《Aquatic Sciences》：Temporal variability of dissolved organic matter composition in the hypersaline Mono Lake, California
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本刊推荐一项关于美国加利福尼亚州高盐碱湖泊——莫诺湖（Mono Lake）中溶解性有机质（Dissolved Organic Matter, DOM）分子组成时间变异性的深入研究。研究利用超高分辨率质谱（FT-ICR MS）技术，详细解析了在2017年至2018年间由单循环水（monomixis）向多循环水（meromixis）转变过程中，DOM组成的精细变化。结果揭示了DOM的来源（如浮游植物Picocystissp. 输入、溪流陆源输入）及氧化还原条件变化如何驱动DOM分子特征演变。该成果深化了对高盐湖泊有机碳循环机制的理解，为评估内陆水域对全球碳循环的贡献提供了重要分子层面的证据。
引言：高盐湖泊与全球碳循环
咸水湖是分布于全球各大洲的内陆水体，其储水量约占全球湖泊总水量的40%，表面积约占内陆水域总面积的50%。这类生态系统通常位于干旱地区的封闭水文盆地，水体滞留时间长，与淡水湖相比，营养盐循环效率更高。这种营养动态是咸水湖通常呈现高初级生产力的重要原因，也导致这些系统中报告了高浓度的溶解有机碳（Dissolved Organic Carbon, DOC）。研究表明，高盐湖泊的DOC浓度可比淡水湖和低盐度湖泊高出约2-3倍，在底层水体中甚至可比表层高出5倍。这些发现表明，咸水湖，特别是高盐湖泊，有助于有机质的保存，有潜力成为碳汇。此外，咸水湖能与大气进行强烈的CO2交换，可能在全球碳循环中扮演重要角色。然而，尽管对局部和全球碳循环有重要贡献，关于高盐湖泊中溶解有机质（Dissolved Organic Matter, DOM）组成的知识仍然有限。
莫诺湖是美国加利福尼亚州的一个大型内流湖，以其独特的化学特征而闻名，包括pH值约10，盐度约85 ppt，以及DOC浓度超过5000 μM。其水文预算主要由淡水输入（来自Rush Creek和Lee Vining Creek）和蒸发驱动。莫诺湖通常为单循环湖，在早春和夏季发生热分层，冬季则发生全水柱对流。然而，自20世纪80年代初以来，由于淡水输入量的大幅变化（主要与内华达山脉的大量融雪径流有关），莫诺湖经历了反复的长期分层（多循环条件）。在多循环条件下，湖底水体中会积累还原性物质（如硫化物、氨、甲烷、亚砷酸盐），这与氧化还原条件的变化有关，并对湖泊的生态和生物地球化学产生深远影响。在长期分层期间，强烈的氧化还原梯度为硫还原菌在底层水体中繁殖创造了有利条件，因此硫酸盐还原是该湖泊有机质再矿化的主要厌氧途径之一。该系统初级生产力高，主要由一种绿藻Picocystissp. strain ML维持。浮游植物丰度的季节性变化主要受特有卤虫Artemia monica的摄食影响。
此前许多研究已表明，由于莫诺湖水文状况的变化，其水柱中的微生物群落组成发生了转变，包括在2017年至2018年从单循环向多循环条件过渡期间，从硫酸盐氧化菌到硫酸盐还原菌的微生物演替。尽管莫诺湖的化学特征和微生物群落已被广泛研究，但关于该系统中有机质（OM）组成的知识仍然有限，而有机质组成可能有助于塑造微生物的多样性和群落结构。本研究的目的是在2017年至2018年从单循环向多循环条件转变期间，利用超高分辨率质谱（FT-ICR MS）研究莫诺湖DOM的分子组成，提供DOM组成的详细表征，并识别在湖沼条件变化期间修改DOM组成的关键生物地球化学过程。
材料与方法
样品采集
样品在莫诺湖南部最深区域附近的6号站点沿垂直剖面采集。在2017年的5月、6月、9月以及2018年的5月、6月、10月进行了采样。每次采样时，使用SBE 19 CTD测量了从表层到35米深度的电导率、温度和溶解氧。通过5升尼斯金瓶采集了不同深度的离散水样。还采集了可能对莫诺湖DOM库有贡献的潜在来源样品，包括Rush Creek、Lee Vining Creek和优势浮游植物物种Picocystissp.（2018年采集）。Picocystissp. 菌株ML在佐治亚大学以批次培养方式培养。
