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探秘海洋硫循环：海水中DMS和DMSP的生物生产与消费机制解析

一、引言

1.1研究背景与意义

硫元素是地球上生命活动所必需的重要元素之一，广泛参与生物体内众多关键的生化过程，如蛋白质、酶以及多种辅酶的合成等。全球硫循环作为地球生物地球化学循环的重要组成部分，对维持地球生态系统的平衡与稳定起着举足轻重的作用。在全球硫循环中，海洋占据着核心地位，因其广袤的面积和丰富的生物多样性，成为硫元素重要的源和汇，驱动着一系列复杂且关键的生物地球化学过程，深刻影响着全球的生态环境与气候系统。

二甲基硫（DimethylSulfide，DMS）作为海洋中最主要的挥发性生源硫化物，在全球硫循环中扮演着不可或缺的角色。据估算，全球每年约有15-33TgS以DMS的形式从海洋释放至大气，这一释放量占据大气中DMS来源的90%以上，约占全球每年硫释放总量的15%以及天然硫排放总量的60%。DMS从海洋进入大气后，会经历一系列复杂的氧化反应，其主要氧化产物为二氧化硫（SO?）和甲磺酸（MSA）。这些氧化产物进一步参与大气中的化学反应，最终形成硫酸盐气溶胶。硫酸盐气溶胶在大气中充当云凝结核（CCN）的角色，显著增加了云凝结核的数量。云凝结核数量的增多使得云层对太阳辐射的反射率提高，从而减少了到达地球表面的太阳辐射量，在一定程度上对全球气候变暖起到了缓解作用，形成了海洋DMS排放与气候变化之间的负反馈调节机制。此外，DMS在大气中的氧化产物大多具有酸性，这些酸性物质会对天然沉降物的酸度产生重要影响，进而参与到酸雨的形成过程中，对陆地和海洋生态系统的酸碱平衡、生物多样性以及物质循环等方面产生深远的影响。

二甲基巯基丙酸内盐（Dimethylsulfoniopropionate，DMSP）是DMS最重要的前体物质，在海洋生态系统中广泛存在。海洋中的多种微生物，如藻类、细菌等，能够通过特定的代谢途径合成DMSP。在DMSP裂解酶的催化作用下，DMSP会分解产生DMS，这一过程是海洋中DMS生物生产的主要途径。DMSP不仅在DMS的生物合成中具有关键作用，还在海洋微生物的生理活动中发挥着多种重要功能。例如，它可以作为渗透调节物质，帮助微生物细胞应对外界环境渗透压的变化，维持细胞的正常形态和生理功能；在某些情况下，DMSP还可能参与微生物的抗氧化防御机制，保护细胞免受氧化应激的损伤。

生物生产与消费过程是海洋中DMS和DMSP的主要来源与去除途径，在它们的生物地球化学循环中起着决定性作用，直接决定了表层海水中DMS的浓度以及海-气通量。海洋中的浮游植物，尤其是一些藻类，是DMSP的主要生产者。不同种类的浮游植物合成DMSP的能力存在显著差异，这与它们的生理特性、生长环境以及进化历程密切相关。例如，某些硅藻和甲藻在适宜的生长条件下能够大量合成DMSP，而其他一些浮游植物的DMSP合成能力则相对较弱。微生物对DMS和DMSP的消费过程同样复杂多样，细菌等微生物可以利用DMS和DMSP作为碳源、硫源或能源，通过不同的代谢途径将它们分解转化。这种生物生产与消费的动态平衡受到多种因素的综合影响，包括海洋物理、化学和生物条件等，如海水温度、盐度、光照强度、营养盐浓度、浮游植物群落结构以及微生物群落组成等。

深入研究表层海水中DMS及DMSP的生物生产和消费过程，对于全面衡量海洋生物对海水中DMS和DMSP的贡献，深入理解它们的生物地球化学循环过程具有至关重要的意义。这不仅有助于我们揭示海洋生态系统中硫元素的迁移转化规律，还能为准确评估海洋在全球硫循环和气候变化中的作用提供关键的数据支持和理论依据。在全球气候变化的大背景下，海洋环境正在发生深刻的变化，如海水温度升高、海洋酸化、富营养化加剧等，这些变化可能会对DMS和DMSP的生物生产与消费过程产生显著影响，进而改变海洋与大气之间的硫交换通量，对全球气候系统产生潜在的反馈作用。因此，开展海水中DMS和DMSP的生物生产与消费研究，对于预测未来气候变化趋势、制定科学合理的海洋生态环境保护政策以及应对全球环境挑战具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

自20世纪70年代科学家发现海洋中DMS的存在及其对全球气候的潜在影响以来，DMS和DMSP的生物生产与消费研究逐渐成为海洋科学、环境科学等多学科交叉领域的研究热点。经过数十年的发展，国内外学者在这一领域取得了丰硕的研究成果，极大地推动了我们对海洋硫循环以及海洋与大气相互作用的理解。

在DMS和DMSP的生物生产方面，研究表明海洋中的浮游植物是DMSP的主要生产者。不同种类的浮游植物合成DMSP的能力