海洋细菌利用沿海海水产生含氧和含硫的挥发性有机化合物

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Production of Oxygen- and Sulfur-Containing Volatile Organic Compounds by Marine Bacteria From Coastal Seawater

本研究通过在无浮游植物的海水细菌群落中添加13C-葡萄糖，发现细菌在葡萄糖消耗阶段净产生乙醛（6.5 nM·d?1），并在后期主动合成丙酮（84.0 nM·d?1）及硫化物（DMS、甲硫醇等）。细菌兼具VOCs生产与降解双重功能，其中乙醛周转时间仅1天，而丙酮周转长达68天，表明细菌是海洋VOCs的重要生产源。研究揭示了细菌代谢对海洋VOCs通量及大气化学的关键作用。

　　本研究通过分析海洋细菌群落对挥发性有机化合物（VOCs）的贡献，揭示了这些微生物在海洋生态系统中不仅作为VOCs的降解者，同时也是重要的生产者。以往的大多数研究主要集中在孤立培养或海水中VOCs的生成与消耗过程，而本研究则特别关注自然存在的细菌群落，排除了浮游植物的影响，从而更全面地理解细菌在VOCs循环中的作用。研究发现，海洋细菌在葡萄糖消耗期间会产生乙醛，尽管其代谢过程中对乙醛的降解速度较快，但其净生产率仍达到6.5 nM/d，表明它们在这一阶段对乙醛的贡献显著。在葡萄糖消耗后，细菌对丙酮的生产率达到了84.0 nM/d，而降解速率仅为2.1 nM/d，且其周转时间长达68天，这表明细菌在丙酮的生成中扮演了更为关键的角色。此外，研究还发现海洋细菌在葡萄糖消耗后能够生成含硫的VOCs，如二甲基硫化物（DMS）和甲硫醇（MeSH），进一步表明细菌可以独立于浮游植物代谢而产生这些化合物。这些发现不仅扩展了我们对海洋细菌在VOCs循环中的角色的理解，也为研究其对大气化学和气候调控的潜在影响提供了新的视角。

海洋生态系统是大气中VOCs的重要来源和汇，这些化合物在大气氧化、气候系统以及辐射平衡中起着关键作用。DMS是海洋中VOCs的主要组成部分，占大气中DMS排放量的超过80%。它在大气氧化过程中起到重要作用，尤其是在形成云凝结核和气溶胶方面，进而影响地球的反照率。而氧有机挥发性化合物（OVOCs）如甲醇、乙醛和丙酮则占海洋大气VOCs的80%。这些化合物在不同区域和季节中表现出显著的空间和时间变化，因此，理解它们在海洋表面的动态变化对于评估其对大气化学和全球气候的影响至关重要。

尽管海洋细菌通常被认为是对OVOCs的降解者，但近年来的实验和观测结果表明，它们在某些情况下也能参与OVOCs的生成。例如，一些海洋细菌株系被发现可以降解乙醛、丙酮和异戊二烯，而另一些则能够生成丙酮。这说明海洋细菌在不同化合物和环境条件下的角色可能有所变化。然而，关于细菌群落对OVOCs生成的个体贡献仍缺乏系统研究。本研究通过在自然海水中培养细菌群落并使用13C-葡萄糖作为碳源，结合质谱分析技术，首次直接证明了细菌群落对乙醛、丙酮以及含硫VOCs的生成能力。

在实验过程中，研究人员首先收集了富含自然细菌的海水样本，并将其与人工海水混合，以减少溶解有机物（DOM）和VOCs的干扰。为了评估VOCs在葡萄糖消耗过程中的变化，他们对细菌群体进行了标准化处理。随后，将葡萄糖和13C-葡萄糖分别加入到实验瓶中，并使用质子转移反应四极杆质谱（PTR-QMS）技术检测不同时间点的VOCs浓度。这种技术能够通过检测VOCs的同位素特征来区分其来源，从而确认哪些VOCs是由细菌代谢产生的。

实验结果显示，在葡萄糖消耗期间，乙醛的浓度迅速上升，随后被快速降解。这一现象表明，乙醛的生成和降解之间存在动态平衡，但细菌在这一过程中仍发挥了重要作用。相比之下，丙酮的生成速率显著高于其降解速率，说明细菌在丙酮的生成中占据主导地位。此外，实验还发现，在葡萄糖消耗后，细菌能够生成DMS和MeSH，这表明它们不仅可以通过代谢DMSP来产生这些含硫VOCs，还可能利用其他途径进行合成。这一发现挑战了传统观点，即DMS和MeSH主要来源于浮游植物的代谢。

