中国海洋大学杨桂朋教授团队揭示海水酸化抑制西北太平洋边缘海二甲基硫释放的机制及其气候反馈效应

近日，中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心、海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室杨桂朋教授团队在国际地学领域权威期刊SCIENCE CHINA Earth Sciences（中国科学:地球科学）上发表题为"Anthropogenic CO2-induced seawater acidification suppresses dimethylsulfide release from the western North Pacific marginal seas"的研究论文，系统阐明了海水酸化对二甲基硫（DMS）生物地球化学循环的调控机制，揭示了海水pH下降可通过改变浮游植物群落结构与微生物代谢途径来抑制DMS的生产与释放，这为理解海洋硫循环对人为环境扰动的响应、评估硫-气候反馈效应提供了重要科学依据。

DMS是海洋释放的最丰富的挥发性生源硫化物，在全球硫循环和气候调节中发挥着重要作用。DMS在大气中的氧化产物是云凝结核的关键前体物，能增强云层反照率从而有效降低全球辐射输入，可能部分抵消温室效应引起的变暖，因此DMS被视为关键的"冷室气体"。DMS主要来源于DMSP的酶促裂解，而海洋微生物介导的DMSP代谢存在两条竞争途径：一是由ddd-基因簇编码的裂解途径，该途径产生DMS；二是涉及dmdA/B基因的去甲基化途径，该途径将DMSP降解为甲硫醇（MeSH），使硫元素进入微生物环。已有研究表明，这两条竞争途径的平衡对环境因子（如营养盐可利用性和海水pH等）高度敏感。与此同时，海洋作为最大的碳库，吸收了约26%人为排放的CO2，这一过程虽延缓了全球变暖，却也引发了日益严重的海洋酸化问题。自工业革命以来，表层海水pH已从8.2降至8.1，氢离子浓度增加了26%；据预测，在高排放情景下，到2100年表层海水pH将较工业革命前进一步下降0.3‒0.4个单位。然而，此前关于海水酸化对DMS及其相关硫化物影响的实验结论并不一致，且酸化的具体作用机制尚未阐明，尤其是受人为CO2排放与富营养化双重驱动的近海海域，其酸化与DMS生物地球化学过程之间的机制联系仍有待深入探究。

针对这一问题，研究团队以西北太平洋重要的边缘海——黄海和东海为目标海域，于2021年春季搭载"东方红3"号科考船开展了现场调查，并同步进行了船基培养实验。现场调查结果表明，pH是决定DMS空间分布变异性的关键驱动因素。研究观测DMSPp、DMSPd、DMSOd和DMS均与pH呈现明显正相关；对西北太平洋边缘海数十年观测记录的综合分析进一步揭示了二甲基硫化物（尤其是DMS）与pH动态变化之间存在紧密联系。此外，聚合提升树分析识别出pH是引发DMS、DMSPp和DMSPd变异的主要环境驱动因子，偏最小二乘-结构方程模型则进一步解析出环境因子、浮游植物群落与二甲基硫化物循环之间的因果关系，凸显了pH作为DMS浓度关键调控者的角色（图1）。

图1 基于偏最小二乘法-结构方程模型解析pH对DMS动态的调控机制

船基培养实验的结果显示，海水酸化改变了浮游植物群落结构：尽管酸化组中硅藻的丰度更高，但DMSP高产类群（主要是定鞭藻门和甲藻）的相对丰度较低。进一步评估DMS周转速率的结果表明，海水酸化同时降低了DMS的生物生产和微生物消耗，导致DMS的净生产量减少。基因预测的结果还揭示了在酸化胁迫下，细菌似乎更倾向于利用节能的去甲基化途径而非裂解途径进行DMSP代谢并因此抑制了DMS的生产速率。

综合以上结果可知，海水酸化可改变浮游植物群落组成，减少DMSP高产类群的丰度，减缓DMSPd降解并抑制DMS生产，最终降低了DMS的排放（图2）。若其它边缘海DMS排放对海水酸化表现出类似的敏感性，则受酸化导致的表层DMS浓度下降的驱动，在SSP5-8.5高排放情景下，至2100年DMS通量可能下降35%‒66%，这有可能放大区域及全球变暖。

图2 海水酸化对DMS生物地球化学过程的影响及其潜在气候反馈效应示意图（橙色与蓝色实线箭头对应实验观测结果，虚线箭头表示基于本研究与既有文献整合所得的外推过程；箭头向上代表促进，向下代表抑制）

杨桂朋教授领衔的研究团队长期从事海洋活性气体研究，在活性气体的海洋生物地球化学及气候效应研究领域取得了一系列创新性成果。本次在Science China Earth Sciences上发表的研究成果是该团队在气候活性气体领域取得的又一重要研究进展。

论文第一作者为杨桂朋教授指导的毕业博士生高旭旭（现工作于海南大学）和张升辉（现工作于中科院烟台海岸带研究所），通讯作者为杨桂朋教授。研究工作得到了国家自然科学基金项目（42576038，41830534，42506035，42006047）、国家重点研发计划项目（2016YFA0601301，2023YFE0113100）、泰山学者攀登计划项目（tspd20240805）和山东省自然科学基金项目（ZR2023QD014）的联合支持。

https://link.springer.com/article/10.1007/s11430-025-2028-x

• 信息来源：中国海洋大学。

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