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研究人员发现世界海洋中巨大的碳氢化合物循环

研究人员发现世界海洋中巨大的碳氢化合物循环

生物学 微生物 英文翻译
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2021-02-05 19:59:47

加利福尼亚大学 哈里森·塔索夫(Harrison Tasoff)撰写 -圣巴巴拉


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研究人员从Sargasso海中获取水样。图片来源:David Valentine


 

碳氢化合物和石油在环境科学中几乎是同义词。毕竟,石油储备几乎涵盖了我们遇到的所有碳氢化合物。但是,将其起源追溯至生物来源的少数几种碳氢化合物的生态作用可能要比科学家最初怀疑的更大。

加州大学圣塔芭芭拉分校和伍兹霍尔海洋学研究所的一组研究人员对这个以前被忽视的海洋学领域进行了调查,以寻找被忽视的全球周期的迹象。他们还测试了海洋生物的存在可能如何影响海洋对石油泄漏的反应。

“我们已经证明了海洋中发生了大规模而迅速的碳氢化合物循环,这与海洋对石油输入的反应能力不同,”地球部诺里斯总统主席大卫·瓦伦丁教授说。 UCSB的科学。由他的研究生Eleanor Arrington和Connor Love领导的这项研究发表在《自然微生物学》上

2015年,由剑桥大学的科学家领导的国际团队发表了一项研究,证明了碳氢十五烷是由海洋蓝细菌在实验室培养物中产生的。研究人员推断该化合物可能在海洋中很重要。Valentine解释说,这种分子似乎可以缓解弯曲膜的应力,因此在诸如叶绿体之类的东西中发现了这种分子,其中紧密堆积的膜需要极高的曲率。某些蓝细菌仍会合成该化合物,而其他海洋微生物则很容易将其消耗能量。

瓦伦丁(Valentine)与伍兹霍尔(Woods Hole)的克里斯·雷迪(Chris Reddy)共同撰写了两页的评论文章,并决定与Arrington和Love进一步探讨这个话题。他们于2015年参观了墨西哥湾,然后于2017年参观了西大西洋,以收集样本并进行实验。

研究小组从大西洋的营养贫乏地区采样了海水,该地区被称为Sargasso海,以从墨西哥湾涌入的浮游海藻海藻命名。情人说,这是美丽,清澈的蓝色海水,中间夹着百慕大水。

获得样品显然是一项相当棘手的工作。由于十五烷是柴油燃料中的常见碳氢化合物,因此该团队必须采取额外的预防措施,以避免船舶本身受到污染。他们让船长将船转成风,以免尾气污染样品,并且他们分析了柴油的化学特征,以确保它不是发现的任何十五烷的来源。


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海洋的上层生产并消耗了大量的十五烷。图片来源:David Valentine


而且,当研究人员收集海水时,没有人可以在甲板上吸烟,做饭或油漆。“这很重要,”瓦伦丁说,“我不知道您是否在船上呆了很长时间,但每天都要油漆。这就像金门大桥:从一个起点开始结束,直到到达另一端,是时候重新开始了。”

这些预防措施奏效了,研究小组回收了原始海水样品。共同首席作者洛夫说:“ 2017年探险之后,站在伍兹霍尔的气相色谱仪前,很明显样品是干净的,没有柴油的迹象。” “十五烷是无误的,即使在[我们]运行的前几个样本中,也已经显示出清晰的海洋学模式。”

由于它们在世界海洋中的数量众多,洛夫继续说道:“仅两种类型的海洋蓝细菌每年向海洋中添加的碳氢化合物就比向海洋中其他所有类型的石油输入(包括天然油)的总和多出500倍渗漏,漏油,燃料倾倒和土地流失。” 这些微生物每年总计生产300-600百万公吨的十五烷,这个数量比所有其他来源释放的130万吨的碳氢化合物相形见war。

尽管这些数量令人印象深刻,但它们有些误导。作者指出,十五烷循环跨越地球表面的40%或更多,并且载有超过一万亿个四环的十五烷的蓝细菌细胞悬浮在世界海洋的阳光照射下。但是,这些细胞的生命周期通常少于两天。结果,研究人员估计,在任何给定时间,海洋仅包含约200万吨的十五烷。

