Picarro G2201-i | 地下微生物群在碳循環(huán)和溫室氣體動態(tài)中的作用
原文鏈接：http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154921
應用背景
地下生態(tài)系統，例如洞穴和巖石裂縫中的生態(tài)環(huán)境，是地球上最不為人知的生境之一。盡管條件極端，如缺乏光照、有限的營養(yǎng)來源和變化的物理條件，這些環(huán)境中存在著復雜且多樣化的微生物群落。這些微生物的活動對于從地下傳向地表的化學物質循環(huán)具有關鍵影響，包括各種重要的溫室氣體。月乳石是一種在洞穴中發(fā)現的特殊沉積物，主要由微生物作用產生。月乳石的形成涉及到微生物群落中碳酸鹽礦物的沉積，這是一個典型的生物礦化現象。這個過程不僅對地質學家在解讀地殼礦物的成因與形成環(huán)境提供了重要視角，也對洞穴保護和管理提供了科學依據。地下生態(tài)系統可能在全球溫室氣體的源與匯動態(tài)中扮演著重要角色。例如，某些地下生態(tài)系統可以表現為甲烷的潛在匯，通過微生物過程將這種強效溫室氣體轉換為較不活躍的形式，從而減少大氣中的甲烷濃度。
這項研究評估和量化了洞穴沉積物和月乳沉積物與洞穴大氣直接交換的二氧化碳和甲烷通量，深入了解了地下生態(tài)系統中的微生物活動和相關的地化過程，以便于科學家更好地預測并調控這些生態(tài)系統對環(huán)境變化的響應，為生態(tài)保護、資源開發(fā)和環(huán)境監(jiān)管提供科學依據。
研究方法
這項研究在西班牙西北部的Pindal洞穴進行，該洞穴在海岸線附近有一個寬闊的入口，位于海拔50~64m的巖溶塊狀石炭紀石灰?guī)r的凹陷地帶。洞穴全長約590m，但進行研究的旅游區(qū)的長度為341m，東西方向，平均寬度為25m。
采樣選取了下圖中A到C點，月乳沉積依次減少。在這些區(qū)域內，按照深度可以分為兩種類型的樣品：1）最淺層（0-1 cm深），出現主要差異；2）更深層（1-3 cm深），更均勻，沒有可見的月乳沉積。所有樣品均進行無菌采集，并在4℃下保存，直到進一步的分析。
δ13Cbulk使用Picarro公司的G2201-i碳同位素分析儀配合燃燒模塊（CM）進行分析。通過自動進樣器將月乳和粉末沉積物樣品（約1.25 mg）裝入CM，在1200℃下實現完全燃燒。釋放的CO2通過除水和氣相色譜柱，轉移到Picarro A0301 Liasion中，隨后輸入CRDS分析儀進行測量分析。該系統組件采用超高純度N2作為載氣，采用純O2進行燃燒。每個樣本和標準品分別進行4次重復分析，舍棄第一次分析結果，避免來自前一個樣本的記憶效應影響。
研究中洞穴沉積物的樣本
研究結果
沉積物和洞穴空氣之間碳-溫室氣體通量的來源和交換率的現場勘探
在月乳和洞穴沉積物上的封閉氣體交換系統對碳-溫室氣體氣體通量的現場實時監(jiān)測，為洞穴內二氧化碳和甲烷的生產和吸收提供了有效的數據。在月乳上測量的碳氣體與洞穴大氣的交換模式與在裸露的洞穴沉積物上明顯不同。此外，從Pindal洞穴不同的通風條件下連續(xù)的調查中還觀察到了碳通量的變化。
Pindal洞穴生物地球化學過程及溫室氣體動態(tài)說明
來自月乳沉積物和裸露的洞穴沉積物的二氧化碳通量
在洞穴通風階段，當洞穴大氣中的二氧化碳濃度與自由大氣相似時，在完全被月乳沉積物覆蓋的區(qū)域的頂部檢測到了二氧化碳排放通量（正通量）。日平均CO2通量范圍為0.06~0.08μmol m-2 s-1，日變化較小。在停滯階段，在富含二氧化碳的洞穴大氣中，裸露洞穴沉積物上方的二氧化碳排放通量日均為0.15μmol m-2 s-1，日變化較高。然而，在完全被月乳沉積物覆蓋的區(qū)域之上，CO2通量小于通風時，以CO2吸收量（負通量）為主（日平均可達-0.04μmol m-2 s-1）。在停滯階段進行的大多數活動顯示，在月乳礦床以上的每日時間尺度上，通量強度有顯著的時間變化，交替排放或吸收，或全天在零左右波動。
根據小時平均CO2凈通量估計，裸露洞穴沉積物上方的24小時凈CO2平衡低于通風階段（低于600 mg m-2/天）。由于地下大氣的停滯，洞穴沉積物與洞穴空氣之間的CO2濃度梯度較低，擴散強度略有降低。無論如何，這些數據也表明，在裸露的洞穴沉積物中，現場活躍地產生了CO2。在月乳沉積物之上，CO2的日凈余額明顯較少。
來自月乳沉積物和裸露的洞穴沉積物的甲烷通量
在所有進行的調查中，月乳沉積物和裸露的洞穴沉積物與洞穴大氣交換的甲烷通量為負值。在洞穴通風階段，在A區(qū)和C區(qū)，相同強度的甲烷吸收通量相似。日平均甲烷通量為1.5 nmol m-2 s-1，甲烷凈吸收約為0.09 mg m-2 h-1，24小時總甲烷凈吸收估計為2.1 mg m-2/天。在洞穴停滯階段，在甲烷耗盡的洞穴大氣中，裸露洞穴沉積物上方的甲烷吸收通量不如通風階段強烈，24小時總甲烷凈攝取量減少了一半。
總結
本文研究了洞穴系統中二氧化碳和甲烷的行為動態(tài)，尤其是如何受到氣候驅動的洞穴通風控制。通過對Pindal洞穴進行的環(huán)境監(jiān)測和同位素追蹤，作者揭示了洞穴氣體成分的季節(jié)和日變化，深入探討了洞穴中CO2和CH4的生產、積累和釋放過程。特別是，研究顯示溫度差異驅動的對流通風在控制洞穴內氣體組成中起著關鍵作用。
觀察到的數據表明，在通風階段，CO2和CH4的通量和濃度與對外界環(huán)境的通風密切相關。與此同時，洞穴內的氣體組成還與生物誘導的月乳石沉積物和底層洞穴沉積物有關。同位素分析進一步證實了這些氣體的生物地球化學循環(huán)和動態(tài)變化。
該研究強調了對于全球環(huán)境變化研究的意義，洞穴氣體動態(tài)的監(jiān)測和理解對于預測全球氣候變化的影響至關重要。此研究為預測和管理全球氣候變化下的溫室氣體排放提供了重要見解。
