一種測定水體甲烷消耗速率的新方法

胡芳方 肖尚斌 雷 丹，2 王雨春

(1. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2. 武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 武漢 430070； 3. 中國水利水電科學(xué)研究院， 北京 100038)

工業(yè)革命以來，大氣中的二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)濃度急劇增加，其中CH4濃度到2018年時升至1 857 ppb[1]．在百年尺度單分子CH4的全球變暖效率(紅外吸收能力)是CO2的28～34倍，對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率達(dá)30%左右[2]．淡水生態(tài)系統(tǒng)已被確定為天然CH4源的重要組成部分[3-5]，向大氣中排放的CH4總量為103 Tg/yr[6]，實際產(chǎn)生的CH4量更高，因為很大一部分CH4在進(jìn)入大氣之前已被生物氧化[7]，其中內(nèi)陸水域的貢獻(xiàn)很大[8-9]．大氣中水體系排放的CH4約占全球來源的40%～50%[10-11]．在水生生態(tài)系統(tǒng)中，CH4排放取決于微生物CH4的生產(chǎn)、運輸和氧化的平衡．CH4的產(chǎn)生是通過產(chǎn)甲烷菌在缺氧環(huán)境中活動發(fā)生的，源于沉積物有機(jī)質(zhì)的礦化分解過程[12]，淡水中主要為乙酸發(fā)酵型或氫營養(yǎng)型[13]．所產(chǎn)生的CH4可以在水柱中或沉積物-水界面被甲烷氧化菌氧化成CO2[12,14-15]，最終排放到大氣中．水柱中的CH4在上升過程中既可以發(fā)生有氧氧化，也可以發(fā)生厭氧氧化[16]，并且水柱中可以消耗很大一部分源自沉積物的CH4(69%～98%)[17]．在湖泊中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，生成的CH4中有30%～99%被氧化．如在Kasumigaura湖，每年平均消耗水柱中溶解甲烷的74%[18]．對美國圣母大學(xué)環(huán)境研究中心附近的3個湖泊(Paul，Peter和Hummingbird)的研究表明深水沉積物中產(chǎn)生的CH4有51%～80%在水柱中被氧化[5]．在香溪河庫灣，隨著水深的季節(jié)性變化，水庫底部產(chǎn)生的CH4有68%～98%溶解CH4在水柱中被氧化[17]；北加利福尼亞陸架外側(cè)，絕大部分CH4也是在下部水體中被氧化[19]．可見CH4氧化作用對減少水體中CH4向大氣排放有著重要作用[20]．

目前，國內(nèi)外研究學(xué)者測定CH4氧化速率的方法分為14CH4標(biāo)記法，13C穩(wěn)定同位素法、3H示蹤劑法、多次頂空平衡法及添加甲烷氧化抑制劑法等．14CH4標(biāo)記法，即將14C標(biāo)記的CH4加入瓶中，測量轉(zhuǎn)化為14CO2或14C標(biāo)記的生物質(zhì)[21-22]，如Mary等[23]使用此法測定了Santa Barbara Basin不同深度的甲烷氧化速率，范圍為0.014～3 nmol·L-1·d-1；13C穩(wěn)定同位素法[24-28]，即向培養(yǎng)水體中加入13C-CH4，13C-CH4和無標(biāo)記的CH4的氧化產(chǎn)物均為13C標(biāo)記的CO2以及其他溶解無機(jī)碳(DIC)，測量反應(yīng)前后13C-CH4的含量變化來計算CH4的好氧氧化速率，如Kelley等[29]對墨西哥灣北部的海水通過此方法進(jìn)行培養(yǎng)，調(diào)查結(jié)果顯示CH4的氧化速率范圍是0～57 nmol·L-1·d-1；3H示蹤劑法，即向培養(yǎng)水體中加入3H-CH4，測量以3H示蹤劑標(biāo)記的氧化產(chǎn)物含量來計算CH4氧化速率[30-31]，如Roman[32]等研究了德國灣(北海東南部)的CH4的氧化速率，變化范圍是0～16.5 nmol·L-1·d-1．多次頂空平衡法，即每隔一定時間抽取氣袋或樣瓶中頂空氣體進(jìn)行濃度測定，通過濃度與時間的變化計算甲烷氧化速率[33]，例如Lei等[17]采用此法測定了三峽庫區(qū)香溪河庫灣的甲烷氧化速率為1.18×10-3～3.69×10-3μmol·L-1·h-1．添加甲烷氧化抑制劑法，即對樣品作對照處理，通過抑制劑添加前后的甲烷排放濃度差值來計算消耗速率[33]．然而，這些方法存在花費大、耗時長，以及周轉(zhuǎn)程序復(fù)雜引起的系統(tǒng)誤差等問題．為減少上述誤差，本文提出了一種新的方法，即用新型的快速監(jiān)測水體甲烷消耗速率的裝置結(jié)合溫室氣體分析儀(DLT—100，Los Gatos Research，美國)測定水體中的CH4消耗速率．

