中国海洋大学杨桂朋教授团队揭示微塑料与海洋酸化对二甲基硫和多溴甲烷生产的调控机制和其潜在的气候效应

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环境领域顶尖学术期刊《Environmental Science & Technology》上发表题为“Decreased Dimethylsulfide and Increased Polybrominated Methanes: Potential Climate Effects of Microplastic Pollution in Acidified Ocean”（海洋酸化背景下微塑料污染引发的二甲基硫减少与多溴甲烷增加及其潜在的气候效应）的研究成果。该成果系统阐述了微塑料污染和海洋酸化对二甲基硫（DMS）和多溴甲烷（CHBr3和CH2Br2）生产转化过程的调控机制，揭示这两种环境胁迫通过干扰气候活性气体生物地球化学循环过程诱发全球升温的潜在途径，为海洋塑料污染治理与碳排放管理提供了理论支撑。

图1 海洋酸化和微塑料污染的互馈过程以及其对DMS和多溴甲烷生产的影响。

DMS是海洋中最主要的挥发性生源硫化物，也是“海洋气味”的主要来源。DMS在大气中的氧化产物可形成非海盐硫酸盐气溶胶，其通过促进云凝结核的形成和增强云层反照率从而有效降低全球辐射输入，因此DMS被视为关键的“冷室气体”。多溴甲烷是大气溴自由基的重要来源，其不仅能够催化臭氧分解，还可通过干扰DMS的大气氧化路径以降低其向二氧化硫的转化效率，从而削弱DMS的气候冷却效应。微塑料污染和海洋酸化是当前海洋生态系统面临的重大环境威胁。微塑料进入海洋后释放的溶解有机碳可进一步促进海洋酸化进程；而海洋酸化环境下的低pH条件又加速塑料降解，形成二者之间的互馈效应，因此，二者对未来海洋微生物活动以及物质循环过程的影响不容忽视。然而，微塑料与海洋酸化协同作用对DMS与多溴甲烷生成机制及其气候反馈的影响仍缺乏系统研究。

针对这一问题，研究团队于2021年春季在东印度洋海域开展了船基微宇宙实验。结果表明，微塑料污染与海洋酸化协同作用使得DMS浓度显著下降，CHBr3和CH2Br2浓度显著升高。机制分析表明，微塑料污染主要通过降低浮游植物生物量以及DMSP浓度水平来抑制DMS生产；海洋酸化则在减少浮游植物生物量的基础上进一步会改变浮游植物群落结构，并且抑制了DMS的生产速率以及产率。因此，在本世纪末的海洋酸化条件下（pH降低0.4个单位），环境浓度下的微塑料污染（100μgL-1）可使得DMS浓度显著下降61%。

图2 培养期间（a）颗粒态DMSP（DMSPp）浓度、（b）溶解态DMSP（DMSPd）浓度、（c）DMS浓度、（d）DMSPp与Chl-a的比值、（e）DMSP总降解速率、（f）DMSPd降解速率、（g）DMS生成速率和（h）DMS产率的时间动态变化。

海洋环境中，溴过氧化酶（BrPO）活性和溶解有机物水平是决定CHBr3和CH2Br2生产的关键要素。实验结果表明，微塑料添加导致体系DOC含量显升高，这为CHBr3和CH2Br2生产提供了额外底物。现场培养实验结果证实，酸化条件显著提升了溴过氧化酶反应活性，进而驱动了CHBr3的生产。当微塑料添加和海洋酸化共同作用时，CHBr3和CH2Br2的浓度分别显著上升132%和45%。

图3 培养期间（a）溶解有机碳（DOC）浓度、（b）CHBr3浓度和（c）CH2Br2浓度的时间动态变化；（d）S10-1站位不同pH条件下溴过氧化物酶（BrPO）介导反应的活性；（e）S10-1站位DMS的微生物消费、光降解和海-气扩散去除速率；（f）S10-1站位DMS在UVA、UVB和可见光下的光降解速率及各波段对总光降解速率的相对贡献。

综合以上结果可知，未来海洋酸化条件下的微塑料污染可以通过直接减少DMS生产过程来削弱其海-气释放量，进而降低大气DMS浓度及其衍生气溶胶丰度；同时，该条件下多溴甲烷生产过程的增强可通过改变DMS的大气氧化途径或促进海洋中DMS的光降解过程进一步削弱DMS的气候冷却效应。该研究成果强调微塑料污染和海洋酸化不仅会影响海洋微生物生理代谢活动，还可通过改变DMS和多溴甲烷的生产释放过程诱发全球升温，这为塑料污染和碳排放的环境风险评估提供了新视角。

图4 微塑料污染与海洋酸化对DMS、CHBr3和CH2Br2生产过程的影响及其潜在的气候反馈作用示意图。

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Environmental Science & Technology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马乾耀和邹亚文，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重点项目、泰山学者攀登专家项目、山东省博士后创新人才支持计划项目、国家自然科学基金青年科学基金项目、中国博士后科学基金面上项目和青岛博士后创新项目的联合支持。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c05723

（Decreased Dimethylsulfide and Increased Polybrominated Methanes: Potential Climate Effects of Microplastic Pollution in Acidified Ocean）

• 信息来源：中国海洋大学。

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