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本篇研究通过实验室控制实验，探究了溪流生态系统中关键消费者——撕食性水生昆虫（以毛翅目Sericostoma sp.为模型）的脂肪酸（FA）代谢如何响应其食物来源，即不同类型陆地有机质（tOM）及其微生物预处理。研究发现，tOM类型（桤木、山毛榉、枫树叶）是决定撕食者脂肪酸组成、生物量和多不饱和脂肪酸（PUFA）积累的关键因素，而微生物预处理（有氧vs.厌氧）的影响有限。研究揭示，当摄食高营养质量（如桤木）tOM时，撕食者能够积累包括长链多不饱和脂肪酸（LC-PUFA）在内的脂肪酸；而在低质量食物下，它们可能需要动用储存的PUFA来维持生长，表明其代谢存在“表观柔性”。该研究强调了陆源有机质质量在塑造溪流消费者营养状况、连接水陆生态系统营养传输中的核心作用。
引言：连接陆地与水域的脂肪酸营养链
在温带地区的源头溪流中，浓密的河岸植被每年向水体输入大量的陆地有机质（terrestrial organic matter, tOM），主要是秋季凋落的树叶。这些tOM构成了连接陆地与水生生态系统的关键环节，是许多淡水生物，特别是撕食性无脊椎动物（撕食者，Shredders）的主要食物来源。撕食者通过取食被微生物定殖的凋落物，在有机质分解和营养级联中扮演着核心角色，是水陆生态系统间能量和营养物质传输的重要桥梁。
脂肪酸（Fatty Acids, FAs），特别是多不饱和脂肪酸（Polyunsaturated Fatty Acids, PUFAs），在水生食物网中具有至关重要的作用。它们不仅是支持生物体健康、提供能量和执行代谢功能的关键营养因子，还影响着个体的生长、繁殖及整个生态系统的动态。其中，一些PUFA如二十碳五烯酸（Eicosapentaenoic acid, EPA）、二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic acid, DHA）、α-亚麻酸（Alpha-linolenic acid, ALA）、亚油酸（Linoleic acid, LIN）和花生四烯酸（Arachidonic acid, ARA）被认为是必需脂肪酸，许多水生生物无法从头合成或合成量不足以满足其生理需求。因此，撕食者等水生消费者必须从食物中获取这些必需的PUFAs，其可获得性是决定消费者生长、繁殖和存活的关键。
然而，陆地植物材料通常天然缺乏长链多不饱和脂肪酸（Long-Chain PUFAs, LC-PUFAs，指碳原子数≥20的PUFA），对水生消费者的直接营养价值有限。在源头溪流中，浓密的河岸植被导致的遮荫限制了初级生产，使得这些系统呈现净异养状态。因此，溪流撕食者可能面临饮食中PUFA可及性的限制，这可能影响其生长和生物量积累。此外，不同类型的tOM（如不同树种的叶片）具有特定的生化和脂肪酸组成。微生物定殖（包括细菌和真菌）进一步改变tOM的生化成分，可以增强其营养品质。微生物活动可能有助于补偿tOM初始较低的FA水平，尤其在以碎屑为主的源头溪流系统中，富含PUFA的资源（如藻类）稀缺。微生物定殖受到环境条件的调节，特别是氧气可及性。在有氧条件下，更丰富和活跃的微生物群落可能促进tOM分解并提升其营养品质；而在缺氧条件下，厌氧微生物过程占主导，通常缺乏合成LC-PUFA的酶途径，可能导致tOM的FA组成发生改变，进一步限制PUFA的可获得性。
撕食者以微生物定殖的tOM为主要饮食资源，是水陆资源传输的重要环节。作为脂肪酸的“累积者”，它们无法通过代谢有效调节自身的FA谱，其生长和生物量积累依赖于充足的膳食PUFA供应。然而，目前尚不清楚撕食者是否持续获得有利定殖的tOM，PUFA的可获得性在特定时期可能受限。这引发了一个问题：当面临PUFA限制时，撕食者是否会消耗储存的PUFA来维持生理过程？这可能导致其脂质或PUFA的耗竭。