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)備

快速監(jiān)測水體甲烷消耗速率的裝置如圖1(專利號：ZL201810873520.1)所示．

1.進(jìn)氣口； 2.出氣口； 3.氣泵； 4.風(fēng)扇； 5.液面高度； 6.進(jìn)/排水口； 7.氣泡石； 8.溫室氣體分析儀圖1 快速監(jiān)測水體CH4消耗速率的裝置示意圖

該裝置能在較短的時間內(nèi)分離水樣中的溶存CH4，其反應(yīng)裝置是一個封閉透明圓柱體(高30 cm，外徑23 cm，筒壁厚5 mm)，包括氣體交換系統(tǒng)、進(jìn)出水系統(tǒng)和進(jìn)出氣系統(tǒng)，其中氣體交換系統(tǒng)由氣泵(2×3.5 L/min)、風(fēng)扇(24 V)和曝氣石(直徑12 cm)組成，曝氣石上布滿微氣孔，通過氣泵促使反應(yīng)裝置內(nèi)的水樣與氣體快速交換；進(jìn)出水系統(tǒng)連接蠕動泵(0.1～550 mL/min)用來抽取水樣；進(jìn)氣管和出氣管連接溫室氣體分析儀(測量范圍： CH40.1～20 μL·L-1；精度：1 ppb/0.3 ppb；指標(biāo)重復(fù)性：CH41 μL·L-1)，溫室氣體分析儀以1 Hz頻率實時、連續(xù)地測量箱內(nèi)CH4濃度，已有研究人員對其描述及使用[3]，反應(yīng)裝置內(nèi)的頂空氣體由進(jìn)氣管進(jìn)入溫室氣體分析儀進(jìn)行分析，分析完成后通過出氣管返回裝置內(nèi)，以確保反應(yīng)器內(nèi)氣壓的相對穩(wěn)定．

1.2 實驗方法

將水樣通過進(jìn)水口用水泵勻速注入裝置內(nèi)，當(dāng)水位到達(dá)圓柱體1/2的高度時，停止注水．使用透明的氣管(八分管)，經(jīng)由圓柱體頂端的出氣口與進(jìn)氣口，將整個反應(yīng)裝置與溫室氣體分析儀相連，構(gòu)成密閉回路，實時在線監(jiān)測裝置內(nèi)氣體濃度的變化，接通氣泵與風(fēng)扇電源并開啟溫室氣體分析儀進(jìn)行監(jiān)測．氣泵將裝置內(nèi)水體上方頂空氣體通過曝氣石鼓入水中，部分CH4溶解于水體，部分CH4以氣泡的形式擴(kuò)散出來．水中的氣體與頂空氣體不停地進(jìn)行交換，從而使裝置內(nèi)CH4濃度處于動態(tài)變化，最終達(dá)到水-氣平衡狀態(tài)．

