海洋碳循环中的微生物代谢物

综述目录

1 前言

2 不稳定DOC的海洋来源

3 通过微生物代谢物传递的碳组分

4 不稳定DOC的分子组成

5 理解不稳定DOC作用的挑战

6 海洋微生物代谢物分析方法

    6.1 化学方法进展     6.2 生物方法的进展     6.3 微生物代谢建模     6.4 计算数据科学方法

7 变暖海洋中的微生物货币

8 结论

主要内容

1 前言

溶解在海水中的有机分子通过生活在每升地表水中的数十亿海洋微生物在阳光照射的海洋中循环1。这一过程涉及海洋年净初级生产力(NPP)的近一半；因此，即使其产出的微小变化也会在全球范围内产生重要影响。关于通过不稳定溶解有机碳(DOC)池的化学物质还有很多未知之处，这主要是因为它们具有很高的生物利用度，并且它们几乎同时被多种海洋微生物产生和消耗。具体而言，表层海洋不稳定DOC池的周转期约为3天，对于足够丰富的化合物，其稳态浓度在纳摩尔到皮摩尔的范围内，可以用现有方法测量，而对于许多其他化合物，其稳态浓度低于此范围。 海水中微生物代谢物的低丰度是一个难题，因为支持地球碳循环中重要通量之一的化合物是具挑战性的研究之一。本篇综述总结了目前对表层海洋中海洋微生物代谢物的来源和命运的认识，并描述了了解其作用的当前和新兴分析方法。

不稳定DOC中的代谢物由浮游植物和其他微生物合成，并通过渗出、渗漏、sloppy feeding和溶解释放到海水中。在数小时到数天内，它们主要被异养细菌消耗以用于生长和获取能量。不稳定DOC的呼吸作用使CO2回流到表层海洋，从而影响空气-海洋CO2交换。一小部分不稳定DOC被转化为稳定形式，并参与深海中的长期碳储存(微生物碳泵)。未作为不稳定DOC处理的固定碳包括活微生物和后生动物、颗粒碎屑和难降解DOC，其中一部分通过生物碳泵(BCP)输送到深海。

2 不稳定DOC的海洋来源

大多数海洋来源的不稳定DOC由以下三种来源之一产生：主动光合作用的浮游植物、衰老和死亡的浮游植物或异养生物。

主动光合作用的海洋浮游植物产生外代谢物(释放到周围海水中的代谢物)，形成一个碳池，称为细胞外释放或溶解的初级产物(图2)。这些释放的化合物是现在浮游植物细胞中丢失的资源，已经提出了关于其释放机制的不同假说。例如，浮游植物细胞膜内部和外部之间百万倍的浓度差异可以驱动分子扩散过程，健康细胞通过该过程不断地将一部分胞内代谢物渗漏到海水中。渗漏是一个被动过程，低分子量化合物(<600 Da)和疏水化合物(由于细胞膜组成)更容易发生渗漏。在细胞外释放的主动机制中，不稳定DOC会从活的浮游植物中排出而不是丢失，这使得能够控制释放代谢物的速率和组成。光合作用施加的生理胁迫可能会驱动活性碳的输出，目前已经提出了几种与胁迫相关的机制。例如，当二氧化碳(CO2)受到限制时，主要的碳固定酶会与氧结合，从而导致产生和释放有毒的光呼吸产物，如乙醇酸盐。相反，当营养物质受到限制而无机碳和辐照度不受限制时，碳固定会超过大分子的合成，并导致多余的固定碳以多糖和有机酸的形式释放到细胞外，这被称为“光合溢出”。

绿色箭头表示来自初级生产的底物代谢物，而棕色箭头表示来自次级生产的底物代谢物。鉴于报告的以溶解形式释放的初级产物的百分比范围很大，测量人工制品的偏差(例如，过滤过程中的细胞破裂或微生物细胞内池的差异放射性标记)以及环境因素(如光合速率、辐照度水平、养分限制、水华和温度)的影响，目前只能假设这三种主要来源的贡献。虚线箭头表示可通过影响微生物活动间接促进碳通量的促进因子和生态信号代谢物。

