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中國給水排水2022年中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術與應用高級研討會(第十三屆)邀請函暨征稿啟事
 
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水體甲烷悖論影響碳中和目標

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2021-07-30  來源:中國水協(xié)  瀏覽次數(shù):103
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中國給水排水2022年中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術與應用高級研討會(第十三屆)邀請函暨征稿啟事

 中國給水排水2022年中國城鎮(zhèn)污泥處理處置技術與應用高級研討會(第十三屆)邀請函暨征稿啟事
 

水體甲烷悖論影響碳中和目標

 
  
  碳中和目前已成為國際共識,亦是我國政府的政治承諾。實現(xiàn)碳中和目標無疑需要人類共同努力,但自然界還存在著一些仍未被完全認知但又不可小覷的碳排放源。例如,地面水體中在常規(guī)水底沉積物厭氧產(chǎn)甲烷(CH4)現(xiàn)象之外還存在著一種非常規(guī)CH4釋放現(xiàn)象,即,甲烷悖論。如果這種現(xiàn)象變得普遍,則有可能形成到21世紀中葉雖可實現(xiàn)化石燃料利用碳中和目標,但在世紀末卻可能形成難以完成控溫<2 ℃的尷尬局面。
  甲烷常規(guī)產(chǎn)生途徑
  在溫室氣體中就排放量而言,CO2首當其沖,約占溫室效應的1/4;CH4排放量雖不及CO2,但它25倍于CO2的全球增溫潛勢(GWP)不免令人擔憂。CH4常規(guī)產(chǎn)生途徑僅限于厭氧環(huán)境(氧化還原電位ORP≤-350 mV),是在無氧和無機氧化劑(等)耗盡環(huán)境下有機物被氧化為CH4的過程。自然水體底部有機沉積物因厭氧以及缺少無機厭氧劑為CH4產(chǎn)生創(chuàng)造了良好條件,厭氧沉積物中富含大量產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌等微生物,通過水解、發(fā)酵、產(chǎn)甲烷等一系列代謝過程產(chǎn)生CH4。
  不同自然水體沉積物中CH4生成途徑存在較大差異,在海洋沉積物中大部分CH4是通過產(chǎn)甲烷菌進行CO2還原和甲基基質歧化反應所產(chǎn)生。因此,在缺氧的近岸海區(qū)底層沉積物中有著較強的CH4生產(chǎn)能力。在淡水生態(tài)系統(tǒng)中,植物和藻類被證實在沉積物產(chǎn)CH4途徑中起到關鍵作用;植物殘體、根系分泌物及微生物代謝產(chǎn)物成為濕地、湖泊等地表水體重要碳源來源;水生植物和藻類能夠共同固定生態(tài)系統(tǒng)中80%以上的碳(CO2),通過自身光合作用與共生微生物協(xié)同作用可將CO2轉化為水體中溶解性有機碳(DOC)。DOC一方面可以通過生物化學過程直接成為產(chǎn)甲烷菌所需碳源,另一方面其好氧(當存在時)分解至無機碳(DIC:CO2)過程中需要消耗大量氧氣,這也為產(chǎn)甲烷菌提供了良好的厭氧環(huán)境。
  甲烷過量釋放現(xiàn)象
  有人對美國五大湖之一的伊利湖(Lake Erie)進行了觀測,發(fā)現(xiàn)46年間CH4排放量增加了10倍,已遠遠超過美國俄亥俄州與密歇根州大多數(shù)天然氣配送系統(tǒng)或垃圾填埋場所產(chǎn)生的CH4總量。此外,有人建立了計算CH4產(chǎn)生與水體富營養(yǎng)化程度關系的數(shù)學預測模型;若全球湖泊富營養(yǎng)化程度增加1.5倍,全球湖泊CH4總排放量將上升至141×106t×a-1,將會超過目前全球最大CH4排放源——濕地排放量(139×106t ×a-1)。根據(jù)對未來內(nèi)陸水域營養(yǎng)鹽負荷估算,到21世紀末因水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象導致的CH4排放量將凈增30%~90%。
  
