本文由Donglei Zhang、Qiang Zeng、Hongyu Chen、Dongyi Guo、Gaoyuan Li和Hailiang Dong等作者共同完成，发表于2024年10月的《Environmental Science & Technology》期刊上。该研究探讨了增强岩石风化（Enhanced Silicate Weathering, ESW）作为二氧化碳（CO₂）封存技术的同时，可能对甲烷（CH₄）生成产生的负面影响。研究揭示了岩石风化过程中释放的微量金属（如铁、镍、钴等）如何促进甲烷生成，从而可能抵消CO₂封存的效果。

研究背景

增强岩石风化（ESW）是一种通过将粉碎的（超）基性岩（如橄榄岩和玄武岩）应用于陆地和水生生态系统（如农田土壤和沿海区域）来封存大气CO₂的技术。这些岩石在风化过程中释放镁和钙离子，与CO₂反应形成碳酸盐矿物，从而实现长期的CO₂封存。然而，这些岩石中含有不同量的微量金属，这些金属是甲烷生成菌（methanogens）中金属酶的重要辅助因子。甲烷生成菌在碳循环中具有重要的生态功能，其代谢活动高度依赖于微量金属的可用性。

研究目标

本研究的主要目标是评估岩石添加对甲烷生成菌生长和代谢活动的影响，以预测这种人为干预措施对生态系统的潜在影响。研究假设，使用橄榄岩、玄武岩等富含微量金属的硅酸盐材料进行ESW可能会促进生物甲烷生成，从而抵消CO₂封存的效果。

研究方法

研究使用了模型甲烷生成菌——Methanosarcina acetivorans C2A，并在过量底物条件下测试了三种岩石类型（橄榄岩、玄武岩和花岗岩）对其生长和甲烷生成的影响。研究分为以下几个步骤：

1. 培养基制备：制备了两种不同微量金属含量的培养基，一种是微量金属耗尽的培养基（TM(aq) depleted medium），另一种是正常微量金属含量的培养基（TM(aq) normal medium）。
2. 岩石制备与表征：将橄榄岩、玄武岩和花岗岩粉碎并筛分，测定其全岩元素组成和矿物学特征。
3. 实验设置：在无氧条件下，将M. acetivorans接种到含有不同岩石的培养基中，观察其生长和甲烷生成情况。
4. 分析方法：通过光学密度（OD600）测量细胞生长，通过气相色谱（GC）测量甲烷生成量，并通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测量微量金属的释放和细胞吸收情况。此外，还进行了扫描电子显微镜（SEM）和时间飞行二次离子质谱（TOF-SIMS）分析，以观察岩石与细胞的相互作用。

研究结果

1. 岩石风化与微量金属释放：橄榄岩和玄武岩在风化过程中释放了大量的微量金属（如铁、镍、钴），而花岗岩释放的微量金属较少。这些微量金属显著促进了M. acetivorans的生长和甲烷生成。
2. 细胞生长与甲烷生成：在微量金属耗尽的培养基中，细胞生长和甲烷生成速率极低，而在正常微量金属培养基和添加橄榄岩的培养基中，细胞生长和甲烷生成显著增强。玄武岩的促进作用较弱，而花岗岩几乎没有促进作用。
3. 岩石与细胞的相互作用：SEM和TOF-SIMS分析显示，细胞与橄榄岩颗粒之间存在密切的物理和化学相互作用，细胞通过分泌胞外聚合物（EPS）等物质促进了岩石的风化和微量金属的释放。
4. 蛋白质组学分析：蛋白质组学分析表明，橄榄岩和正常微量金属培养基显著上调了M. acetivorans中与甲基营养型甲烷生成途径相关的金属酶的表达，特别是含有铁、镍和钴的酶。

研究结论

研究表明，硅酸盐岩石风化释放的微量金属（如铁、镍、钴等）显著促进了甲烷生成菌的生长和甲烷生成。这一发现揭示了ESW技术可能带来的一个未被充分认识的负面影响，即通过促进甲烷生成抵消CO₂封存的效果。甲烷作为一种强效温室气体，其全球变暖潜力是CO₂的28-34倍，因此ESW可能不仅无法实现碳封存的目标，反而可能导致净温室气体排放的增加。

研究意义

本研究首次揭示了硅酸盐岩石作为微量金属来源对甲烷生成的促进作用，强调了在实施大规模ESW之前，必须系统评估其潜在的生态系统影响。特别是，应关注岩石中微量金属（如铁、镍、钴、锌等）的含量，因为这些金属对甲烷生成菌的活性具有重要影响。未来的研究需要在更接近实际环境的条件下进一步验证这些发现，以确保ESW技术的可持续性和有效性。

研究亮点

1. 重要发现：揭示了硅酸盐岩石风化释放的微量金属对甲烷生成的促进作用，填补了ESW技术潜在生态影响的知识空白。
2. 方法创新：结合了微量金属分析、蛋白质组学和岩石-细胞相互作用的多尺度观察，提供了全面的实验证据。
3. 应用价值：为ESW技术的实际应用提供了重要的科学依据，强调了在实施前进行系统评估的必要性。