营养胁迫也被认为是细胞增加其ATP/ADP比率(即达到更高的细胞内能量状态)的副产物，以减少低浓度营养物质运输的自由能消耗，从而驱动有机碳的排泄。这些营养限制驱动的机制应该有利于富含碳化合物的排泄。在昼夜循环点和光区中可能发生光休克的区域，浮游植物的胞外释放可能会响应氧化还原失衡而发生。浮游植物主动释放分子，触发邻近微生物的行为或生理变化。这些代谢物通常具有独特的化学结构，可以作为防御化合物、信息素或毒素。鉴于不同的释放机制和驱动因素，浮游植物外代谢物的化学组成应该不同于内代谢物(存在于细胞内)的组成。在氨基酸、碳水化合物和羧酸中确实观察到了这种现象。无论释放机制如何，浮游植物和跟踪昼夜辐照度循环的异养细菌之间日常活动模式的紧密协调确立了光合活性胞外产物在表层海洋碳转移中的主要作用。 浮游植物的衰老和死亡释放出内代谢物，是形成不稳定分子的第二大来源。例如，原生生物和浮游动物捕食者进行sloppy feeding(放牧期间有机物逸出)或排泄(释放未消化的有机物在捕食者的肠道和食物液泡中)，导致浮游植物猎物释放溶解的有机物，释放出10-30%的猎物碳。病毒裂解浮游植物细胞释放各种代谢物，其组成取决于感染期间宿主的重编程。证据表明，微寄生真菌也会改变其宿主的细胞内化学成分，同样改变释放的代谢物的组成。由营养限制或其他胁迫引发的衰老或“自催化细胞死亡”也是代谢物的来源，在水华下降中可能尤为重要。异养生物(包括细菌、古菌和原生生物)是排泄或病毒裂解产生的代谢副产物的第三个主要来源；此处计算了混合营养原生生物的异养活动)。病毒感染可以通过宿主代谢的重编程来改变细菌内膜代谢，这是不稳定DOC的一个重要组成部分，据估计，每3个海洋细菌中就有1个随时受到感染。来自异养原生生物和浮游动物的有机分子富含有机氮，很容易被细菌清除。异养海洋细菌和古菌释放数千种不同的分子，这些分子可能充当细菌的底物。不稳定化合物的释放也发生在颗粒碎屑聚合物成分(如蛋白质和多糖)的细菌溶解过程中，其降解产物从颗粒表面扩散。

a, DHPS生物合成途径中硅藻基因(SDH)表达的周期性(上)与北太平洋亚热带环流区表层水域浮游植物代谢组中的DHPS浓度(下)相关。表达数据是每升的转录本，标准化为平均值。误差线表示标准差(n = 3)。b,在北大西洋，Trichodesmium(实心符号)相对基因表达的周期性与其相关微生物组(空心符号)的固氮和代谢基因(顶部)以及固碳和呼吸基因(底部)的表达相关。c,加利福尼亚沿海微生物群落的主要成员的关键代谢过程的基因表达模式，平均超过6个昼夜光周期。上图：光合有效辐射。底部:单个基因相对表达峰值的时间。彩色符号代表具有统计学意义的昼夜模式的基因。主要初级生产者(Ostreococcus，绿色符号)的基因表达分别显示用于光合作用、碳固定和翻译(从上到下)。显示了五个优势异养细菌群的基因表达以进行翻译。灰色阴影代表夜晚。

3 通过微生物代谢物传递的碳组分

根据基于DOC反应性的地球化学方法和基于细菌碳需求的生态学方法(即细菌次级生产+呼吸)预测，海洋异养细菌每年将从不稳定DOC池中处理约20 PgC(图1)。固定的碳通过不稳定的DOC传递给细菌，是生物圈中有机碳通量大和快的途径之一。通过微生物代谢物网络处理的海洋碳的两个早期估计值分别为海洋NPP的10-50%和40%，而编制的细菌碳需求值(NPP的52%)与这些值一致。根据公布的微生物和浮游动物活动释放不稳定DOC的值估计的三个主要来源之间的输入分配表明，约40%的不稳定DOC直接来源于浮游植物，作为光合作用细胞的细胞外释放，约40%来自浮游植物的死亡过程(衰老、sloppy feeding、病毒和真菌溶解)，以及约20%通过异养菌排泄和死亡过程释放。一种来源的规模受到次级生产的限制，因此也受到因呼吸损失而减少的有机碳库的限制。

