氧化还原条件和温度对泥炭藓正构烷烃降解的影响

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近日,地球科学国际知名期刊《Chemical Geology》在线发表了实验室闫超阳同学与合作者完成的学术论文- Effects of redox conditions and temperature on the degradation of Sphagnum n-alkanes(氧化还原条件和温度对泥炭藓正构烷烃降解的影响)。

论文内容

泥炭沉积中的叶蜡正构烷烃是古环境重建的重要指标之一,泥炭藓作为其中重要的成炭植物,其正构烷烃组成通常以n-C23和n-C25为主。而目前泥炭藓衍生的正构烷烃在早期成岩过程的稳定性仍有待研究。围绕此问题,我们实验室张一鸣等人开展了泥炭藓活体与凋落物中正构烷烃组成的对比研究,提出了泥炭藓烷烃可能易降解的初步认识(Zhang et al., 2017;Organic Geochemistry v. 105, p. 13-19)。

为了获取更直接的证据,在本研究中,我们以典型的亚高山泥炭湿地-湖北省神农架大九湖湿地的泥炭藓(Sphagnum palustre)为研究材料,在实验室环境中进行为期13个月的降解袋分解实验,对不同氧化还原(有氧和厌氧)条件和环境温度(15°C vs 25°C)条件下正构烷烃的分子组成和单体化合物碳同位素组成进行研究分析。

图1 研究地点:湖北省神农架大九湖湿地

研究结果显示,在有氧降解的条件下,中链正构烷烃(n-C23和n-C25)相对于其长链同系物(n-C29和n-C31)会发生优先降解,导致长链正构烷烃的相对比例增加,与此同时正构烷烃分子组成的变化伴随着中链正构烷烃δ13C值的正偏,而长链烷烃δ13C值几乎保持不变。此外,在厌氧降解条件下,正构烷烃的链长分布和δ13C值均没有明显变化。统计分析表明,氧化还原条件对泥炭藓正构烷烃的降解作用显著,而温度的影响则不显著。这些发现将促进泥炭正构烷烃作为古环境指标在重建植被类型和泥炭沉积环境中应用的机理认识,尤其是在氧化还原条件剧烈变化的水位波动环境下。

图2  在为期13个月的降解实验中,不同实验条件下泥炭藓正构烷烃随时间的含量变化

图3  泥炭藓样品中正构烷烃分布的相关分析图。右上角蓝色表示正相关,红色表示负相关,*表示p < 0.05。左下方的图表是两种同系物各自的散点图

为了探究氧化还原条件和温度条件对泥炭藓正构烷烃降解的影响,本研究设计了四种实验条件,即:好氧25℃条件(O-25)、好氧15℃条件(O-15)、无氧25℃条件(B-25)、好氧25℃条件(B-15),在新鲜泥炭藓样品中,正构烷烃的分子组成呈现典型的以中链和长链组分为主峰的“双峰模式”,而在好氧条件下经过13个月的降解后,中链组分含量显著降低,导致正构烷烃的分布模式变为以长链组分为主的“单峰模式”。通过对官能团化脂类(脂肪酸、脂肪醇、脂肪酮)的含量分析,我们推测中链正构烷烃在有氧条件下可能氧化成为脂肪酸和脂肪醇。另外导致这种现象的原因或许也与微生物相关,这一假设与先前的研究一致,并且得到了CPI数据的进一步支撑。同样对于正构烷烃的δ13C值来说,其在降解实验中的变化规律也支持了微生物降解的重要性。先前研究表明,微生物分解会优先破坏键能较小的12C - 12C键而非12C - 13C键,因此如果在样品经历了强烈的微生物分解作用,那么中链(n-C23和n-C25)的δ13C值将会出现正偏的情况。这一解释与我们的研究结果一致,即泥炭藓凋落物的n-C23(δ13C23)的δ13C值在有氧条件下发生正偏。结合野外监测数据,相关研究研究也已经证实,上覆泥炭藓与下覆凋落物的Paq值与氧化还原电位呈负相关关系,这与泥炭地水位的重要作用相一致,即在具有淹水条件的生态系统中,水位的波动控制氧化还原条件的改变,从而进一步影响微生物活动,最终导致中链组分的优先降解。

图4 上图为降解实验中CPI及Paq指标的变化情况;下图(a)为n-C23的δ13C值变化情况(b)为n-C29 的δ13C值变化情况

对于温度条件来说,相比于氧化还原条件,它对正构烷烃的分子组成和δ13C值的影响并不显著,造成这种微弱影响的原因还需要进一步研究,但一种可能的解释是降解正构烷烃的微生物对这种酸性泥炭地的氧化还原条件相对于温度条件更加敏感。另一种可能性是实验室模拟的条件限制了生存于泥炭中的微生物群落适应温度变化的能力,导致微生物活性在不同温度条件下的差异较小。

图5  凋落物中正构烷烃δ13C值的相关分析。右上角蓝色为正相关,红色为负相关,*表示p < 0.05。左下方的图表是两个同系物各自的散点图

本研究基于实验室条件下的泥炭藓降解实验,发现了降解过程中正构烷烃差异性的分布模式,这对将泥炭藓衍生的正构烷烃指标应用于以泥炭为载体的古气候重建研究中具有重要意义。特别是中链正构烷烃的优先降解给Paq这一指标的应用带来了不确定性。目前在泥炭地环境中,这一指标通常被用来推断泥炭藓输入的相对比例,进而推断植被群落组成和古水文情况的变化。然而由于中链烷烃相对于长链正构烷烃优先降解,因此在分析泥炭沉积中Paq值随时间的变化时应当更加谨慎,因为这可能是植物群落变化和环境条件变化的共同影响,也即相对较高的Paq值通常对应泥炭藓为主的阶段。然而,若是Paq值相对较低,也不能排除以泥炭藓为主的阶段,特别是在相对温暖的亚热带地区,因微生物活性较高,因此可以选择性降解较短链长的正构烷烃。此外,在有水位波动的环境中,应当采取更为谨慎的态度,在这些环境中,有氧降解和厌氧降解的不同影响可能会使生物标记物的应用更加复杂化。

闫超阳,男,中国地质大学(武汉)2018级硕士研究生,师从黄咸雨教授。研究方向:泥炭地碳生物地球化学循环与全球变化。


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