海洋科學學院宮尚桂等人在EPSL期刊發表最新研究成果：多硫同位素方法示蹤甲烷厭氧氧化過程

近日，伟德BETVLCTOR極端海洋沉積地球化學研究團隊聯合南京大學、麻省理工學院等單位合作者，在Nature Index刊物Earth and Planetary Science Letters發表了題為“Multiple sulfur isotope systematics of pyrite for tracing sulfate-driven anaerobic oxidation of methane”的研究論文。宮尚桂博士為論文的第一作者，彭永波教授和馮東教授為共同通訊作者。

越來越多的證據表明，甲烷的釋放可能對全球環境氣候的調節起到了關鍵作用，示蹤甲烷的消耗過程是目前地球系統科學研究的熱點之一。海洋環境，與甲烷厭氧氧化耦合的微生物硫酸鹽還原作用（簡稱MSR）消耗了超過90%的由深部向海底釋放的甲烷。MSR驅動的碳硫循環涉及海水硫酸根消耗、黃鐵礦和有機質埋藏、甲烷通量等，調節了海洋的氧化還原狀态和溫室氣體排放。微生物硫酸鹽還原作用的兩條途徑：有機質驅動（OSR：2CH₂O + SO₄²⁻ → 2HCO₃⁻ + H₂S）和甲烷驅動（SD-AOM：CH₄ + SO₄²⁻ → HCO₃⁻ + HS⁻ + H₂O），在化學計量上和反應速率等方面具有顯著的差異。在富甲烷環境，微生物優先利用甲烷，且硫酸鹽還原速率會高出正常海洋環境2~3個數量級。 因此，OSR和SD-AOM過程的示蹤是定量評估MSR在海洋碳硫循環中的作用及其環境效應的重要前提。利用硫同位素探讨MSR過程已成為行之有效的重要手段之一。

2018年，Gong等發現甲烷“冒泡區”重晶石多硫同位素組成Δ³³S vs. δ³⁴S具有負相關關系，與前人報道的OSR主導環境中孔隙水硫酸根Δ³³S vs. δ³⁴S正相關關系截然不同，由此創建了多硫同位素識别高甲烷通量環境的新方法，該方法已用于解決重大科學問題，如地球上最古老的冷泉碳酸鹽岩成因之謎（Peng et al., 2022）。相比甲烷“冒泡區”，海底低甲烷擴散型滲漏環境分布更加廣泛，那麼在擴散型甲烷滲漏環境中孔隙水硫酸根Δ³³S vs. δ³⁴S的關系又是如何呢，即多硫同位素是否可以示蹤擴散性甲烷滲漏環境SD-AOM作用？根據甲烷滲漏環境孔隙水氧硫同位素組成特征（Gong et al, 2021），研究團隊提出科學假說：MSR過程中多硫同位素分餾主要受電子類型的控制，在低甲烷通量環境中孔隙水硫酸根Δ³³S和δ³⁴S之間仍然為負相關關系。

為了檢驗這一假說，研究團隊選取南海陸坡典型甲烷擴散型滲漏環境，分析了孔隙水硫酸根和黃鐵礦多硫同位素組成，确定了擴散型滲漏環境孔隙水硫酸根Δ³³S vs. δ³⁴S負相關關系（圖 1，紅色箭頭），驗證了電子供體的類型對微生物硫酸鹽還原過程中同位素分餾的關鍵性作用，即甲烷厭氧氧化過程微生物硫酸鹽還原作用會産生特有的Δ³³S vs. δ³⁴S之間的負相關關系（Gong et al, 2022）。

然而，擴散性甲烷滲漏環境無法形成大量碳酸鹽岩和重晶石，這使得孔隙水硫酸根多硫同位素信号難以保存在沉積記錄中。考慮到黃鐵礦在上述不同沉積環境中均普遍存在，研究團隊進一步解析了這些沉積環境中黃鐵礦多硫同位素的組成特征，發現擴散型甲烷滲漏環境中的黃鐵礦相對正常海洋環境和甲烷“冒泡區”具有更大Δ³³S - δ³⁴S分布區間（圖 2，非灰色 區域），由此建立了基于黃鐵礦的多硫同位素示蹤甲烷厭氧氧化過程的新方法。該研究系統闡述了多硫同位素示蹤SD-AOM地質記錄的适用性，為評估過去甲烷滲漏在地球表層系統中的作用提供了理論基礎。

圖1. 沉積物孔隙水硫酸根和自生黃鐵礦多硫同位素組成。注：擴散性甲烷滲漏環境硫酸鹽還原帶由OSR帶和甲烷硫酸鹽轉換帶（SMTZ）組成。

圖2. 海底擴散型甲烷滲漏環境黃鐵礦多硫同位素組成特征。其中，灰色 區域為甲烷“冒泡區”和正常OSR主導的沉積環境黃鐵礦多硫同位素組成。

研究得到了國家自然科學基金委，中國博士後科學基金和廣東省基礎與應用研究項目的聯合資助。

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Gong, S.G., Feng, D*., Peng, Y.B., Peckmann, J., Wang, X.D, Hu, Y., Liang, Q.Y., Feng, J.X., Chen, D.F., 2021. Deciphering the sulfur and oxygen isotope patterns of sulfate-driven anaerobic oxidation of methane. Chem. Geol. 581. 120394. (Invited Research Article).

Gong, S.G., Izon G., Peng, Y.B*., Cao, Y.C., Liang, Q.Y., Peckmann, J., Chen, D.F., Feng, D*., 2022. Multiple sulfur isotope systematics of pyrite for tracing sulfate-driven anaerobic oxidation of methane. Earth Planet. Sci. Lett. 579, 117827.

Gong, S.G., Peng, Y.B*., Bao, H.M*., Feng, D., Cao, X.B., Crockford, P.W., Chen, D.F., 2018. Triple sulfur isotope relationships during sulfate-driven anaerobic oxidation of methane. Earth Planet. Sci. Lett. 504, 13-20.

Peng, Y.B., Bao, H.M*., Jiang, G.Q., Crockford, P., Feng, D., Xiao, S.H., Kaufman, A.J., and Wang, J.S., 2022, A transient peak in marine sulfate after the 635-Ma snowball Earth. Proc. Natl. Acad. Sci. 119, 19, e2117341119.