球甲烷排放量近期激增。

利用美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 博尔德全球监测实验室每周或每两周从全球 22 个地点收到空气样本，研究人员分离空气中的不同成分（如二氧化碳或甲烷）进行分析，检查甲烷样本中所含碳原子或同位素的类型。例如，化石燃料产生的甲烷比空气中的甲烷含有更多的碳-13同位素，而微生物来源的甲烷含有的碳-13甚至更少。

科学家们观察到，在 21 世纪初经历了一段稳定期之后，自 2007 年以来，大气中的甲烷水平迅速上升。2020 年，NOAA 报告了自 1983 年开始收集数据以来甲烷的最高增长率，而这一记录在 2021 年再次被打破。与此同时，米歇尔注意到过去 17 年来碳 13 同位素的含量出现了惊人的下降。

科罗拉多大学博尔德分校的研究人员及其合作者研究发现，2020 年至 2022 年间，大气中甲烷的急剧增加几乎完全是由微生物引起的。自 2007 年以来，科学家就观察到微生物在甲烷排放中发挥着重要作用，但从 2020 年开始，它们的贡献率已飙升至 90% 以上。

目前尚不清楚微生物排放量的增加是来自湿地等自然来源，还是垃圾填埋场和农业等人类活动。

参考文献：Sylvia Englund Michel, Xin Lan, John Miller, Pieter Tans, J. Reid Clark, Hinrich Schaefer, Peter Sperlich, Gordon Brailsford, Shinji Morimoto, Heiko Moossen, Jianghanyang Li. Rapid shift in methane carbon isotopes suggests microbial emissions drove record high atmospheric methane growth in 2020–2022. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (44) DOI: 10.1073/pnas.2411212121

一、甲烷是如何产生的？有哪些主要来源？

甲烷是一种强效温室气体，其产生主要有自然和人为两种来源。

自然来源主要包括湿地中的微生物在厌氧条件下分解有机物，产生大量的甲烷。地下的天然气储藏层可能存在渗漏，导致甲烷直接释放到大气中。海洋中的微生物活动、海底沉积物分解以及水合物分解等都会产生甲烷。

人为来源主要包括牲畜的消化过程、水稻种植以及粪肥管理等都会产生甲烷。煤炭、石油和天然气的开采、运输和使用过程中都会释放甲烷。垃圾填埋场中的有机物分解会产生大量的甲烷。

在海洋环境中，海底沉积物中的有机物在厌氧条件下分解，也会产生甲烷。一些海洋微生物，如甲烷氧化菌，可以在特定条件下产生甲烷。海底水合物是一种固态的甲烷水合物，在温度和压力的变化下可能分解，释放出甲烷。深海热液喷口处的高温高压环境下，可能产生甲烷。

值得注意的是，海洋甲烷氧化菌的存在可以部分抵消海洋甲烷的排放，但其作用受到多种因素的影响。海洋甲烷排放的时空分布差异较大，受到海洋环境、气候变化等因素的影响。

总之，甲烷的产生是一个复杂的过程，涉及多种自然和人为因素。海洋是全球甲烷的重要来源之一，其甲烷排放机制和影响因素仍需深入研究。

二、为什么化石燃料产生的甲烷比空气中的甲烷含有更多的碳-13同位素，而微生物来源的甲烷含有的碳-13甚至更少？

碳同位素比（δ¹³C） 可以作为一种“指纹”，用来追踪甲烷的来源。不同来源的甲烷，由于其形成过程中的碳同位素分馏作用不同，导致其δ¹³C值存在差异。

为什么化石燃料产生的甲烷δ¹³C值较高？化石燃料是由古代生物经过长时间的地质作用形成的。在漫长的过程中，较轻的碳-12同位素更容易参与化学反应，而较重的碳-13同位素则更容易保留下来。因此，化石燃料中的碳-13含量相对较高。当化石燃料燃烧或分解时，产生的甲烷中碳-13的比例会相对较高，这是因为较重的碳-13原子在化学反应中更稳定，更不容易参与反应。

为什么微生物来源的甲烷δ¹³C值较低？微生物在产生甲烷的过程中，会优先利用较轻的碳-12同位素，导致产生的甲烷中碳-13含量较低。微生物利用的碳源不同，也会影响产生的甲烷的δ¹³C值。例如，利用大气CO₂作为碳源的微生物产生的甲烷δ¹³C值通常较低。

总的来说，不同来源的甲烷，其δ¹³C值存在显着差异，这是由于碳同位素分馏作用的结果。通过测量甲烷的δ¹³C值，我们可以推断甲烷的来源，从而更好地了解甲烷的排放源和大气甲烷的循环过程。

三、思考

微生物甲烷生成菌的活动是否存在地区性差异，这些差异是如何影响全球甲烷浓度的？

在全球变暖背景下，湿地和沼泽等微生物活跃区域的面积是否会继续增加，进而影响甲烷排放？

除了温度和降水量，其他气候因素（如大气压和风速）是否也会对微生物甲烷排放产生显著影响？

人类活动如湿地开发、农田灌溉等是否显著增加了微生物甲烷排放，有哪些有效的管理措施可以减轻这一影响？

海洋中的甲烷排放在全球甲烷平衡中扮演什么角色，与陆地甲烷排放相比有何不同？

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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