分解顽固分子

海水不仅仅是咸水。海洋真是一锅化学物质。

这种肉汤的一部分来自于溶解的碳化合物，它们是全球碳储量的重要组成部分，与大气中的碳含量相当。研究人员正在积极地对世界海洋中碳的形态进行分类，以及对海洋水中碳的循环利用的生物过程进行分类。

有些分子，如蛋白质和糖，很容易分解，而另一些则更不易降解。一项由加州大学圣巴巴拉分校博士后研究员刘淑婷领导的新研究，调查了一些更顽固的化合物和可以消化它们的微生物。这些结果发表在《湖沼学与海洋学》杂志上，阐明了海洋碳循环的基本方面，并可能帮助科学家预测微生物在其调节中所起的作用。

刘和生态、进化和海洋生物学系的克雷格·卡尔森教授是在百慕大大西洋时间序列研究基地进行研究的一个小组的成员。该基地是马尾藻海的一个长期研究项目，马尾藻海本身就是大西洋百慕大附近的一个区域。经过多年的研究，科学家们注意到，在较为平静的夏季，溶解在地表水中的有机物逐渐增多。冬季的恶劣条件将这些化合物混合到更深的水里，科学家们称这一层为中远洋带，或称模糊带，因为它跨越了光能到达的最低深度。一旦这种情况发生，一些有机物就会分解，循环就会重新开始。这个团队很想知道为什么。

为了做到这一点，刘和她的同事们集中研究了富含羧基的脂环分子，即CRAMs，这是一种特别坚韧和多样化的有机化合物，具有类似的化学性质，其中一些组成了海洋中更顽强的有机分子。

符合克拉姆描述的一类化合物是木质素，它是赋予木材硬度的一组分子。事实上，刘在她的实验中使用木质素作为四种类绞痛化合物之一。

这个团队的目标很简单。刘说:“我们正在尝试观察哪些类型的微生物对中远洋区的这些类绞痛化合物有反应。”

科学家们将他们的四种模型填塞化合物引入中远洋海水样本中，并观察结果。在不同的时间间隔，他们分析溶解的有机碳的浓度，并用显微镜计数细菌细胞的总数。研究小组还使用了针对6种特定微生物谱系的分子探针，以确定每个谱系相对于样本中总细胞生长的速度。这告诉他们哪些组是最活跃的。

研究人员使用的这些化合物的浓度比微生物在自然界中看到的要高几个数量级。卡尔森说:“我们采取的是一种实验性的浓缩方法。“如果我们把它的浓度提高，他们会使用吗?”如果他们真的使用它，谁在使用它?”

他们发现，尽管这些化合物具有相同的特性，但它们对微生物的可利用性在不同的谱系中是不同的。“有些化合物很容易被利用，”卡尔森说，“而另一些则更耐降解，如木质素和腐殖酸。”

该实验还证实了研究小组的假设，即在中远洋环境中相对常见的微生物，而不是海洋表面的微生物，能够分解和使用这些坚硬的化合物。这一发现是由俄勒冈州立大学的斯蒂芬·乔凡诺尼(Stephen Giovannoni)和吉米·索(Jimmy Saw)的共同作者和合作者在基因组研究中发现的。

刘和卡尔森等研究人员假设，中远洋带拥有一个独特的微生物群落，能够利用住在上面的微生物没有接触过的物质。表层细菌必须花费更多的能量来吸收氮和磷等营养物质，而这些营养物质在上层海洋中是稀缺的。相比之下，生活在阳光普照的海面上进行光合作用的浮游生物提供了易于消化的碳。因此，表面微生物很可能使用最易获得的碳形式，而不是将能量下沉到更有抵抗力的有机化合物中。

与此同时，据研究人员说，氮和磷在中远洋带的深处含量丰富。因此，生活在那里的微生物可能有资源和能量来分解和吸收更多顽固形式的碳，比如CRAMs。

刘解释说，目前，CRAMs的降解和中远洋带某些微生物的存在只是一种关联。她希望通过追踪克拉姆化合物降解过程中的碳，并观察其是否被她研究的微生物吸收，从而建立因果关系。

刘和卡尔森计划在接下来的实验中使用更接近实际海水的化合物和浓度。他们的一位同事正在使用质谱法来表征海水中溶解的有机化合物，包括一些CRAMs。一旦确定了这些化合物的特征，Liu可以使用类似的方法从环境中提取有机成分，并进行类似的实验。

“微生物是驱动这些大型生物地球化学循环的有机体，”卡尔森说。“这样的公司太多了，他们成长得太快，转变得太快。它们可以改变整个生态系统的化学分布。研究是什么控制着海洋中最小生物的生长，这对海洋中化学循环的控制有着重要的意义。”