导读
联合国气候变化大会（COP26）承诺2030年甲烷排放量比2020年减少30%。海洋是地球最大的甲烷储库，其通过物理-化学-生物协同转化，具有极大的甲烷吸收潜能。研究表明历史大规模海洋甲烷释放曾导致严重的生态环境灾难。基于海洋甲烷“源-汇”规律，探寻有效的甲烷减排策略，有助于降低大气甲烷浓度，为主动应对全球变暖提供新视角。
图1 历史甲烷释放记录和天然海洋环境衍生的减排策略。A. 大气甲烷浓度变化趋势；（放大图是1985年以来甲烷“源-汇”变化趋势，其中点线图是全球排放量变化，粉红色圆圈代表各部门排放贡献度，柱状图是不同吸收汇的贡献）; B. 古新世/始新世极热事件（PETM）时期水合物分解甲烷释放引起的碳负偏移和温度增加；C. 侏罗纪时期海洋甲烷释放引起的碳负偏移；D. 天然海洋环境甲烷释放和削减机制。E-G. 从天然海洋学习的潜在甲烷释放控制方案。E.高压生物反应器中通过生物化学转化吸收甲烷；F. 利用水合物形成吸收甲烷; G. 通过光化学氧化减少甲烷。
甲烷比二氧化碳具有更强的温室效应，以往应对气候变化的策略主要集中于“碳”排放控制。当前，大气环境中的甲烷浓度已达到有监测记录以来的最高值（图1A），对全球温室效应的贡献率超过三分之一，联合国气候变化大会等国际会议和组织及时提出了系列甲烷减排计划。尽管当前大气中的甲烷主要源自人类活动排放，但海洋是全球最大的甲烷储库，且历史上曾发生过大规模的甲烷释放事件，因此海洋甲烷源汇不容忽视。今后，运用海洋吸收转化甲烷的原理到具体的工程实践中，可为甲烷减排提供潜在的绿色解决方案。
01 海洋甲烷释放历史事件
海洋占地球表面积71%，其甲烷储层对全球变暖很敏感，相应的负反馈不可估量。研究证实，南半球海洋变暖导致底层甲烷水合物分解，大量甲烷释放到水体中。大洋钻探计划提供的多种地质环境和生物地球化学的证据表明，水合物分解导致的甲烷释放与地球历史上重大环境变化和生物灭绝显著相关。根据深海沉积物同位素变化记录推测（图1B-C），大规模甲烷释放引起了古新世/始新世时期海水温度显著升高和侏罗纪时期碳同位素的负偏移。从千年尺度看，PETM边界的温室气体排放量与当前的工业范围大致相当。因此，历史甲烷释放事件的环境演化结果可为未来不确定情况下甲烷释放日益增加的环境效应提供借鉴。基于地质、生物地球化学、古气候和生态领域的丰富信息和证据，我们可以更好地认识地球环境与海洋甲烷释放之间的短期（十年）和长期（千年）相互作用（图1D）。
02 海洋甲烷释放减缓策略
如何避免历史上PETM等大规模甲烷释放事件的重演？我们需要增强海洋甲烷释放的动态监测，进而识别具有甲烷释放潜力且对气候变化和人类活动敏感的区域。除了精确认知甲烷释放来源，调查和理解海洋甲烷迁移转化机制及其环境效应也是深入了解海洋环境吸收甲烷释放通量阈值的关键。甲烷从海底释放后，经过沉积物和海水环境的水合物形成、甲烷氧化等物理-化学协同转化作用，最终只有少部分进入大气环境。深海底甲烷生物氧化是一种高效的“甲烷过滤器”，其在2010年深水地平线泄油事件中发挥了重要的烷烃降解作用。鉴于此，在工程系统中利用生物反应器吸收甲烷，是一种潜在的甲烷减排并获得生物制品的有效方法（图1E）。将来，创新加压环境下嗜甲烷微生物纯培养和单细胞分选方法，可为海洋微生物甲烷吸收技术带来新的曙光。此外，在定制反应器中利用合适的促进剂形成甲烷水合物同时储冷，将有助于零碳系统的构建，具有重要的经济价值和社会效益（图1F）。一旦甲烷穿过水-空气界面并进入大气，利用海洋空气环境中含氯自由基的氧化作用也是潜在的甲烷减排技术（图1G）。
总结与展望
全球甲烷释放控制离不开精准的陆海溯源和有效的减排技术。海洋是地球最大的甲烷储库，同时具有巨大的甲烷吸收潜力。学习自然，师法自然，基于自然海洋环境的甲烷源-汇机制，创新甲烷负排放技术，并提高这些技术的效能和稳定性，实现效率提升和工业应用，将对全社会甲烷释放减缓发挥重要作用。
原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00093-5
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第五期以Editorial发表的“Methane mitigation: Learning from the natural marine environment” (投稿: 2022-04-27；接收: 2022-08-01；在线刊出: 2022-08-02)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100297
引用格式：Feng J., Yan J., Wang Y., et al. (2022). Methane mitigation: Learning from the natural marine environment. The Innovation. 3(5),100297.
