于 娟，來(lái)敬廣，田繼遠(yuǎn)，許 瑞，王雪丹，熊 婕，楊桂朋

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；3. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109； 4. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局，重慶 404002)

β-二甲基巰基丙酸內(nèi)鹽(Dimethylsulfoniopropionate，DMSP，分子式(CH3)2S+CH2CH2COO-)是海洋生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的一種還原態(tài)有機(jī)硫化物，DMSP及其酶裂解產(chǎn)物二甲基硫(Dimethylsulfide，DMS，分子式CH3SCH3)對(duì)全球硫循環(huán)具有重要貢獻(xiàn)。每年由海洋藻類(lèi)產(chǎn)生的DMSP可達(dá)109t，占細(xì)胞內(nèi)有機(jī)硫的50%～90%[1]。每年由海洋排放到大氣的DMS大約13～37 Tg，約占全球天然硫釋放量的50%[2]。DMS作為痕量活性氣體，通過(guò)海氣交換進(jìn)入大氣，其氧化產(chǎn)物形成云凝結(jié)核，改變對(duì)陽(yáng)光的折射率，從而影響全球的氣候變化，即“CLAW假說(shuō)”[3]。海洋中的DMSP和DMS的來(lái)源和歸宿與海洋生物(浮游植物、浮游動(dòng)物、珊瑚、異養(yǎng)細(xì)菌、病毒、魚(yú)，等)密切相關(guān)。浮游植物、細(xì)菌或有機(jī)物經(jīng)植食性浮游動(dòng)物、肉食性浮游動(dòng)物、各級(jí)肉食性動(dòng)物，將物質(zhì)和能量通過(guò)海洋食物鏈和食物網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和流動(dòng)[4]。因此DMSP和DMS的分布與海洋食物網(wǎng)的多種營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物直接相關(guān)，并通過(guò)攝食活動(dòng)在海洋食物鏈各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間進(jìn)行傳遞和轉(zhuǎn)化[5]。浮游食物鏈在DMSP的傳遞和轉(zhuǎn)化中具有重要地位：(1)一部分DMSP沿經(jīng)典食物鏈(浮游植物→浮游動(dòng)物→幼魚(yú)、蝦)傳遞和轉(zhuǎn)化；(2)另一部分DMSP沿微食物環(huán)(DMSP→異養(yǎng)細(xì)菌→原生動(dòng)物→后生動(dòng)物)進(jìn)入循環(huán)(見(jiàn)圖1)。因此，海洋食物網(wǎng)(如：經(jīng)典食物鏈和微食物環(huán))的組成、結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)在DMSP的生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用[6]。本文對(duì)DMSP的源和匯及其在海洋食物鏈中轉(zhuǎn)移等方面進(jìn)行闡述，著重討論浮游食物鏈在DMSP傳遞和轉(zhuǎn)化中的作用，對(duì)深入了解DMSP在浮游食物鏈的生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用具有重要科學(xué)意義。

圖1 DMSP在食物鏈中的生物地球化學(xué)循環(huán)

1 DMSP的分布

DMSP在海洋環(huán)境中普遍存在，是浮游植物體內(nèi)的一種硫代謝產(chǎn)物，海洋微藻、大型藻類(lèi)和鹽生植物是海洋DMSP的主要來(lái)源[7-8]。1988—2018年的研究數(shù)據(jù)表明，DMSP含量具有種間差異性[9]，不同浮游植物內(nèi)的DMSP含量從納摩爾到微摩爾不等，相差3個(gè)數(shù)量級(jí)。海水中DMSP濃度與調(diào)查海域、水層、季節(jié)有關(guān)，一般不超過(guò)1.78 μmol·L-1[10]。水平分布上，極地和亞極地地區(qū)具有相對(duì)較高的DMSP含量，而熱帶及亞熱帶海域DMSP含量相對(duì)偏低[11]。垂直分布上，海水中的DMSP通常表現(xiàn)出由表層水到深層水下降的趨勢(shì)。2011年夏季中國(guó)黃、東海海水現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明，海水DMSP濃度從表層到深層變化范圍為7.6～234.9 nmol·L-1[12]。DMSP濃度的季節(jié)變化表現(xiàn)為：春季開(kāi)始增加，夏末達(dá)到最高值，秋、冬季逐漸下降。中國(guó)黃、東海海水中，2006年夏季DMSP濃度較高，變化范圍為14.0～45.0 nmol·L-1，2007年冬季DMSP的濃度相對(duì)較低，變化范圍為6.5～18.0 nmol·L-1[13]。

