圖片：植物性浮游生物在北海與斯卡格拉克海峽產生的藻華，也常伴隨大量DMS的產生(圖片引自維基共享資源)
作者：嚴融怡
二甲基硫醚(Dimethyl sulfide, DMS 或 methylthiomethane)是化學組成上十分簡單的硫醚化合物，常溫下為無色揮發性液態，所謂的海鮮味、海味有很大一部分的來源與這種化合物有關。在海鮮市集當中，到處都充斥著這樣的味道。而在啤酒釀製的過程中，二甲基硫醚則是糖化與發酵的產物，也是製酒業非常不願意產生的臭味物質，主要来自其前驅物SMM（Ｓ-甲基蛋氨酸）的熱分解以及DMSO（二甲基亞碸，Dimethyl sulfoxide）進行還原所產生，而麥芽則是SMM與DMSO的產生來源。啤酒製酒業往往會透過麥芽的選取、煮沸過程的調整、避免過高的pH等方式來避免DMS的產生。
自然界當中二甲基硫醚(DMS)真正的大宗產生源則是海洋，它是海洋所釋出的主要揮發性硫化物，約佔海洋硫元素向大氣釋出的95%，同時也占大氣天然硫排放源的50%。二甲基硫醚的產生過程，與藻類對硫的利用與代謝息息相關。藻類會先藉由同化硫酸鹽還源取得硫，在生物體内合成二甲基硫醚的前體—二甲基巰基丙酸(dimethylsulfoniopropionate, DMSP，常以內鹽，也就是兩性離子的形式存在於海藻、植物性浮游生物、與某些維管束植物體內)。佔植物性浮游生物吸收碳的10%，DMSP是細菌的重要營養來源，可以滿足海洋中高達95％的細菌對硫的需求以及高達15％的細菌對碳的需求，也因此藻類也成為這些微生物的眾矢之的，自然界當中當然也不只細菌，還有啃咬藻類的動物甚至病毒等等，當藻類被攻擊而結構損壞時就有機會讓這類物質釋出到海洋。另外，當藻類死亡並且腐爛分解時也會進一步釋放這些物質。細菌具有代謝處理DMSP的不同途徑，其中一種途徑是去甲基化，這個作用讓細菌能利用其中的碳與硫元素作為生長所需的養分。而另一個路徑則為裂解作用，這條路徑就會產生帶有海味的二甲基硫醚(DMS)氣體飄散至大氣，並進一步形成氣溶膠。而DMS也正是海洋生物衍生出的硫化合物轉換至大氣中的重要角色，而那些氣溶膠進入大氣後，便成為重要的凝結核來源。而DMS這一含硫物質如此廣布，當然在硫循環過程甚至是牽動大氣循環等氣候變化上也都具有重要的地位。
1980年代科學家便發現由於雲凝結核(Cloud condensation nuclei, CCNs)、雲的溫度調節行為和海洋植物性浮游生物之間的相互作用，全球氣候可能會出現反饋循環。這種現象後來被稱為CLAW假說(CLAW hypothesis)。海洋上常見的CCN是硫酸鹽氣溶膠。這些氣溶膠大多數正是由二甲基硫醚(DMS)所形成的。科學家曾觀察到在南海等地區有所增加的大型藻華可以向周圍的大氣中貢獻大量的DMS，並且導致雲層形成的增加。由於植物性浮游生物的活動依賴於溫度，因此這種負反饋迴路可以作為氣候調節的一種形式。1987年曾撰寫《蓋亞的複仇》(The Revenge of Gaia)系列書籍的詹姆斯·洛夫洛克(James Lovelock)曾提出海洋溫度與植物性浮游生物種群數量之間所存在的另一個關係。被命名為反CLAW 假說(anti-CLAW hypothesis)，在這種情況下，海洋的分層導致富含營養的冷水被困在溫暖的海水下，而溫暖的海水下進行光合作用的陽光最充足。隨著溫度升高，將會抑制植物性浮游生物的生長，導致它們的數量及其產生的硫酸鹽雲凝結核減少。因此，這種相互作用降低了雲反照率並透過減少雲凝結核引起的雲層形成而增加能夠到達海洋表面的太陽輻射，從而形成正反饋迴路。
圖片：顯微鏡下的矽藻，矽藻是重要的植物性浮游生物，也牽涉到許多元素循環(圖片引用自維基共享資源)。
海洋中二甲基硫醚(DMS)的產生與發生以及隨後向大氣的擴散與凝結核的生成不僅顯著促進了全球硫循環也影響氣候調節。而影響這一系列反應的DMS、DMSP和DMSO(在大自然當中常常作為DMS的氧化產物）的空間分布，中間牽涉到DMS的生產和去除過程（包括生物產生、微生物消耗、光降解與海空交換等）。其中科學家2021年在西太平洋的研究中已證明光合作用有效輻射（Photosynthetically Active Radiation, PAR，也就是太陽輻射中對植物光合作用有效用的光譜成分）以及紫外線A (ultraviolet A radiation , UVA)是DMS光降解主要的驅動因素，這是因為紫外線B (ultraviolet B radiation, UVB)會在海水中顯著衰減。
科學家在2012-2016年之間觀察到白令海夏季二甲基硫醚(DMS)以及二甲基巰基丙酸鹽（DMSPd 和 DMSPp）出現顯著的空間和年際變化，包括寒冷（2012年）與溫暖（2014 年和 2016 年）的溫度狀況。夏季上層海水中的平均葉綠素a、DMS和 DMSPd 濃度顯著增加，與此同時海水溫度升高1.6 °C。這與溫暖年份當中植物性浮游生物量以及甲藻的生長升高有關。對應2012-2016年當地夏季海水表面升溫2.8°C，DMS的通量也大幅增加。由於DMS的大氣氧化產物所形成的氣溶膠，能夠增加大氣當中雲凝結核的數量，並提高雲層對太陽光的反射率，使局部海域的熱量收入減少並抵銷一些增溫情形，因此這應該也是生態系統對於全球溫室效應的某種反饋吧。
