研究人员探索海洋微生物在全球气候过程中的作用

瞥见海洋中的微型世界：海洋细菌（绿色和青色）以转基因浮游植物（橙色）中渗出的营养为食。这些细菌释放出一种称为DMS的物质，该物质有助于云的形成。

当它们在海洋沙漠中遇到营养绿洲时，海洋细菌会释放出与气候调节有关的气体。

一项新的研究表明，浮游植物周围的养分“热点”（一种微小的海藻，每天产生的氧气约占我们呼吸的氧气的一半）在释放参与云形成和气候调节的气体中起着举足轻重的作用。

这项新研究量化了特定海洋细菌处理关键化学物质称为二甲基磺丙酸二甲酯（DMSP）的方式，浮游植物会大量生产这种物质。该化学物质在海洋微生物消耗硫和碳并释放到大气中的过程中起着关键作用。

麻省理工学院研究生，前麻省理工学院土木与环境工程教授罗曼·斯托克特（现为瑞士苏黎世联邦理工学院的教授）与让·巴蒂斯特·雷纳（Jean-Baptiste Raina）和澳大利亚悉尼科技大学的贾斯汀·西摩（Justin Seymour）教授和其他四位教授。

每年海洋中的微生物产生的DMSP超过十亿吨，占浮游植物吸收的碳的10％，而浮游植物是二氧化碳的主要“汇”，没有它，温室气体的积聚速度甚至会更快。在大气中。高说，这种化合物究竟是如何加工的以及进入全球碳和硫循环的不同化学途径如何，直到现在还没有得到很好的理解。

她说：“ ​​DMSP是细菌的主要营养来源。”“它满足了海洋中高达95％的细菌硫需求和高达15％的细菌碳需求。因此，鉴于DMSP的普遍性和丰富性，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，当激活了两种处理DMSP的途径之一时，它会发出荧光，从而可以在多种条件下分析这些过程的相对表达。

称为去甲基化的两种途径之一是产生基于碳和硫的营养素，微生物可利用这些营养素维持其生长。另一种途径称为裂解，会产生一种称为二甲基硫醚（DMS）的气体，高解释说：“是造成海味的化合物。当我进行实验时，我实际上在实验室里闻到了很多海洋的气味。”

DMS是负责从海洋进入大气的大部分生物来源硫的气体。硫化合物一旦进入大气，便是水分子凝结的关键来源，因此，它们在空气中的浓度会影响降雨模式以及通过生成云层而对大气的整体反射率。了解影响大部分生产过程的过程对于改进气候模型可能具有多种重要意义。

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会产生多少重要的DMS。“至少二十年来，这一直是一个悬而未决的问题。”

这项新研究发现，附近的DMSP浓度可调节细菌使用的途径。在一定浓度以下，脱甲基作用占主导，但在约10微摩尔水平以上，裂解过程占主导。

她说：“真正令我们惊讶的是，在对工程细菌进行实验后，我们发现裂解途径占主导地位的DMSP的浓度高于预期，比海洋中的平均浓度高出几个数量级，”她说。

研究人员得出结论，这表明该过程几乎不会在典型的海洋条件下发生。相反，DMSP浓度升高的微观“热点”可能是导致全球DMS生产量不成比例的原因。这些微小的“热点”是某些浮游植物细胞周围的区域，其中存在大量的DMSP，其浓度比平均海洋浓度高出约一千倍。

“我们实际上在工程细菌和产生DMSP的浮游植物之间进行了共同孵化实验，” Gao说。实验表明“确实，细菌增加了DMS产生途径的表达，更接近浮游植物。”

研究人员说，新的分析应该帮助研究人员了解这些微观海洋生物如何通过其集体行为来影响全球规模的生物地球化学和气候过程的关键细节。

参考：“单细胞细菌转录测量揭示了海洋硫循环中二甲基磺化丙酸二甲酯（DMSP）热点的重要性”，高高，Vicente I. Fernandez，Kang Soo Lee，Simona Fenizia，Georg Pohnert，Justin R. Seymour，Jean-Baptiste Raina和罗曼·斯托克（Roman Stocker），2020年4月23日，自然通讯。DOI：
10.1038 / s41467-020-15693-z

该研究小组的成员包括麻省理工学院和苏黎世联邦理工学院的博士后维森特·费尔南德斯和康秀李，研究生西蒙娜·菲尼兹亚和德国弗里德里希·席勒大学的乔治·波纳特教授。这项工作得到了戈登和贝蒂·摩尔基金会，西蒙斯基金会，国家科学基金会以及澳大利亚研究理事会的支持。