Picarro G2201-i | 地下微生物群在碳循環(huán)和溫室氣體動(dòng)態(tài)中的作用
原文鏈接：http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154921
應(yīng)用背景
地下生態(tài)系統(tǒng)，例如洞穴和巖石裂縫中的生態(tài)環(huán)境，是地球上最不為人知的生境之一。盡管條件極端，如缺乏光照、有限的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源和變化的物理?xiàng)l件，這些環(huán)境中存在著復(fù)雜且多樣化的微生物群落。這些微生物的活動(dòng)對(duì)于從地下傳向地表的化學(xué)物質(zhì)循環(huán)具有關(guān)鍵影響，包括各種重要的溫室氣體。月乳石是一種在洞穴中發(fā)現(xiàn)的特殊沉積物，主要由微生物作用產(chǎn)生。月乳石的形成涉及到微生物群落中碳酸鹽礦物的沉積，這是一個(gè)典型的生物礦化現(xiàn)象。這個(gè)過(guò)程不僅對(duì)地質(zhì)學(xué)家在解讀地殼礦物的成因與形成環(huán)境提供了重要視角，也對(duì)洞穴保護(hù)和管理提供了科學(xué)依據(jù)。地下生態(tài)系統(tǒng)可能在全球溫室氣體的源與匯動(dòng)態(tài)中扮演著重要角色。例如，某些地下生態(tài)系統(tǒng)可以表現(xiàn)為甲烷的潛在匯，通過(guò)微生物過(guò)程將這種強(qiáng)效溫室氣體轉(zhuǎn)換為較不活躍的形式，從而減少大氣中的甲烷濃度。
這項(xiàng)研究評(píng)估和量化了洞穴沉積物和月乳沉積物與洞穴大氣直接交換的二氧化碳和甲烷通量，深入了解了地下生態(tài)系統(tǒng)中的微生物活動(dòng)和相關(guān)的地化過(guò)程，以便于科學(xué)家更好地預(yù)測(cè)并調(diào)控這些生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)，為生態(tài)保護(hù)、資源開(kāi)發(fā)和環(huán)境監(jiān)管提供科學(xué)依據(jù)。
研究方法
這項(xiàng)研究在西班牙西北部的Pindal洞穴進(jìn)行，該洞穴在海岸線附近有一個(gè)寬闊的入口，位于海拔50~64m的巖溶塊狀石炭紀(jì)石灰?guī)r的凹陷地帶。洞穴全長(zhǎng)約590m，但進(jìn)行研究的旅游區(qū)的長(zhǎng)度為341m，東西方向，平均寬度為25m。
采樣選取了下圖中A到C點(diǎn)，月乳沉積依次減少。在這些區(qū)域內(nèi)，按照深度可以分為兩種類型的樣品：1）最淺層（0-1 cm深），出現(xiàn)主要差異；2）更深層（1-3 cm深），更均勻，沒(méi)有可見(jiàn)的月乳沉積。所有樣品均進(jìn)行無(wú)菌采集，并在4℃下保存，直到進(jìn)一步的分析。
δ13Cbulk使用Picarro公司的G2201-i碳同位素分析儀配合燃燒模塊（CM）進(jìn)行分析。通過(guò)自動(dòng)進(jìn)樣器將月乳和粉末沉積物樣品（約1.25 mg）裝入CM，在1200℃下實(shí)現(xiàn)完全燃燒。釋放的CO2通過(guò)除水和氣相色譜柱，轉(zhuǎn)移到Picarro A0301 Liasion中，隨后輸入CRDS分析儀進(jìn)行測(cè)量分析。該系統(tǒng)組件采用超高純度N2作為載氣，采用純O2進(jìn)行燃燒。每個(gè)樣本和標(biāo)準(zhǔn)品分別進(jìn)行4次重復(fù)分析，舍棄第一次分析結(jié)果，避免來(lái)自前一個(gè)樣本的記憶效應(yīng)影響。
研究中洞穴沉積物的樣本
研究結(jié)果
沉積物和洞穴空氣之間碳-溫室氣體通量的來(lái)源和交換率的現(xiàn)場(chǎng)勘探