2 DMSP的生物合成

2.1 DMSP在浮游植物中的生物合成

Keller和Maureen[14]對(duì)123個(gè)海洋浮游植物的研究發(fā)現(xiàn)，浮游植物中的甲藻綱(溝鞭藻dinoflagellates)和定鞭金藻綱(棕囊藻Phaeocystissp.)是DMSP的主要生產(chǎn)者[10]，一些金藻和綠藻也可產(chǎn)生一定量的DMSP，而褐藻和硅藻則是DMSP低產(chǎn)種[15]。海洋中的無(wú)機(jī)硫向有機(jī)硫的轉(zhuǎn)化是一個(gè)耗能的過(guò)程，首先，浮游植物經(jīng)硫酸鹽同化還原過(guò)程，藻細(xì)胞吸收水體中的硫酸鹽進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，隨后進(jìn)入葉綠體經(jīng)一系列生化反應(yīng)生成半胱氨酸。半胱氨酸一部分參與生物所需蛋白質(zhì)的合成，另一部分反應(yīng)得到高半胱氨酸經(jīng)甲基化反應(yīng)生成DMSP的前體甲硫氨酸。甲硫氨酸生物合成DMSP可能有4種不同的路徑(見(jiàn)圖2)。Kocsis等[16]發(fā)現(xiàn)被子植物中有2種甲基化路徑；硅藻、綠藻和珊瑚中發(fā)生轉(zhuǎn)氨途徑，還有一種脫羧途徑，甲硫氨酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨和脫羧途徑分別生成中間體MTOB(4-methylthio-2-oxobu-tyrate)和MMPA(Methylmercaptopropionate)，經(jīng)氧化脫羧反應(yīng)最終合成DMSP[17]。近年來(lái)利用分子生物學(xué)技術(shù)已經(jīng)鑒定出涉及硫甲基化作用的DSYB基因[18]，而其它途徑涉及的關(guān)鍵基因還有待于進(jìn)一步探究。

圖2 DMSP生物合成的可能途徑[19]

2.2 DMSP在海洋細(xì)菌中的合成

Curson等[18, 20]發(fā)現(xiàn)海洋異養(yǎng)細(xì)菌中α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)可以合成DMSP，打破了前人對(duì)DMSP高產(chǎn)者只有微型藻類(lèi)、大型藻類(lèi)和鹽生植物等真核生物的認(rèn)識(shí)，使人們對(duì)于DMSP生物合成的種類(lèi)有了更加豐富的認(rèn)識(shí)。這些海洋細(xì)菌的DMSP生物合成路徑與許多藻類(lèi)相似，都是甲硫氨酸通過(guò)轉(zhuǎn)氨途徑進(jìn)一步合成。Curson等[20]也證實(shí)了DSYB基因是海洋細(xì)菌DMSP生物合成的關(guān)鍵基因，其作用是編碼該途徑關(guān)鍵的甲基轉(zhuǎn)移酶。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽度變化或氮的利用率降低時(shí)，海洋細(xì)菌可以通過(guò)合成DMSP以維持細(xì)胞正常的生命活動(dòng)[18]。海洋細(xì)菌合成DMSP的發(fā)現(xiàn)有助于我們更加清晰了解DMSP的來(lái)源。

2.3 影響DMSP合成的環(huán)境因素

DMSP合成是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受多種環(huán)境因素(光照、鹽度、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、海水pH、紫外輻射等)的影響[21]。環(huán)境因素可以刺激或抑制初級(jí)生產(chǎn)力，從而間接影響DMSP的合成。

