地科学院胡文瑄教授课题组在地质时期微生物产甲烷作用研究方面取得重要进展

产甲烷 湖泊 甲烷 微生物
南京大学    2021-10-08    46

近日,南京大学地球科学与工程学院胡文瑄教授课题组在古湖泊微生物产甲烷作用研究方面取得重要进展,研究成果以"Methanogen microfossils and methanogenesis in Permian lake deposits"为题在线发表于国际地学领域顶级期刊《Geology》。

微生物产甲烷作用不仅是浅埋藏沉积中生物成因天然气的形成机制,而且是大气中温室气体甲烷的主要来源(约占当前全球甲烷排放总量的74%)。因此,产甲烷菌作用是生物气藏形成和全球碳循环的关键环节之一。但目前为止,地质时期微生物产甲烷的直接证据不多,对古湖泊中甲烷产生和排放过程也知之甚少。

胡文瑄教授课题组在新疆准噶尔盆地二叠纪湖泊沉积岩中发现了大量由白云石组成的微米级球状体,具有良好的细胞结构保真度,以单个微球体或成对半球形式产出,直径仅几微米或十几微米(图1)。显微镜下微球体成群出现,密度很大,每平方毫米多达数千个。发育此类微球结构的自生白云岩具有极正的δ13C值,可高达+20‰ V-PDB,应归因于微生物产甲烷作用,即该过程产生了贫13C的CH4和富13C的CO2,后者参与了高δ13C白云石的形成(图2)。综合场发射扫描电镜观测和高分辨率二次离子质谱原位微区同位素测试等结果,认为这些微球是矿化的产甲烷古菌。

系统研究发现,发育产甲烷菌结构且高δ13C值的白云岩夹层在纵向上断续分布达数百米,横向分布也很广,说明产甲烷作用在该区二叠纪古湖泊中曾经非常显著。产生的甲烷气会有相当一部分释放到空气中,可能是地质时期大气中甲烷的重要来源(图3)。这项研究不仅填补了产甲烷古菌化石记录的空白,也为古湖泊生物气形成和甲烷排放提供了直接证据,对理解地质历史时期的碳循环(乃至气候变化)具有重要意义。

地科学院2019级博士研究生孙福宁为论文第一作者,胡文瑄教授为论文通讯作者。论文作者还有地科学院王小林副教授、曹剑教授、杨生超博士,以及澳大利亚国立大学傅斌博士和东北石油大学吴海光博士。该研究得到国家自然科学基金(41830425; 41922023)和国家科技重大专项(2016ZX05002-006-005)的联合资助。

论文链接:https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article/doi/10.1130/G47857.1/590542/Methanogen-microfossils-and-methanogenesis-in

图1 自生白云岩中矿化的球状产甲烷古菌

图2 与微生物产甲烷作用密切相关的自生白云岩及其碳-氧同位素组成

图3 二叠纪古湖泊中微生物产甲烷作用过程及碳循环示意图


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