海洋微生物在海洋甲烷水合物形成中的作用

在海洋深水区域广泛存在的甲烷水合物，是某些低相对分子质量的气体和挥发性液体（其中主要成分为甲烷），在低温（0℃～10℃）和高压（＞10MPa）条件下与水分子形成的类笼形结构的冰状晶体。对于甲烷水合物的甲烷气体来源，国内外学者普遍认为可以分为有机成因气和无机成因气两种来源，有机成因气包括生物成因气、热解成因气以及混合成因气。现有研究表明，生物成因是目前已发现的甲烷水合物最主要的形成原因。生物成因气是指有机质在微生物的生物化学作用下转化形成的气体。目前已经在世界多个地区发现了海洋甲烷水合物，甲烷水合物主要分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，其中又以深海沉积物中分布最广。

海洋微生物在海洋甲烷水合物形成中的作用主要体现在以下几个方面：

1.甲烷水合物形成过程中微生物的贡献

从有机质的分解到生物甲烷的生成是不同微生物群共同作用的结果。甲烷菌（Methanogens）作用于厌氧微生物分解有机质的最后环节，它依赖于其他微生物将复杂的沉积有机质转变为简单化合物。甲烷菌的代谢产物都是甲烷，但其所利用的基质范围很窄，有氢、二氧化碳、甲醇、甲酸、乙酸和甲胺等。生成甲烷的途径主要有两种，一种为二氧化碳还原作用，另一种为发酵作用。大多数甲烷菌都具有还原二氧化碳生成甲烷的能力。少数甲烷菌将一些营养基的羧酸分解成甲烷，其中最常见的为乙酸。在发酵过程中，羧酸上的甲基被转化为甲烷，羧基则先被转化为二氧化碳，而后又被转化为甲烷。

对现代海相沉积物的观察认为，活跃的甲烷生成作用并不都发生在富含有机质的沉积物中，总有机碳含量为0.5%～1%的沉积物足以支持显著的甲烷生成活动。尽管甲烷的分布较广，但只有在埋藏较深并有相应的圈闭和封盖条件下，或有形成甲烷水合物的条件下，生成的甲烷才能保存。海洋的环境为甲烷水合物的形成和甲烷的形成提供了条件。碳同位素法分析世界各地海洋甲烷水合物中的甲烷，结果表明：甲烷水合物中的甲烷多具有微生物成因的分子和碳同位素组成特征。

2.影响生物气生成的因素

生物气是否能够提供形成甲烷水合物的充足气源？控制生物气生成的根本因素是细菌可以利用的营养源（有机质）和细菌生存与繁衍并维持较高活性的环境地质条件，这主要表现在以下几个方面：

（1）环境的氧化还原程度：研究表明，自然沉积环境中电子受体被微生物优先利用的次序是氧、硝酸根、硫酸根和二氧化碳。因此，沉积初期好氧微生物起着分解有机物的主要作用，随着沉积环境中氧气逐渐被耗尽，厌氧微生物菌群逐渐活跃，并最终成为沉积环境中有机物的主要分解菌，同时氧化还原电位逐步降低。其中产甲烷菌是专性厌氧微生物，生长在最强的还原环境中（氧化还原电位＜－200mV）。在自然界中，产甲烷菌需待所有的氧、硝酸盐和大部分硫酸盐被还原掉之后才能繁殖，因此是否处于还原环境成为能否形成生物气的决定性因素之一。

（2）温度：生物气的生成上限温度为80℃～85℃，主产气带温度为25℃～65℃，这与产甲烷菌对温度适应性基本一致。产甲烷菌的活性与温度关系密切，因此在某个温度段其活性强、数量多，而超出这个温度范围其活性就大大减弱，在其他条件具备的情况下，产生的生物气量恰恰与产甲烷菌的数量呈正比关系。由于温度对细菌的活性有明显的影响，而随着沉积物埋深的增加，温度也随之升高，细菌活性增强。然而，最新的研究发现，产甲烷菌对温度的适应性极强，从接近冰点的南极湖泊到深海热气孔中都有存在。也就是说，微生物成因甲烷并非仅仅局限在一个很窄的温度范围。地表的低温既能抑制甲烷的生成，又可使甲烷在永久冻土带成为水合物，阻止甲烷散佚，成为良好的盖层，从而形成生物气藏和生物甲烷水合物矿藏。

（3）pH：产甲烷菌的代谢受水介质的pH制约，最适宜的pH为6.4～7.5。pH低于6或高于8，产甲烷菌生长和甲烷的产率都会受到明显影响，甚至会出现产甲烷菌中毒。在一些沉积环境中，底层水pH高，可在一定程度上抑制表层沉积物中产甲烷菌的繁殖。当沉积物埋藏到一定深度时，有机质分解形成一些有机酸，使pH降低，从而使沉积物孔隙中的碳酸盐向二氧化碳转化，产甲烷菌才开始大量繁殖。由此可见，pH与温度具有相似的作用：浅表层抑制，在适宜的深度激活微生物的生长。

（4）孔隙空间：微生物的活动需要一定的空间，微生物的大小平均为1～10μm，页岩的孔隙空间平均为1～3nm，这说明微生物不能生存于致密的页岩中。因此，细粒的泥质沉积在其被压缩到一定程度时就可抑制微生物的生长。

（5）有机质类型：由于甲烷菌并不直接分解有机质，其主要是利用发酵菌和硫酸盐还原菌分解有机质而产生的二氧化碳和乙酸等作为碳源，进行生物化学作用而产生甲烷气。在厌氧环境中二氧化碳和乙酸主要来自含氧高的碳水化合物和蛋白质。而在浅层生物化学作用阶段，碳水化合物的消耗速度大于蛋白质，木质素在厌氧条件下不易分解，脂类也较稳定。因此，陆源沉积物中纤维素、半纤维素、糖类、淀粉及果胶等有机化合物以及海相沉积物中的蛋白质，都是甲烷菌重要的碳源。最近也有观点认为，在深海环境海底硫酸盐亏损带，产甲烷菌合成甲烷的碳源很可能来自于海底火山喷发带来的大量二氧化碳，但目前尚缺乏实验证据。