陸域泥火山攜帶深部流體和氣體可造成急劇的氧化還原梯度和生地化循環

王珮玲

生存在地下環境中的微生物,調控了地殼、水圈和大氣之間的碳、氮和硫等元素循環,在現代和地質時間尺度上均有重要影響。泥火山是自然環境中甲烷的逸散通道,可以提供直接的材料來瞭解深部微生物族群和流體特徵,進而評估在泥火山系統中的微生物組成和代謝活動對於溫室氣體排放的緩解。儘管透過泥火山可將深部具有還原力的流體連續輸送到地表環境中,但大氣中氧氣的向下滲透可將其抵消。我們所熟知的海域泥火山之氧氣滲透模式、大小和耗氧微生物的代謝特徵,是否與可直接接觸大氣且缺乏硫酸鹽的陸域泥火山相仿?仍屬未知。

本所與地質所同仁、學生為主的研究團隊以台灣西南部富含甲烷的新養女湖泥火山為題材,進行了地球化學和分子生物學分析,找出氧化還原變化、化學物質通量和微生物族群特徵之間的關連(圖一)。整合次世代高通量分析技術獲得微生物族群、總體基因組數據和孔隙水的地球化學組成,闡明了微生物族群結構與地球化學間的交互作用關連。數次從新養女湖泥火山取回的樣本中,均發現氧氣的滲透被限制在泥池上部數毫米的泥漿中,整體表現出急劇的氧化還原變化對於地球化學和分子生物特徵的控制。通量計算結果顯示流體/泥漿交界處氧氣消耗的重要驅動因素是硫化氫和黃鐵礦的氧化,而急劇的氧氣梯度是由分層發生的微生物厭氧代謝反應所導致,這些作用包括硫氧化、硫酸鹽還原、甲烷的厭氧氧化和沿著池周邊深處的產甲烷作用。這種代謝分層和組織可以有效地消耗現地產生和由深處向上遷移的甲烷。(資料請見延伸閱讀)

我們的研究結果表明,地質流體沿著裂縫網絡向上運輸過程中,來自深部的還原性無菌流體被置入了淺部的微生物族群。這些微生物形成的代謝結構,沿著氧化還原交互帶驅動硫、甲烷和有機碳的強烈循環,改變泥漿池及周圍的物理化學環境(圖二)。

 

延伸閱讀:

Lin, Y.-T., Tu, T.-H., Wei, C.-L., Rumble, D., Lin, L.-H., Wang, P.-L. (2018) Steep redox gradient and biogeochemical cycling driven by deeply sourced fluids and gases in a terrestrial mud volcano. FEMS Microbiology Ecology, 94(11), fiy171. doi: 10.1093/femsec/fiy171

Available at:

https://academic.oup.com/femsec/article-abstract/94/11/fiy171/5079636

 

 

圖一、新養女湖泥火山野外照片與採樣標示。

圖二、陸域泥火山之深部流體遷移與伴隨微生物活動模型。