滨海与深海生态环境研究中心团队：深海环境中微塑料与甲烷渗漏的相互作用研究

导读

由广东工业大学与南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）共建的滨海与深海生态环境研究中心团队在Engineering上发表了标题为“Interactions of Microplastics and Methane Seepage in the Deep-Sea Environment”的研究论文。海洋环境中的微塑料（microplastics, MPs）的关注度日益增高,已有研究表明，即使偏远深海的未知区域也发现了广泛分布的MPs。但是，目前有关冷泉中MPs的赋存水平，以及甲烷渗漏过程对MPs富集的影响作用，仍然知之甚少。本研究以南海北部海马冷泉为研究区域，实验研究了不同甲烷渗漏特征区域冷泉沉积物中MPs的分布特征。研究团队检验识别了共计16种类型MPs，并研究了甲烷渗漏与微塑料赋存之间的相互作用。

摘要

微塑料（microplastics, MPs）是人类社会的重要产物，对地球碳循环的影响作用日益显著。海面上漂浮的MPs与已进入海洋的MPs估值之间存在着巨大偏差，因此详细研究海洋MPs的沉积特性是势在必行的。冷泉是富含甲烷流体渗漏的典型地质现象，孕育典型的依赖甲烷生存的化能合成生态系统。本研究采集了冷泉沉积物进行实验研究，实验结果表明，在冷泉的沉积物中存在16种小粒径（<100 μm）MPs，且甲烷渗漏区域的表层沉积物的MPs丰度高于非渗漏区域，表明甲烷渗漏活动有利于MPs的富集、破碎、多样性变化和老化等作用。与此同时，粗糙的MPs表面可促进参与甲烷氧化的电子受体如铁元素的富集，而铁氧化物与甲烷的厌氧氧化（anaerobic oxidation of methane, AOM）密切相关。海底的AOM效率决定了海底渗出的甲烷能否进入大气层，对全球甲烷循环产生至关重要的影响，因为甲烷在20年内的温室效应是CO2的83倍，且深海环境富含天然气水合物，是地球上最大的甲烷储存库。

引言

MPs是粒径小于5 mm的塑料颗粒。前人根据全球范围内估算结果，表明海面上漂浮的MPs与已进入海洋的MPs估值之间存在着巨大偏差。表层海洋中缺失的MPs（尤其是小于1 mm的MPs）的去向问题已经引起了广泛关注。

在海洋中，洋流可以推动大量水体发生垂直转移和水平转移，这有助于MPs从海洋表面向深海转移。冷泉是一种独特的深海环境，富含甲烷的流体从海底渗漏至水体环境，繁育了丰富的化能合成生态系统。

传统的傅里叶变换红外光谱（FTIR）方法难以识别小于63 μm的MPs，研究团队使用激光直接红外（LDIR）化学成像系统来检测小尺寸的MPs，结果表明冷泉环境是MPs的重要沉积汇，尤其是小尺寸的MPs（<100 μm），并且冷泉中的甲烷流体活动与MPs之间存在密切的相互作用。

成果简介

01

海马冷泉中MPs的赋存水平与形态特征

图1显示了冷泉中MPs多样性的赋存水平，海马冷泉沉积物中MPs的平均数量浓度为1412.25±570.15 items·kg-1。与海山、大陆斜坡、深海平原、海底峡谷、深流漂流环境中的沉积物相比，冷泉沉积物是深海所有生态系统中MPs含量最高的。海马冷泉中MPs的平均表面积为2273.38±219.56 μm2 ，形态特征为颗粒状、碎片状、纤维状、泡沫状、薄膜状或线形，颜色主要为蓝色、白色、黑色和红色，其中，聚氨酯（PU）、聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）和聚酯（PET）是最重要的组成部分。

Fig.1. Distributions of area, size, morphology, color, and category of MPs in sites ROV1–ROV4. (a) Area distribution of the identified MPs. (b) Number abundance of MPs larger than 500 μm. (c) Number abundance of MPs smaller than 500 μm. (d) Proportions of MPs with different morphologies. Line: linear; Gran: granular; frag: fragment. (e) Color distribution of detected MPs. (f) Sixteen categories of MPs distributed among the different locations in the Haima cold seep. PU: Polyurethane; PA: polyamide; PET: ethylene terephthalate; POM: polyacetal; PC: polycarbonate; PE: polyethylene; PP: polypropylene; PS: polystyrene; PSU: polysulfone; PTFE: polytetrafluoroethylene; PVC: poly vinyl chloride; PB: polybutadiene; ALV: Alkyd Varnish; PMMA: polymethyl methacrylate; POL: polyether; AC: acrylates.

