在北温带淡水系统中，化学自养和光合自养对冬季初级生产力的不同贡献

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Differential Contributions From Chemo- and Photoautotrophy to Winter Primary Production in a North Temperate Freshwater System

冬季条件变化影响水生初级生产者代谢及碳分配，光合自养生物与化能自养生物因策略差异响应不同，前者贡献更多溶解有机碳，后者碳储存在生物体内。研究显示冬季碳路由受生产者类型和季节性群落结构调控，揭示了光能和化学能途径在有机碳分配中的动态平衡。

　　

摘要

北半球冬季条件的变化会改变代谢过程，并干扰初级生产者的活动，而这些初级生产者是水生食物网中本土碳的主要来源。光合初级生产者以及通过化学反应储存能量的化能自养生物能够将无机碳固定为生物量，并通过细胞外释放或裂解方式向水中提供新鲜的溶解有机碳。由于这些生物群体采用不同的代谢策略来固定无机碳，它们对冬季条件的变化可能会有不同的反应。尽管如此，很少有研究同时评估这两个过程。在这里，我们在苏必利尔湖的一个相连水体中，测量了两个冬季及其间季节的光合初级生产（PPP）和暗碳固定（DCF）速率。我们将这些活动测量结果与抑制剂实验以及分子和显微镜分析相结合，以研究不同生物群体对冬季条件响应的差异。我们的研究揭示了一个多样化的初级生产者群落，包括晚秋时期的蓝藻爆发，并表明光合浮游植物和化能自养微生物在颗粒态和溶解态本土初级生产中的贡献存在差异，其中化能自养生物的贡献占比在0.5%到22.5%之间。这些发现有助于了解PPP和DCF对水生碳生产以及环境变化响应的相对重要性。

通俗语言总结

初级生产者将无机碳转化为有机碳，从而构成了水生食物网的基础。为此，一些生物利用光作为能量来源（光合作用），而另一些则从化学反应中获取能量（化能合成）。由于它们采用不同的能量捕获策略，这些初级生产者群体对环境季节性变化的反应可能有所不同。由于北半球水生系统的冬季条件正在迅速变化，本研究重点关注了两个冬季及其间季节中初级生产者的响应情况。我们发现，在我们的研究系统中，光合作用始终超过化能合成（最大化能合成比例为22.5%），但这些生物群体在一年中的不同时间会以不同的方式处理碳：光合生物会释放更多的溶解有机物质，而化能生物则将其储存在生物量中。在光合生物群体中，蓝藻在夏季的贡献更大，而真核藻类在冬季的贡献更大。这些结果共同表明，初级生产者活动和丰度的季节性变化改变了有机碳在微生物食物网中的传递路径。

关键点

• 冬季条件的变化会影响内陆水体的积雪和冰层积累

• 全年都有多种初级生产者群体负责无机碳的固定

• 初级生产者对季节性变化的响应存在群体差异，这影响了本土有机物质的产生方式

利益冲突

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。

数据可用性声明

蓝藻ASV的数据可以在ITOL网站上找到，地址为：https://itol.embl.de/shared/tjvickma。

测序数据可在NCBI SRA中通过Bioproject ID PRJNA1303202获取。

环境数据存储在Dryad网站上，链接为：https://doi.org/10.5061/dryad.m37pvmdfr。