研究綜述 | 水體甲烷悖論影響碳中和目標
碳中和目前已成為國際共識，亦是我國政府的政治承諾。實現碳中和目標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，地面水體中在常規水底沉積物厭氧產甲烷(CH4)現象之外還存在著一種非常規CH4釋放現象，即，甲烷悖論。如果這種現象變得普遍，則有可能形成到21世紀中葉雖可實現化石燃料利用碳中和目標，但在世紀末卻可能形成難以完成控溫<2 ℃的尷尬局面。
甲烷常規產生途徑
在溫室氣體中就排放量而言，CO2首當其沖，約占溫室效應的1/4；CH4排放量雖不及CO2，但它25倍于CO2的全球增溫潛勢（GWP）不免令人擔憂。CH4常規產生途徑僅限于厭氧環境(氧化還原電位ORP≤-350 mV)，是在無氧和無機氧化劑(等)耗盡環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產生創造了良好條件，厭氧沉積物中富含大量產乙酸菌和產甲烷菌等微生物，通過水解、發酵、產甲烷等一系列代謝過程產生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是通過產甲烷菌進行CO2還原和甲基基質歧化反應所產生。因此，在缺氧的近岸海區底層沉積物中有著較強的CH4生產能力。在淡水生態系統中，植物和藻類被證實在沉積物產CH4途徑中起到關鍵作用；植物殘體、根系分泌物及微生物代謝產物成為濕地、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系統中80%以上的碳(CO2)，通過自身光合作用與共生微生物協同作用可將CO2轉化為水體中溶解性有機碳(DOC)。DOC一方面可以通過生物化學過程直接成為產甲烷菌所需碳源，另一方面其好氧(當存在時)分解至無機碳(DIC：CO2)過程中需要消耗大量氧氣，這也為產甲烷菌提供了良好的厭氧環境。
甲烷過量釋放現象
有人對美國五大湖之一的伊利湖(Lake Erie)進行了觀測，發現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天然氣配送系統或垃圾填埋場所產生的CH4總量。此外，有人建立了計算CH4產生與水體富營養化程度關系的數學預測模型；若全球湖泊富營養化程度增加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)。根據對未來內陸水域營養鹽負荷估算，到21世紀末因水體富營養化現象導致的CH4排放量將凈增30%~90%。
甲烷悖論與機理
自然水體中CH4過量釋放現象已經被普遍觀測到，僅靠常規底泥有機物厭氧消化途徑顯然難以自圓其說。按常規途徑，無論是海洋還是地表水體似乎應在底部沉積物處方能監測到最高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現CH4常常過飽和，并形成向大氣凈釋放CH4現象。這種現象不僅存在于海洋，有人對德國東北部Stechlin湖監測發現，在兩處含氧水相上層CH4濃度存在急增現象(水深6 m處，CH4濃度為1400nmol×L-1；水深>10m處，CH4濃度<200nmol×L-1)。此后，他們采用經驗模型對全球湖泊(≥0.01km)進行了評估，揭示出水體CH4總釋放量中約66%源于好氧環境。
有悖于傳統觀念中厭氧底泥CH4釋放，這種在好氧環境下CH4過量釋放的現象被學界稱之為“甲烷悖論”，其產生機理如下圖所示。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，在有氧環境下可以產生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象提供了理論根據。
結論
碳中和乃今后20~30年全球人類共同努力奮斗的目標，是人類命運共同體的具體體現。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CH4釋放現象。如果對這一“異常”現象不加以重視，即使若干年后我們實現了化石燃料使用碳中和，也很難難完成本世紀末全球控溫<2 ℃的目標。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生的負面影響。
甲烷悖論是水底沉積物厭氧產甲烷(常規)之外的好氧表層水產甲烷現象，且這種非常規(異常)產甲烷量往往高于常規產甲烷量。研究表明，甲烷悖論現象存在多種有氧環境產甲烷代謝途徑，目前研究已確定的主要有兩種：1）藻類代謝物產甲烷；2）甲基磷酸脂(MPn)脫磷酸酯產甲烷。前者可能因水體富營養化藻類大量繁殖引起，后者則發生于貧營養(缺無機磷)水體。可見，只有維持水體營養水平達到一種健康、平衡狀態方有可能減少甲烷悖論現象。為此，一方面需要加大對甲烷悖論現象機理的深入研究，以制定相應調控技術措施；另一方面需在水生態健康維護方面繼續進行卓有成效的實際工作。只有這樣才能最大限度減少CH4超量釋放現象，以保證在實現碳中和的同時也達到21世紀末全球控溫<2 ℃之目標。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
