深海冷泉系统是海洋碳循环的重要组成部分，其甲烷渗漏过程影响底栖化能生态系统结构及区域碳收支。甲烷水合物是冷泉区甲烷的重要固相赋存形式，其界面成核与早期演化除受温度、压力等热力学因素控制外，还可能受到沉积体系中生物过程相关因素的影响。具体而言，生物过程可通过影响甲烷生成与供给、改变生物成因背景下的客体组成特征，以及参与塑造沉积微环境中的有机–无机复合界面，进一步作用于甲烷水合物的形成行为。针对现有研究在原位连续观测、定量分析和时间分辨表征方面仍存在不足的问题，本文以原位拉曼光谱为主要手段，围绕产甲烷过程定量表征、甲烷同位素组成效应和氨基酸–SiO₂复合界面效应三个方面开展研究，分别对应气源供给、客体组成和界面微环境三个层面的过程分析。主要结论如下：

（1）建立了复杂厌氧基质中CO₂–N₂–CH₄三元体系的原位拉曼定量监测方法，并将其用于产甲烷过程动力学表征。在12–52 ℃范围内，以N₂为内标构建了基于拉曼峰面积比的定量标定模型；与气相色谱（GC）的交叉验证结果无显著性差异，表明该方法可用于复杂体系中气体组分的原位连续定量表征。对甲基营养型产甲烷古菌厌氧培养过程的实时追踪表明，甲醇底物浓度显著影响产气动力学：当甲醇浓度为10 μL/mL时，甲烷产率达到59.97%；继续提高底物浓度则出现底物饱和，并伴随代谢效率下降。结合高精度压力监测，本文进一步实现了CH₄与CO₂生成过程的实时摩尔定量，为复杂生物过程中的关键气体演化提供了可连续观测的定量方法，也为后续界面成核研究中过程变量的同步约束提供了技术基础。

（2）获得了甲烷同位素组成差异影响甲烷水合物界面成核行为的过程证据。考虑到甲烷同位素组成是生物成因背景差异的重要表征之一，本文进一步从客体分子组成角度考察了其对水合物形成过程的作用。在不同¹³CH₄配比条件下，利用原位拉曼表征气–液界面邻近区域溶解甲烷的富集过程，并结合诱导时间、成核温度和结构表征参数对成核行为进行统计分析。结果表明，同位素组成变化会影响近界面甲烷累积和成核统计行为，其中12.5% ¹³CH₄条件下表现出相对较短的诱导时间，而25% ¹³CH₄条件下则出现成核延迟和离散度增大，呈现非单调响应特征。该现象难以由质量差异对应的平滑传质变化单独解释，提示同位素替代除可能影响传质边界外，还可能改变界面邻近区域前驱体构型统计及其向临界核转化的概率。鉴于现阶段证据仍不足以排除溶解分配、局部富集路径及传质条件变化等竞争解释，本文将上述认识视为对实验现象的一种解释，而不将其视为已被充分证实的单一机制。

（3）识别了氨基酸–SiO₂复合界面对甲烷水合物界面成核与早期结构演化的非线性响应。基于深海沉积体系中生物来源小分子有机质与矿物颗粒共存并形成复合界面的背景，本文在20 MPa条件下构建了有机–无机复合界面模型，利用原位拉曼同步表征近界面CH₄富集行为与水合物结构指纹，并结合诱导时间和成核温度进行对照分析。结果表明，不同界面条件下成核行为存在显著差异：L-谷氨酸（L-glutamic acid，L-Glu）可明显缩短诱导时间，L-亮氨酸（L-leucine，L-Leu）单独作用较弱，但与SiO₂复配后可提高成核温度，表现出非线性组合效应。结合近界面溶解甲烷演化和结构表征参数分析可见，上述差异不能简单归因于比表面积增加或传质增强，提示复合界面化学性质变化及其引起的局部水结构、传质边界和成核相关微环境改变，可能共同参与了成核响应。该结果表明，生物来源有机质参与形成的有机–无机复合界面可能是影响冷泉沉积体系中甲烷水合物成核与早期演化的重要微环境因素之一。