光照對(duì)DMSP合成的影響是間接的，光照強(qiáng)度和光照時(shí)間會(huì)影響浮游植物的光合作用，進(jìn)而影響合成DMSP所需的能量[22]。Sunda等[23]研究表明，高光照強(qiáng)度會(huì)促進(jìn)球石藻、大型綠藻的生長(zhǎng)，并導(dǎo)致DMSP濃度的升高；另外，不同光照周期對(duì)DMSP的合成影響不同，短光照周期培養(yǎng)，光照強(qiáng)度對(duì) DMSP的合成沒(méi)有影響，長(zhǎng)光照周期培養(yǎng)，光照強(qiáng)度可使 DMSP 濃度增加一倍。鹽度升高會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)DMSP濃度的增加[24]，不同鹽度下DMSP濃度的變化范圍約為兩個(gè)數(shù)量級(jí)，很多海域的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，顆粒態(tài)DMSP(DMSPp)的含量與鹽度變化呈正相關(guān)[25]。低溫條件下的DMSP是細(xì)胞代謝作用的相容性溶質(zhì)，對(duì)細(xì)胞組織的酶具有一定的保護(hù)作用[1]。Karsten等[26]對(duì)南極大藻的研究發(fā)現(xiàn)，0 ℃的DMSP含量比10 ℃的DMSP含量高5倍，表明低溫可以刺激藻類(lèi)DMSP含量升高。在營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)DMSP的影響研究中，營(yíng)養(yǎng)鹽氮的影響成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)[27]。在一些營(yíng)養(yǎng)貧乏的海區(qū)(如馬尾藻海)，氮限制導(dǎo)致海水中的DMSP含量較高[27]。與此結(jié)果不同，Keller等[28]研究發(fā)現(xiàn)浮游植物DMSP濃度與氮濃度之間不存在明顯相關(guān)性關(guān)系。鑒于目前研究結(jié)果的差異性，營(yíng)養(yǎng)鹽中氮限制對(duì)DMSP的影響需進(jìn)一步證實(shí)。

除上述環(huán)境因素以外，海水pH和紫外輻射也會(huì)影響DMSP的合成[29-34]。海水pH降低引起的海洋酸化會(huì)對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)和光合作用產(chǎn)生影響，并改變海洋初級(jí)生產(chǎn)力和浮游植物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步導(dǎo)致DMSP和DMS的產(chǎn)量發(fā)生變化[30]。另外，海洋酸化對(duì)海水中的DMSP降解菌豐度的影響也會(huì)引起DMS產(chǎn)生的變化[31]。Jian等[32]研究表明，高濃度CO2(pH=7.7)條件下，DMSP和DMS濃度分別下降21%和35%，分析原因可能是浮游植物生物量、細(xì)菌代謝和酶活性綜合作用的結(jié)果。Yang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，紫外輻射抑制南極棕囊藻DMSP的產(chǎn)生，并且DMSP濃度與紫外輻射強(qiáng)度和暴露時(shí)間均呈負(fù)相關(guān)。與Yang等[31]的研究結(jié)果不同，Darroch等[34]研究發(fā)現(xiàn)高紫外線(xiàn)輻射下，球石藻的細(xì)胞內(nèi)DMSP和溶解態(tài)DMSP(DMSPd)濃度分別增加了30%和100%，推測(cè)原因可能是紫外輻射脅迫促進(jìn)了抗氧化劑DMSP的合成。海洋酸化和紫外輻射等環(huán)境因素并不是單獨(dú)發(fā)揮作用，而是各個(gè)環(huán)境因素之間相互作用的結(jié)果[32]，因此綜合考慮多種因素才能更好地理解和解釋環(huán)境對(duì)DMSP的影響機(jī)制。

3 DMSP的分解代謝

大多數(shù)生物合成的DMSP釋放到水體后形成DMSPd，DMSPd來(lái)自于浮游植物主動(dòng)分泌、細(xì)胞衰老、病毒感染以及浮游動(dòng)物捕食。海洋中自由生長(zhǎng)的浮游細(xì)菌和附著菌可以利用水體中的DMSP進(jìn)行同化和降解[35]。海洋細(xì)菌分解代謝DMSP有兩種途徑，一種是去甲基化途徑，該途徑生成一種重要的揮發(fā)性硫化物甲硫醇和丙烯酸鹽，該過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵的酶DmdA已被證實(shí)[36]；另一種途徑是在DMSP裂解酶的參與下，DMSP轉(zhuǎn)化為DMS、丙烯酸和一個(gè)質(zhì)子(見(jiàn)圖3)。大約30%～90%的DMSPd被細(xì)菌分解代謝，其中大部分通過(guò)脫甲基途徑進(jìn)行降解，少部分通過(guò)酶促裂解生成DMS[37]。低DMSPd濃度下，浮游細(xì)菌更喜歡脫甲基化途徑，因?yàn)樵撏緩教峁┝烁嗟哪芰?，并且是吸收還原硫的一種比較經(jīng)濟(jì)的方式；而在高DMSPd濃度下，DMSP可采用酶促裂解途徑[38]。目前從各種細(xì)菌類(lèi)群中共鑒定出7種DMSP裂解基因(dddD、dddK、dddL、dddP、dddQ、dddY和dddW)[39-40]，這些基因編碼DMSP裂解酶促使DMSP向DMS的轉(zhuǎn)化。除了細(xì)菌，浮游植物也可以產(chǎn)生DMSP裂解酶，將DMSP裂解產(chǎn)生DMS和丙烯酸。例如，Alcolombri等[41]在球石藻中發(fā)現(xiàn)了DMSP裂解酶基因(Almal)。雖然，關(guān)于DMSP的分解代謝途徑已經(jīng)有了一些研究，但這兩個(gè)途徑的各自貢獻(xiàn)及其作用機(jī)理仍需進(jìn)一步闡明。

(①脫甲基途徑；②裂解途徑。①The demethylation pathway；②The cleavage pathway.)

