甲烷(CH4)是碳迁移转换的常见形式，可直接参与表层地球系统各种生物地球化学过程，构成了地－气、水－气和生物－气的多种耦合关系。作为重要的温室气体，甲烷对迄今为止的全球变暖的贡献可能高达 25%。甲烷的源、汇过程量化受到底物可用性、氧化过程、以及自然环境中复杂的共生生态系统的影响；用于追踪甲烷循环的新地球化学方法至关重要。全球范围内已进行大量的温室气体研究，但对甲烷收支的时空趋势的解释需要长期且特征明确的方法。相较于传统稳定同位素(δ13C-CH4和δD-CH4), 甲烷的团簇同位素(∆13CH3D和∆12CH2D2)保留了同位素体的分布信息，为其形成过程提供了双重的热力学约束，并为微生物代谢过程中的酶反应提供了新见解。然而，由于技术发展的局限，全球的甲烷团簇同位素数据并不充足，尤其是∆12CH2D2的测试对质量分辨能要求较高(MRP>40,000)且测试需大量样品，这使得获取或重现许多重要样品数据具有挑战性，限制了甲烷团簇同位素的进一步应用。
本研究基于我院高分辨气体稳定同位素比质谱仪(253 Ultra, Thermo Fisher Scientic)和改善的甲烷超低温冷冻纯化方法(Wang et al., 2023. JAAS )，对几种天然气盆地和表层水体释放的甲烷的团簇同位素组成进行了分析，并结合已发表的研究(王欣楚等，2023. 地学前缘 )和机器学习的预测结果汇编了全球甲烷团簇同位素数据集(n = 465)。研究结果展示了利用新数据集量化甲烷生物地球化学过程中团簇同位素分馏的有效性，并通过模型计算得到稳态大气甲烷团簇同位素组成(∆13CH3D= +2.26±0.71‰，∆12CH2D2 = +62.06±4.42‰)，表明生物参与在甲烷收支估计中的贡献。测试的湖泊排放样品表明，季节性的团簇同位素组成变化(∆13CH3D ~ –0.91±0.25 ‰ 和 ∆12CH2D2 ~ +3.86±0.84 ‰)可能与产甲烷/甲烷营养型微生物群落的温度敏感性有关。因此，本研究强调对甲烷团簇同位素的研究可将对其地球化学过程的理解转化为可量化的建模变量，有望为温室气体减排政策提供一定参考。
该成果以“Machine Learning Predicts the Methane Clumped Isotopologue (12CH2D2) Distributions Constrain Biogeochemical Processes and Estimates the Potential Budget”为题在Environmental Science & Technology上发表。天津大学地球系统科学学院博士研究生王欣楚为论文第一作者，刘丛强教授为通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、天津市科技局、海河实验室等项目和单位的资助。
论文信息：
Wang, X. (王欣楚); Liu, C.-Q. (刘丛强)*; Yi, Y. (易沅壁); Zeng, M.; Li, S.-L. (李思亮); Niu, X., Machine Learning Predicts the Methane Clumped Isotopologue (12CH2D2) Distributions Constrain Biogeochemical Processes and Estimates the Potential Budget. Environ. Sci. Technol. 2023.
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acs.est.3c00184
相关研究成果：
1. Wang, X. (王欣楚); Liu, C.-Q. (刘丛强) *; Zhang, N. (张乃中); Xu, S. (徐胜); Pang, Z. (庞智勇); Li, S.-L. (李思亮); Ding, H. (丁虎); Chen, J. (陈践发); Xie, Z.(谢增业); Ellam, R. M., Clumped methane isotopologues (13CH3D and 12CH2D2) of natural samples measured by high-resolution mass spectrometer with improved pretreatment system. J Anal At Spectrom 2023,38, 186-196. DOI https://doi.org/10.1039/D2JA00315E
2. 王欣楚; 刘丛强*; 李思亮; 徐胜; 丁虎; 庞智勇; 帅燕华, 甲烷团簇同位素研究进展及其在表层地球系统碳循环研究中的应用. 地学前缘 2023, 30, 1-16. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.2.74