为探究此问题，本研究评估了不同tOM来源和微生物定殖条件如何影响一种毛翅目撕食者模型（Sericostoma sp.）的生物量和PUFA积累。具体而言，我们检验了tOM消费者的FA组成如何随其所消耗的tOM类型及其微生物预处理（有氧vs.厌氧）而变化。我们假设：（1）与喂食厌氧预处理tOM的撕食者相比，喂食有氧预处理tOM的撕食者具有改善的FA谱和生物量（即含有更高的总脂质、PUFA浓度和更大的生物量增益）；（2）不同的tOM类型将导致撕食者产生不同的PUFA谱和生物量结果，因为当消耗PUFA含量较低的tOM时，撕食者可能会代谢储存的PUFAs或表现出生物量增长减缓。
材料与方法：实验室微宇宙中的喂养实验
本研究在实验室中，使用三种类型的tOM（桤木Alnus glutinosa、山毛榉Fagus sylvatica和枫树Acer platanoides的叶片材料）喂养毛翅目撕食者模型Sericostoma sp.，持续25天。自然脱落的干燥叶片被切割成圆片，并经受有氧和厌氧两种条件下的微生物预处理。对于厌氧预处理，叶圆片被埋在粘土浆中，模拟自然河床中富含细沉积物的低氧条件，并在黑暗中12°C下培养28天。对于有氧预处理，叶圆片在通气的溪流水体中，于12°C黑暗条件下培养7天。预处理期结束后，叶片被洗净并立即投喂给饲养在受控实验室微宇宙中的撕食者。整个25天的喂养期内，撕食者持续获得来自同一批次预处理叶片的材料，以模拟对经历不同微生物历史的凋落物的逐步消耗。每个微宇宙包含10个Sericostoma个体，投喂0.8克干叶材料，每个处理设置5个重复。同时，在实验开始时采集了50个撕食者作为对照组，以评估其初始的生物量、总脂质浓度和FA谱。
实验结束后，测量撕食者的生物量，并利用气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）对撕食者和叶片的脂肪酸甲酯（FAMEs）进行定量分析。我们量化了单个FAs，并将其根据饱和度分为饱和脂肪酸（SFA）、单不饱和脂肪酸（MUFA）和多不饱和脂肪酸（PUFA）。PUFA进一步分为短链PUFA（SC-PUFA）和长链PUFA（LC-PUFA）、Omega-3 PUFA（n-3 PUFA）和Omega-6 PUFA（n-6 PUFA）。此外，还估算了作为细菌生物标志物的细菌脂肪酸（BFA）和与tOM来源相关的陆源脂肪酸（TerrFA）。
统计分析使用R软件进行。采用广义线性混合效应模型检验tOM类型和预处理对撕食者生物量、总脂质和各FA浓度的影响。通过基于距离的方法（PERMANOVA）和non-metric multidimensional scaling (NMDS) 分析比较不同处理间撕食者FA谱的差异。此外，还计算了每个撕食者的PUFA含量以及实验期间的净PUFA变化。
结果：tOM类型主导撕食者的脂肪酸命运
撕食者的生物量在不同tOM类型间存在显著差异，但微生物预处理的影响不显著。在所有处理中，撕食者的生物量相较于对照组的初始生物量均有所增加。以有氧预处理的桤木叶为食的撕食者生物量最高，其次是以有氧预处理的枫树叶和厌氧预处理的榉树叶为食的撕食者。对照组生物量最低。
撕食者的总脂质含量随tOM类型不同而有显著变化。尽管微生物预处理的影响在统计上不显著，但有氧处理组的总脂质含量普遍高于其对应的厌氧处理组。以有氧预处理的桤木叶为食的撕食者总脂质含量最高，其次是以厌氧预处理的桤木叶为食的撕食者和对照组。相比之下，以山毛榉和枫树叶为食的撕食者总脂质含量低于对照组。
撕食者的PUFA含量在不同tOM类型间存在显著差异，但不受微生物预处理的显著影响。PUFA含量在以有氧预处理的桤木叶为食的撕食者中最高，几乎是以厌氧预处理的山毛榉叶为食的撕食者（所有处理中最低）的两倍。以桤木叶为食的撕食者（无论有氧还是厌氧条件）PUFA含量均高于对照组，而对照组的PUFA含量又高于以山毛榉或枫树叶为食的撕食者。
在不同PUFA成分中，撕食者的FA组成因其消耗的tOM资源而异。撕食者中主要的PUFAs是LIN、EPA和ARA。在以有氧预处理桤木叶为食的撕食者中，这些PUFAs的浓度最高。相比之下，以山毛榉和枫树叶为食的撕食者以及对照组中，这些主要PUFAs的浓度较低。DHA和ALA在所有处理中始终保持低水平。