4 浮游食物鏈在DMSP傳遞和轉(zhuǎn)化中的作用

4.1 DMSP在浮游食物鏈中的作用

DMSP在海洋生物和海洋環(huán)境中，具有不同的生理、生物學(xué)功能。DMSP可為海洋細(xì)菌提供碳源和硫源[43]，在浮游食物鏈中可充當(dāng)捕食抑制劑、化學(xué)信號(hào)分子等生物學(xué)功能[44]，在海洋生物體內(nèi)可作為滲透壓調(diào)節(jié)劑、抗冷凍劑、抗氧化劑等生理學(xué)功能[45-46]。

DMSP與其氮的類(lèi)似物甜菜堿有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，都可以調(diào)控藻細(xì)胞內(nèi)部滲透壓。細(xì)胞內(nèi)DMSP濃度較高的生物，DMSP可作為一種滲透液，有助于細(xì)胞克服滲透壓變化下的不利環(huán)境，維持細(xì)胞的穩(wěn)定。例如，在高鹽度條件下，卡氏膜球藻(Hymenomonascarterae)細(xì)胞中DMSP的濃度高達(dá)300 mmol·L-1[46]。DMSP對(duì)滲透壓的調(diào)節(jié)是長(zhǎng)期的過(guò)程，并非真正的滲透壓調(diào)節(jié)劑。Karsten等[47]研究表明DMSP可以保護(hù)乳酸脫氫酶(LDH)和蘋(píng)果酸脫氫酶(MDH)的活性，添加DMSP后，這兩種酶的活性和穩(wěn)定性均得到了增加。此外，DMSP及其分解產(chǎn)物(DMS、丙烯酸、二甲基亞砜和甲烷磺酸)可作為抗氧化劑清除羥基自由基和其它活性氧[23]。

Stefels[21]提出的“overflow”機(jī)制很好地解釋了DMSP在細(xì)胞代謝中的作用：DMSP的生產(chǎn)可以消耗多余能量和還原態(tài)硫以保證代謝的正常運(yùn)行。DMSP可以為細(xì)胞生長(zhǎng)儲(chǔ)存氮，并加速對(duì)硫酸鹽的吸收[48]。海洋微生物可以利用DMSP中的硫合成氨基酸并利用碳鍵部分能量，證明DMSP可作為海洋細(xì)菌的重要碳源和硫源[37]。與吸收硫酸鹽相比，一些細(xì)菌(如SAR11)吸收DMSP中的還原硫只需消耗更少的能量，因此更傾向于利用DMSP中的還原硫[49]。

DMSP及其降解產(chǎn)物具有捕食抑制劑的作用[50]。Wolfe等[50]研究發(fā)現(xiàn)，球石藻產(chǎn)生的DMSP及其降解產(chǎn)物丙烯酸對(duì)許多生物具有毒害作用，使其能夠逃避浮游動(dòng)物的捕食。另外，DMSP可以作為一種信號(hào)分子，吸引對(duì)珊瑚有益的細(xì)菌，與珊瑚一起構(gòu)建完整的微生物群落從而增強(qiáng)珊瑚自身的健康[51]。DMSP還可以吸引一些浮游植物、噬菌體和草食性微型浮游動(dòng)物[52]，也可以誘導(dǎo)細(xì)菌群體感應(yīng)，如參與顆粒有機(jī)碳(POC)的降解。另外，Barak-Gavish等[53]揭示了一種獨(dú)特的菌株特定性反應(yīng)，富含DMSP的球石藻更容易受到感染，證明了DMSP還有一種新的功能，可作為細(xì)菌毒性的介質(zhì)對(duì)球石藻水華的調(diào)節(jié)起到一定的作用。

