南海北部甲烷渗漏区沉积物铁锰的生物地球化学循环模式研究

Iron and manganese were the part of the enzymes and cofactors in the cell of microorganisms, they played an important role in the cell metabolism, so when they buried in the ocean sediments, their redox was controlled by the bio. transform and enzyme reaction. There were two processes: the dissimilatory Fe(III) and Mn(IV) reduction coupled the mineralization of organic matter and the Fe(III)- and Mn(IV)-dependent anaerobic oxidation of methane, could be the factors that influence the iron and manganese biogeochemical cycling in marine sediments, especially in the methane-seep sediments, the geochemical characteristics of the Fe and Mn and their authigenic minerals would be changed. So we propose to investigate what role that the microorganisms played in the anaerobic oxidation of methane and what role that the Fe and Mn played in the process by pure culture and molecular techniques. The reaction rate in different methane pressure will be tested, and the model of the geochemical data that come from the different iron and manganese’s occurrence mode in the methane-seep sediments in the northern of the South China Sea will be built. After all these works, we will get the biogeochemical cycling model of iron and manganese. And all these models and theories will be used a lot more in oceanography, and have a great value of practical application in oil and gas and methane gas hydrate exploration.

铁锰既可参与构成微生物细胞，又可在胞外作为电子受体支配微生物呼吸和代谢，铁锰埋藏下来以后，在厌氧环境中的氧化还原很大程度受微生物转化及酶促反应控制，影响其生物地球化学循环的主要有有机质矿化和甲烷厌氧氧化两类微生物作用，尤其在甲烷渗漏区，甲烷厌氧氧化作用使得铁锰的赋存形态、含量以及自生矿物的类型和分布都发生显著改变。因此，本项目选择我国南海北部甲烷渗漏区，以铁锰还原偶联甲烷厌氧氧化反应为切入点，采用传统微生物培养结合分子生物学技术，查明甲烷厌氧氧化反应中铁锰的参与机理，揭示微生物的作用机制，建立不同电子受体、甲烷通量的甲烷厌氧氧化微生物模型；同时，通过对沉积物中铁锰元素不同赋存形态及其自生矿物在垂向分布的定性以及定量的系统研究，结合甲烷厌氧氧化反应机理，建立铁锰生物地球化学循环的数值模型和理论模式，研究其与下伏地层甲烷通量以及来源的关系，并将此模型和判识指标应用于海底油气和甲烷水合物藏找矿。

针对南海甲烷渗漏环境沉积物中铁锰生物地球化学行为这一关键科学问题。多次搭乘国家基金委航次，共采集7个站位重力柱样，沉积物、孔隙水和微生物样品1600余个，测得各项地球化学参数7480多项。从地质学、地球化学、微生物细菌培养等多学科交叉入手，基于沉积物孔隙水地球化学多参数研究发现有机质氧化过程中铁锰异化还原为Mn2+和Fe2+，锰相对铁更活跃，优先与HCO- 3结合生成菱锰矿，再形成菱铁矿；而在硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化过程中（SD-AOM），Fe2+则主要与HS-结合生成自生黄铁矿。甲烷渗漏环境为黄铁矿形成提供有利条件，强烈的SD-AOM形成大量的单硫化铁微晶，进一步生长为胶黄铁矿，聚集转化为长柱状、棒状的黄铁矿莓球集合体。此外，通过扫描电镜和能谱分析鉴定出在硫酸盐-甲烷转换带（SMTZ）以下存在自生蓝铁矿，主要以放射板条状形貌为特征。据沉积物碳酸盐和有孔虫的同位素比例关系，建立了计算自生碳酸盐δ13C的质量平衡模型，可有效判识甲烷微渗漏。结合研究区沉积埋藏和成岩演化史，发现该区三次寒冷时期记录着甲烷水合物分解事件，且随海平面上升，分解规模逐渐减小。实验分析中摸索出一套分离提取不同形态锰矿物组分（锰碳酸盐、锰氧化物和黑锰矿）的最优方案。经PCR扩增、高通量测序和FISH实验获得了产甲烷古菌、硫酸盐还原菌、甲基营养菌、有机质分解和发酵菌、铁异化还原菌等功能微生物类群。对比培养前后微生物群落结构变化发现，培养过程中存在包括有机质降解、铁锰还原等多种微生物地球化学行为，铁锰既可参与构成微生物细胞，又可在胞外作为电子受体支配微生物呼吸和代谢。当铁锰随沉积作用发生埋藏，在厌氧环境下的异化还原过程很大程度受微生物转化及酶促反应的控制，影响它们生物地球化学循环的主要为有机质矿化和甲烷厌氧氧化两类微生物作用。根据浅的SMTZ和沉积物铁锰、碳硫元素及自生矿物标志，有助于探讨海洋甲烷渗漏强度以及气体来源，进而对判识海底油气和甲烷水合物藏存在与否有着重要的科学意义和实际应用前景。