第1章　国内外研究进展
　　硫循环是除碳循环、氮循环以外的第三大物质循环。硫的氧化状态跨度很大：从-2价态的硫化物到+6价态的硫酸盐。硫化物和硫酸盐都是常见的化合物，硫也以单质状态在自然界存在。硫是生物体必需的元素，多种氨基酸、蛋白质中常含有硫元素，脱氧核糖核酸（DNA）中也发现了起修饰作用的硫的存在（Zhou et al.，2005；Liang et al.，2007）。硫循环包括硫在海洋圈、生物圈、岩石圈、海底沉积物圈及大气圈中的循环，其中海洋硫循环是最重要的研究内容。硫循环每年通过陆地和海洋向大气输送大量含硫物质（图1-1），简单来说，全球硫循环主要由两个过程组成：①陆地及海洋中的生物将无机硫同化为有机硫，进而形成一系列还原性、挥发性的含硫小分子并释放到大气；②大气中还原性以及人为排放的含硫化合物被氧化为硫酸盐、亚硫酸盐等产物，并通过干湿沉降等作用重新回到陆地及海洋。
　　图1-1　全球硫循环与其中关键过程的通量（单位：Tg S）示意图（Brimblecombe，2013）
　　硫化氢（H2S）曾被认为是全球硫循环连接海洋和大气的主要物质。直到Lovelock等（1972）首次提出全球硫循环中由海洋到大气和陆地的过程主要是以二甲基硫（dimethylsul.de，DMS）的形式进行输送的，DMS承担了每年从海洋向大气输送数亿吨硫的职责。自此，DMS才逐渐作为研究的热点进入人们的视线。DMS是全球硫循环过程中非常重要的一环，据估计，全球每年约有15 ～33 Tg S以DMS的形式由海洋释放到大气中（Brimblecombe，2013；Lana et al.，2011 ），其占大气DMS来源的90%以上（Kettle and Andreae，2000），约占全球每年硫释放总量的15%和天然硫排放总量的60%（Kettle et al.，1999）。
　　DMS不仅与其在硫循环中的关键作用有关，在全球气候方面也发挥着重要作用，因为它可能作为一种“反温室气体”，具有与气候变化之间的负反馈调节能力（Quinn et al.，2017；Charlson et al.，1987）。表层海水中DMS的浓度直接决定海水向大气释放的DMS通量（Liss and Merlivat，1986），从而直接或间接地影响全球气候调节。而海水中DMS的浓度，是与其来源和去除途径相关联的多个过程共同作用的结果（Simó et al.，2002）。这些过程共同组成上层海水中的硫的生物地球化学循环（图1-2）。参与海水中硫循环的关键物质除DMS外，还有其前体物质二甲基巯基丙酸内盐（dimethylsulfoniopropionate，DMSP）、其氧化产物二甲基亚砜（dimethylsulfoxide，DMSO），以及DMSP的降解产物甲硫醇（methanethiol，MeSH）等。这些二甲基硫化物在海水中的循环过程也同样对DMS的生物地球化学循环过程产生影响。近年来，在对海洋硫循环的研究过程中仍有新物质、新过程不断被发现，这为海洋二甲基硫化物的生物地球化学循环过程开辟了新的途径（Thume et al.，2018）。
　　图1-2　上层海水中的硫的生物地球化学循环示意图（Kiene et al.，2000）
　　随着人类文明的不断进步和工业的发展，大量化石燃料的燃烧已经影响了全球硫循环中陆地向大气输送的环节，并导致酸雨问题的产生。而海水富营养化、全球变暖导致的海水温度上升、海洋酸化等海洋环境问题也在影响着海洋中的硫循环过程。在时间和空间的尺度上广泛地掌握生源含硫化合物的浓度分布与关键过程，对评价二甲基硫化物的气候调节的作用，以及了解人类活动在这一过程中的影响情况具有重要意义。
　　1.1　海洋中二甲基硫化物的来源
　　1.1.1　海洋中DMSP的来源
　　DMSP是在海洋真光层中广泛存在的含硫有机化合物，DMSP是DMS的一种前体物质，主要来源于浮游植物生产。许多微型和大型的藻类细胞中都含有DMSP，其DMSP的含量存在一定的种间差异性（Matrai and Keller，1994）。在常见的海洋微型藻类中，绿胞藻纲（Chloromonadophyceae ）、绿藻纲（Chlorophyceae）、隐藻纲（Cryptophyceae）、裸藻纲（Euglenophyceae）、蓝藻纲（Cyanophyceae）、蓝细菌（Cyanobacteria）中的DMSP含量通常较少。DMSP的主要生产者是甲藻、定鞭金藻和金藻。甲藻纲中的原甲藻属（Prorocentrum ）和前沟藻属（Amphidinium）、金藻纲中的棕鞭藻属（Ochromonas ）、定鞭金藻纲（Prymnesiophyceae）中的棕囊藻属（Phaeocystis）的DMSP含量很高，最大浓度可达0.2 ～0.4 μmol/cell；硅藻（Melosira nummuloides除外）中DMSP的含量较少（Keller and Korjeff-Bellows，1996）。