4.2 經(jīng)典食物鏈對(duì)DMSP循環(huán)的作用

4.2.1 浮游植物 DMSP由浮游植物合成，經(jīng)植食性浮游動(dòng)物、肉食性浮游動(dòng)物可以進(jìn)入更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)。浮游植物的種類(lèi)和豐度與DMSP濃度密切相關(guān)，在棕囊藻(Phaeocystissp.)和球石藻(Emilianiahuxleyi)水華期間DMSP濃度會(huì)大大提高[54]。研究表明，浮游植物豐度和葉綠素a(Chla)含量均與DMSP濃度呈正相關(guān)性[13]。在格陵蘭海和挪威海，Chla含量是DMSP濃度的最重要影響因素，其次是海水溫度和鹽度[55]。也有部分研究結(jié)果顯示，DMSP濃度與Chla含量相關(guān)性不明顯，這主要是由于浮游植物種類(lèi)和豐度不同造成的，不同浮游植物細(xì)胞含有的DMSP、Chla含量各不相同，而單一浮游植物的Chla含量與DMSP濃度呈顯著正相關(guān)[56]。DMSP的釋放量與浮游植物生長(zhǎng)期有關(guān)，健康細(xì)胞DMSP釋放很少，細(xì)胞衰亡或破裂會(huì)釋放大量的DMSP[57]。藻細(xì)胞自溶被認(rèn)為是DMSPp釋放的主要途徑，在水華末期，細(xì)胞破裂導(dǎo)致大量DMSP釋放進(jìn)入水體[58]。

4.2.2 浮游動(dòng)物 浮游動(dòng)物是初級(jí)消費(fèi)者的重要組成部分，每天大約消耗海洋初級(jí)生產(chǎn)力的10%～25%[59]，浮游動(dòng)物的豐度及分布對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力和更高的營(yíng)養(yǎng)級(jí)具有調(diào)控作用。Dacey和Wakeham[60]首次提出海洋橈足類(lèi)攝食納爾遜裸甲藻(Gymnodiniumnelsoni)可以極大刺激DMS的產(chǎn)生。Leck等[61]在波羅的海的研究發(fā)現(xiàn)，海水DMS 濃度與浮游動(dòng)物總豐度呈正相關(guān)。Wolfe等[62]利用稀釋法研究發(fā)現(xiàn)拉布拉多海(Labrador Sea)DMS產(chǎn)量與微型浮游動(dòng)物攝食率成正比，并且推測(cè)可能是因?yàn)槲锢砻{迫(攝食)激活棕囊藻DMSP的裂解并促進(jìn)DMS的產(chǎn)生，可能是因?yàn)樵孱?lèi)裂解酶活性和浮游動(dòng)物腸道和糞便中的異養(yǎng)細(xì)菌活性增加促進(jìn)了DMS產(chǎn)量升高。一些中型和大型浮游動(dòng)物(如橈足類(lèi)、磷蝦等)的攝食可以機(jī)械破裂藻細(xì)胞從而釋放溶解有機(jī)物，DMSP與DMSP裂解酶混合進(jìn)而促進(jìn)DMS的釋放[60]。橈足類(lèi)可以通過(guò)攝食、滲透調(diào)節(jié)、保留在體內(nèi)、重新包裝成可以再循環(huán)或沉降到深水的糞便顆粒以達(dá)到DMSP的轉(zhuǎn)移[63]。

現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)表明，浮游動(dòng)物DMSP的攝入量遠(yuǎn)大于DMS的產(chǎn)生量，可能是因?yàn)橐徊糠謹(jǐn)z入的DMSP被體內(nèi)和水體環(huán)境中的細(xì)菌經(jīng)脫甲基途徑代謝，一部分在浮游動(dòng)物體內(nèi)積累進(jìn)入細(xì)胞組織[64]或轉(zhuǎn)移到糞便中(見(jiàn)表1)。同化到橈足類(lèi)體內(nèi)的DMSP可以通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移到更高一級(jí)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，而糞便中的DMSP可被細(xì)菌降解或沉降到更深的海水中[63]。中華哲水蚤是中國(guó)東海、黃海、膠州灣的優(yōu)勢(shì)種，實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明，DMS釋放的增加量(與無(wú)橈足類(lèi)的對(duì)照相比的增加量)與中華哲水蚤的攝食率呈正相關(guān)，并受餌料類(lèi)型、餌料濃度和鹽度的影響[65]。與上述橈足類(lèi)攝食促進(jìn)DMS釋放的結(jié)果不同，膠州灣現(xiàn)場(chǎng)中華哲水蚤、浮游動(dòng)物的豐度與DMS、DMSP濃度無(wú)顯著相關(guān)性[65]。Cantin等[66]與Yu等[65]的現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果類(lèi)似，研究表明，圣勞倫斯灣飛馬哲水蚤(Calanusfinmarchicus)攝食對(duì)DMS和DMSPd產(chǎn)生的影響不大。原因主要是現(xiàn)場(chǎng)DMS、DMSP濃度是一個(gè)凈生產(chǎn)結(jié)果，受浮游植物、浮游動(dòng)物豐度以及種類(lèi)組成(見(jiàn)表1)的影響。浮游動(dòng)物攝食在DMSP沿食物鏈傳遞中的作用，要考慮其他綜合因素。截止目前為止，浮游動(dòng)物攝食過(guò)程中的 DMSP傳遞和轉(zhuǎn)化的作用機(jī)制尚不明確，浮游動(dòng)物在DMSP的生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用有待于進(jìn)一步的研究。

