研究人員探索海洋微生物對於影響氣候的作用
2020/06/29 @國際
摘要
DMSP化合物普遍存於海洋中，供海洋細菌硫與碳之營養來源，且合成機制具有影響全球碳循環以及硫循環的重要作用，為了解開DMSP與氣候調節間的作用機制，跨國聯合研究團隊將海洋細菌進行基因修飾，發現可發生去甲基化與裂解作用兩種路徑，有益於科學家更加了解全球氣候變化機制與海洋微生物間的關聯性。
示意圖
海洋微生物每年生產超過十億噸的二甲基巰基丙酸(dimethylsulfoniopropionate, DMSP)，佔浮游植物吸收碳的10%，DMSP是細菌的主要營養來源，它滿足了海洋中高達95％的細菌對硫的需求和高達15％的細菌對碳的需求，因此，鑑於DMSP的普遍性和豐富性，研究員認為這些微生物代謝的過程將在全球硫循環中發揮重要作用。然而，該化合物究竟是如何作用及其不同的化學路徑如何影響全球碳和硫的循環，至今仍未有很好的解釋。一項新的研究表明浮游植物(一種微小的海藻，每天生產大約我們呼吸所需氧氣量的一半)周圍的養分「熱點」(hotspots)對於和雲朵形成與氣候調節有關的氣體釋放有巨大的影響力，此外，該研究量化了海洋細菌所處理的特定關鍵化合物DMSP。此研究由麻省理工研究生Cherry Gao、瑞士蘇黎世聯邦理工學院教授Roman Stocker、Jean-Baptiste Raina、澳洲雪梨科技大學教授Justin Seymour與其他四位教授共同合作，相關研究發表於《Nature Communications》期刊中。
研究員將一種海洋細菌—Ruegeria pomeroyi的基因進行修飾，當激活兩種處理DMSP的途徑之一時，它會發出螢光，從而可在多種條件下分析基因的表達情況。該路徑的其中一種為去甲基化，進而使微生物能利用碳與硫元素作為生長所需的營養素。另一種路徑為裂解作用，其會產生聞起來具有海味的二甲基硫醚(DMS)氣體。DMS主要負責將海洋中由生物衍生而來的硫化合物轉換至大氣中，硫化合物一旦進入大氣後，便成為水分子凝結的關鍵來源，它們在空氣中的濃度會影響降雨模式以及透過雲的生成來影響大氣整體的反射率，因此，了解影響大部分生產的過程對於改進氣候模型具有多種重要意義。【延伸閱讀】後疫情時代 專家：科技創新為發展永續農業關鍵
先前的研究尚未明白細菌在什麼情況下會使用裂解路徑而非去甲基路徑，但研究員認為了解影響氣候的因素是有意義的，如此可更好的了解在什麼條件下會產生多少重要的DMS。這項新研究發現DMSP濃度會影響細菌的作用路徑，在一定濃度下，其主要採甲基化路徑，但在10微莫耳以上時，則採裂解路徑。令研究員驚訝的是當裂解路徑為主導地位時，DMSP的濃度比預期的要高，且也比海洋中的平均濃度高。此項結果表明這樣的作用模式幾乎不會在典型的海洋條件下發生，相反的，DMSP濃度升高的微觀「熱點」可能是導致全球DMS生產量不成比例的原因。這些微小的「熱點」是某些浮游植物細胞周圍的區域，其中存在大量的DMSP，該濃度比平均海洋濃度高出約一千倍。研究員則進一步將基因修飾細菌與浮游植物進行共培養試驗，試驗結果證實細菌會增加DMS生產的路徑表達。此項新分析應該有助於研究員了解這些微觀海洋生物如何透過其集體的行為來影響具全球規模的生物地質化學和氣候相關作用過程的關鍵細節。
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