4 不稳定DOC的分子组成

构成海洋不稳定DOC池的分子一直很难识别。早期研究提出，氨基酸、碳水化合物、渗透性物质和小羧酸(特别是光呼吸产物乙醇酸)是表层海洋细菌的主要底物。这些化合物类别是通过浮游生物细胞的化学分析提出的，假设内代谢物池是释放池的代理。细胞内池中的代谢物比外部池中的代谢物更容易测量，因为它们的浓度通常比周围海水中的浓度高几个数量级；内部：微摩尔到毫摩尔，外部：皮摩尔到纳摩尔)。此外，可以通过在过滤器上捕获细胞来浓缩内代谢物样品。然而，浮游植物培养物中内代谢物和外代谢物的配对分析表明，内部池与外部池并不密切对应，尽管病毒裂解和sloppy feeding可能是例外。这种浮游植物代谢物的选择性释放并不令人惊讶，但限制了使用内代谢组预测不稳定DOC组成的准确性。尽管如此，对海洋浮游生物的内代谢物分析得出了不稳定DOC清单的候选对象。示例包括季胺(例如胆碱、二甲基甘氨酸和三甲胺-N-氧化物)、有机硫化合物(例如，gonyol、半胱氨酸、dimethylsulfonioacetate和sulfolactate)和氨基酸衍生物(例如，龙虾肌碱、葫芦巴碱和鸟氨酸)

显示在海水和培养基中发现的外代谢物，以及在培养细胞和浮游生物群落中发现的内代谢物。

不稳定DOC组分可以根据它们在海洋微生物代谢物网络中的生理和生态作用进行粗略分类。在本文中，我们定义了三个主要类别，涵盖了其中的几个角色：底物、促进因子和生态信号(BOX 1)。 底物代谢物是指被海洋细菌主动同化以获取碳和能量的化合物，并在微生物之间大量转移以维持生长、繁殖以及碳和其他元素的循环。氨基酸、多胺、碳水化合物、磺酸盐和锍化合物、羧酸和核苷都是表层海水中细菌的底物(表1)。此类分子通过充当在海洋微生物之间移动碳的管道或货币，对通量的贡献为直接。 促进性代谢物被定义为能够进行生化反应并且可以在微生物之间重复使用和交换的分子(BOX 1)。已在海水中鉴定出的物质包括可溶性B族维生素((B1、B7和B12)、铁载体和其他生物合成的金属结合分子，所有这些物质的稳态浓度均处于细菌摄取动力学的极限(<1 pM至数十pM)，尽管浓度可能在时间和空间上波动。如果底物和促进分子仅由微生物群落的一部分合成且释放的成本非常高，那么它们也被视为公共物品；公共物品可以为海洋微生物网络内的代谢依赖性奠定基础。 生态信号代谢物或信息化学物质被定义为在特定条件下协调特定微生物相互作用的化合物。它们由微生物来源和共享，充当相互作用的媒介，通过在成员之间传递化学物质来改变群落的生理或行为特征(BOX 1)。微生物产生的激素，如吲哚乙酸和群体感应分子(如酰基高丝氨酸内酯)是目前为止在海洋群落或培养的海洋微生物中发现的生态信号化合物。在本综述中，抑制生长或导致死亡的分子也被归类为生态信号化合物，因为它们在改变其他微生物的生理(尽管是负面的)方面发挥作用。促进因子和生态信号代谢物都可以通过影响碳通量的速率和途径间接促进不稳定DOC的循环，而本身并不构成实质性的质量分数。 

