En ny studie visar att "hotspots" av näringsämnen som omger växtplankton - som är små marina alger som producerar ungefär hälften av det syre vi andas varje dag - spelar en överdriven roll i frigörandet av en gas som är involverad i molnbildning och klimatreglering.

Den nya forskningen kvantifierar hur specifika marina bakterier bearbetar en nyckelkemikalie som kallas dimetylsulfoniopropionat (DMSP), som produceras i enorma mängder av växtplankton. Denna kemikalie spelar en avgörande roll i hur svavel och kol konsumeras av mikroorganismer i havet och släpps ut i atmosfären.

Arbetet redovisas i journalen Naturkommunikation , i en uppsats av MIT-studenten Cherry Gao, tidigare MIT-professor i civil- och miljöteknik Roman Stocker (nu professor vid ETH Zürich, i Schweiz), i samarbete med Jean-Baptiste Raina och professor Justin Seymour vid University of Technology Sydney i Australien, och fyra andra.

Mer än en miljard ton DMSP produceras årligen av mikroorganismer i haven, står för 10 procent av kolet som tas upp av växtplankton - en stor "sänka" för koldioxid, utan vilken växthusgasen skulle byggas upp ännu snabbare i atmosfären. Men exakt hur denna förening bearbetas och hur dess olika kemiska vägar ingår i globala kol- och svavelcykler hade inte varit väl förstått förrän nu, säger Gao.

"DMSP är en viktig näringskälla för bakterier, ", säger hon. "Den tillfredsställer upp till 95 procent av bakteriell svavelefterfrågan och upp till 15 procent av bakteriell kolefterfrågan i havet. Så med tanke på den allestädes närvarande och överflöd av DMSP, vi förväntar oss att dessa mikrobiella processer skulle ha en betydande roll i den globala svavelcykeln."

Gao och hennes medarbetare genetiskt modifierade en marin bakterie som heter Ruegeria pomeroyi, får det att fluorescera när en av två olika vägar för bearbetning av DMSP aktiverades, möjliggör att det relativa uttrycket av processerna analyseras under en mängd olika förhållanden.

En av de två vägarna, kallas demetylering, producerar kol- och svavelbaserade näringsämnen som mikroberna kan använda för att upprätthålla sin tillväxt. Den andra vägen, kallas klyvning, producerar en gas som kallas dimetylsulfid (DMS), som Gao förklarar "är föreningen som är ansvarig för lukten av havet. Jag luktade faktiskt mycket på havet i labbet när jag experimenterade."

DMS är den gas som ansvarar för det mesta av det biologiskt härledda svavel som kommer in i atmosfären från haven. Väl i atmosfären, svavelföreningar är en nyckelkälla till kondensation för vattenmolekyler, så deras koncentration i luften påverkar både nederbördsmönster och atmosfärens övergripande reflektionsförmåga genom molngenerering. Att förstå processen som är ansvarig för mycket av den produktionen kan vara viktigt på flera sätt för att förfina klimatmodeller.

Dessa klimatkonsekvenser är "varför vi är intresserade av att veta när bakterier bestämmer sig för att använda klyvningsvägen kontra demetyleringsvägen, "för att bättre förstå hur mycket av det viktiga DMS som produceras under vilka förhållanden, säger Gao. "Det här har varit en öppen fråga i minst två decennier."

Den nya studien fann att koncentrationen av DMSP i närheten reglerar vilken väg bakterierna använder. Under en viss koncentration, demetylering var dominerande, men över en nivå av cirka 10 mikromol, klyvningsprocessen dominerade.

"Det som verkligen överraskade för oss var, vid experiment med de konstruerade bakterierna, vi fann att koncentrationerna av DMSP där klyvningsvägen dominerar är högre än förväntat - storleksordningar högre än den genomsnittliga koncentrationen i havet, " hon säger.

Det tyder på att denna process knappast äger rum under typiska havsförhållanden, forskarna avslutade. Snarare, mikroskaliga "hotspots" med förhöjd DMSP-koncentration är förmodligen ansvariga för en mycket oproportionerlig mängd global DMS-produktion. Dessa mikroskaliga "hotspots" är områden som omger vissa växtplanktonceller där extremt höga mängder DMSP är närvarande vid ungefär tusen gånger större än genomsnittlig oceankoncentration.

"Vi gjorde faktiskt ett saminkubationsexperiment mellan de konstruerade bakterierna och ett DMSP-producerande växtplankton, " säger Gao. Experimentet visade "att verkligen, bakterier ökade sitt uttryck av den DMS-producerande vägen, närmare växtplanktonet."

Den nya analysen bör hjälpa forskare att förstå nyckeldetaljer om hur dessa mikroskopiska marina organismer, genom sitt kollektiva beteende, påverkar globala biogeokemiska och klimatiska processer, säger forskarna.