表1 不同浮游動(dòng)物體內(nèi)DMSP的含量

4.2.3 食浮游生物的魚(yú)類(lèi) 魚(yú)類(lèi)對(duì)浮游生物的攝食是海洋環(huán)境中的一個(gè)重要過(guò)程，影響DMSP在食物鏈中的傳遞和轉(zhuǎn)化。Hill等[68]研究幼年大西洋短背黑鯛對(duì)DMSP的攝食過(guò)程發(fā)現(xiàn)，攝入的DMSP轉(zhuǎn)移到DMSPd、糞便和體內(nèi)的百分比分別為21%、10%、33%，而體內(nèi)DMSP最終代謝轉(zhuǎn)化成DMS或被大型肉食動(dòng)物捕食進(jìn)入高一級(jí)食物鏈。此外，DMSP是重要的信號(hào)分子，釋放在水體中的DMSP會(huì)影響?hù)~(yú)類(lèi)的覓食活動(dòng)，魚(yú)類(lèi)可以利用DMSP的時(shí)空分布尋找覓食機(jī)會(huì)[69]，食物中高濃度DMSP會(huì)增加魚(yú)類(lèi)的體重和群體活躍性[70]。因此，魚(yú)類(lèi)的DMSP攝食過(guò)程對(duì)它們生存海域DMSP的生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義。

4.3 微食物環(huán)對(duì)DMSP循環(huán)的作用

作為傳統(tǒng)食物鏈的一個(gè)補(bǔ)充，微食物環(huán)在驅(qū)動(dòng)海洋生態(tài)系統(tǒng)碳、硫循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，Pomeroy等[71]發(fā)現(xiàn)了各種微生物在生產(chǎn)和消費(fèi)過(guò)程中的重要作用，隨后Azam等[6]首次提出了微食物環(huán)概念，引起了研究者的極大關(guān)注。按生物粒徑，微食物環(huán)主要包含4個(gè)粒級(jí)(femto-，<0.2 μm；pico-，0.2～2 μm；nano-，2～20 μm和micro-，20～200 μm)，其中包括病毒、細(xì)菌、鞭毛蟲(chóng)和纖毛蟲(chóng)等[72]。微型食物鏈?zhǔn)沁B接碎屑食物鏈和后生動(dòng)物食物鏈的關(guān)鍵，異養(yǎng)微生物經(jīng)二次生產(chǎn)將DMSPd變成自身生長(zhǎng)繁殖的顆粒有機(jī)質(zhì)，原生動(dòng)物(如纖毛蟲(chóng)和鞭毛蟲(chóng))通過(guò)攝食異養(yǎng)微生物，使之變?yōu)楦蟮挠袡C(jī)顆粒，為更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的后生動(dòng)物(如橈足類(lèi))所利用，傳遞返回主食物鏈(見(jiàn)圖1)。

4.3.1 Femto-級(jí)浮游生物 Femto-級(jí)浮游生物主要是指粒徑小于0.2 μm的病毒顆粒。不同海域病毒的豐度不同，沿岸和河口豐度略大于遠(yuǎn)洋豐度，其范圍為3×108～2.8×1011cells/L[73]。海洋病毒是細(xì)菌和真核生物死亡的主要來(lái)源，是細(xì)菌生產(chǎn)力的重要調(diào)控因子，約19%生產(chǎn)力被病毒消耗[74]。病毒可使宿主細(xì)胞裂解，將顆粒有機(jī)物轉(zhuǎn)化為水體中的溶解有機(jī)物，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)碳的循環(huán)利用。病毒裂解使浮游植物細(xì)胞內(nèi)DMSP釋放進(jìn)入水體，加速DMSP的降解過(guò)程，促進(jìn)DMS的產(chǎn)生[74]。Evans等[75]研究發(fā)現(xiàn)，病毒感染球石藻(Emilianiahuxleyi)的過(guò)程中DMSP、DMS和丙烯酸均得到積累，證實(shí)了藻類(lèi)的病毒感染可直接導(dǎo)致DMSP裂解。

