在世界海洋中发现巨大的碳氢化合物循环

碳氢化合物和石油在环境科学中几乎是同义词。毕竟，石油储量几乎占了我们遇到的所有碳氢化合物。但是，少数可以追溯到生物来源的碳氢化合物可能发挥的生态作用比科学家最初怀疑的要大。

加州大学圣巴巴拉分校和伍兹霍尔海洋研究所的一组研究人员调查了这个以前被忽视的海洋学领域，寻找被忽视的全球循环的迹象。他们还测试了它的存在如何影响海洋对石油泄漏的反应。

“我们证明，海洋中存在着巨大而快速的碳氢化合物循环，这与海洋对石油输入的反应能力不同，”担任地球系诺里斯总统主席的戴维·瓦伦丁教授说。 UCSB 的科学。这项由他的研究生 Eleanor Arrington 和 Connor Love 领导的研究发表在Nature Microbiology上。

2015年，由剑桥大学科学家领导的一个国际团队发表了一项研究，表明碳氢化合物十五烷是由实验室培养的海洋蓝藻产生的。研究人员推断，这种化合物可能在海洋中很重要。瓦伦丁解释说，这种分子似乎可以缓解弯曲膜中的压力，因此它存在于叶绿体等物质中，其中紧密堆积的膜需要极大的曲率。某些蓝藻仍然合成这种化合物，而其他海洋微生物则很容易消耗它作为能量。

瓦伦丁与伍兹霍尔的克里斯雷迪一起为这篇论文撰写了一篇两页的评论，并决定与阿灵顿和洛夫一起进一步探讨这个话题。他们于 2015 年访问了墨西哥湾，然后于 2017 年访问了西大西洋，以收集样本并进行实验。

该团队从大西洋营养贫乏的地区(称为马尾藻海)采集海水，该地区以从墨西哥湾席卷而来的漂浮的马尾藻海藻命名。瓦伦丁说，这是一片美丽、清澈、湛蓝的海水，中间夹杂着百慕大的味道。

获取样本显然是一项相当棘手的工作。由于十五烷是柴油燃料中常见的碳氢化合物，因此团队必须采取额外的预防措施以避免船舶本身的污染。他们让船长把船转向风，这样废气就不会污染样品，他们分析了柴油的化学特征，以确保它不是他们发现的任何十五烷的来源。

更重要的是，当研究人员收集海水时，没有人可以在甲板上吸烟、做饭或画画。“那是一件大事，”瓦伦丁说，“我不知道你是否曾经在船上待过很长时间，但你每天都在画画。就像金门大桥：你从一个开始结束，当你到达另一端时，是时候重新开始了。”

预防措施奏效，团队回收了原始海水样本。“在 2017 年探险之后，站在伍兹霍尔的气相色谱仪前，很明显样品很干净，没有柴油的迹象，”共同主要作者洛夫说。“十五烷是明确无误的，即使在 [我们] 运行的前几个样本中也已经显示出清晰的海洋学模式。”

由于它们在世界海洋中的数量众多，Love 继续说，“仅两种类型的海洋蓝藻每年向海洋中添加的碳氢化合物就比所有其他类型的海洋石油输入总和(包括天然油)多 500 倍。渗漏、漏油、燃料倾倒和陆地径流。”这些微生物每年总共产生 300-6 亿公吨十五烷，这一数量使从所有其他来源释放的 130 万公吨碳氢化合物相形见绌。

虽然这些数量令人印象深刻，但它们有点误导。作者指出，十五烷循环跨越了地球表面的 40% 或更多，超过 1 万亿个富含十五烷的蓝藻细胞悬浮在世界海洋的阳光照射区域。然而，这些细胞的生命周期通常不到两天。因此，研究人员估计，在任何特定时间，海洋仅含有约 200 万吨十五烷。

瓦伦丁解释说，这是一个快速旋转的轮子，因此任何时间点的实际数量都不是特别大。“每两天你就会生产和消耗海洋中的所有十五烷，”他说。

未来，研究人员希望将微生物的基因组学与其生理学和生态学联系起来。该团队已经拥有数十种生物体的基因组序列，这些生物体大量繁殖以消耗样本中的十五烷。“那里的信息量令人难以置信，”瓦伦丁说，“我认为这表明我们对许多消耗碳氢化合物的生物的生态学知之甚少。”

在确认了这种生物碳氢化合物循环的存在和规模后，该团队试图解决它的存在是否可能促使海洋分解溢出的石油的问题。阿灵顿解释说，关键问题是这些丰富的消耗十五烷的微生物是否可以作为溢油清理过程中的资产。为了研究这一点，他们将戊烷——一种类似于十五烷的石油碳氢化合物——添加到从墨西哥湾的天然石油渗漏处不同距离采集的海水中。

他们测量了每个样本的整体呼吸作用，以了解食用戊烷的微生物繁殖需要多长时间。研究人员假设，如果十五烷循环确实使微生物也能够消耗其他碳氢化合物，那么所有样品都应该以相似的速度发展。

但事实并非如此。来自油渗漏附近的样品很快就出现了水华。“在添加戊烷的大约一周内，我们看到大量人口增长，”瓦伦丁说。“而且越远，它就会变得越来越慢，直到当你在北大西洋外出时，你可以等待数月而永远看不到花朵。”事实上，阿灵顿在马萨诸塞州伍兹霍尔的设施探险后不得不留下来继续对大西洋样本进行实验，因为这些花朵花了很长时间才出现。

有趣的是，该团队还发现证据表明属于另一个生命领域古细菌的微生物也可能在十五烷循环中发挥作用。“我们了解到，一组尚未在实验室驯化的神秘的、全球丰富的微生物——可能是由表层海洋中的十五烷推动的，”共同主要作者阿灵顿说。

结果提出了一个问题，为什么巨大的十五烷循环的存在似乎对石化戊烷的分解没有影响。“石油与十五烷不同，”瓦伦丁说，“你需要了解它们之间的区别，以及实际构成石油的化合物，以了解海洋微生物将如何对它做出反应。”

最终，微生物通常用于消耗戊烷的基因与用于十五烷的基因不同。“与蓝藻产生的十五烷相比，生活在百慕大近海清澈海水中的微生物接触石化戊烷的可能性要小得多，因此不太可能携带用于消耗戊烷的基因，”阿灵顿说。

瓦伦丁继续说，大量不同的微生物物种可以消耗十五烷，但这并不意味着它们也可以消耗其他碳氢化合物，特别是考虑到石油中存在的碳氢化合物结构的多样性。海洋生物产生的常见碳氢化合物不到十几种，包括十五烷和甲烷。同时，石油包含成千上万种不同的碳氢化合物。更重要的是，我们现在看到能够分解复杂石油产品的生物往往在天然油渗漏附近生活得更丰富。

瓦伦丁将这种现象称为“生物地理启动”——当海洋的微生物种群适应特定地理区域的特定能源时。“我们在这项工作中看到的是十五烷和石油之间的区别，”他说，“这对于了解不同海洋区域将如何应对石油泄漏非常重要。”

像马尾藻海这样缺乏营养的环流占地球表面的 40%，令人印象深刻。但是，忽略土地，地球上仍有 30% 的地方有待探索其他生物碳氢化合物循环。瓦伦丁认为，生产率较高的地区的流程会更加复杂，也许会为石油消费提供更多的动力。他还指出，大自然的生物碳氢化合物生产蓝图为开发下一代绿色能源提供了希望。