海洋不僅是熱量與二氧化碳的重要緩衝區，同時也是多種生物化學循環的核心。海洋生物源硫循環，特別是二甲硫醚（dimethyl sulfide，DMS）及其前驅物二甲基硫鎓丙酸（dimethylsulfoniopropionate，DMSP）為核心的循環體系，近數十年來逐漸被視為連結海洋生態系與氣候系統的重要橋梁，尤其是在背景氣膠濃度較低的遠洋區。海洋產生的二甲硫醚佔了全球自然生物源硫排放量約 80% 之多，是海洋釋放至大氣中最主要的還原態硫化合物。進入大氣的二甲硫醚會迅速被氧化，生成硫酸與硫酸鹽氣膠，這些氣膠可作為雲凝結核（cloud condensation nuclei），影響雲滴形成與雲的微物理性質，可能進一步影響區域氣候。正因如此，氣候變遷如何改變海洋中二甲硫醚與二甲基硫鎓丙酸的生成、轉化與釋放，是無法忽略的一個問題。
二甲硫醚循環的起點存在於海洋生物體內。從浮游藻類、大型藻類，到珊瑚及其共生體，許多海洋生物都能在細胞內合成二甲基硫鎓丙酸。這種化合物最早被認為僅具有滲透壓調節功能，但後續研究發現，其同時也參與抗氧化反應，能協助生物因應高光照或高溫所引發的氧化壓力。當浮游藻類被攝食、細胞老化、受到病毒感染或發生裂解時，原本存在於細胞內的二甲基硫鎓丙酸便會釋放到海水中。
異營細菌如遠洋桿菌目（Candidatus Pelagibacterales）、玫瑰桿菌屬（Roseobacter）等能快速吸收海水裡的二甲基硫鎓丙酸，並透過不同的代謝途徑加以利用。其中一條路徑是去甲基化（demethylation），將二甲基硫鎓丙酸轉化為甲基硫醇（methanethiol）等化合物，這條路徑可滿足細菌對還原硫與碳的需求，但並不產生二甲硫醚；另一條則是裂解途徑，為避免細胞內硫化合物過多累積，會利用二甲基硫鎓丙酸解離酶（DMSP lyase）直接將二甲基硫鎓丙酸分解為二甲硫醚。哪一條途徑占優勢，會深刻影響最終有多少硫能以二甲硫醚的形式進入大氣。若海水中的二甲基硫鎓丙酸濃度較低時，細菌傾向選擇去甲基化途徑，因為能更有效率地回收硫元素；而在浮游藻類大量繁殖、二甲基硫鎓丙酸供應過剩的情況下，裂解途徑的比例才會提高，使二甲硫醚的產量上升。然而真正逸散到大氣中的二甲硫醚仍然只是整個海洋硫循環中的一小部分。大量生成的二甲硫醚會在海水中被細菌再次消耗，或因光化學反應轉化為二甲基亞碸（dimethylsulfoxide，DMSO）等其他形式。因此，二甲硫醚對氣候的潛在影響，並非只取決於其生成總量，而是高度仰賴微生物群落結構與代謝策略之間的平衡。這也代表環境條件只發生小幅變化，只要能改變這些平衡，就可能對大氣硫通量產生明顯的影響。
海洋生物源硫循環示意圖（圖片來源：Jackson R and Gabric A. (2022)，採用 CC BY 4.0 授權）
氣候變遷正透過多重途徑干擾這套系統。首先，海洋升溫會直接影響浮游藻類與細菌的生理。升溫往往會加速細菌對有機物的分解與再礦化（remineralization）過程，可能使更多二甲硫醚或二甲基硫鎓丙酸在尚未逸散前就被消耗。此外，升溫也可能會利於體型較小的生物群落的增生，例如藍綠菌（cyanobacteria）等通常含有較低的二甲基硫鎓丙酸產量，進而可能降低整體硫循環中可供轉化的基礎。
2001 至 2020 年全球海洋表面溫度分佈（圖片來源：Jackson R and Gabric A. (2022)，採用 CC BY 4.0 授權）
其次，氣候變遷會使海洋層化（stratification）加劇與混合層變淺，會限制深層營養鹽輸送至表層，影響初級生產力。若浮游藻類生產力下降，二甲基硫鎓丙酸的總產量也可能隨之減少，進一步壓縮二甲硫醚生成的潛力。不過這樣的影響在不同緯度表現並不一致，在高緯度地區，海冰減少可能延長生長季，反而促進特定的二甲基硫鎓丙酸高生產能力物種的繁盛，使未來二甲硫醚排放呈現上升趨勢，例如南極棕囊藻（Phaeocystis antarctica）這種高產二甲基硫鎓丙酸的物種，其變動可能成為影響未來南方海洋對區域乃至更大尺度氣候的調節能力；在低緯度熱帶海域，尤其是珊瑚礁系統中，情況則更加複雜。
2001 至 2020 年全球海洋混合層深度分佈（圖片來源：Jackson R and Gabric A. (2022)，採用 CC BY 4.0 授權）
珊瑚及其共生藻類在受到高溫與強光壓力時，會提升二甲基硫鎓丙酸合成與裂解速率，藉此對抗活性氧（reactive oxygen species，ROS）的累積。短期內，這樣的反應可能導致周遭海水與大氣中二甲硫醚濃度升高。但假如溫度超過珊瑚的耐受極限，發生大規模白化或死亡，整個系統的硫來源便可能急速衰退。長期而言，如果珊瑚無法透過調整共生體或微生物組成來適應升溫與酸化，珊瑚礁對海洋硫循環的貢獻反而可能會下降。
海洋酸化則為另一個變數，海洋能吸收大氣中過剩的二氧化碳，會導致海洋酸化，而酸化已在多項實驗中被觀察到會影響部分浮游藻類如赫氏圓石藻（Emiliania huxleyi）的生長與代謝，進而間接下降二甲基硫鎓丙酸的生產與釋放，但如何改變則高度依賴生物群落組成與時間長短，有待其他研究的評估。
2001 至 2020 年全球海洋平均 pH 值分佈（圖片來源：Jackson R and Gabric A. (2022)，採用 CC BY 4.0 授權）
氣候變遷正在重塑海洋生物源硫循環的運作方式，海洋的升溫、層化與酸化同時作用於浮游藻類群落結構與微生物代謝路徑，直接影響二甲硫醚的生成以及在何時何地能進入大氣。未來氣候系統中海洋微生物所扮演的功能，將在很大程度上取決於生態系如何在持續變動的環境壓力下，重新調整這條由生物主導的硫循環。
作者：水也佑
參考文獻：
Jackson R and Gabric A. (2022). Climate Change Impacts on the Marine Cycling of Biogenic Sulfur: A Review. Microorganisms.