4.3.2 Pico-級(jí)浮游生物 Pico-級(jí)生物主要包括聚球藍(lán)細(xì)菌、原綠球藻及異養(yǎng)細(xì)菌。Archer等[76]研究表明微微型光合真核生物(Picoeukaryotes,Euk.)和藍(lán)細(xì)菌(cyanobacteria)，如聚球藻(Synechoccusspp.)，含有大量DMSP。微微型自養(yǎng)生物藍(lán)細(xì)菌生物量大，代謝速度快，能量轉(zhuǎn)換效率高，可貢獻(xiàn)40%的總凈生產(chǎn)力[77]。趙三軍等[78]研究發(fā)現(xiàn)，聚球藍(lán)細(xì)菌豐度最高值主要分布在表層及次表層，占浮游植物總生物量的4%～98%，溫度和光照強(qiáng)度可能是限制其生物量的主要因子。原綠球藻是最小的超微型光合浮游生物，生物量極大，是微食物環(huán)的重要組成部分，也是碳、硫循環(huán)的主要貢獻(xiàn)者。藍(lán)細(xì)菌和原綠球藻在微食物環(huán)以及DMSP循環(huán)中的作用越來(lái)越受到海洋科學(xué)工作者的重視。

異養(yǎng)細(xì)菌在微食物環(huán)中扮演著主導(dǎo)角色，既是生產(chǎn)者，也是分解者。異養(yǎng)細(xì)菌的生產(chǎn)力相當(dāng)于初級(jí)生產(chǎn)力的10%～30%，主要發(fā)生在真光層[79]。異養(yǎng)細(xì)菌也是水體中DMSP的主要分解者，大多數(shù)DMSP降解菌屬于α-變形菌綱和β-變形菌綱，α-變形菌綱以SAR11類(lèi)群和玫瑰桿菌類(lèi)群為主要代表[80]。在微生物食物鏈中，異養(yǎng)細(xì)菌為浮游生物提供了豐富的餌料，將DMSPd代謝為利于自身生長(zhǎng)的顆粒有機(jī)物，作為微食物環(huán)的起點(diǎn)進(jìn)入微食物環(huán)進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，增加了海洋生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性。DMSP可以為異養(yǎng)細(xì)菌提供碳源和硫源，可貢獻(xiàn)表層海水中總碳需求的1%～15%，而且，DMSP的同化也可以滿(mǎn)足大部分海洋細(xì)菌對(duì)硫的需求[81]。除此之外，異養(yǎng)細(xì)菌可以與初級(jí)生產(chǎn)者發(fā)生相互作用，通過(guò)特定的有機(jī)分子調(diào)節(jié)種間關(guān)系和促進(jìn)生物生長(zhǎng)。Johnson等[82]通過(guò)表征異養(yǎng)細(xì)菌RuegeriapomeroyiDSS-3對(duì)浮游植物產(chǎn)生的DMSP的代謝反應(yīng)證實(shí)了這種藻-菌相互作用。Kessler等[83]發(fā)現(xiàn)，石莼(Ulva)可以釋放大量DMSP 作為指示食物來(lái)源的化學(xué)信號(hào)，吸引異養(yǎng)細(xì)菌在石莼細(xì)胞周?chē)奂⑿纬杀Ｗo(hù)性生物膜，石莼可直接在生物膜上生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)變化。不管是浮游食物鏈還是微食物環(huán)，海洋細(xì)菌在食物鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)中都是普遍存在的，細(xì)菌對(duì)DMSP循環(huán)的影響也是不可忽視的一個(gè)因素。

