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墨西哥湾石油泄漏后,甲烷是如何推动食物网的

从约翰逊海洋链接潜水器的小窗口往外看。
2009年,Johnson-Sea-Link潜水器开始研究佛罗里达附近的冷水珊瑚。 (©2011ArthowardPhotoRography.com)

1994年8月,曼迪·乔伊第一次乘潜水器潜入深海。作为一名新获得博士学位的学生,她最近刚刚完成了关于生活在不同寻常环境中的海洋微生物的研究生研究,那天她正在寻找生活在甲烷上的微生物。甲烷是一种温室气体,最出名的可能是奶牛打嗝和放屁时排放的,但它也会从地壳深处渗漏出来海底的裂缝叫做甲烷渗漏。当天,约翰逊海洋连接号(Johnson Sea Link)潜水器窗外冒着气泡的甲烷改变了她的生活。“当灯光在寒冷的寒流中照亮海底时,我想:我怎么会不知道这有多冷呢?”乔伊博士说。“我完全上瘾了。”

以甲烷为食的细菌(也称为甲烷营养菌)帮助清理了墨西哥湾漏油,如图中所示的荚膜甲烷球菌。
以甲烷为食的细菌(也被称为甲烷营养菌)帮助清理了海湾石油泄漏,比如甲基球菌capsulatus这里显示。 (安妮Fjellbirkeland)

她知道,16年后,她将在研究人类历史上最大的深海甲烷注射的前线 - 她所学习的微生物将是甲烷的最终命运的核心。当深水地平线石油钻井平台于2010年4月爆炸时,319万桶石油泄漏到墨西哥湾从深海油井里挖了三个月。乔伊博士现在是乔治亚大学的微生物地球化学家,也是该研究所的首席研究员墨西哥湾研究计划他知道还会有其他东西从马孔多油井中流出:大量的甲烷。甲烷通常在地下深处的化石燃料储层中与石油一起形成,而马孔多储层中约40%是甲烷。没人知道这么多甲烷在这样的深度会有什么反应,也没人知道微生物会对它有什么反应。但是多亏了乔伊博士和其他GoMRI的研究人员,我们现在对甲烷如何为墨西哥湾的食物网提供燃料有了更多的了解。

乔伊博士知道,如果她想了解微生物对深海中大量注入甲烷的反应,她必须迅速采取行动。到5月5日,也就是漏油事件发生两周后,她的团队已经出海,从井口周围收集了第一批深海样本。她和同事们一起,在10次研究巡航中收集了2000多个水样,最后一次收集是在2010年12月3日,也就是漏油事件正式结束几个月后。回到实验室后,她的团队测量了每个样本中的甲烷和微生物,以重建井周围地区的甲烷动态。因为气体是在寒冷的深水中,在巨大的压力下释放出来的,它溶解了,而不是起泡到表面,并在大约4000英尺(1200米)深的地方形成了云状的羽流。乔伊博士的样本显示,烟羽中的甲烷含量是周围水域的7万倍左右。

甲烷气泡从墨西哥湾的贻贝床中升起。
甲烷气泡从墨西哥湾的贻贝床中升起。 (Noaa Okeanos Explorer程序,墨西哥湾2012年探险)

甲烷一旦溶解,就会被微生物吃掉。泄漏开始后仅仅11天,就已经有一种叫做甲烷营养体的以甲烷为食的微生物在羽流中生长。乔伊博士说,在漏油事件发生之前,“这种生物在墨西哥湾并不常见,数量也不丰富”。“它们在那里的数量非常少,但只要在合适的条件下,它们就会茁壮成长。”一开始它们生长缓慢,但当它们在6月初达到顶峰时,微生物就开始生长了在公海中,甲烷的消耗速度是有史以来最快的——比生活在甲烷渗漏处的甲烷营养体快大约6万倍。