1.3 裝置內(nèi)水-氣平衡時間

采集某池塘水體約6.5 L，加入預(yù)先配置好的飽和氯化汞溶液(體積比約為2%)達(dá)到滅活微生物的效果，混勻后注入裝置內(nèi)進(jìn)行測試．溫室氣體分析儀可實時記錄反應(yīng)裝置內(nèi)上方氣體中CH4濃度，并在顯示屏上顯示CH4濃度變化的趨勢圖．根據(jù)CH4濃度變化趨勢圖顯示，當(dāng)CH4濃度趨于穩(wěn)定后(水-氣平衡)關(guān)閉氣泵和溫室氣體分析儀，并在靜置數(shù)小時后再次打開溫室氣體分析儀測量裝置上方頂空CH4濃度．

1.4 水體CH4消耗速率計算

采集某池塘表層溶氧飽和的水體注入裝置，放入恒溫箱內(nèi)在指定溫度下培養(yǎng)24 h后進(jìn)行監(jiān)測，依次開展不同溫度下水體CH4消耗實驗，并進(jìn)行重現(xiàn)性檢驗．實驗測量系統(tǒng)內(nèi)CH4總量隨時間的變化可以估算水體CH4消耗速率．CH4總量(N)包括以下兩部分：裝置上方頂空氣體部分與溶解于下伏水體的部分，水-氣平衡后裝置上方頂空氣體CH4濃度(Cg)由溫室氣體分析儀測定，乘以整個測量系統(tǒng)的氣體體積(Vg)計算得到氣相部分總量(Ng)，溶解于水體的部分(Na)可根據(jù)亨利定律(1)(2)計算得到溶存甲烷濃度(Ca)，乘以系統(tǒng)中水體體積(Va)得到：

Hcc=Ca/Cg

(1)

Hcc=Hcp×RT

(2)

其中：Hcc為無量綱亨利溶解度；Hcp為亨利溶解度(mol·m-3·Pa-3)；T為溫度(K)；R為氣體常數(shù)(8.314 J·mol-1·K-1；Ca為水相濃度(μmol/L)；Cg為氣相濃度(μmol/L)[34]．

裝置中CH4總量通過(3)式進(jìn)行計算，分析CH4總量與時間的變化關(guān)系，即可估算CH4消耗速率：

N=CgVg+CaVa

(3)

其中：N為物質(zhì)的量(μmol)；Vg為氣體體積(L)；Va為水體體積(L)．

2 結(jié)果與分析

2.1 水-氣平衡時間

測試結(jié)果如圖2所示，根據(jù)溫室氣體分析儀實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，氣泵曝氣約15 min，裝置內(nèi)達(dá)到水氣平衡狀態(tài)，測得裝置內(nèi)實際頂空CH4濃度為0.105 7 μmol/L，氣泵關(guān)閉靜置約11 h后裝置內(nèi)上方頂空CH4氣體濃度值為0.106 7 μmol/L(5 min測量值的平均)，二者偏差為0.95%．氣體濃度隨時間呈指數(shù)變化趨勢，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出水氣平衡狀態(tài)下的頂空CH4濃度的理論值為0.105 9 μmol/L，與曝氣15 min監(jiān)測的實際結(jié)果偏差為0.17%，與氣泵關(guān)閉靜置數(shù)小時后的實測結(jié)果偏差為0.75%．實驗結(jié)果表明，在一定體積的封閉空間內(nèi)，使用氣泵及曝氣石將上方頂空氣體與其對應(yīng)的下部水體混合交換的方法，可以在15 min內(nèi)基本實現(xiàn)CH4在水體和頂空氣體間的平衡．相比于Lofton等[35]、Valentine等[36]測定頂空CH4濃度前培育的時間較短．