在清潔的海洋邊界層中，生物硫酸鹽有助於氣溶膠的新形成與現有顆粒的成長，對平衡海洋輻射具有重要意義。事實上，科學家近年來還發現DMS不僅是和藻類生理有關，也直接參與了珊瑚對減輕氧化衝擊的生理反應，還可能透過改變氣溶膠與雲層的作用而作為珊瑚的另類『海洋恆溫器』(ocean thermostat)。但是DMS的變量與變異在一定程度也會促使氣候的推估有一些新的變數，同時，另一方面來說，海洋輸往大氣的氣溶膠增加也有可能增加區域性極端天氣的產生頻率，過去我曾閱讀過有關亞洲空氣汙染所導致陸源性氣溶膠增加進而輸往海洋而最終導致強降雨發生並且改變區域降雨情形的重大影響。然而德國科學家Katharina D. Six團隊曾在2013年也曾研究認為在pH值較低的海水會減少DMS的產生。因此在全球範圍當中，當海洋酸化所導致的DMS排放下降又會對氣候產生巨大影響，進而加強全球變暖的情形。但也有其他的科學研究曾指出暖化的增溫效應會促使DMS的增量產生。因此溫度和酸化到底哪一個對於DMS的影響比較重要？這可能還需要更多的研究去闡明。
然而二甲基硫醚雖然對於氣候的調節極其重要，但是人類的另一個重要產物─海洋垃圾卻又將這個含硫分子推向另一個複雜的端點。美國佛羅里達大學的生物系教授皮弗勒(Joseph Pfaller)在2020年指出對海龜來說由於塑膠垃圾所沾附的二甲基硫醚散發出類似牠們平日所吃食物的氣味，因此就如同『氣味陷阱』一般。而這一情勢實際上影響的也不僅僅是海龜，在一些紀錄當中，包括管鼻類的海鳥，一些同樣極度依賴氣味嗅覺來覓食的海洋動物，由於塑膠垃圾所吸附的藻類在死亡之後所分解產生的二甲基硫醚，也都同樣會導致誤食風險的增加。因此，在未來這個在硫循環與氣候變化當中佔有重要功能的分子，它還會在複雜的現代生態環境當中扮演更多不同的角色。而人類，或許要為賦予它這些角色擔負一定的責任。
參考引用資料：
1.二甲基硫醚. (2022, December 18). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved December 11, 2022, from https://zh.wikipedia.org/wiki/二甲硫醚
2.二甲基巰基丙酸(2022, December 18). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved June 22, 2022, from https://zh.wikipedia.org/zh-tw/二甲基巯基丙酸
3.研究人員探索海洋微生物對於影響氣候的作用 ─農業科技決策資訊平台 https://agritech-foresight.atri.org.tw/article/contents/3169
4.啤酒中的不良风味：二甲基硫醚 ─自酿啤酒 https://www.znp9.com/tech/3707/
5.漂浮塑膠垃圾聞起來像蝦子 研究解開海龜誤食的另一個原因 ─地球圖輯隊 https://dq.yam.com/post/12277
6.Cloud condensation nuclei. (2022, December 18). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved December 14, 2022, from https://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_condensation_nuclei
7.Jackson, R. L. et al. 2020. Dimethylsulfide (DMS), marine biogenic aerosols and the ecophysiology of coral reefs. Biogeosciences, 17, 2181–2204. https://bg.copernicus.org/articles/17/2181/2020/
8.Li, C. et al. 2019. Spatial and Interannual Variability in Distributions and Cycling of Summer Biogenic Sulfur in the Bering Sea. Geophysical Research Letters 46(9):4816-4825. https://doi.org/10.1029/2018GL080446
9.Six, K. D. et al. 2013. Global warming amplified by reduced sulphur fluxes as a result of ocean acidification. Nature Climate Change 3:975–978. https://www.nature.com/articles/nclimate1981
10.Xu, F et al. 2021.Occurrence and cycle of dimethyl sulfide in the western Pacific Ocean. LIMNOLOGY AND OCEANOGRAPHY 66(7):2868-2884. https://doi.org/10.1002/lno.11797
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