研究綜述 | 水體甲烷悖論影響碳中和目標(biāo)

水處理網(wǎng)訊:碳中和目前已成為國際共識，亦是我國政府的政治承諾。實現(xiàn)碳中和目標(biāo)無疑需要人類共同努力，但自然界還存在著一些仍未被完全認知但又不可小覷的碳排放源。例如，地面水體中在常規(guī)水底沉積物厭氧產(chǎn)甲烷(CH4)現(xiàn)象之外還存在著一種非常規(guī)CH4釋放現(xiàn)象，即，甲烷悖論。如果這種現(xiàn)象變得普遍，則有可能形成到21世紀(jì)中葉雖可實現(xiàn)化石燃料利用碳中和目標(biāo)，但在世紀(jì)末卻可能形成難以完成控溫<2 ℃的尷尬局面。

甲烷常規(guī)產(chǎn)生途徑

在溫室氣體中就排放量而言，CO2首當(dāng)其沖，約占溫室效應(yīng)的1/4；CH4排放量雖不及CO2，但它25倍于CO2的全球增溫潛勢（GWP）不免令人擔(dān)憂。CH4常規(guī)產(chǎn)生途徑僅限于厭氧環(huán)境(氧化還原電位ORP≤-350 mV)，是在無氧和無機氧化劑(等)耗盡環(huán)境下有機物被氧化為CH4的過程。自然水體底部有機沉積物因厭氧以及缺少無機厭氧劑為CH4產(chǎn)生創(chuàng)造了良好條件，厭氧沉積物中富含大量產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌等微生物，通過水解、發(fā)酵、產(chǎn)甲烷等一系列代謝過程產(chǎn)生CH4。

不同自然水體沉積物中CH4生成途徑存在較大差異，在海洋沉積物中大部分CH4是通過產(chǎn)甲烷菌進行CO2還原和甲基基質(zhì)歧化反應(yīng)所產(chǎn)生。因此，在缺氧的近岸海區(qū)底層沉積物中有著較強的CH4生產(chǎn)能力。在淡水生態(tài)系統(tǒng)中，植物和藻類被證實在沉積物產(chǎn)CH4途徑中起到關(guān)鍵作用；植物殘體、根系分泌物及微生物代謝產(chǎn)物成為濕地、湖泊等地表水體重要碳源來源；水生植物和藻類能夠共同固定生態(tài)系統(tǒng)中80%以上的碳(CO2)，通過自身光合作用與共生微生物協(xié)同作用可將CO2轉(zhuǎn)化為水體中溶解性有機碳(DOC)。DOC一方面可以通過生物化學(xué)過程直接成為產(chǎn)甲烷菌所需碳源，另一方面其好氧(當(dāng)存在時)分解至無機碳(DIC：CO2)過程中需要消耗大量氧氣，這也為產(chǎn)甲烷菌提供了良好的厭氧環(huán)境。

甲烷過量釋放現(xiàn)象

有人對美國五大湖之一的伊利湖(Lake Erie)進行了觀測，發(fā)現(xiàn)46年間CH4排放量增加了10倍，已遠遠超過美國俄亥俄州與密歇根州大多數(shù)天然氣配送系統(tǒng)或垃圾填埋場所產(chǎn)生的CH4總量。此外，有人建立了計算CH4產(chǎn)生與水體富營養(yǎng)化程度關(guān)系的數(shù)學(xué)預(yù)測模型；若全球湖泊富營養(yǎng)化程度增加1.5倍，全球湖泊CH4總排放量將上升至141×106t×a-1，將會超過目前全球最大CH4排放源——濕地排放量(139×106t ×a-1)。根據(jù)對未來內(nèi)陸水域營養(yǎng)鹽負荷估算，到21世紀(jì)末因水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象導(dǎo)致的CH4排放量將凈增30%~90%。

甲烷悖論與機理

自然水體中CH4過量釋放現(xiàn)象已經(jīng)被普遍觀測到，僅靠常規(guī)底泥有機物厭氧消化途徑顯然難以自圓其說。按常規(guī)途徑，無論是海洋還是地表水體似乎應(yīng)在底部沉積物處方能監(jiān)測到最高CH4濃度。然而，實際情況并非如此，在很多海洋表層和近表層含氧水體中均發(fā)現(xiàn)CH4常常過飽和，并形成向大氣凈釋放CH4現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不僅存在于海洋，有人對德國東北部Stechlin湖監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在兩處含氧水相上層CH4濃度存在急增現(xiàn)象(水深6 m處，CH4濃度為1400nmol×L-1；水深>10m處，CH4濃度<200nmol×L-1)。此后，他們采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯θ蚝?≥0.01km)進行了評估，揭示出水體CH4總釋放量中約66%源于好氧環(huán)境。

有悖于傳統(tǒng)觀念中厭氧底泥CH4釋放，這種在好氧環(huán)境下CH4過量釋放的現(xiàn)象被學(xué)界稱之為“甲烷悖論”，其產(chǎn)生機理如下圖所示。以藻類代謝物二甲基磺酰丙酸鹽(DMSP)及其降解產(chǎn)物甲硫醇、二甲基硫醚(DMS)、二甲基亞砜(DMSO)等作為底物，在有氧環(huán)境下可以產(chǎn)生CH4的“假說”已被證實。另外一項最新研究稱，一種微生物酶可讓甲基磷酸脂(MPn)在脫去磷酸酯分子過程中生成CH4，這也為解釋地表水體甲烷悖論現(xiàn)象提供了理論根據(jù)。

結(jié)論

碳中和乃今后20~30年全球人類共同努力奮斗的目標(biāo)，是人類命運共同體的具體體現(xiàn)。然而，我們的努力之外還存在著一些不可小覷的“自然”碳排放源，如，水體甲烷悖論下超常規(guī)CH4釋放現(xiàn)象。如果對這一“異?！爆F(xiàn)象不加以重視，即使若干年后我們實現(xiàn)了化石燃料使用碳中和，也很難難完成本世紀(jì)末全球控溫<2 ℃的目標(biāo)。因此，向著碳中和前行的同時，我們還必須了解甲烷悖論及可能對碳中和產(chǎn)生的負面影響。

甲烷悖論是水底沉積物厭氧產(chǎn)甲烷(常規(guī))之外的好氧表層水產(chǎn)甲烷現(xiàn)象，且這種非常規(guī)(異常)產(chǎn)甲烷量往往高于常規(guī)產(chǎn)甲烷量。研究表明，甲烷悖論現(xiàn)象存在多種有氧環(huán)境產(chǎn)甲烷代謝途徑，目前研究已確定的主要有兩種：1）藻類代謝物產(chǎn)甲烷；2）甲基磷酸脂(MPn)脫磷酸酯產(chǎn)甲烷。前者可能因水體富營養(yǎng)化藻類大量繁殖引起，后者則發(fā)生于貧營養(yǎng)(缺無機磷)水體?？梢?，只有維持水體營養(yǎng)水平達到一種健康、平衡狀態(tài)方有可能減少甲烷悖論現(xiàn)象。為此，一方面需要加大對甲烷悖論現(xiàn)象機理的深入研究，以制定相應(yīng)調(diào)控技術(shù)措施；另一方面需在水生態(tài)健康維護方面繼續(xù)進行卓有成效的實際工作。只有這樣才能最大限度減少CH4超量釋放現(xiàn)象，以保證在實現(xiàn)碳中和的同時也達到21世紀(jì)末全球控溫<2 ℃之目標(biāo)。

原標(biāo)題:研究綜述 | 水體甲烷悖論影響碳中和目標(biāo)