4.3.3 微型浮游動(dòng)物 許多學(xué)者把micro-和nano-浮游動(dòng)物合并為micro-浮游動(dòng)物，微型浮游動(dòng)物主要是指異養(yǎng)鞭毛蟲(chóng)和纖毛蟲(chóng)，主要攝食浮游細(xì)菌和病毒，同時(shí)又被中型浮游動(dòng)物(如橈足類(lèi))所捕食，是微食物環(huán)與主食物鏈相互耦合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[84]。Christaki等[45]研究發(fā)現(xiàn)微型浮游食物網(wǎng)中的微型浮游動(dòng)物對(duì)DMSP釋放的作用：粒徑小于10 μm的DMSPp需經(jīng)草食性微型浮游動(dòng)物攝食和細(xì)菌分解，才能被橈足類(lèi)等中型浮游動(dòng)物所利用。北海北部球石藻水華期間，91%浮游植物細(xì)胞內(nèi)DMSP的傳遞受微型浮游動(dòng)物的調(diào)控[85]，微型浮游動(dòng)物成為將DMSPp轉(zhuǎn)化為DMSPd的主要媒介。Strom等[86]指出微型浮游動(dòng)物的攝食會(huì)影響DMSP裂解酶的活性，進(jìn)而加速DMSP向DMS的轉(zhuǎn)化。Tang 和Simó[5]計(jì)算出異養(yǎng)腰鞭毛蟲(chóng)攝入的DMSP中有30%同化為捕食者體內(nèi)DMSP，并保留在原生動(dòng)物體內(nèi)隨微食物環(huán)進(jìn)入更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)。因此，原生動(dòng)物(纖毛蟲(chóng)和鞭毛蟲(chóng))在海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中起關(guān)鍵作用，是將浮游植物中DMSP轉(zhuǎn)移到食物鏈的重要營(yíng)養(yǎng)紐帶。

5 結(jié)論與展望

海洋中DMSP的產(chǎn)生、遷移-轉(zhuǎn)化和傳遞與海洋生物密切相關(guān)，經(jīng)典食物鏈和微食物環(huán)在其中發(fā)揮著重要作用。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了DMSP分布的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并對(duì)DMSP的合成和降解途徑進(jìn)行了研究，探討了海洋食物網(wǎng)復(fù)雜相互作用中DMSP的源和匯，但對(duì)許多海洋硫化物(包括DMS、DMSP等)循環(huán)的各個(gè)途徑仍然知之甚少，仍有許多關(guān)于DMSP從浮游植物進(jìn)入食物鏈后的遷移、轉(zhuǎn)化和傳遞的過(guò)程、途徑及其機(jī)理的問(wèn)題尚待明確。

(1)海洋生物在DMSP的產(chǎn)生(如浮游植物、大型海藻、鹽生植物、部分細(xì)菌等)和降解(如細(xì)菌、浮游動(dòng)物、病毒等)中具有重要作用，因此DMSP在海洋食物網(wǎng)中通過(guò)捕食或降解消耗進(jìn)行傳遞和轉(zhuǎn)化的路徑以及具體機(jī)理需要進(jìn)一步深入研究。

(2)DMSP的產(chǎn)生和降解除了生物因素的影響，還受非生物因素(如溫度、鹽度、光照、氮濃度、紫外輻射、海水pH等)的影響?，F(xiàn)場(chǎng)海水中的DMSP和DMS濃度是生物因素和非生物因素相互作用的凈結(jié)果，不能僅考慮單一因素。紫外輻射及海水pH對(duì)DMS和DMSP產(chǎn)生和降解的影響目前雖然有少量報(bào)道，但最終是積極影響還是消極影響尚無(wú)定論，仍需開(kāi)展一些現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)做進(jìn)一步研究。

(3)浮游動(dòng)物攝食浮游植物這一浮游食物鏈在DMSP和DMS的生物地球化學(xué)循環(huán)中具有重要作用，可以通過(guò)攝食將浮游植物細(xì)胞內(nèi)的DMSP裂解酶釋放出來(lái)，從而促進(jìn)DMS的產(chǎn)生。DMS的釋放量要考慮浮游動(dòng)物的類(lèi)型、豐度及其餌料的類(lèi)型和豐度。DMSP在攝食過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了從初級(jí)生產(chǎn)者到初級(jí)消費(fèi)者的轉(zhuǎn)移，并進(jìn)入浮游動(dòng)物體內(nèi)和糞便，從而進(jìn)入下一級(jí)消費(fèi)者。但浮游動(dòng)物攝食能夠促進(jìn)DMS釋放的作用機(jī)制(如DMSP裂解酶的作用)還需進(jìn)一步揭示，并且浮游動(dòng)物的研究種類(lèi)僅限于幾種(如橈足類(lèi)、磷蝦、海鱒等)，研究種類(lèi)的范圍應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。

(4)微食物環(huán)中的微型浮游動(dòng)物及異養(yǎng)細(xì)菌是傳統(tǒng)食物鏈的重要補(bǔ)充，對(duì)DMSP和DMS的循環(huán)發(fā)揮著重要作用。目前，現(xiàn)場(chǎng)微型浮游動(dòng)物的攝食主要是通過(guò)稀釋法進(jìn)行測(cè)定，而且只有少量相關(guān)報(bào)道，對(duì)于其在DMSP傳遞和轉(zhuǎn)化中的作用仍需要開(kāi)展一些室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以探討其機(jī)理。