研究人员探索海洋微生物在气候影响中的作用

一项新的研究表明，围绕着浮游植物的营养物质的“热点”——微小的海藻，产生了我们每天呼吸的大约一半的氧气——在释放一种与云的形成和气候调节有关的气体方面发挥了巨大的作用。

这项新研究量化了特定海洋细菌处理一种名为二甲基磺基丙酸盐(DMSP)的关键化学物质的方式，这种物质是由浮游植物大量产生的。这种化学物质在海洋微生物消耗和释放到大气中的硫和碳的过程中起着关键的作用。

工作报告今天在《自然》杂志上的通信,在一篇由麻省理工学院研究生樱桃高,前麻省理工学院土木与环境工程教授罗马储料器(现在在瑞士苏黎世联邦理工学院教授),与让-巴蒂斯特·莱和贾斯汀Seymour教授合作在澳大利亚悉尼科技大学的,和其他四人。

海洋微生物每年产生超过10亿吨的DMSP，占浮游植物吸收的碳的10%。浮游植物是二氧化碳的主要“汇”，没有它们，温室气体在大气中的积累速度会更快。但是这种化合物是如何被处理的，它的不同的化学途径是如何进入全球碳和硫循环的，直到现在还没有被很好地理解，高说。

“DMSP是细菌的主要营养来源，”她说。它可以满足海洋中95%的细菌对硫的需求和15%的细菌对碳的需求。因此，考虑到DMSP的普遍存在和丰富程度，我们预计这些微生物过程将在全球硫循环中发挥重要作用。”

Gao和她的同事对一种名为Ruegeria pomeroyi的海洋细菌进行了基因改造，当处理DMSP的两种不同途径中的一种被激活时，这种细菌就会发出荧光，从而允许在各种条件下对这些过程的相对表达进行分析。

这两种途径中的一种被称为去甲基化，它产生碳和硫为基础的营养物质，微生物可以利用这些营养物质来维持它们的生长。另一种途径叫做解理，它会产生一种叫做二甲基硫化物(DMS)的气体。当我在实验室做实验的时候，我经常闻到大海的味道。”

DMS是一种气体，从海洋进入大气的大部分生物硫都是由它产生的。一旦进入大气层，硫化合物是水分子凝结的主要来源，因此它们在空气中的浓度通过云的产生影响降雨模式和大气的整体反射率。了解这些生产过程对完善气候模型有多种重要意义。

高说，这些气候影响是“为什么我们有兴趣知道细菌何时决定使用裂解途径而不是去甲基化途径”，以便更好地了解在什么条件下产生了多少重要的DMS。“至少20年来，这一直是一个悬而未决的问题。”

新的研究发现，DMSP的浓度在附近调节细菌使用的途径。在一定浓度下以脱甲基作用为主，而在10微摩尔以上以解理作用为主。

她说:“真正让我们感到惊讶的是，在对工程细菌的实验中，我们发现以裂解途径为主的DMSP的浓度高于预期——比海洋中的平均浓度高出几个数量级。”

研究人员总结说，这表明这一过程很难在典型的海洋条件下发生。相反，DMSP浓度升高的微尺度“热点”可能是造成全球DMS产量高度不成比例的原因。这些微尺度的“热点”是围绕某些浮游植物细胞的区域，其中DMSP含量极高，大约是海洋平均浓度的1000倍。

“事实上，我们在工程细菌和产生dmsp的浮游植物之间做了一个共孵育实验，”高说。实验表明，“确实，细菌增加了它们的dms产生途径的表达，更接近于浮游植物。”

研究人员说，新的分析应该有助于研究人员了解这些微观海洋生物如何通过它们的集体行为影响全球范围的生物地球化学和气候过程的关键细节。

研究团队包括麻省理工学院和苏黎世联邦理工学院的博士后Vicente Fernandez和Kang Soo Lee，研究生Simona Fenizia和德国弗里德里希·席勒大学的Georg Pohnert教授。这项工作得到了戈登和贝蒂·摩尔基金会、西蒙斯基金会、国家科学基金会和澳大利亚研究委员会的支持。