　　DMSP是一种两性离子化合物，同时带有正电荷和负电荷，不易穿过细胞膜，因此在能够产生DMSP的生物细胞内常常会积聚大量DMSP，形成DMSP在细胞内外的浓度差。溶解在细胞质中的DMSP由于不能穿过细胞膜，被称为颗粒态DMSP（particulate DMSP，DMSPp）；而细胞外的DMSP为溶解态DMSP（dissolved DMSP，DMSPd）。健康生长中的浮游植物释放到细胞外的DMSPd很少，但衰老的细胞或者受到压力、被病毒攻击、感染的细胞对DMSPd有显著贡献（Hill et al.，1998；Malin et al.，1998）。DMSP是一种不稳定的化合物，并且是同时含有碳和硫的良好营养物质，其一旦被释放，则可以迅速被海洋微生物吸收利用。
　　海洋环境中，含有DMSP的各种植物均通过同化硫酸盐还原作用获得硫。所谓同化硫酸盐还原是指海洋植物吸收海水中的硫酸盐，通过一系列生化还原反应，合成含硫氨基酸，含硫氨基酸再经过一系列的变化得到DMSP的一个耗能过程（Stefels，2000）（图1-3）。首先，海水中的硫酸盐主动运输进入植物细胞，在细胞质中被吸收，后在叶绿体中与腺苷三磷酸（adenosine-triphosphate，ATP ）结合，被ATP硫酸化酶（sulfurylase）催化形成腺苷-5′-磷酸硫酸（adenosine-5′-phosphosulphate，APS）。APS中携带的被激活的磺基在APS巯基转移酶的作用下，转移给巯基载体谷胱甘肽（glutathione，GSH），生-。同时APS在ATP分解形成腺苷二磷酸（adenosine-diphosphate，ADP）时释放出的能量的激发下可以形成3′-磷酸腺苷-5′磷酰硫酸（3′- phosphate-5′-phosphosulphate，PAPS ）。PAPS中的磺基可经类似途径生成成硫代谷胱甘肽（GS-SO-），并被还原生成游离态SO233游离态SO2-3，GSH在其中既是载体又是还原剂。经由APS形成游离态SO2在于高等植物、藻类中，而经由PAPS形成游离态SO23-的途径普遍存3-的途径主要存在于细菌、酵母及某些蓝细菌中。生成的游离态SO23 -在硫代磺酸盐还原酶（thiosulfonate reductase ）的催化作用下，被还原态的铁氧化还原蛋白（fd）提供的6个电子（有时由吡啶核苷酸提供电子）还原成S2-，S2-与O-乙酰丝氨酸化合形成半胱氨酸（cysteine）和乙酸盐。硫酸盐还原成硫化物的反应发生在叶绿体内，生成半胱氨酸所需的酶也能在细胞质和线粒体中发现。除作为GSH的前体物质外，半胱氨酸还有两个重要的代谢途径：一种是合成蛋白质，另一种是其巯基转移给O-磷酸高丝氨酸，产生高半胱氨酸（homocysteine），高半胱氨酸经甲基化反应形成甲硫氨酸（蛋氨酸，methionine）。蛋氨酸是海洋藻类细胞和海洋高等植物中DMSP的前体物质。
　　图1-3　同化硫酸盐还原作用和DMSP生物合成的示意图（Stefels，2000）
　　海洋藻类和海洋高等植物中的蛋氨酸反应生成DMSP的过程中存在不同的转化途径。其中最被广泛接受的观点来自Gage等（1997）的研究（图1-4），他们采用同位素示踪法对肠浒苔（Enteromorpha intestinalis ）细胞内的DMSP合成过程进行了研究，发现蛋氨酸首先经过转氨（transamination）作用生成MTOB（4-methylthio-2-oxobutyrate），然后MTOB被还原成MTHB（4-methylthio-2-hydroxybutyrate）。S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine，S-AdoMet）经甲基化反应生成S-腺苷高半胱氨酸（S-adenosyl-homocysteine，S-AdoHcy）时所释放出的甲基与MTHB化合生成DMSHB（4-dimethylsulfonio-2hydroxybutyrate）。DMSHB经氧化脱羧反应生成DMSP。此反应过程中，由甲硫氨酸生成MTOB ，再由MTOB转化成MTHB的反应是可逆的，由MTHB生成DMSHB的反应是特征反应，DMSHB是DMSP合成的中间体。同时，在其他3种释放DMS的藻类（Emiliania huxleyi、Melosira nummuloides和Tetraselmis sp.）中检测到中间产物DMSHB，因此他们认为不同的海洋藻类中DMSP的合成过程是相同的。DMSP的这种合成机制很好地解释了水体中氮缺乏时藻细胞中DMSP含量提高的事实（Kirst，1996）。此过程广泛存在于海洋低等植物中。
　　图1-4　由蛋氨酸到DMSP的三种生物合成途径示意图（Gage et al.，1997；Kirst，1996）
　　而含DMSP较多的植物孪花菊（Wollastonia biflora）（菊科）中的DMSP合成途径与上述不同。在Wollastonia biflora中，第一步反应是甲硫氨酸上的S甲基化，生成S-甲基甲硫氨酸（SMM，S-methylmethionine），该甲基化反应中的甲基来源于S-腺苷甲硫氨酸（S-AdoMet）发生甲基化反应生成S-腺苷高半胱氨酸（S-AdoHcy）时所释放出的甲基。SMM经转氨、脱羧反应生成醛化DMSP后再被氧化为DMSP。在很多高等植物中，酶能抑制甲硫氨酸的甲基化反应和醛化DMSP的氧化过程。