一项新的研究表明，浮游植物周围的营养物质“热点”——能够提供人类呼吸所用氧气的一半——有助于释放一种与云的形成和气候调节有关的气体。
这项新研究量化了某些特定的海洋细菌处理二甲基磺基丙酸盐（DMSP）这种重要化学物质的方式，该物质由浮游植物大量产生，同时这种化学物质在海洋微生物消耗硫和碳并把它们释放到大气中起着关键的作用。
《自然通讯》杂志（Nature Communications）报道了这项研究发现。该研究项目由麻省理工大学（MIT）研究生高樱桃（Cherry Gao），麻省理工大学前土木与环境工程教授罗曼·斯托尔（Roman Stocker；现为瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）教授，与澳大利亚悉尼科技大学（University of Technology Sydney in Australia）让-巴蒂斯特·雷纳（Jean-Baptiste Raina）和贾斯汀·西摩（Justin Seymour）教授以及其他四人共同完成。
海洋微生物每年可产生超过10亿吨的二甲基磺基丙酸盐（DMSP），相当于浮游植物吸收碳总量的10%。浮游植物是二氧化碳的主要“碳汇”，如果缺少这种“碳汇”，温室气体在大气中的积累速度会更快。但是直到现在人们还未很好地了解这种化合物是如何被处理的，它是如何通过不同的化学途径进入全球碳和硫循环的——高樱桃说道。
“二甲基磺基丙酸盐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，鉴于二甲基磺基丙酸盐的普遍性和丰富程度，我们猜测这些微生物过程在全球硫循环过程中发挥重要作用。”
高樱桃和她的同事们对模式菌（Ruegeriapomeroyi）进行了基因改造，当二甲基磺基丙酸盐的两种不同化学途径中的一种被激活时，这种细菌就会发出荧光，研究人员可以借此分析各种条件下的反应过程。
这两种化学途径中的一种被称为去甲基化，它会产生以碳和硫为基础的营养物质，海洋微生物可以利用这些营养物质维持生长。另一种途径叫做裂解，它会产生一种叫做二甲基硫化物（DMS）的气体。高樱桃解释道：“二甲基硫化物使大海散发出独特的大海味道，所以当我在实验室做实验的时候，我经常闻到海水的味道。”
二甲基硫化物是一种气体，从海洋进入大气层的大部分生物硫由它产生。一旦进入大气层，硫化物成为水分子凝结的主要来源，因此其在大气中的浓度通过形成云影响降雨模式和大气的整体反射率。了解这些过程对完善气候模型有多种重要意义。
高樱桃说，二甲基硫化物对气候的影响可以说明“为什么我们有兴趣研究细菌何时决定使用裂解途径而不是去甲基化途径”，进而更好地了解在什么条件下产生了多少重要的二甲基硫化物。“至少20年来，这一直是一个悬而未决的问题。”
新的研究发现，细菌周边的二甲基磺基丙酸盐浓度将决定其使用哪种化学途径。在一定浓度下，细菌会以去甲基化途径为主，而在10微摩尔浓度以上则是以裂解途径为主。
她说：“真正让我们感到惊讶的是，在工程菌的实验中，我们发现当裂解途径占主导地位时二甲基磺基丙酸盐的浓度远远高于预期——比海洋中的平均浓度高出几个数量级。”
研究人员总结说，这表明裂解途径很难在普通的海洋条件环境下发生。相反，二甲基磺基丙酸盐浓度升高的微生物“热点”可能是造成全球二甲基硫化物产量不成比例的原因。这些微生物“热点”存活于某些浮游植物细胞的周围，那儿的二甲基磺基丙酸盐含量极高，大约是海洋平均浓度的1000倍。
“事实上，我们在工程菌和产生二甲基磺基丙酸盐的浮游植物之间做了一个共同培养的实验，”高樱桃说道。实验结果表明，“越靠近浮游植物，细菌确实会增强它们产生二甲基硫化物的化学途径。”
研究人员称，新的研究分析有助于研究人员了解这些海洋微生物通过其集体行为影响全球范围的地球生物化学和气候过程的关键细节。
研究团队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（Vicente Fernandez）和李康素（Kang Soo Lee），研究生西蒙娜·菲尼兹亚（Simona Fenizia）和德国弗里德里希席勒大学（Friedrich Schiller University in Germany）的乔治·波纳特教授（Georg Pohnert）。这项研究工作得到了戈登和贝蒂·摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation）、西蒙斯基金会（Simons Foundation）、美国国家科学基金会（National Science Foundation）和澳大利亚研究委员会（the Australian Research Council）的资助。
研究报告来源：
Cherry Gao, Vicente I. Fernandez, Kang Soo Lee, Simona Fenizia, Georg Pohnert, Justin R. Seymour, Jean-Baptiste Raina, Roman Stocker. Single-cell bacterial transcription measurements reveal the importance of dimethylsulfoniopropionate (DMSP) hotspots in ocean sulfur cycling. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-15693-z
编译：吴思琪
审校：邹磊磊
新闻来源：Science Daily网