在分析细菌群落的组成变化时，研究人员发现，在葡萄糖消耗初期，Vibrionales门的细菌占主导地位，这可能与其在高葡萄糖环境下的快速增殖能力有关。随着葡萄糖的消耗，细菌群落逐渐向Oceanospirillales、Flavobacteriales和Kiloniellales等门转移。这些细菌门通常在沿海水域中较为常见，且具有利用多种有机底物的能力。例如，Oceanospirillales门的细菌参与DMSP的降解和烃类物质的分解，而Flavobacteriales门则与多糖等碳水化合物的降解相关。Kiloniellales门虽然研究较少，但其与VOCs浓度之间的显著相关性表明，它们可能在某些情况下参与硫化合物的生成过程。

研究还发现，乙醛的浓度在葡萄糖消耗后迅速下降，且其周转时间仅为1天，这表明乙醛主要由微生物活动所控制。相比之下，丙酮的周转时间较长，达到了68天，说明其在海洋生态系统中具有较高的稳定性。这种差异可能与两种化合物在微生物代谢中的不同作用有关，乙醛可能作为中间产物快速释放，而丙酮则可能作为终产物在微生物体内积累。此外，VOSCs如DMS和MeSH的浓度在葡萄糖消耗后呈现出持续上升的趋势，表明它们的生成可能受到微生物代谢路径的调控。

通过进一步的统计分析，研究人员发现细菌门的相对丰度与VOCs浓度之间存在显著的相关性。例如，Kiloniellales门的丰度增加与丙酮和VOSCs浓度的上升呈正相关，这可能表明该门的细菌在VOCs的生成过程中起到了重要作用。然而，由于实验条件的限制，无法准确识别具体的细菌种类或菌株，因此未来需要更精细的分析手段，如宏基因组学或分离培养，以进一步揭示不同细菌对VOCs生成的具体贡献。

本研究的发现对于理解海洋生态系统中VOCs的动态变化具有重要意义。首先，它表明海洋细菌不仅是VOCs的降解者，同时也是重要的生产者，这为评估海洋VOCs的来源和去向提供了新的视角。其次，它揭示了细菌在不同阶段对不同VOCs的贡献差异，这可能与它们的代谢路径、碳源利用效率以及环境条件的变化有关。此外，研究还表明，VOCs的生成和降解过程可能受到微生物群落组成和代谢活动的共同影响，因此在解释VOCs浓度变化时，需要综合考虑这些因素。

本研究的结果也对大气化学和全球气候模型的构建具有潜在价值。由于VOCs在大气中能够参与氧化反应并影响臭氧和气溶胶的形成，因此了解其在海洋中的生成机制有助于更准确地预测其对大气环境的影响。例如，乙醛在沿海地区和受船舶排放影响的区域可能对臭氧的形成产生重要影响，而丙酮则在远程海洋区域对大气氧化能力具有显著贡献。此外，DMS和MeSH的生成可能对云的形成和降水过程产生影响，进而影响全球气候模式。

本研究还揭示了海洋细菌在不同环境条件下的代谢灵活性。例如，在葡萄糖消耗后，细菌可能利用其他有机物质作为碳源，从而继续生成VOCs。这种代谢多样性可能帮助细菌适应不同的环境变化，并维持其在海洋生态系统中的关键功能。然而，由于实验仅基于单一的沿海海水样本，因此这些结果可能受到局部环境因素的影响，需要进一步在不同海域进行验证。

最后，本研究的局限性在于其对细菌种类的分析仅限于门级别，未能进一步细化到种或株的层面。因此，未来的研究可以采用更高分辨率的技术，如宏基因组测序或单细胞分析，以更精确地识别参与VOCs生成的特定细菌类型。此外，研究还可以探索不同环境条件（如温度、盐度和营养物质浓度）对细菌VOCs生成的影响，从而更全面地理解海洋细菌在VOCs循环中的作用。通过这些研究，我们有望更深入地揭示海洋细菌在生态系统中的复杂角色，并为全球气候变化和大气化学研究提供新的理论基础。