日本地质调查局等机构在顶级学术期刊《Science》上发表了一项研究，揭示了氢营养型产甲烷古菌主导的新机制能够显著改变甲烷的同位素信号。这项研究挑战了传统利用甲烷同位素地球化学指标源判别方法，为碳循环和天然气资源研究带来新视角。
通过解析碳氢同位素比率，科学家能够推断出甲烷的生成环境及其可能的地质历史。
近期，一项由日本地质调查局等机构发表在顶级学术期刊《Science》上的研究揭示了一种由氢营养型产甲烷古菌主导的新机制，能够显著改变甲烷的同位素信号。这项题为“Hydrogenotrophic methanogens overwrite isotope signals of subsurface methane”的研究成果不仅挑战了传统利用甲烷同位素地球化学指标源判别方法，还为全球碳循环和天然气资源的研究提供了全新的视角。
甲烷作为一种重要的温室气体和能源，其形成过程的研究一直是地球化学和能源科学的核心领域之一。科学家们通常利用甲烷的碳和氢（D/H）同位素组成来判断其来源及形成环境。然而，在深层地下环境中，甲烷的同位素信号往往表现出接近热力学平衡的特征，而这一现象在实验室中从未被完全再现。为了探究这一现象背后的机制，研究人员模拟了深层地下环境（55°C，10兆帕），将氢营养型产甲烷古菌与产氢细菌共培养。通过严格控制实验条件，他们首次在实验室中实现了甲烷碳和氢同位素信号的近完全平衡。实验结果显示，在低氢浓度和高甲烷浓度条件下，甲烷的同位素信号从动力学非平衡状态逐渐向热力学平衡转变。这种转变不仅影响新生成的甲烷，还显著改变了外源热成因甲烷的同位素信号。
图1.实验室培养的甲烷同位素信号与自然环境中生物甲烷同种素信号的比较该发现对甲烷同位素作为地球化学代理指标的传统应用提出了挑战。研究表明，氢营养型产甲烷古菌能够“重写”甲烷的同位素信号，可能导致人们误判其来源。例如，在一些天然气储层中，即使甲烷的实际来源是热成因，其同位素信号可能会被生物过程所覆盖，呈现出生物成因的特征。此外，该研究还揭示了甲烷生成过程中的高度可逆性，表明在热力学极限条件下，甲烷的生成和氧化可能同时发生。这为理解深层环境中甲烷的生成和演化提供了新的理论依据。
值得注意的是，研究团队强调，这一发现并非否定传统方法的价值，而是呼吁在分析甲烷来源时，应结合更多的环境参数，如二氧化碳和水的同位素信号，从而更准确地判断甲烷的成因及其形成温度。这项研究不仅加深了我们对甲烷生成机制的理解，也为未来研究提供了重要的参考框架。
甲烷成因类型与碳氢同位素值特征
甲烷的碳氢同位素组成可以提供有关其成因类型的宝贵信息。自然界中的甲烷主要来源于两大类过程：热解成因（thermogenic）和生物成因（biogenic）。热解成因甲烷通常是在高温高压环境下，由埋藏的有机物质通过热化学裂解产生；而生物成因甲烷则是在低温条件下，由微生物活动（如发酵或产甲烷作用）生成。一般而言，生物成因甲烷具有更负的δ¹³C值（即含有相对更多的¹²C），因为微生物偏好利用较轻的同位素。相反，热解成因甲烷的δ¹³C值往往更正一些。此外，氢同位素比率（δD或δ²H）也能辅助区分这两种成因类型，生物成因甲烷同样倾向于拥有更负的δD值。通过分析甲烷样本中的碳氢同位素比率，科学家能够推断出甲烷的生成环境及其可能的地质历史，这对于理解地下资源、评估天然气储量以及研究全球碳循环等方面都至关重要。NASA最近发布了迄今为止火星最清晰的视频，展示了火星表面的壮丽景观。该视频是通过将来自多个火星探测器（如好奇号、机遇号和精神号）拍摄的高分辨率照片拼接而成，形成了超高清的4K视觉效果。