BOX 1 微生物外代谢物的生态分类。 

代谢物是小分子，是代谢的直接产物。从化学上讲，它们来自多种结构类别，并跨越一系列溶解度、分子量和官能团。代谢物也可以根据其在微生物群落中的生态作用进行分类；在海洋微生物组中，它们通常有以下三种主要作用之一。 底物代谢物维持微生物群落中的生物质生产和元素循环。在表层海洋中，此类分子包括羧酸、甘油和脂肪酸、含氮化合物(如多胺)、C1-化合物、碳水化合物(如葡萄糖)以及磺酸盐和锍化合物(如DHPS)。底物代谢物可能在微生物生长过程中通过核心生化途径合成，并在不同的分类群中具有保守性。 促进性代谢物能够促进或增强化学反应，包括维生素(如B7)和铁载体(如儿茶酚型铁载体)等分子。酶被认为是大分子而不是代谢物，因此不包括在这里。促进性代谢物也可能在核心生化途径中合成。 生态信号代谢物会改变邻近微生物的表型，通常是支持非生长活动产生的次级代谢物。在海洋微生物组中，生态信号代谢物包括化学线索或信息化学物质(如参与群体感应的高丝氨酸内酯)、微生物信息素、抗菌剂和杀藻剂(如tropdithietic acid)。海洋细菌可以为生态信号代谢物的合成提供大量的基因组资源。

5 理解不稳定DOC作用的挑战

虽然海洋代谢物方面的专业知识正在增长，但我们还无法解开不稳定DOC分子在表层海洋碳通量和命运中的作用。进展的障碍可以归结为一个(长)句子：在高达百万倍的盐浓度中嵌入的数十万个大多未知的有机分子中，隐藏着通过一个非常小的碳库的非常大的碳通量的货币。在本文中，我们将这句话拆开，并更详细地解释它所面临的具体挑战。 表层海水中有大量不同的微生物，每个物种都能释放数万到数千种不同的分子。基于通量平衡分析的基因组尺度代谢模型一致认为，微生物细胞同时维持数百种不同的内代谢物，这些内代谢物可能会丢失或以不稳定DOC的形式输出。其中一些被预测为无成本的代谢物，如合成代谢和分解代谢途径的副产物，对微生物没有任何适应性成本。非靶向质谱(MS)和核磁共振(NMR)分析确实揭示了海洋DOC中成千上万种不同的有机特征，其中只有1-5%可以被识别。目前，人工密集型、低通量鉴定管道是将这些未识别化合物转化为可化学洞察的主要方法。当然，所有未知化合物的生物反应性也是未知的；因此，生物地球化学上重要的分子无法从众多分子中挑出。简而言之，我们无法确定这些化合物中哪些是重要的底物、促进性代谢物或生态信号代谢物，或者不参与不稳定DOC循环。 盐是海洋DOC分析的一个难题。

在MS分析中，非挥发性盐会干扰离子形成并降低光谱质量；在NMR分析中，盐会降低探针的灵敏度。因此，开发从含盐基质中去除有机化合物的方法一直是化学海洋学的一项重要工作。已探索的策略包括通过切向流过滤(TFF)去除水和盐、反渗透/电渗析和固相萃取树脂捕获代谢物。然而，这些方法仅捕获了10-40%的海洋DOC，偏向于中等分子量(>300 Da)和高分子量(>1000 Da)的化合物。特别是，小分子和极性代谢物是许多不稳定生物分子的特征，在TFF或反渗透/电渗析过程中丢失，并且不能很好地保留在固相萃取树脂(如苯乙烯-二乙烯基苯聚合物PPL)上。更容易分析代谢物含量的其他含盐液体在较低浓度的盐中具有较高的分子浓度，例如，在1-10 ppt盐溶液(比海水低30倍)中的毫摩尔代谢物浓度(比海水高百万倍)，这是血液和尿液的特征。目前，用于从海水中分离有机分子的先进技术仍然强烈偏向于低分子量和极性外代谢物，它们构成了不稳定DOC的大部分成分。 随着时间的推移，不稳定DOC的释放主要通过异养细菌的消耗来实现平衡，异养细菌将单个化合物的浓度保持在皮摩尔至低纳摩尔或更低的范围内。寡营养海洋细菌中DOC组分的特异性摄取亲和力是报道中高的，例如，比经过充分研究的模式细菌高150倍。寡营养细菌(可以在低有机质浓度下存活的细菌)在消耗不稳定的DOC池方面非常高效，计算表明，它们必须同时清除至少34种不同的底物才能每天生长一代。富营养海洋细菌(需要较高的有机质浓度)具有较低的底物亲和力，但大吸收速率较高，这使它们能够快速降低100 nM至1 μM的局部底物峰值。单个细菌分类群可能在这些生活史策略之间切换，但基因组成(如基因组大小、含量和调控)更有可能将异养细菌锁定在高亲和力或低亲和力策略中。