但这不会持续太久。到6月中旬,羽流样本中的甲烷含量开始下降,甲烷营养体的数量也随之下降。此时泄漏还在继续,那么甲烷去了哪里?乔伊博士怀疑,罪魁祸首是对井口管道的更换。在泄漏的第一个月,立管的一部分与油井相连,就像一根软管一样,将石油和天然气强劲而直接地喷射到水中。但在6月3日,英国石油公司切断了管道,导致石油和天然气以伞状缓慢流动。一旦喷气消失,羽流就停止增长并开始分散——而且没有高浓度的甲烷作为食物,微生物也分散了。在这一年剩下的时间里,甲烷浓度继续下降,因为它“被无限稀释到你无法测量的程度,”她说。到了12月,墨西哥湾的海水又恢复到了正常水平。

虽然甲烷从水柱中消失了,但如果甲烷营养体成为其他生物的食物,它仍能在食物网中生存。这是佛罗里达州立大学的化学海洋学家、GoMRI的首席研究员杰夫·强顿(Jeff Chanton)使用原子法医学研究的问题。为了追踪食物网中甲烷的起源原子,强顿博士利用了碳原子的一种独特性质(也用于碳年代测定)。当植物将阳光转化为能量时,新的碳原子携带着一种化学信号——有时被称为“新碳”——在数千年后消失,之后变成了“旧碳”。石油和甲烷等气体已经存在了数百万年,因此是由纯碳构成的。如果浮游生物在石油泄漏期间吃了羽流中的甲烷营养物,那么这些浮游生物应该比普通的墨西哥湾浮游生物含有更多的旧碳,而普通的浮游生物通常吃含有新碳的食物。

2012年5月,杰夫·强顿(Jeff Chanton)的学生们在墨西哥湾的R/V Weatherbird II巡航中,用一种叫做浮游生物拖的大网收集浮游生物。
2012年5月,杰夫·强顿(Jeff Chanton)的学生们在墨西哥湾的R/V Weatherbird II巡航中,用一种叫做浮游生物拖的大网收集浮游生物。 (贝基Larson)

强顿博士收集了“颗粒有机碳”的样本——浮游生物死亡的漂浮残骸海雪——2011年和2012年在海湾地区。他的原子取证表明,有机碳颗粒是在甲烷烟柱存在的更深的水域中收集的含有比靠近地表更多的旧碳。然而,表面收集的浮游动物也含有一些这种古老的碳,这表明它们以甲烷营养物或泄漏的其他甲烷颗粒为食,从而将它们引入食物链。

即使流入墨西哥湾的甲烷只有一部分被甲烷营养体降解并进入食物网,对于更大的生物来说,这也是很多潜在的额外食物。南密西西比大学的渔业海洋学家、GoMRI的首席研究员弗兰克·埃尔南德斯(Frank Hernandez)怀疑,漏油事件发生的那一年,可能有利于浮游生物的数量。他在漏油期间每月两次在墨西哥湾的多个地点收集浮游生物样本,以与漏油前收集的样本进行比较。

在对不同种类的浮游动物(这些动物是鱼类幼虫的重要猎物)进行识别和计数后,赫尔南德斯博士发现,在石油污染最严重的5月和6月,浮游动物群落发生了变化。然而,到了7月,它就与前几年遇到的情况相似了。有些令人惊讶的是,许多物种在漏油事件中被发现的数量比之前没有漏油事件的年份要多。他说,对这种人口增长有多种可能的解释,我们可能永远也不知道确切的原因。但有一种可能性是,这些浮游动物比正常情况下有更多的食物,因为羽流中有大量的甲烷营养物,这使它们能够进食、生长和繁殖,尽管水体受到污染。

这个无意的实验的结果是——当数百万桶甲烷涌进深海时会发生什么?——这让所有人都感到惊讶,这表明我们对深海及其微生物知之甚少。甲烷既没有以温室气体的形式浮上地表,也没有完全被微生物消化。但它改变了海湾生态系统,为稀有的甲烷营养体和食物网中的其他生物体提供了食物来源,至少暂时如此。

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海洋门户网站得到了墨西哥湾研究计划(GoMRI)的支持,以发展和分享有关GoMRI和漏油科学的故事。

墨西哥湾研究倡议(GoMRI)是一个为期10年的独立研究项目,目的是研究碳氢化合物释放对环境和公共健康的影响及其潜在的相关影响,并开发改进的泄漏缓解、石油检测、特性描述和补救技术。欲了解更多信息,请访问http://gulfresearchinitiative.org/

2015年1月