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水体甲烷悖论影响碳中和目标

  
  碳中和目前已成为国际共识,亦是我国政府的政治承诺。实现碳中和目标无疑需要人类共同努力,但自然界还存在着一些仍未被完全认知但又不可小觑的碳排放源。例如,地面水体中在常规水底沉积物厌氧产甲烷(CH4)现象之外还存在着一种非常规CH4释放现象,即,甲烷悖论。如果这种现象变得普遍,则有可能形成到21世纪中叶虽可实现化石燃料利用碳中和目标,但在世纪末却可能形成难以完成控温<2 ℃的尴尬局面。
  甲烷常规产生途径
  在温室气体中就排放量而言,CO2首当其冲,约占温室效应的1/4;CH4排放量虽不及CO2,但它25倍于CO2的全球增温潜势(GWP)不免令人担忧。CH4常规产生途径仅限于厌氧环境(氧化还原电位ORP≤-350 mV),是在无氧和无机氧化剂(等)耗尽环境下有机物被氧化为CH4的过程。自然水体底部有机沉积物因厌氧以及缺少无机厌氧剂为CH4产生创造了良好条件,厌氧沉积物中富含大量产乙酸菌和产甲烷菌等微生物,通过水解、发酵、产甲烷等一系列代谢过程产生CH4。
  不同自然水体沉积物中CH4生成途径存在较大差异,在海洋沉积物中大部分CH4是通过产甲烷菌进行CO2还原和甲基基质歧化反应所产生。因此,在缺氧的近岸海区底层沉积物中有着较强的CH4生产能力。在淡水生态系统中,植物和藻类被证实在沉积物产CH4途径中起到关键作用;植物残体、根系分泌物及微生物代谢产物成为湿地、湖泊等地表水体重要碳源来源;水生植物和藻类能够共同固定生态系统中80%以上的碳(CO2),通过自身光合作用与共生微生物协同作用可将CO2转化为水体中溶解性有机碳(DOC)。DOC一方面可以通过生物化学过程直接成为产甲烷菌所需碳源,另一方面其好氧(当存在时)分解至无机碳(DIC:CO2)过程中需要消耗大量氧气,这也为产甲烷菌提供了良好的厌氧环境。
  甲烷过量释放现象
  有人对美国五大湖之一的伊利湖(Lake Erie)进行了观测,发现46年间CH4排放量增加了10倍,已远远超过美国俄亥俄州与密歇根州大多数天然气配送系统或垃圾填埋场所产生的CH4总量。此外,有人建立了计算CH4产生与水体富营养化程度关系的数学预测模型;若全球湖泊富营养化程度增加1.5倍,全球湖泊CH4总排放量将上升至141×106t×a-1,将会超过目前全球最大CH4排放源——湿地排放量(139×106t ×a-1)。根据对未来内陆水域营养盐负荷估算,到21世纪末因水体富营养化现象导致的CH4排放量将净增30%~90%。
  
  CH4泄露
  甲烷悖论与机理
  自然水体中CH4过量释放现象已经被普遍观测到,仅靠常规底泥有机物厌氧消化途径显然难以自圆其说。按常规途径,无论是海洋还是地表水体似乎应在底部沉积物处方能监测到最高CH4浓度。然而,实际情况并非如此,在很多海洋表层和近表层含氧水体中均发现CH4常常过饱和,并形成向大气净释放CH4现象。这种现象不仅存在于海洋,有人对德国东北部Stechlin湖监测发现,在两处含氧水相上层CH4浓度存在急增现象(水深6 m处,CH4浓度为1400nmol×L-1;水深>10m处,CH4浓度<200nmol×L-1)。此后,他们采用经验模型对全球湖泊(≥0.01km)进行了评估,揭示出水体CH4总释放量中约66%源于好氧环境。
  
  黄石公园内湖(观测到CH4的好氧释放)
  有悖于传统观念中厌氧底泥CH4释放,这种在好氧环境下CH4过量释放的现象被学界称之为“甲烷悖论”,其产生机理如下图所示。以藻类代谢物二甲基磺酰丙酸盐(DMSP)及其降解产物甲硫醇、二甲基硫醚(DMS)、二甲基亚砜(DMSO)等作为底物,在有氧环境下可以产生CH4的“假说”已被证实。另外一项最新研究称,一种微生物酶可让甲基磷酸脂(MPn)在脱去磷酸酯分子过程中生成CH4,这也为解释地表水体甲烷悖论现象提供了理论根据。
  
  甲烷悖论机理归纳(来自原文)
  结论
  碳中和乃今后20~30年全球人类共同努力奋斗的目标,是人类命运共同体的具体体现。然而,我们的努力之外还存在着一些不可小觑的“自然”碳排放源,如,水体甲烷悖论下超常规CH4释放现象。如果对这一“异常”现象不加以重视,即使若干年后我们实现了化石燃料使用碳中和,也很难难完成本世纪末全球控温<2 ℃的目标。因此,向着碳中和前行的同时,我们还必须了解甲烷悖论及可能对碳中和产生的负面影响。
  甲烷悖论是水底沉积物厌氧产甲烷(常规)之外的好氧表层水产甲烷现象,且这种非常规(异常)产甲烷量往往高于常规产甲烷量。研究表明,甲烷悖论现象存在多种有氧环境产甲烷代谢途径,目前研究已确定的主要有两种:1)藻类代谢物产甲烷;2)甲基磷酸脂(MPn)脱磷酸酯产甲烷。前者可能因水体富营养化藻类大量繁殖引起,后者则发生于贫营养(缺无机磷)水体。可见,只有维持水体营养水平达到一种健康、平衡状态方有可能减少甲烷悖论现象。为此,一方面需要加大对甲烷悖论现象机理的深入研究,以制定相应调控技术措施;另一方面需在水生态健康维护方面继续进行卓有成效的实际工作。只有这样才能最大限度减少CH4超量释放现象,以保证在实现碳中和的同时也达到21世纪末全球控温<2 ℃之目标。
  
   同一个地球同一个梦想
  作者: 王邦彦,郝晓地
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