综上，本文围绕冷泉沉积体系中生物过程相关因素对甲烷水合物形成行为的影响，从气源供给、客体组成和界面微环境三个层面开展研究，建立了适用于复杂体系的原位拉曼定量表征方法，获得了甲烷同位素组成差异和氨基酸–SiO₂复合界面对甲烷水合物界面成核与早期演化影响的过程证据，并提出了结合近界面富集、成核统计行为和结构表征参数进行综合分析的研究思路。相关结果为理解冷泉体系中生物过程相关因素参与调控甲烷水合物形成的微环境机制提供了实验依据，也为复杂生物地球化学过程的原位连续定量观测提供了方法参考。

第1章 绪论... 1

1.1 选题背景与科学问题... 1

1.1.1 深海冷泉甲烷收支：源-汇过程与固碳路径... 1

1.1.2 生物成因与热成因甲烷的同位素与分子组成指纹... 2

1.1.3 水合物界面成核机制中的生物相关过程认识不足... 4

1.2 国内外研究现状与方法基础... 6

1.2.1 厌氧产甲烷过程的原位定量与时间分辨监测难点... 6

1.2.2 甲烷同位素组成效应与水合物相变动力学... 8

1.2.3 有机-无机复合界面与甲烷水合物界面成核... 9

1.2.4 原位拉曼技术在复杂体系过程研究中的应用基础... 10

1.3 本论文的研究内容及章节安排... 11

1.3.1 研究内容... 11

1.3.2 章节安排... 13

第2章 原位拉曼定量分析原理与实验方法... 15

2.1 原位拉曼定量分析的基本前提与适用条件... 15

2.1.1 拉曼强度定量分析的基本前提... 15

2.1.2 多组分体系拉曼定量分析的可行性... 15

2.1.3 温压影响及跨平台可比性... 15

2.2 拉曼强度定量分析的物理基础... 16

2.3 拉曼光谱定量分析的基本原理... 16

2.4 原位拉曼实验平台与观测模式... 18

2.4.1 共聚焦显微拉曼光谱系统... 18

2.4.2 插入式拉曼探针系统... 19

2.4.3 两套平台的分工及数据衔接原则... 20

2.5 小结... 20

第3章 厌氧产甲烷过程的原位拉曼定量方法与动力学表征... 21

3.1 前言... 21

3.2 材料与方法... 22

3.2.1 标准气体制备与菌株培养条件... 22

3.2.2 实验装置与实验流程... 23

3.2.3 拉曼采集参数、仪器校准与N₂内标校正... 24

3.2.4 统计分析... 26

3.3 结果与讨论... 26

3.3.1 定量模型的准确性、精密度与检测限评估... 27

3.3.2 底物浓度对产气速率与累积产气量的非线性响应... 34

3.3.3 非稳态产气过程的阶段划分与表征指标... 38

3.4 小结... 39

第4章 甲烷同位素组成对水合物界面成核行为及结构响应的影响... 41

4.1 前言... 41

4.2 材料与方法... 42

4.2.1 材料与同位素配比... 42

4.2.2 实验装置与原位拉曼测量... 42

4.2.3 温度-时间程序与成核判据... 43

4.2.4 数据处理与计算方法... 44

4.2.5 统计分析... 46

4.3 结果与讨论... 46

4.3.1 甲烷同位素组成的拉曼光谱特征及振动能级变化... 46

4.3.2 界面富集与非线性累积行为... 50

4.3.3 12.5% ¹³CH₄条件下成核行为的非单调响应... 53

4.3.4 25% ¹³CH₄条件下的成核抑制特征及其可能机制... 57

4.3.5 同位素组成对结构表征参数及理论储气指标的影响... 59

4.4 小结... 64

第5章 氨基酸-SiO₂复合界面对甲烷水合物界面成核与早期结构演化的影响... 65

5.1 前言... 65

5.2 材料与方法... 66

5.2.1 实验体系与对照设置... 66

5.2.2 实验装置与原位拉曼测量... 67

5.2.3 实验流程与成核判据... 68

5.2.4 数据处理与参数计算... 69

5.2.5 统计分析... 70

5.3 结果与讨论... 70

5.3.1 甲烷溶解及近界面传质行为... 70

5.3.2 成核行为响应：诱导时间与成核温度... 73

5.3.3 水合物早期结构表征参数与理论储气指标... 76

5.3.4 界面效应在早期生长阶段的延续... 80

5.4 小结... 82

第6章 结论与展望... 84

6.1 主要结论及创新点... 84

6.1.1 主要结论... 84

6.1.2 创新点... 85

6.2 存在的问题与展望... 86

参考文献... 87

附录一 第3章补充数据... 105

附录二 第4章补充数据... 110

致  谢... 112

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果... 114