无论细胞间的亲和力如何分配，海洋细菌群落总体上都具有高亲和力和快速吸收能力，以维持海水中低浓度的不稳定DOC成分，并且在检测DOC方面比我们先进的化学方法要好得多。虽然靶向化学方法具有直接测量海水中某些类别代谢物的灵敏度，如氨基酸、糖和有机硫分子，但旨在大限度地提高检测分子数量和新颖性的非靶向方法受到低自然浓度的挑战。 表征总DOC池中不稳定DOC小库的困难与其大通量交织在一起。代谢物的循环速率不能通过它们在海水中的浓度来预测，甚至可能呈负相关。例如，据估计，二甲基巯基丙酸(DMSP)在海洋透光区可支持多达10%的总细菌碳需求，但其在表层海洋中的稳态浓度仅为约3 nM(BOX 2)。估算固定碳进入细菌细胞的通量常用的方法是在没有细菌吸收的情况下测量14C标记的浮游植物细胞释放的渗出物，即所谓的溶解初级产物。这些可用于细菌清除的碳的估计范围很广(NPP的4%到47%)，并且没有提供有关特定化合物的信息。另一种方法通过确定细菌碳需求占生态系统NPP的百分比来捕获所有主要来源的不稳定DOC的综合通量。该方法的结果表明，约40-60%的NPP可用于各种海洋环境中的异养生物，但存在相当大的不确定性。此外，这些方法不能在许多微生物过程的时间尺度(秒到分钟)和空间尺度(微米)上直接观察碳通量。

BOX 2 捕获海洋代谢物。

确定海洋代谢物的作用是一个复杂且多学科的过程，正如数十年来致力于一种代谢物的生物地球化学的研究所揭示的那样：DMSP。早期研究将DMSP确定为主要的浮游植物渗透性物质、海洋细菌的重要底物和二甲基硫化物(DMS)的前体，而DMS是海洋大气硫通量的主要挥发性物质。但直到2006年基因组数据使基因发现成为可能，DMSP合成和降解的生化机制仍然未知。从那时起，微生物DMSP网络的结构，被认为是通过不稳定DOC池从浮游植物到细菌的简单通量(浅色箭头)，已被揭示为一个高度复杂的合成和利用网络(深色箭头)。已经发现了新的网络边缘，例如发现细菌也合成DMSP，浮游植物也从环境中同化DMSP。新的节点已被发现，如DMSP的化学亲属，它们影响其命运以及病毒在释放和转化中的作用。DMSP的新功能已经被发现，如细菌趋化性和发病机制的生态信号。DMSP可能是表层海洋碳循环中通量高的单一代谢物，但需要数十年的生物和化学研究才能解开其动力学的复杂性。调节DMSP命运的因素，包括控制其向气候活性DMS转化的因素，仍有待解决。

6 海洋微生物代谢物分析方法

6.1 化学方法进展

虽然目前京都基因和基因组百科全书(KEGG)化合物数据库中收录了超过18,500种代谢产物，但仍有许多在生物地球化学循环中起核心作用的代谢产物未被收录。需要采取一种战略方法，将重点放在与推动海洋碳循环相关的物质上。数十年来，海洋DOC的分子水平表征一直是化学海洋学和有机地球化学的目标，但由于上述盐和浓度的挑战以及仪器限制而受到阻碍。代谢物鉴定已成为一个重大瓶颈，因为复杂混合物包含许多等压和同分异构化合物，而这些化合物在当前侧重于人类代谢物和人类相关代谢物的参考数据库中表现不佳。质谱和核磁共振技术的进展已经开始破解DOC“黑匣子”(图4)