胶州湾水体两种生源活性气体甲烷和二甲基硫的氧化速率研究

研究海洋中生源活性气体的氧化速率是海洋化学新兴的研究方向。甲烷和二甲基硫是海洋中含碳和含硫的有机生源活性气体的典型代表，也是导致全球气候变化的两种重要生源活性气体，目前对它们的氧化速率研究尚处于起步阶段。本项目以这两种气体为研究对象，建立和完善利用稳定同位素C-13和S-34标记的甲烷和二甲基硫测定海水中这两种气体氧化速率的方法和体系；测定这两种气体在胶州湾水体的氧化速率；掌握它们的氧化速率在胶州湾的时空变化规律与特征；总结这两种气体氧化速率变化对它们的分布与通量等的影响。在此基础上，了解影响这两种气体氧化速率的物理、化学和生物因素；揭示这两种气体在胶州湾海域的化学与生物动力学过程。本项目作为海洋化学的一个新的研究方向，为进一步了解海洋中的碳循环和硫循环过程提供了新的方法和视角，对海洋化学、海洋环境化学、海洋生物地球化学以及微生物生态学研究都有十分重要的意义。

本项目是在本人前期对甲烷在海水中的生物地球化学循环的大量研究的基础上进行的。本项目以胶州湾海水中甲烷的氧化速率为核心研究内容，通过野外考察、实验室培养和实验室模拟，从多方面研究了甲烷在胶州湾的生物地球化学循环过程，初步掌握了控制甲烷在胶州湾海水中氧化的物理、化学、生物因素。同时开展了二甲基硫在海水的氧化速率的初步研究。本项目系首次系统研究一个受人类活动影响较大的海域的甲烷的生物和化学动力学过程。研究结果表明，胶州湾表、底层海水中溶解甲烷分布规律相似，均呈现东部高西部低、近岸高远岸低的趋势；在胶州湾的不同站位，存在甲烷的净消耗和净产生。本课题首次测定了胶州湾海水甲烷的氧化速率，结果表明胶州湾表层水和底层水中甲烷的氧化速率的变化范围分别为3.7~255.5 nmol﹒L-1﹒d-1和38.2~227.1 nmol﹒L-1﹒d-1，平均值分别为(104.7±89.7) nmol﹒L-1﹒d-1和(148.9±76.2) nmol﹒L-1﹒d-1。在胶州湾两岸，甲烷的氧化速率水平分布趋势相似，呈现出近岸高、远岸低的趋势。在红岛以南、黄岛东北部及李村河附近的海域，甲烷氧化速率的变化大致呈现出近岸低、远岸高的趋势。胶州湾底层海水中甲烷氧化速率的变化不大，水平分布有自东北向西南逐渐升高的趋势。胶州湾表层和底层甲烷氧化速率的分布变化均呈现出自沿岸向外海逐渐降低的趋势。在胶州湾海水中，甲烷氧化速率从表层向底层逐渐增大。甲烷的分布和氧化过程与胶州湾的氧化还原条件、水动力环境和生物活动等多种因素相关。多数情况下，胶州湾甲烷浓度与甲烷氧化速率的变化是一致的，特别是在胶州湾东部地区表层水中溶解甲烷的浓度分布趋势与甲烷氧化速率的分布趋势相似，但两者之间变化关系复杂。胶州湾能够氧化甲烷的总量约为1.15 ×108 mol/y，约是胶州湾甲烷海气通量的6.4~14.3倍。研究结果还表明，甲烷氧化速率与甲酸浓度呈现显著的正相关，甲烷与甲酸、乙酸、二氧化碳之间存在复杂的相互转化关系。在甲烷和硫化氢等还原物质供给充足的环境中，甲烷氧化细菌和硫氧化细菌能够共存。在本项目的支持下，已经有5篇文章被国内核心期刊或SCI期刊发表或接受，一篇SCI文章正在评审，多篇文章正在整理，准备投稿。6名研究生获得硕士学位。总体而言，通过五年的研究，本项目取得了一系列开创性的研究成果，达到了研究目标。