地球科学进展

地球科学进展 ›› 2022, Vol. 37 ›› Issue (4): 370 -381. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.110

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海洋环境中乙烷和丙烷的分布及生物转化
袁媛 1 , 2 , 3( ), 庄光超 1 , 2( ), 毛士海 1 , 2 , 3, 刘佳睿 4, 刘喜停 5, 杨桂朋 1 , 2 , 3   
  1. 1.深海圈层与地球系统前沿科学中心和海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，中国海洋大学，山东 青岛 266100
    2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室，山东 青岛 266237
    3.中国海洋大学化学化工学院，山东 青岛 266100
    4.Department of Earth，Planetary and Space Sciences，University of California，Los Angeles，CA，USA 9009
    5.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100
  • 收稿日期:2021-09-15 修回日期:2021-11-10 出版日期:2022-04-10
  • 通讯作者: 庄光超 E-mail:yuanyuan3305@stu.ouc.edu.cn;zgc@ouc.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金面上项目“瓜伊马斯盆地热液区深部沉积物中甲烷及其他小分子化合物的代谢途径与机制研究”(42076031);山东省泰山学者工程(tsqn201909057)

Distribution and Biotransformation of Ethane and Propane in Marine Environments

Yuan YUAN 1 , 2 , 3( ), Guangchao ZHUANG 1 , 2( ), Shihai MAO 1 , 2 , 3, Jiarui LIU 4, Xiting LIU 5, Guipeng YANG 1 , 2 , 3   

  1. 1.Frontiers Science Center for Deep Ocean Multispheres and Earth System，and Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，China
    2.Marine Ecology and Environmental Science Laboratory，Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology，Qingdao 266237，China
    3.College of Chemistry and Chemical Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China
    4.Department of Earth，Planetary and Space Sciences，University of California，Los Angeles，CA，USA 9009
    5.College of Marine Geosciences，Ocean University of China，Qingdao 266100，China
  • Received:2021-09-15 Revised:2021-11-10 Online:2022-04-10 Published:2022-04-28
  • Contact: Guangchao ZHUANG E-mail:yuanyuan3305@stu.ouc.edu.cn;zgc@ouc.edu.cn
  • About author:YUAN Yuan (1996-), female, Jiujiang City, Jiangxi Province, Master student. Research areas include marine biogeochemistry. E-mail: yuanyuan3305@stu.ouc.edu.cn
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China "Metabolic pathways of methane and other low molecular weight compounds in hydrothermally altered subseafloor sediments from the Guaymas Basin"(42076031);The Taishan Scholar Project of Shandong Province(tsqn201909057)
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海洋沉积物中蕴含着大量以甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）和丙烷（C3H8）为主要成分的烷烃化合物，与甲烷类似，乙烷与丙烷也是重要的温室气体。水合物分解和油气渗漏会释放这些烷烃化合物到海水及大气中，对海洋生态环境及全球气候产生重要影响。海洋环境中的微生物对烷烃的氧化作用有效降低了海洋烷烃气体的排放通量。系统综述了海洋环境中乙烷和丙烷的分布及生物转化机制的最新研究进展，归纳出以下认识： ① 海水中乙烷与丙烷的分布特征明显，主要受到水文、化学及生物等环境参数的影响； ② 海洋环境中乙烷与丙烷的生物来源主要有海水中浮游植物生产释放和沉积物中厌氧微生物生成，产甲烷菌可以利用多种底物生成乙烷与丙烷； ③ 乙烷和丙烷的好氧氧化主要由烷烃氧化菌完成，并且该过程中伴随一定程度的碳氢同位素分馏； ④ 沉积物中乙烷与丙烷的厌氧氧化通常与硫酸盐还原耦合，目前已对参与氧化乙烷与丙烷的硫酸盐还原菌及厌氧氧化机制有了初步认识。总结和回顾了海洋环境中乙烷和丙烷的来源、分布及微生物代谢过程，可为未来深入理解碳氢化合物的生物地球化学循环奠定基础。