  CH4泄露
  甲烷悖論與機理
  自然水體中CH4過量釋放現(xiàn)象已經(jīng)被普遍觀測到,僅靠常規(guī)底泥有機物厭氧消化途徑顯然難以自圓其說。按常規(guī)途徑,無論是海洋還是地表水體似乎應在底部沉積物處方能監(jiān)測到最高CH4濃度。然而,實際情況并非如此,在很多海洋表層和近表層含氧水體中均發(fā)現(xiàn)CH4常常過飽和,并形成向大氣凈釋放CH4現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不僅存在于海洋,有人對德國東北部Stechlin湖監(jiān)測發(fā)現(xiàn),在兩處含氧水相上層CH4濃度存在急增現(xiàn)象(水深6 m處,CH4濃度為1400nmol×L-1;水深>10m處,CH4濃度<200nmol×L-1)。此后,他們采用經(jīng)驗模型對全球湖泊(≥0.01km)進行了評估,揭示出水體CH4總釋放量中約66%源于好氧環(huán)境。
  
  黃石公園內(nèi)湖(觀測到CH4的好氧釋放)
  有悖于傳統(tǒng)觀念中厭氧底泥CH4釋放,這種在好氧環(huán)境下CH4過量釋放的現(xiàn)象被學界稱之為“甲烷悖論”,其產(chǎn)生機理如下圖所示。以藻類代謝物二甲基磺酰丙酸鹽(DMSP)及其降解產(chǎn)物甲硫醇、二甲基硫醚(DMS)、二甲基亞砜(DMSO)等作為底物,在有氧環(huán)境下可以產(chǎn)生CH4的“假說”已被證實。另外一項最新研究稱,一種微生物酶可讓甲基磷酸脂(MPn)在脫去磷酸酯分子過程中生成CH4,這也為解釋地表水體甲烷悖論現(xiàn)象提供了理論根據(jù)。
  
  甲烷悖論機理歸納(來自原文)
  結論
  碳中和乃今后20~30年全球人類共同努力奮斗的目標,是人類命運共同體的具體體現(xiàn)。然而,我們的努力之外還存在著一些不可小覷的“自然”碳排放源,如,水體甲烷悖論下超常規(guī)CH4釋放現(xiàn)象。如果對這一“異常”現(xiàn)象不加以重視,即使若干年后我們實現(xiàn)了化石燃料使用碳中和,也很難難完成本世紀末全球控溫<2 ℃的目標。因此,向著碳中和前行的同時,我們還必須了解甲烷悖論及可能對碳中和產(chǎn)生的負面影響。
  甲烷悖論是水底沉積物厭氧產(chǎn)甲烷(常規(guī))之外的好氧表層水產(chǎn)甲烷現(xiàn)象,且這種非常規(guī)(異常)產(chǎn)甲烷量往往高于常規(guī)產(chǎn)甲烷量。研究表明,甲烷悖論現(xiàn)象存在多種有氧環(huán)境產(chǎn)甲烷代謝途徑,目前研究已確定的主要有兩種:1)藻類代謝物產(chǎn)甲烷;2)甲基磷酸脂(MPn)脫磷酸酯產(chǎn)甲烷。前者可能因水體富營養(yǎng)化藻類大量繁殖引起,后者則發(fā)生于貧營養(yǎng)(缺無機磷)水體?梢,只有維持水體營養(yǎng)水平達到一種健康、平衡狀態(tài)方有可能減少甲烷悖論現(xiàn)象。為此,一方面需要加大對甲烷悖論現(xiàn)象機理的深入研究,以制定相應調控技術措施;另一方面需在水生態(tài)健康維護方面繼續(xù)進行卓有成效的實際工作。只有這樣才能最大限度減少CH4超量釋放現(xiàn)象,以保證在實現(xiàn)碳中和的同時也達到21世紀末全球控溫<2 ℃之目標。
  
   同一個地球同一個夢想
  作者: 王邦彥,郝曉地

 
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