在SC-PUFA成分中，对照撕食者的ALA浓度高于喂食所有其他tOM资源的撕食者。相反，LIN水平在以桤木叶为食的撕食者中最高，而以山毛榉和枫树叶为食的撕食者LIN浓度低于对照组。在LC-PUFA成分中，所有喂食tOM的撕食者ARA浓度均高于对照组。EPA浓度在以桤木叶和枫树叶为食的撕食者中升高，超过了对照组的水平。而以山毛榉叶为食的撕食者EPA浓度最低。DHA浓度在消耗厌氧tOM资源的撕食者中高于对照组，而对照组又高于消耗有氧tOM的撕食者。
有趣的是，与它们的饮食相比，ARA和EPA在tOM食物资源中含量极低或缺失，且在对照组中也较低，但在以桤木叶为食的撕食者中特别高。
各FA组的浓度在以有氧预处理的桤木叶为食的撕食者中最高。对照组的FA浓度也高于以山毛榉或枫树叶为食的撕食者。在每个FA组内，消耗有氧预处理tOM的撕食者浓度通常高于消耗厌氧预处理tOM的撕食者。单不饱和脂肪酸（MUFA）是所有撕食者消费者中占主导地位的FA组，而陆源脂肪酸（TerrFA）的浓度最低。
我们进一步探索了不同tOM处理下PUFA同化效率的差异。每个撕食者的PUFA含量在不同tOM类型间存在显著差异。每个撕食者的PUFA含量在以有氧预处理的桤木叶为食的撕食者中最高，而在以厌氧预处理的榉树叶为食的撕食者中最低。平均而言，有氧喂养的撕食者每个个体的PUFA含量倾向于高于厌氧喂养的撕食者。在所有tOM类型中，有氧喂养的撕食者每个个体的PUFA含量也高于对照撕食者。
净PUFA变化分析显示，在以有氧和厌氧预处理的桤木叶为食的撕食者中均观察到了净PUFA增益，这由SC-PUFA和LC-PUFA共同贡献。这些值始终高于在山毛榉和枫树叶喂养的撕食者中观察到的值。在桤木喂养处理中，PUFA增益主要来自LIN、ARA和EPA，尽管桤木叶片饮食本身中EPA和ARA的含量极低或缺失。相比之下，在厌氧条件下，以枫树叶和山毛榉叶为食的撕食者均观察到净PUFA损失。在所有tOM类型中，厌氧条件下的PUFA含量始终低于有氧条件。值得注意的是，ALA在所有处理中都显示净损失。
PERMANOVA分析表明，tOM类型和微生物预处理都显著影响撕食者的FA谱。对于分组FA谱，tOM类型有显著影响。对于单个FA谱，tOM类型和微生物预处理都对观察到的变异有显著贡献。FA和PUFA谱在不同处理间存在差异，且与对照组不同。对照撕食者的FA/PUFA谱更相似，而实验撕食者表现出更大的变异性，其中桤木和山毛榉处理显示出最广泛的分布。所有饮食都导致了FA/PUFA谱的转变。处理间的差异反映了PUFA谱的转变，因为个体处理更紧密地围绕特定的PUFA加权平均物种得分排列。同时，PUFA浓度在处理间和处理内均有变化。PUFA浓度在桤木处理中最高，而山毛榉处理表现出较低的浓度。
讨论：营养策略、生物转化与生态启示
实验结果对我们最初的假设提供了细致的解读。虽然撕食者Sericostoma sp.的生物量在所有实验组中相较于对照组的初始生物量均有所增加，但只有喂食有氧预处理桤木叶的撕食者表现出更高的总脂质含量、净PUFA增益以及相较于对照组和其他实验组提升的PUFA水平FA谱。相比之下，以山毛榉和枫树叶tOM为食的撕食者总脂质含量较低，FA谱中PUFA水平较低，净PUFA增益较低或无。这些结果部分支持了我们的第一个关于有氧预处理通常能提供更好资源的假设，但完全符合我们的第二个假设，因为tOM类型的差异导致了不同的FA谱和PUFA积累。可以说，tOM的营养质量驱动了当撕食者消耗低质量资源时，对内部PUFA储备的依赖增加。
以山毛榉和枫树叶为食的撕食者PUFA含量下降，尽管其生物量增加，这表明PUFA含量并未与生物量增益成比例增加。这可能反映了为支持基本生理功能而增加的代谢周转，而非储存。在厌氧条件下，以山毛榉和枫树叶tOM为食的撕食者甚至表现出净PUFA损失，表明这些资源没有提供足够的PUFAs用于积累，并可能迫使撕食者动用内部储备以维持生长。因此，以低质量饮食为食的撕食者可能以消耗PUFA储备为代价来维持生长。
