评论 | ISME：人类来源的溶解有机碳与海洋微生物群落 / 四六文摘

编译：阿昊，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

成千上万的合成化学物质和碳氢化合物已经被释放到海洋环境中，这些化合物构成了人类源溶解有机碳（ADOC）。大多数ADOC具有显著的疏水性，因此，其在细胞膜中的浓度比溶解相的浓度高出一亿甚至十亿倍。例如降解和解毒代谢，海洋微生物对ADOC的响应存在多种途径。由于河流、大气沉积和塑料渗滤液等来源，海洋中ADOC的浓度不断增加，我们认为这一过程可能对海洋健康产生影响，并进一步影响到主要的生物地球化学循环，从而影响人类世（Anthropocene）期间的地球生态系统。

论文ID

原名：Anthropogenic dissolved organic carbon and marine microbiomes

译名：人类来源溶解有机碳与海洋微生物群落

期刊：The ISME Journal

IF：9.493

发表时间：2020.06

通讯作者：Maria Vila-Costa

通讯作者单位：环境化学系，环境评价与水研究所

主要内容

人类通过合成化合物以及其他的非自然过程，如工业规模的碳氢化合物提取、燃烧和农业，极大地改变了化学圈。人类已经合成了数百万种化学品，其中30万种目前正在商业化。人造化学品包括阻燃剂、杀虫剂、除草剂、药品、麝香香精、表面活性剂、密封剂、塑料、增塑剂和其他塑料渗出物、二恶英、食品添加剂、抗生素等。这些合成化学物质，以及化石燃料的开采和使用所产生的碳氢化合物，在人类世（Anthropocene）期间以指数级增长的速度释放到环境中。例如，据估计，仅在过去15年中，塑料的使用量就超过了上个世纪。另一方面，目前来自化石燃料不完全燃烧的碳氢化合物（如多环芳烃）的排放量明显高于前工业时代。综合看来，这些数千种碳氢化合物和合成有机化学物质在微量水平上不断地形成同时代的地球化学圈，包括海洋环境。虽然沿海海水受到河流和陆地径流的影响，合成化学物质（如塑料沥滤液）广泛出现，但大气沉降也会对全球海洋造成扩散污染，这可能会导致大量的碳流动（例如，仅芳香烃的排放量为400TgC/年，图1）。一旦进入海水，人工合成的化学物质和碳氢化合物就构成了人类源溶解有机碳（ADOC）。

ADOC的成分包括研究得比较充分的化学品，例如碳氢化合物、多氯联苯、氟烷基物质和有机磷酸酯，以及其他有助于ADOC的化学品和混合物（表1）。与天然溶解有机碳（DOC）相似，存在不稳定、半不稳定和难降解的ADOC化合物，后者被称为持久性有机污染物。海洋系统中ADOC组分的周转率从几个小时到几个世纪不等。已知的ADOC池浓度一般小于1μM，比DOC浓度低两个数量级，DOC浓度在开阔海面上的范围通常在40至90μM C之间。海洋中DOC的储量与大气中的二氧化碳（CO2；≈0.6×10¹⁸gC）具有相似的数量。

为什么我们要关心这种低浓度的化合物所产生的影响？根据辛醇-水分配系数（KOW）的测量，大多数ADOC具有显著的疏水性。浮游生物中ADOC化合物的KOW和生物累积因子在10³到10⁸之间，这导致（细胞）膜中的ADOC浓度比溶解相的ADOC浓度高出一亿到十亿倍（图1）。相比之下，ADOC不粘附在非生物无机表面。ADOC会优先积聚在细胞膜中，因此ADOC是DOC中影响膜透明度和完整性的部分，可能对微生物产生毒性作用，这些影响已被证明。

海洋微生物对ADOC化合物的反应策略多种多样，从分解代谢到适应性代谢，可以使用基因组和分子工具进行跟踪（图1）。油田中大多数微生物对ADOC的生理反应都是在应激反应（如石油泄漏事故或沿海受影响的地点）中进行研究的，这些事件代表着ADOC化合物在特定时间大量输入到海洋环境中。在全球范围内，大气沉降输入污染物质量大于点源。例如，每年通过大气扩散沉积进入海洋的ADOC芳香组分超过了任何海洋意外漏油所释放的量。

就碳流动而言，塑料浸出液也很重要。微生物对ADOC化合物背景浓度的研究才刚刚开始。ADOC可以被生物降解，包括来自塑料沥滤液和海洋表面大气沉积的ADOC，其过程促进了细菌的生长。ADOC的消耗可以通过促进稀有生物圈成员的机会性低丰度微生物的生长而引起群落组成的变化。

某些类群可以以ADOC为碳源进行繁殖生长，引起细菌群落功能和结构的变化，进而转化为生态系统服务功能的变化。因此，海洋微生物群落的ADOC扰动与碳和营养生物地球化学循环相耦合。加之ADOC对初级生产力的影响，这种影响表明ADOC会对海洋的新陈代谢产生扰动（图1）。这些结果表明微生物对ADOC的反应可以作为海洋健康的一个指标。然而，ADOC对海洋健康的影响鲜为人知，而且由于ADOC的复杂性以及难以找到全面评估ADOC扰动的适当方法，对ADOC对海洋健康的影响还没有得到足够的重视。

尽管由于商业产品或国际立法的变化，ADOC各成分的排放量可能会随着时间的推移而增加或减少，但在未来几十年中，随着经济的发展，合成化学品的总排放量和ADOC的浓度将继续呈指数级增长。在这种情况下，ADOC对微生物群落和生物地球化学循环的影响将变得更加重要。我们认为，一项包括ADOC来源、生物地球化学、效应和关键生物地球化学循环反馈的综合研究是迫切需要的，这些研究有助于理解和量化环境全球变化。

图1 DOC和ADOC在上层海洋中的循环。橙色和绿色箭头分别表示人类源溶解有机碳（ADOC）和生物溶解有机碳（BDOC）的来源、迁移和转化过程。tADOC解释了转化的ADOC，因此这些转化产物是由生物和非生物降解产生的。黑色箭头显示由ADOC和DOC贡献的整个DOC进程。图的下部分显示由于疏水性，ADOC化合物对细胞膜的吸附和吸收。报道了ADOC对微生物的影响。

表1 海洋生物的暴露浓度。一些已发表的研究中OP家族在海水中溶解浓度的总结。

微塑料是一种新型环境污染物，虽然不像重金属、持久性有机污染物一样会对生物产生急性毒性，但已有研究证明其可以通过植物根尖孔隙进入作物体内，进而进入人类食物链。另外，随着微塑料的逐渐溶解，微塑料滤出液可能给人类健康、生态环境都带来负面影响，微塑料已经成为一个新兴的研究方向，这一方面有大量的工作要做。

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