02

甲烷渗漏对MPs分布的影响

图2解释了甲烷渗漏环境是如何改变MPs尺寸的。研究发现来自无甲烷渗漏区域（ROV3）的MPs表面非常光滑，而来自甲烷渗漏区域的MP表面更粗糙（图2（d））。强甲烷渗漏（ROV1）和弱甲烷渗漏（ROV2）点位的MPs边缘存在许多毛刺。此外，观察到所有甲烷渗漏区的MPs都有分层剥落，甲烷渗漏活动引起的强烈流体碎裂使MPs表面更加粗糙。

Fig.2. Characterization of the fragmentation and surfaces of MPs. (a) Number and mass concentrations of MPs from the different locations. (b) Sediment grain size characteristics of the four sampling locations. (c) Relationship between normalized length and normalized area of small MPs (0–500 μm). (d) SEM images of the MPs from different locations.

图3显示，铁元素在强甲烷渗流场（ROV1）的MPs表面上显著富集，在弱甲烷渗流场中仅占3.4%，在强甲烷和弱甲烷渗流环境中，MPs粗糙外表面上的特定富集的铁和微生物，可能促进AOM动态过程，这可能促进深海生态系统中的能量和物质流动。

Fig.3. Characteristics of the surface morphologies of the MPs, the elements adsorbed onto the MPs, and the microflora in the active methane-seepage areas. SEM-energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) images of (a) ROV1 and (c) ROV2; Microflora of (b) ROV1 and (d) ROV2.

图4揭示了甲烷渗漏与MPs固存之间的相互作用机理。地质环境和水动力条件是影响海底MPs分布的重要因素。我们发现，甲烷渗漏行为影响着沉积物中MPs的丰度和多样性。图4中甲烷羽流的尾部区域存在再循环流和侵入流，这种独特的流体流动有助于沉积物中小颗粒和MPs的运输和富集。本研究结果表明，甲烷渗流促进了MPs的破碎。海马冷泉的基底为细泥，这种高比例的粘土有利于小粒径MPs的赋存。小尺寸的MPs可被海洋生物（如虎鲸、海龟和海鸟）吞食，并对其具有极大的生理毒性。在未来，MPs的赋存水平及其对冷泉生物的生态毒理学应受到重视。

在活跃的冷泉渗漏区，与甲烷生成和甲烷氧化相关的微生物活动相当高，附着在MPs表面的微生物活动加快了MPs的老化。老化MPs粗糙的表面有利于吸附与甲烷代谢相关的特定元素和微生物。从图3可以看出，在强弱甲烷渗漏区的MPs表面发现了由氧化铁和铁驱动的甲烷厌氧氧化古菌，表明甲烷流体渗漏导致的MPs破碎及老化对AOM是有促进作用的。

Fig.4. Framework of the effects of MP enrichment in surface sediments by the upwelling methane-containing fluid flow, and the relationship between the Fe accumulated on MPs and the promotion of the anaerobic oxidation of methane during methane transportation. The colorful lines, blocks, and fragments represent the MPs. Blue arrows and transparent bubbles indicate the methane-seepage phenomenon of methane flow and methane bubbles, while yellow arrows denote the intrusion layer and recirculation flow of the methane-bearing fluid. Tube worms and mussels represent the cold seep ecosystem.

总结与展望

这项工作中研究了深海冷泉沉积物中MPs的赋存特征。通过联合使用LDIR和FTIR方法，检测了大尺寸MPs分布（10-5000 μm）特征，共计识别了16种类型的MPs，远远超过了先前工作中鉴别的MPs类型数量，验证了该方法的有效性。含甲烷流体渗漏活动有助于微塑料在冷泉沉积物表层富集，另一方面，海底封存的MPs由于表面可富集特殊的离子和微生物，可能促进甲烷氧化作用。

未来，在与冷泉相关的特殊和脆弱的生态系统中，还应更多地关注甲烷迁移、碳循环和与MPs之间的相互作用，通过更多的数据、样本和仿真模型厘清甲烷循环与微塑料迁移转化的相关机理至关重要。

原文信息

Jing-Chun Feng, Zhifeng Yang, Wenliang Zhou, Xingwei Feng, Fuwen Wei, Bo Li, Chuanxin Ma, Si Zhang, Linlin Xia, Yanpeng Cai, Yi Wang. Interactions of Microplastics and Methane Seepage in the Deep-Sea Environment. Engineering, 2023, 08(009), doi.org/10.1016/j.eng.2022.08.009

• 信息来源：滨海与深海生态环境研究中心。

  转载请注明信息来源及海洋知圈编排

• ►《海洋机器人科学与技术丛书》出版发行