圖2 實驗期間DLT-100溫室氣體分析儀監(jiān)測到的氣體濃度

表1 水-氣平衡時間數(shù)據(jù)對比

2.2 重現(xiàn)性

在15℃有光照(或無光照)及25℃無光照條件下，在兩個相同的裝置中注入等量且水質(zhì)相同的水樣，并注射一定濃度的CH4，以控制兩個裝置內(nèi)CH4初始量．依次進(jìn)行CH4消耗速率的測定，測試結(jié)果如圖3(15℃有光照條件)、圖4(15℃無光照條件)、圖5(25℃無光照條件)所示．其中(a)為裝置內(nèi)CH4隨時間的變化，均呈現(xiàn)指數(shù)型降低趨勢(R2>0.999)；(b)為根據(jù)實測值估算的CH4消耗速率隨水體溶解CH4濃度的變化，均表現(xiàn)為線性變化(R2>0.993)；(c)為根據(jù)(a)中擬合估算的CH4消耗速率隨水體溶解CH4濃度的變化，也顯示出良好的線性關(guān)系．相同溫度不同光照條件下(圖3、圖4)以及不同溫度相同光照條件下(圖4、圖5)的實驗結(jié)果均表明，相同水質(zhì)、CH4初始總量不完全相同的裝置中，當(dāng)水體溶解CH4濃度相同時，按照本文觀測方法得出的CH4消耗速率十分接近，例如15℃有光照、溶解甲烷濃度為0.1 μmol/L時，裝置1甲烷消耗速率為8.945 μmol·L-1·h-1，裝置2中為8.455 μmol·L-1·h-1，二者偏差為5.5%．因此，本文的觀測方法具有良好的重現(xiàn)性．

圖3 溫度為15℃、有光照時裝置1與裝置2中CH4消耗速率變化

圖4 溫度為15℃、無光照時裝置1與裝置2中CH4消耗速率變化

圖5 溫度為25℃、無光照時裝置1與裝置2中CH4消耗速率變化

2.3 不同溫度下水體CH4消耗速率

15℃、20℃、25℃三個溫度條件下裝置內(nèi)CH4總量隨測定時間的變化、CH4消耗速率隨水體溶解甲烷濃度變化分別如圖6～7所示．實驗結(jié)果表明，所有溫度下CH4總量均呈現(xiàn)指數(shù)型降低(如圖6所示)，CH4消耗速率均與其在水體中的溶解濃度密切相關(guān)，且在本文觀測溶解甲烷濃度范圍內(nèi)(0.01～0.1 μmol/L)表現(xiàn)為線性正相關(guān)且R2>0.999(如圖7所示)．當(dāng)水體溶解甲烷濃度大于0.042 μmol/L時，甲烷消耗速率呈現(xiàn)20℃>15℃>25℃．有學(xué)者研究表明水柱中CH4氧化與眾多因素有關(guān)，其中溫度升高可促進(jìn)甲烷的需氧氧化，主要表現(xiàn)為促進(jìn)甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)改變和增強其活性以及提高氧化酶的活性，但這些均建立在甲烷充足以及溫度適宜的條件下，例如Lofton等[35]研究了溫度對Arctic Alaskan湖泊甲烷動態(tài)的影響，研究認(rèn)為底物飽和的甲烷氧化速率對孵化溫度(0～16℃)的升高呈線性響應(yīng)，通過動力學(xué)曲線表明甲烷氧化速率與底物濃度呈線性關(guān)系．

圖6 不同溫度下裝置內(nèi)CH4總量的變化

圖7 不同溫度下水體CH4消耗速率

3 結(jié) 論

本文提出的新型快速監(jiān)測水體甲烷消耗速率的裝置能在較短的時間內(nèi)分離水樣中的溶存CH4，在15 min基本實現(xiàn)CH4在水體和頂空氣體間的平衡，與溫室氣體分析儀連接可測定水體CH4消耗速率．該方法具有良好的重現(xiàn)性，不使用環(huán)境毒害性試劑，相對于傳統(tǒng)方法更加簡便、經(jīng)濟(jì)、高效．