海底甲烷越狱记

甲烷是最简单的有机物，也是人们日常所用天然气的主要成分，作为一种清洁能源和重要的化工原料，深受人们的青睐和喜爱。然而，当这种气体大量释放到空气中时，所引起的温室效应也对地球生态环境造成不良影响，这又引起人们的烦恼和担忧。甲烷排放过程在自然界中普遍存在，目前大气甲烷浓度正以每年0.5%～1%的速度增长。

海洋占全球面积的71%，其海底具有全球最大的甲烷库存，海底甲烷主要以天然气、天然气水合物、石油、浅层气等形式被牢牢封存于沉积物中。然而，总会有一些“顽固”的甲烷分子试图逃脱海洋系统（沉积物、海水和微生物等）的层层束缚，逃逸到大气层中，造成全球气温上升、冰川融化、海平面升高等一系列的不良影响。为防止它们大规模“越狱”，海洋系统为此设置了两道防线。

第一道防线——沉积物的防护作用

海底沉积物可以作为致密的“城墙”储存各种形式的甲烷，也可以成为阻止甲烷分子向上逃逸的第一道防线。在沉积物这道防线中，密密麻麻分布着大量的“狱警”——微生物大军，时时刻刻进行巡逻监视。这些微生物大军的统帅是甲烷厌氧氧化古菌，这类古菌有三大家族，分别是ANME-1、ANME-2和ANME-3（甲烷厌氧氧化古菌-1、甲烷厌氧氧化古菌-2和甲烷厌氧氧化古菌-3）。在沉积物中，它们各显其能，能够联合硫酸根还原菌、铁锰还原菌、硝酸根还原菌等各路细菌“人马”，共同消灭试图“越狱”的甲烷分子。

在微生物大军的围追堵截下，试图逃逸的甲烷分子“死伤”惨重，约有80-90%的甲烷分子会被微生物所消灭。当然，在一些沉积物地层裂缝中，由于试图逃逸的甲烷通量过大，微生物来不及消灭，会有一小部分甲烷分子成功突破第一道防线逃逸到海水环境中。据估计，这些沉积物中的微生物大军每年可以消灭掉约3.42亿吨的甲烷分子，另外约有40～1220万吨甲烷分子能越过沉积物防线逃逸到海水中。

第二道防线——水圈的保护作用

对于那些成功突破海底沉积物这一防线的甲烷分子来说，就算“越狱”成功了吗？答案是否定的，因为它们还要突破第二道防线——水圈。从海底沉积物逃逸出来的甲烷分子能否顺利到达海面，进而进入大气层，会受到很多因素的影响，包括海水深度、海水温度、水体环流运动、甲烷上升速率、甲烷溶解速率和甲烷氧化作用等。

逃到海水中的甲烷首先会给自己穿一件“防护衣”，即在气泡表面形成一层甲烷水合物膜，这“防护衣”能够保护它们不会被海水溶解。然而，在甲烷气泡不断上升的过程中，由于压力减小，气泡体积变大，“防护衣”被逐渐撑破，因而甲烷只能溶解到海水中。

这时，微生物大军又开始不断进攻这些逃逸的甲烷分子。由于海水环境中含有氧气，甲烷厌氧古菌难以进入该领地，现在的统帅则变成了甲烷有氧氧化细菌。甲烷有氧氧化细菌也是个大家族，分为Ⅰ型菌、Ⅱ型菌和X型菌，它们能够利用不同的代谢途径消灭甲烷。观测研究结果表明，甲烷在海水中逃逸时会在海底上方形成羽状流（气体羽流），当上升至海底以上300～400米时，羽状流会随着甲烷溶解而消失，加之微生物的堵截氧化作用，能够逃至表层海水甲烷几乎可以忽略不计。所以，在深海水域（>600米水深）中逃逸的甲烷几乎难逃被消灭的命运，但是在浅水域（<50米水深）的甲烷渗漏区，由于海水的水层较薄，这里的甲烷分子能够较轻易地逃脱海水的束缚，顺利进入大气中。

由此可见，即使海洋具有全球最大的面积占比和甲烷库存，但是依托于沉积物和水圈这两道防线的防护作用，成功逃逸到大气层中的甲烷微乎其微，据估计，海洋甲烷的大气排放量仅占全球排放总量的1.5%～4%。

海底沉积物中蕴藏着大量的甲烷资源，具有良好的开发利用前景。天然气水合物作为甲烷存在主要形式之一，被认为是21世纪最具开发潜力的新型清洁能源，其储量是全球煤、石油和天然气总量的2倍。然而，天然气水合物开发所引起的甲烷泄漏等环境危害是科学家乃至社会各界普遍关注的焦点。我国两次海域天然气水合物试采已成功证明了甲烷泄漏的可控性，但在未来大规模商业开采过程中，如何更好地利用海洋系统中的天然防线，加强科技创新和工程技术攻关，有效防止甲烷分子“越狱”到大气层，仍然任重道远。