甲烷是一種重要的溫室氣體，其貢獻率僅低于CO2和水汽。海洋是全球尺度上重要的碳庫，水中微生物對甲烷的氧化作用是控制海洋溶解甲烷釋放到大氣中的重要手段。其氧化速率對全球碳循環(huán)、溫室氣體研究有重要意義。

Uhilig和Loose探索了使用穩(wěn)定同位素甲烷示蹤技術(shù)來量化北極海水樣品中甲烷氧化速率的方法。使用PICARRO G2201-i光腔衰蕩光譜儀（CO2、CH4濃度及同位素分析儀）測定了多層鋁箔培養(yǎng)袋中頂空中甲烷濃度和同位素比率。甲烷質(zhì)量平衡和穩(wěn)定同位素比值的變化是甲烷氧化過程相互獨立的制約因素。結(jié)果顯示基于兩種獨立因素計算的甲烷氧化速率趨勢一致。

試驗方法：

1. 多層鋁箔氣體采樣袋

l 樣袋1L容積，配有一個聚丙烯組合閥和隔墊。

l 試驗采集海水大概0.8L，頂空0.1L。

2. 甲烷濃度和同位素比值的測量

l 分析儀主機采用PICARRO G2201-i搭配SSIM小樣品進樣模塊；

l 主機測量甲烷確保量程1.8~500ppm，如果濃度過高可使用稀釋模式；

l 實際進樣量0.02mL~10mL；

l 氣體樣品導入SSIM模塊前進行干燥除水。

3. 數(shù)據(jù)校正

l 校正周期：一般24h，較長間隔31h。

l 標氣d13C-CH4 范圍：-23.9‰ ~ -66.5‰。

l CH4濃度>1.8ppm時 dCH4精度是0.62‰； CH4<1.8ppm時 dCH4精度是1.8‰，見上圖C。

4. 培養(yǎng)試驗

l 多層鋁箔樣袋原位采集~0.8L海水（無氣泡），打入0.1L零空氣，同時打入標記的甲烷氣體（形成濃度梯度和同位素比值梯度）。

l 0℃避光保存12天（不同試驗處理）

l 對照試驗中加入NaOH溶液殺死微生物。

l 采氣前需要靜置12h以上，使CH4在水-氣界面達到平衡；另外手動搖晃樣袋2分鐘后采集頂空氣；

l 定期采集頂空氣，測量甲烷濃度和同位素比值。

圖表 1 Concentration of CH4 in the water (c(CH4)water) (a, e), natural logarithm of the total molar mass of CH4 (ln(n(CH4)t) (b, f), isotope ratio (d13CH4) (c, g), and y-axis-term according to Eq. 10 (d, h) in selected incubations at CH4 spike concentrations of 2003 (a–d) and 103/33 (e–h). Sampling sites are Utqiagvik, Alaska, close to the IMB and Nbay. The slope of the regression lines in (b, f), and (g, h) result in the respective kox as described in the text (Eqs. 5, 10). Error bars are standard deviations of technical replicates from one bag and are, if not present, covered by the symbol size.

結(jié)論：

1. 穩(wěn)定同位素比值是甲烷氧化過程一個獨立的限制因素。

2. 同位素比值的變化和同位素分餾系數(shù)與微生物群落組成相關(guān)。

圖表 2 Comparison between first order oxidation constants (kox) determined from CH4 concentration (ppm) and isotope ratios (delta). (a) k_ox,delta was determined with two different fractionation factors a_ox=1.007 in gray and a_ox=1.025 in black. Black solid line is y=x.  Note the different scales on the axes between (a) and (b). Error bars indicate the standard error of the slope of the linear models determined according to Eqs. 5, 10.

1. Picarro G2201-i分析儀在試驗中非常有吸引力。分析儀結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便，可以在多種環(huán)境條件下布置和開展試驗。G2201-i搭配SSIM模塊總功率300W，只需要一瓶零空氣即可開始測試。

2. 氣密的多層鋁箔樣品袋提供了很大的便利。極地泄露率kox=0.001-0.995d-1；彈性氣袋可以自適用內(nèi)外氣壓；采集0.8L海水，大體積樣品帶來穩(wěn)定的測量結(jié)果；可以使用1-10L容積。

3. 該方法可以推廣到其他海洋條件。

參考文獻：Christiane Uhlig and Brice Loose.  2017.  Using stable isotopes and gas concentrations for independent constraints on microbial methane oxidation at Arctic Ocean temperatures.  Limnol. Oceanogr.: Methods 00, 2017, 00–00. doi: 10.1002/lom3.10199