天然气水合物成藏体系中产甲烷与甲烷厌氧氧化作用生物标志物和分子生物学研究

We plan to choose Shenhu, Dongsha sea area and their cold-seep areas in the Northern South China sea as the study area, extract DNA from sediments, use modern molecular biology techniques, such as 16SrRNA, PCR amplification, RFLP, to establish 16SrDNA metagenomic library, find out the species diversity and the dominant microflora, separate and culture the methanogenic flora, simulate the process of their development. At the same time, we use GS-MS and Delta Plus XP to detect the organic components extracted from sediments and determine their isotope composition, then screen biomarkers which are indicative of methanogenesis and Anaerobic methane oxidation. Combined with authigenic mineral analysis and some geochemical indicators such as total sulfur (TS), sulfur isotope composition (δ34S), total iron and the variation of iron valence, do comprehensive analysis to understand the intrinsic relationship between microbial populations and methanogenesis (MOG), anaerobic methane oxidation (AOM), sulfate reduction (SR), reveal the impact of microbial community on accumulation process of gas hydrate. These are of great significance on theoretical system of gas hydrate formation, and would provide scientific basis for China's gas hydrate exploration and development.

本项目拟选择我国南海神狐、东沙海域及其冷泉区，提取沉积物中DNA，运用16S rRNA，PCR扩增，RFLP等现代分子生物学技术，建立研究区16SrDNA宏基因库，查明其物种多样性和优势菌群，分离培养甲烷代谢菌群，模拟其发育和产气过程；同时对沉积物有机质萃取和组分分离，应用GC-MS和Delta Plus XP进行有机组分和单体烃同位素组成分析，进而筛选对微生物产甲烷以及厌氧氧化作用有指示性的生物标志物；结合沉积物中自生矿物分析与总硫（TS）、硫同位素组成（δ34S）以及总铁与铁的价态变化等关键地化指标，了解天然气水合物赋存区成藏体系中微生物种群与产甲烷作用（MOG）、甲烷厌氧氧化作用（AOM）和硫酸盐还原作用（SR）之间的相互作用内在关系，揭示微生物菌群对天然气水合物成藏过程的影响，对丰富我国天然气水合物成藏理论具有十分重要的意义，为我国天然气水合物勘探开发提供科学依据。

该项目进行了3个航次的外业调查和采样，分析了研究区构造演化史和沉积物发育史，对多个沉积物柱样和孔隙水进行了地球化学参数测试和分子生物学研究。研究结果表明：.南海诸盆地先后经历了裂谷期、后裂谷热沉降期和新构造活动期三大阶段，发育了始新统湖相烃源岩、渐新统湖相、湖沼相及海陆过渡相烃源岩和中新统海相烃源岩，它们是甲烷水合物形成发育的有利烃源岩。有机地化分析表明沉积物有机碳含量为0.39～1.26%，一般均大于0.5%，可为CO2还原产生甲烷提供较充足的有机质。有机碳同位素组成δ13C（PDB）为-26.94～-21.10‰，呈现阶段式变化，氧同位素II和IV期相对于氧同位素I和III期δ13C偏重，由于冷期的陆源高等植物输入的比例有所降低所致。沉积物有机组分分析表明正构烷烃一般呈双峰—后峰高型分布，以n-C16~n-C20和n-C27~n-C31为中心，主峰碳分别为C18（或 C19）和C29 （或 C31）。由浅至深沉积物孔隙水总硫酸盐还原模式分为三个带，即，有机质氧化驱动带，中部过渡带，及甲烷厌氧氧化驱动带；在甲烷厌氧氧化带中，根据硫酸盐还原速率可分为两层，两层硫酸盐还原速率相差较大。通过T-RFs比对，古菌主要为Methanomicrobiales, Methanosarcinales/ANME。其中多数为H2/CO2利用型产甲烷菌，Methanosarcinales/ANME中部分菌属会消耗C1化合物，消耗甲烷。研究表明，ANME可以直接推动甲烷氧化及硫酸盐还原反应，不需要硫酸盐还原菌。通过T-RFLP及克隆分析，可以得出本区主要有10种细菌群落及6种主要的古菌。本区大量的candidate division JS1细菌可证明本区为水合物存在区。末次冰期南海北部可能发生了甲烷水合物失稳事件，证据如下：①氧同位素II期底栖有孔虫碳同位素组成δ13C负偏（约-2‰）；②脂肪酸甲酯相对含量在δ13C负偏的层位较高；③规则八面体结构的草莓状黄铁矿集合体，以及管状和有孔虫外壳黄铁矿的出现；④东沙海域08CF7钻孔记录的沉积物磁化率异常；⑤贫13C同位素的冷泉碳酸盐岩的发现。此外，底栖有孔虫δ13C最小值对应于Bølling/Allerød暖期，这可能表明在间冰阶温度升高和因海平面下降引起的压力降低都对南海北部水合物分解产生影响。