關不住甲烷洩漏的海床
甲烷是能源的來源，更是溫室效應的重要貢獻者，過去數十年針對海洋沈積物化學進行的研究，大都指向了一個重要的共識結論，即在全球的尺度下，海洋環境貢獻的甲烷溢散量是不高的。這結論最重要的基礎在於，硫酸鹽-甲烷界面或過渡帶 (sulfate-methane interface or transition (SMI or SMT)) 是普遍出現於邊緣海沈積物的化學特徵，若由淺往深，於這個介面，可觀察到硫酸鹽濃度降低至殆盡並伴隨甲烷濃度上升的變化，代表源自海水的硫酸鹽與深部的甲烷，於此介面透過大都為共生型式組成的生物族群（甲烷氧化古菌與硫酸還原細菌）進行厭氧甲烷氧化作用 (AOM; anaerobic oxidaiton of methane)。而這介面通常被認為是一個有效的甲烷屏障，使得沈積物產生的甲烷，僅有非常小甚至可忽略的比例，進入此介面之上甚至海水層，被另一群好氧型甲烷氧化菌消耗。因此於大部分的海洋環境，海水表面的甲烷濃度大致上與大氣濃度達成平衡，僅有小量的淨排放。
這篇最近於 Nature Geoscience（見下方連結）的論文，選擇了波羅的海作為研究區域，測試這樣概念的有效性為何。波羅的海為半封閉的洋盆，沉積物含相當濃度 (> mM) 的甲烷，因被陸地環抱同時位居高緯度，具有廣泛的環境條件，例如鹽度、溫度和底水氧氣濃度，並經歷淡水—海洋的沈積歷史。此研究量化並統整過去發表的沈積物甲烷濃度，比較通過SMT與 SWI (sediment-water interface) 介面的通量。發現從 SMT 洩漏到 SWI 的甲烷通量在不同地點之間存在顯著差異，SWI/SMT 甲烷通量比值可由 0 到 100% 不等，其中超過一半的地點，其 SWI/SMT 甲烷通量比值大於10%（即甲烷洩漏比例高），並為富含有機質的全新世泥。
造成這樣高洩漏量的控制因子包括：（一） 當 SMT 較淺時，甲烷在硫酸鹽還原帶的滯留時間較短，因此完全氧化的可能性較小，這樣的推測也可由 SWI 通量與 SMT 深度的負相關，獲得部分驗證；（二）SMT 處有機物降解礦化速率高，伴隨較高的氫氣濃度，進而抑制厭氧甲烷氧化作用 。該研究透過數值模擬顯示，低甲烷洩漏比例的地點，通常在近海床即進行了高程度的有機質降解礦化反應，導致更深部的沈積物，僅殘餘反應度差的有機質，使甲烷成為具能量優勢之電子提供者；反之於高洩漏比例的地點，至SMT深度仍有較高的有機質降解礦化速率，產生較高濃度的氫氣，提供更高代謝能量的優勢予以硫酸還原甚至甲烷產生作用，進而抑制厭氧甲烷氧化作用。
綜合而言，大概有 76％ 的甲烷逃脫各種生物氧化機制進入海水層，如果將 SWI 的平均甲烷通量乘上波羅的海的面積，可以得到每年有 0.02 Tg 的甲烷進入海水層，是海水—空氣介面通量的 10 倍。在未來氣候暖化的情境下，降水增加將導致波羅的海鹽度下降、並產生更多的營養鹽，導致更高的甲烷逸散量。
這樣的觀察資料，並非第一次創見，類似的狀況，也在許多海域可見，珍貴之處在於深入探討可能的控制變因。而這些資料的解讀，也隱含許多複雜面向，例如淺層或近海床沈積物是可能產生甲烷，進而改變甲烷的收支；同時進行海底與表面沈積物的甲烷濃度測量是少見的，因此使得 SWI 的通量計算可能存在較高的不確定性；現地氫氣濃度的測量更是罕見，是否得以呼應該研究中氫氣調控的模式仍屬疑問；有機質礦化作用與厭氧甲烷氧化作用的基因表現交互作用、族群關係、代謝物特徵為何，亦有賴好的採樣設計配合高目標性的分析提供深層的解析。
最後，過去我們在台灣西南海域的工作，發現 SWI 的甲烷通量大都低於波羅的海的結果，而SMT的甲烷通量則與之雷同，顯見甲烷洩漏的比例較低，符合該研究的概念，然而西南海域的觀測，也發現 SWI 甲烷通量最大值可達 1 mmol/m2/d，且大都與構造的分佈相關，顯見地質構造的快速傳輸，可能是低有機質海域控制甲烷洩漏比例重要的機制，與該研究的概念迴異。因此如何透過控制機制與環境因子的關聯，產生大尺度的量化預測模型，可能是未來研究重要的方向。
台灣西南海域之 SWI 甲烷通量（摘自 Chen et al. (2017)）
參考資料：
我們在陸海域泥火山與甲烷作用的研究概念：https://www.geomicrobes.com/focus/terrestrial-marine
我們過去在西南海域的研究：
Chen, N.-C., Yang, T. F., Hong, W.-L., Chen, H.-W., Chen, H.-C., Hu, C.-Y., Huang, Y.-C., Lin, S., Lin, L.-H., Su, C.-C., Liao, W.-Z., Sun, C.-H., Wang, P.-L., Yang, T., Jiang, S.-Y., Liu, C.-S., Wang, Y. and Chung, S.-H. (2017) Production, consumption, and migration of methane in accretionary prism of southwestern Taiwan. Geochem. Geophys. Geosyst., 18, 2970-2989. https://doi:10.1002/2017GC006798.
Mau, S., Tu, T.-H., Becker, M., Ferreira, S. C., Chen, J.-N., Lin, L.-H., Wang, P.-L., Lin, S., and Bohrmann, G. (2020) Methane seeps and independent methane plumes in the South China Sea offshore Taiwan. Front. Mar. Sci. 7, 543. https://doi.org/10.3389/fmars.2020.00543.
Chen, N.-C., Yang, T. F., Hong, W.-L., Chen, H.-W., Chen, H.-C., Hu, C.-Y., Huang, Y.-C., Lin, S., Su, C.-C., Liao, W.-Z., Sun, C.-H., Wang, P.-L., and Lin, L.-H. (2020) Discharge of deeply rooted fluids from submarine mud volcanism in the Taiwan accretionary prism. Sci. Rep., 10, 381. https://www.nature.com/articles/s41598-019-57250-9.
Chen, N.-C. Yang, T. F., Liou, Y.-H., Lin, H.-T. T., Hong, W.-L., Lin, S., Su, C.-C., Lin, L.-H.* and Wang, P.-L. (2023) Controlling factors on patterns of dissolved organic carbon and volatile fatty acids in a marine mud volcano offshore southwestern Taiwan. Front. Earth Sci. 11:1210088. https://doi:10.3389/feart.2023.1210088.