关键词: 乙烷, 丙烷, 微生物, 生物地球化学循环, 海洋沉积物

Marine sediments contain large amounts of alkanes， mainly consisting of methane （CH4）， ethane （C2H6）， and propane （C3H6）. Similar to methane， ethane and propane are also important greenhouse gases. The decomposition of hydrates and oil/gas seeps can cause the release of ethane and propane into seawater and the atmosphere， significantly impacting the marine ecosystems and global climate change. The microbial oxidation of alkanes， in marine environments， effectively reduces the emission flux of these gases. The latest research progresses on the distribution and biotransformation of ethane and propane in marine environment were reviewed with the following highlights： ① The distribution of ethane and propane in seawater exhibited clear patterns， which are largely influenced by hydrological， chemical， and biological factors； ② Biological sources of ethane and propane in marine environments include phytoplankton production in seawater and anaerobic production by microorganisms in sediments. Methanogens can produce ethane and propane using a variety of substrates， and ③ aerobic oxidation of ethane to propane is performed by hydrocarbon-degrading bacteria， and this process is accompanied by carbon and hydrogen isotope fractionation. ④ Anaerobic oxidation of ethane and propane in sediments is usually coupled with sulfate reduction. Sulfate-reducing bacteria can oxidize ethane and propane， and a possible mechanism for this process has been proposed. This review summarizes the source， distribution， and microbial metabolism of ethane and propane in marine environments and provides a scientific basis for further understanding the biogeochemical cycle of hydrocarbons.

Key words: Ethane, Propane, Microorganism, Biogeochemical cycle, Marine sediment

中图分类号: 

图1 海洋环境中乙烷与丙烷产生、代谢和转移过程示意图
Fig. 1 Schematic diagram of ethane and propane production， metabolism and transformation in marine environment
表1 部分海区表层海水中溶解乙烷和丙烷的浓度
Table 1 Compilation of ethane and propane concentrations in surface marine waters
海域

海水中乙烷浓度/

（pmol/L）

 海水中丙烷浓度/（pmol/L） 参考文献
北太平洋北部 6.7 10.0 ［ 20 ］
爱尔兰西近海 39.0 45.0 ［ 21 ］
北海南部 5.6~57.9 2.7~28.2 ［ 22 ］
西北太平洋 0.4~29.0 9.1~30.4 ［ 23 ］
黄东海 7.2~36.8 5.6~27.8 ［ 24 ］
太平洋 8.3 12.5 ［ 25 - 26 ］
表2 乙烷与丙烷产生和氧化化学方程式以及反应的吉布斯自由能
Table 2 Production and oxidation reactions of ethane and propane and Gibbs free energy
序号 化学反应方程式 吉布斯自由能ΔG（kJ/mol C2H6/C3H8） 参考文献
产生反应 1 C H 3 C O O - + 3 H 2 + H + → C 2 H 6 + 2 H 2 O -137.7 ［ 36 ］
2 C H 3 C O O - + H C O 3 - + 6 H 2 + 2 H + → C 3 H 8 + 5 H 2 O -253.2 ［ 36 ］
3 C H 3   C H 2   O H + H 2 → C 2 H 6 + H 2 O -95.7 ［ 48 ］
氧化反应 4 2 C 2 H 6 + 7 O 2 → 4 C O 2 + 6 H 2 O -1 467.5 本文
5 C 3 H 8 + 5 O 2 → 3 C O 2 + 4 H 2 O -2 151.2 本文
6 2 C 3 H 8 + 5 S O 4 2 - + 4 H + → 6 H C O 3 - + 5 H 2 S + 2 H 2 O -102.0 ［ 49 ］
7 4 C 2 H 6 + 7 S O 4 2 - + 14 H + → 8 C O 2   + 7 H 2 S + 12 H 2 O -73.2 ［ 50 ］
图2 丙烷可能的好氧氧化途径（据参考文献［ 82 ］修改）
Fig. 2 Possible aerobic propane oxidation pathways （modified after reference ［ 82 ］）
图3 在亚末端（a）和末端（b）碳原子（标有星号）上厌氧活化丙烷（据参考文献［ 103 ］修改）
Fig. 3 Anaerobic activation of propane at the sub-terminal （a） and terminal （b） carbon atom （modified after reference ［ 103 ］）
图4 乙烷厌氧氧化（据参考文献［ 50 ， 109 ］修改）
Fig. 4 Anaerobic oxidation of ethane （modified after references ［50，109］）
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