昆虫，包括大型无脊椎撕食者，通常被认为合成和延长必需FAs的能力有限，特别是LC-PUFA如EPA和ARA。因此，撕食者FA含量的变化必须反映其生活史的变化，或者在没有这些变化的情况下，反映其饮食的营养质量。先前的研究表明，选择性地取食叶片表面营养丰富的真菌和微生物斑块，是增强营养摄入的一种策略。然而，像陆地叶片这样的低质量资源会在消费者与其饮食之间产生化学计量失衡，这会增加维持体内平衡的成本并限制生长。我们观察到的所有饮食下的生物量增加，相比之下，表明tOM尽管通常被认为是低质量资源，但为撕食者的生长提供了足够的营养。有趣的是，以桤木叶为食的撕食者不仅表现出更大的生物量，而且具有更高的LC-PUFA水平（特别是ARA和EPA，在tOM资源中缺失），这完全出乎意料。这可能表明从更高质量的tOM中更有效地同化和保留了这些FAs。
一种可能性是LC-PUFAs来自膳食来源。然而，我们对实验中使用的tOM饮食的分析显示，tOM含有较高的SC-PUFAs，但LC-PUFA水平低于在撕食者中发现的水平，使得膳食摄入不太可能解释以桤木叶为食的撕食者中LC-PUFA的富集。此外，类似的研究证实了这一点，报告tOM是溪流中LC-PUFA的贫乏来源，进一步支持了tOM本身不足以解释观察到的富集。
另一个潜在的解释与撕食者的选择性摄食行为有关；如果给予选择，它们会优先取食最高质量的资源，例如营养更优的凋落物。具体来说，实验撕食者可能一直在取食在有氧微生物预处理的tOM上建立的、特别营养丰富的微生物生物膜，其营养质量会提高撕食者的LC-PUFA谱。然而，这一假设并未得到我们tOM饮食分析的完全支持，因为这些饮食缺乏与撕食者中发现的量相当的LC-PUFA（如ARA和EPA）。虽然微生物活动可以增加凋落物中的PUFA含量，但我们的测量表明，LC-PUFA如EPA、ARA和DHA在预处理的tOM中仍然极低，这与普遍接受的、新脱落的陆地叶片中缺乏这些FAs的观点一致。此外，尽管在有氧条件下对tOM进行微生物预处理增加了凋落物中的PUFA含量，但它并未显著影响撕食者的PUFA谱。这表明，虽然微生物预处理可能通过改善碳氮比（C:N）和蛋白质含量来提高tOM的营养品质，但这并不一定会转化为撕食者体内更高的PUFA含量。相反，真菌可能贡献高水平的SC-PUFA，如ALA和LIN，特别是在有氧条件下。然而，这些SC-PUFA仍然需要被生物转化为LC-PUFA才能支持撕食者的生理机能。
第三种也是最引人入胜的可能性是，撕食者从SC-PUFA前体合成LC-PUFAs。这一解释得到了单个FAs反应的证实：对照组的ALA浓度高于处理组，而所有喂食tOM的撕食者ARA浓度均高于对照组。此外，本研究中以桤木叶为食的撕食者SC-PUFA（LIN和ALA）水平显著更高，这与LC-PUFA水平的增加相对应。同时，与提供的tOM相比，撕食者体内的ALA减少了，表明ALA可能被转化为EPA。类似地，对照撕食者的ALA浓度高于喂食tOM饮食的实验撕食者，这可能是由于实验撕食者中SC-PUFA向LC-PUFA的转化增强了。这与最近在摇蚊中的发现一致，证明了SC-PUFA生物转化为LC-PUFA的潜力。我们的结果表明Sericostoma撕食者可能具有类似的能力。观察到tOM含有高水平的SC-PUFAs但极少的LC-PUFAs，而撕食者表现出相反的模式，有力地支持了生物转化假说。这种机制对水生消费者尤其重要，因为LC-PUFA如EPA、DHA和ARA对生长、繁殖和整体健康至关重要。
因此，我们的发现表明，撕食者可能采用双重策略，既保留又合成LC-PUFAs，以满足其营养和生理需求。这种能力使它们即使在膳食来源有限的情况下，也能维持由LC-PUFAs支持的关键生理过程，如细胞膜流动性、生长和繁殖。这种策略在以tOM驱动的源头溪流撕食者食物网中将特别有利，因为那里LC-PUFAs通常稀缺。生物转化的效率可能取决于高质量食物来源的可获得性。虽然桤木可能没有直接提供LC-PUFAs，但