情人解释说,这是一个快速旋转的轮子,因此在任何时间点的实际数量并不是特别大。他说:“每隔两天,您就会生产和消耗海洋中的所有十五烷。”

将来,研究人员希望将微生物的基因组学与其生理和生态联系起来。该团队已经拥有数十种生物的基因组序列,这些生物成倍增加以消耗其样品中的十五烷。瓦伦丁说:“那里的信息量令人难以置信,而且我认为这揭示了我们对许多消耗碳氢化合物的生物的生态学知之甚少。”

在确认了这种生物烃循环的存在和程度之后,研究小组试图解决其存在是否会引发海洋分解泄漏的石油的问题。Arrington解释说,关键的问题是这些大量消耗十五烷的微生物是否在溢油清理过程中作为资产。为了对此进行研究,他们在距墨西哥湾天然石油渗漏不同距离的海水中添加了戊烷(一种类似于十五烷的石油烃)。


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在海洋中循环的十五烷的数量使石油中碳氢化合物的输入相形见war。但是,参与十五烷循环的微生物不太可能处理来自石油的碳氢化合物的化学复杂性。图片来源:David Valentine


 

他们测量了每个样本的总体呼吸,以观察食用戊烷的微生物繁殖所需的时间。研究人员假设,如果十五烷循环确实也引发了微生物消耗其他碳氢化合物的作用,那么所有样品应以相似的速率繁殖。

但是事实并非如此。来自油渗流附近的样品迅速形成水华。瓦伦丁说:“在加入戊烷的大约一周内,我们看到了数量庞大的种群。” “而且,距离越远,速度就越慢,直到在北大西洋外出时,您可以等待几个月,再也看不到花开。” 实际上,在马萨诸塞州伍兹霍尔的工厂进行考察之后,阿灵顿不得不留下来,继续对来自大西洋的样品进行实验,因为这些花的出现花了很长时间。

有趣的是,研究小组还发现了证据,证明属于另一个生命领域的细菌古细菌也可能在十五烷循环中起作用。共同主要作者阿灵顿说:“我们发现,尚未在实验室驯化的一群神秘的,全球丰富的微生物可能会被表层海洋中的十五烷所刺激。”

结果引起了一个问题,即为什么存在一个巨大的十五烷循环似乎对石化戊烷的分解没有影响。瓦伦丁说:“石油与十五烷是不同的,您需要了解它们之间的差异以及实际上组成石油的化合物,才能了解海洋微生物对它的反应。”

最终,微生物通常消耗戊烷的基因与十五烷所使用的基因不同。阿灵顿说:“与蓝细菌产生的十五烷相比,生活在百慕大近海的清澈水中的微生物接触石化戊烷的可能性要小得多,因此携带戊烷消耗的基因的可能性也较小。”

Valentine继续说,不同微生物的负荷可以消耗十五烷,但这并不意味着它们也可以消耗其他碳氢化合物,特别是考虑到石油中存在的碳氢化合物结构多样。海洋生物生产的普通碳氢化合物少于十二种,包括十五烷和甲烷。同时,石油包含成千上万种不同的碳氢化合物。更重要的是,我们现在看到能够分解复杂石油产品的生物倾向于大量生活在天然石油渗漏附近。

当海洋中的微生物种群受到特定地理区域中特定能源的限制时,情人将这种现象称为“生物地理引发”。他说:“我们在这项工作中看到的是十五烷与石油之间的区别,这对于理解不同的海洋地区将如何应对石油泄漏非常重要。”

Sargasso海这样的营养贫乏的旋流占地球表面的40%。但是,无视土地,仍然留下了地球30%的土地去探索其他生物碳氢化合物循环。瓦伦丁认为,生产率较高的地区的过程将更加复杂,并且可能为石油消费提供更多的动力。他还指出,大自然的生物生产蓝图有望为开发下一代绿色能源做出努力。


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来源于:phys


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