海洋微生物在氣候影響中的作用

一項新的研究表明，浮游植物(一種微小的海藻，產(chǎn)生我們每天呼吸的大約一半氧氣)周圍的營養(yǎng)“熱點”在釋放與云形成和氣候調(diào)節(jié)有關(guān)的氣體方面發(fā)揮著重要作用。

這項新的研究量化了某些海洋細菌處理被稱為二甲基磺基丙酸鹽(DMSP)的關(guān)鍵化學物質(zhì)的方式，這種化學物質(zhì)是由浮游植物大量產(chǎn)生的。這種化學物質(zhì)在海洋微生物消耗硫和碳并將其釋放到大氣中的過程中起著關(guān)鍵作用。

這項研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上，作者是麻省理工學院研究生Cherry Gao，前麻省理工學院羅馬斯托克土木與環(huán)境工程教授(現(xiàn)為瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院教授)，澳大利亞悉尼理工大學Jean-batiste Reiner教授和Justin Seymour教授以及其他四位教授。

每年，海洋中的微生物產(chǎn)生超過10億噸DMSP，占浮游植物吸收的碳的10%，浮游植物是二氧化碳的主要“匯”。沒有它，溫室氣體甚至會累積。在大氣中速度更快。高說，這種化合物是如何加工的，其不同的化學方式如何影響全球碳和硫循環(huán)，到目前為止還沒有很好的了解。

她說：“DMSP是細菌的主要營養(yǎng)來源?！薄八鼭M足了海洋中高達95%的細菌硫需求和高達15%的細菌碳需求。因此，鑒于DMSP的普遍性和豐富性，我們預計這些微生物過程將在全球硫循環(huán)中發(fā)揮重要作用。”

高和她的同事已經(jīng)對一種名為波默羅伊魯熱里亞的海洋細菌進行了基因改造。當兩種不同的DMSP處理方式中的一種被激活時，它會發(fā)出熒光，從而可以在各種條件下分析這些過程的相對表達。

兩種被稱為去甲基化的方法之一是產(chǎn)生基于碳和硫的營養(yǎng)物質(zhì)，這些營養(yǎng)物質(zhì)可以被微生物用來維持它們的生長。另一種叫做裂解的方法會產(chǎn)生一種叫做二甲基硫醚的氣體。高解釋說：“這是一種導致海鮮的化合物。在實驗中，我實際上在實驗室里聞到了很多海鮮的味道?！?

DMS是硫的氣體，它是大多數(shù)從海洋進入大氣的生物來源。一旦硫化合物進入大氣，它們就成為水分子凝結(jié)的關(guān)鍵來源。因此，它們在空氣中的濃度將通過云的形成影響降雨模式和大氣的整體反射率。了解影響大多數(shù)生產(chǎn)的過程可能對改進氣候模型有許多重要意義。

這些氣候影響是“為什么我們有興趣知道細菌何時決定使用裂解途徑而不是去甲基化途徑”，以便更好地了解在什么條件下會產(chǎn)生多少重要的DMS。“這是一個公開的問題，至少已經(jīng)有20年了?！?

這項新研究發(fā)現(xiàn)，附近的DMSP濃度可以調(diào)節(jié)細菌的使用方式。在一定濃度下，脫甲基占優(yōu)勢，但在10微摩爾左右以上，裂解過程占優(yōu)勢。

她說：“真正讓我們驚訝的是，在工程菌實驗后，我們發(fā)現(xiàn)以卵裂途徑為主的DMSP濃度比預期的要高——比海洋中的平均濃度高幾個數(shù)量級。”。

研究人員得出結(jié)論，這一過程在典型的海洋條件下很難發(fā)生。相反，DMSP濃度增加的微觀“熱點”可能是全球DMS產(chǎn)量不成比例的原因。這些微小的“熱點”是一些浮游植物細胞周圍的區(qū)域，其中有大量的DMSP，其濃度比海洋平均濃度高1000倍左右。

“我們實際上在產(chǎn)生DMSP的工程菌和浮游植物之間進行了一個共培養(yǎng)實驗，”高說。實驗表明，“的確，細菌增加了DMS產(chǎn)生途徑的表達，這更接近于浮游植物?！?

研究人員表示，新的分析應該有助于研究人員了解這些微小海洋生物如何通過它們的集體行為在全球范圍內(nèi)影響生物地球化學和氣候過程的關(guān)鍵細節(jié)。

研究團隊成員包括麻省理工學院和蘇黎士聯(lián)邦理工學院的博士后和康，研究生西蒙尼菲尼齊亞和大學的喬治博納特教授。這項工作得到了戈登和貝蒂摩爾基金會、西蒙斯基金會、美國國家科學基金會和澳大利亞研究委員會的支持。

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