Теперь исследовательская группа под руководством ученых Массачусетского технологического института, в которую входят коллеги из Океанографического института Вудс-Хоул, Университета Торонто и других организаций, разработала инструмент, который может быстро и точно анализировать образцы метана в окружающей среде, чтобы определить, как образовался газ.Подход, называемый настраиваемой инфракрасной лазерной прямой абсорбционной спектроскопией, определяет соотношение изотопов метана, которое может дать «отпечаток пальца» для различения двух общих источников происхождения: микробное, при котором микроорганизмы, обычно живущие на заболоченных территориях или в кишечниках животных, производят метан. как побочный продукт метаболизма; или термогенный, в котором органическое вещество, похороненное глубоко под землей, при высоких температурах разлагается до метана.Исследователи использовали эту технику для анализа образцов метана из озер, болот, подземных вод, глубоководных жерл и кишок коров, а также метана, генерируемого микробами в лаборатории.
«Нас интересует вопрос:« Откуда берется метан? »- говорит Шухей Оно, доцент кафедры геохимии факультета Земли, атмосферы и планет Массачусетского технологического института. «Если мы сможем разделить, сколько поступает от коров, природного газа и других источников, мы сможем более надежно разработать стратегию того, что делать с глобальным потеплением».Оно и его коллеги, в том числе первый автор и аспирант Дэвид Ван, публикуют свои результаты на этой неделе в журнале Science.
Блокировка частоты метанаМетан — это молекула, состоящая из одного атома углерода, связанного с четырьмя атомами водорода.
Углерод может быть одним из двух изотопов (углерод-12 или углерод-13); водород также может принимать две формы, в том числе как дейтерий — изотоп водорода с одним дополнительным нейтроном.Авторы искали очень редкую молекулу дважды изотопно-замещенного метана, известную как 13CH3D — молекулу, содержащую как атом углерода-13, так и атом дейтерия.
Исследователи пришли к выводу, что обнаружение 13CH3D имеет решающее значение, поскольку это может быть сигналом температуры, при которой образовался метан, что важно для определения того, имеет ли метан микробное или термогенное происхождение.В прошлом году Оно и его коллеги, работая с учеными из Aerodyne Research, создали прибор для обнаружения 13CH3D.
В этом методе используется инфракрасная спектроскопия для обнаружения определенных частот, соответствующих минутным движениям молекул метана; разные частоты соответствуют разным изотопам. Этот спектроскопический подход, который в корне отличается от классических масс-спектрометрических методов, разрабатываемых другими, имеет преимущество портативности, что позволяет использовать его в полевых условиях.
Пульс метанаКоманда собрала образцы метана из озер, болот, резервуаров с природным газом, пищеварительного тракта коров и глубоких древних подземных вод, а также метана, производимого микробами в лаборатории.
В некоторых образцах группа заметила нечто удивительное и неожиданное. Например, на основе соотношений изотопов, обнаруженных в рубце коров, они подсчитали, что этот метан образовался при 400 градусах Цельсия — это невозможно, поскольку желудки коров обычно имеют температуру около 40 C. Они наблюдали аналогичные несоответствия в образцах из озер и болот.
По их мнению, соотношение изотопов не должно служить точным индикатором температуры.Вместо этого Ван и его коллеги определили взаимосвязь между особенностью связей, связывающих углерод и водород в молекулах метана — качеством, которое они считали «комковатым» — и скоростью, с которой образуется метан: чем более комковатая связь, тем медленнее скорость метаногенеза.«Кишки коров производят метан с очень высокой скоростью — до 500 литров в день на корову.
Это гигантские ферментеры метана, и они предпочитают производить менее комкованный метан по сравнению с геологическими процессами, которые происходят очень медленно», — говорит Ван. . «Мы измеряем степень комковатости изотопов углерода и водорода, которая помогает нам понять, как быстро образовался метан».Исследователи применили эту новую интерпретацию к метану, образуемому микробами в лаборатории, и обнаружили хорошее соответствие между обнаруженными изотопами и скоростью образования газа.
Затем они использовали эту технику для анализа метана из шахты Кидд-Крик в Канаде — одной из самых глубоких доступных точек на Земле — и двух участков в Калифорнии, где порода мантии Земли вступает в реакцию с грунтовыми водами. Это участки, в которых происхождение метана было неясным.
«Вопрос о том, как были разработаны эти жидкости, был давним, — говорит Ван. «Теперь у нас есть базовый уровень, который мы можем использовать для изучения того, как метан образуется в окружающей среде на Земле и за ее пределами».