在月乳和洞穴沉積物上的封閉氣體交換系統(tǒng)對(duì)碳-溫室氣體氣體通量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為洞穴內(nèi)二氧化碳和甲烷的生產(chǎn)和吸收提供了有效的數(shù)據(jù)。在月乳上測(cè)量的碳?xì)怏w與洞穴大氣的交換模式與在裸露的洞穴沉積物上明顯不同。此外，從Pindal洞穴不同的通風(fēng)條件下連續(xù)的調(diào)查中還觀察到了碳通量的變化。
Pindal洞穴生物地球化學(xué)過(guò)程及溫室氣體動(dòng)態(tài)說(shuō)明
來(lái)自月乳沉積物和裸露的洞穴沉積物的二氧化碳通量
在洞穴通風(fēng)階段，當(dāng)洞穴大氣中的二氧化碳濃度與自由大氣相似時(shí)，在完全被月乳沉積物覆蓋的區(qū)域的頂部檢測(cè)到了二氧化碳排放通量（正通量）。日平均CO2通量范圍為0.06~0.08μmol m-2 s-1，日變化較小。在停滯階段，在富含二氧化碳的洞穴大氣中，裸露洞穴沉積物上方的二氧化碳排放通量日均為0.15μmol m-2 s-1，日變化較高。然而，在完全被月乳沉積物覆蓋的區(qū)域之上，CO2通量小于通風(fēng)時(shí)，以CO2吸收量（負(fù)通量）為主（日平均可達(dá)-0.04μmol m-2 s-1）。在停滯階段進(jìn)行的大多數(shù)活動(dòng)顯示，在月乳礦床以上的每日時(shí)間尺度上，通量強(qiáng)度有顯著的時(shí)間變化，交替排放或吸收，或全天在零左右波動(dòng)。
根據(jù)小時(shí)平均CO2凈通量估計(jì)，裸露洞穴沉積物上方的24小時(shí)凈CO2平衡低于通風(fēng)階段（低于600 mg m-2/天）。由于地下大氣的停滯，洞穴沉積物與洞穴空氣之間的CO2濃度梯度較低，擴(kuò)散強(qiáng)度略有降低。無(wú)論如何，這些數(shù)據(jù)也表明，在裸露的洞穴沉積物中，現(xiàn)場(chǎng)活躍地產(chǎn)生了CO2。在月乳沉積物之上，CO2的日凈余額明顯較少。
來(lái)自月乳沉積物和裸露的洞穴沉積物的甲烷通量
在所有進(jìn)行的調(diào)查中，月乳沉積物和裸露的洞穴沉積物與洞穴大氣交換的甲烷通量為負(fù)值。在洞穴通風(fēng)階段，在A區(qū)和C區(qū)，相同強(qiáng)度的甲烷吸收通量相似。日平均甲烷通量為1.5 nmol m-2 s-1，甲烷凈吸收約為0.09 mg m-2 h-1，24小時(shí)總甲烷凈吸收估計(jì)為2.1 mg m-2/天。在洞穴停滯階段，在甲烷耗盡的洞穴大氣中，裸露洞穴沉積物上方的甲烷吸收通量不如通風(fēng)階段強(qiáng)烈，24小時(shí)總甲烷凈攝取量減少了一半。
總結(jié)
本文研究了洞穴系統(tǒng)中二氧化碳和甲烷的行為動(dòng)態(tài)，尤其是如何受到氣候驅(qū)動(dòng)的洞穴通風(fēng)控制。通過(guò)對(duì)Pindal洞穴進(jìn)行的環(huán)境監(jiān)測(cè)和同位素追蹤，作者揭示了洞穴氣體成分的季節(jié)和日變化，深入探討了洞穴中CO2和CH4的生產(chǎn)、積累和釋放過(guò)程。特別是，研究顯示溫度差異驅(qū)動(dòng)的對(duì)流通風(fēng)在控制洞穴內(nèi)氣體組成中起著關(guān)鍵作用。
觀察到的數(shù)據(jù)表明，在通風(fēng)階段，CO2和CH4的通量和濃度與對(duì)外界環(huán)境的通風(fēng)密切相關(guān)。與此同時(shí)，洞穴內(nèi)的氣體組成還與生物誘導(dǎo)的月乳石沉積物和底層洞穴沉積物有關(guān)。同位素分析進(jìn)一步證實(shí)了這些氣體的生物地球化學(xué)循環(huán)和動(dòng)態(tài)變化。
該研究強(qiáng)調(diào)了對(duì)于全球環(huán)境變化研究的意義，洞穴氣體動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)和理解對(duì)于預(yù)測(cè)全球氣候變化的影響至關(guān)重要。此研究為預(yù)測(cè)和管理全球氣候變化下的溫室氣體排放提供了重要見(jiàn)解。