采集后数小时内，水样经过过滤，用于DOC浓度测量和DOM提取。DOM通过固相萃取（Solid-Phase Extraction, SPE）柱分离，用甲醇洗脱，浓缩后储存于-20°C暗处，用于后续的傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）分析。
浓度测量与FT-ICR MS分析
使用总有机碳分析仪（TOC-LCPH）测量DOC浓度。DOM提取物的分子组成通过负离子模式电喷雾电离（-ESI）结合一台定制的21特斯拉混合线性离子阱傅里叶变换离子回旋共振质谱仪（FT-ICR MS）进行分析。质谱峰经处理和校准后，使用PetroOrg软件分配分子式。分子式被进一步分类为不同的化合物类别，例如多环芳烃、高芳香化合物、高度不饱和化合物、不饱和脂肪族化合物、饱和化合物、含氮不饱和脂肪族化合物、脂质、蛋白质和碳水化合物。此外，还计算了多种指数来评估DOM的转化过程，例如光降解指数（Iphoto）、生物形成与转化指数（Ibio）以及硫指数（Sindex）。还评估了“稳定岛”化合物的相对丰度以及碳的名义氧化态。
统计分析
利用FT-ICR MS数据，通过主成分分析来研究DOM组成的变化模式。在进行主成分分析前，数据进行了标准化和均值中心化处理。此外，还基于标准化峰强度计算了布雷-柯蒂斯相异性，以量化样品间DOM分子组成的差异。相关指数在主成分排序图上进行后拟合，以探讨驱动DOM组成变化的潜在因素。
结果
Rush Creek、Lee Vining Creek及Picocystissp. 培养物中的DOM组成
Rush Creek和Lee Vining Creek的DOC浓度分别为91 μM和39 μM。对FT-ICR MS数据进行主成分分析显示，湖泊样品、Picocystissp. 培养物和溪流样品明显分为三组。溪流样品（Rush Creek和Lee Vining Creek）具有相似的高芳香性、高不饱和度的分子特征，表现为典型的陆源DOM特征。而Picocystissp. 提取物则富含含氮和含硫分子式，大部分被归类为高度不饱和化合物和不饱和脂肪族化合物，包含显著的蛋白质类和脂质类化合物，这与淡水浮游植物来源的DOM特征一致。
莫诺湖内部DOC浓度与DOM组成的变异模式
单循环条件（2017年）
密度剖面显示，2017年从夏季到秋季，季节性发展形成了一个浅的密度跃层。DOC浓度在季节间和水柱中变化很大，范围约为8100至21300 μM。春季和夏季的最高浓度出现在约10-15米深度，可比秋季高出两倍。主成分分析和布雷-柯蒂斯相异性分析揭示了2017年DOM组成的季节和垂直变化。春季和夏季的样品富含含氮分子式以及更高比例的不饱和脂肪族、脂质和蛋白质类化合物，这可能与浮游植物来源的输入有关。相比之下，秋季样品显示出更强的陆源特征，并且富含含硫分子式，推测是由于水柱中氧化还原条件的变化。指数分析表明，春季和夏季样品中Picocystissp. 来源的贡献较高，而秋季样品中溪流来源的贡献较高，且硫指数和稳定化合物比例也较高。
多循环条件（2018年）
在所有季节的2018年，都在大约12-14米深处观察到一个密度跃层。DOC浓度在季节间的变化小于单循环条件，平均约为12000 μM。在所有季节，DOC浓度在密度跃层下方立即增加，最高浓度出现在15至17米之间。DOM组成的变化同样被主成分分析捕获。在表层和底层水体（春季）以及夏季表层，样品富含含氮分子式、高度不饱和和不饱和脂肪族化合物、蛋白质和脂质类化合物。而在所有季节，采集自密度跃层正下方（约15-17米）的样品，其DOM组成相对富含含硫分子式。此外，夏季样品与春季和秋季样品在DOM组成上也有所区分，夏季样品显示出更多与生物活动相关的特征。指数分析显示，Picocystissp. 来源的贡献在跃层上方和下方较高，溪流来源的贡献在跃层上方较高，而硫指数在跃层附近达到峰值。
讨论
研究调查了在2017年至2018年从单循环向多循环条件转变期间，莫诺湖DOC浓度和DOM组成的变化。2017年春季和夏季的DOC浓度最高，这与高浮游植物丰度和高山融雪径流期相符。2018年，DOC浓度在季节间变化较小，但在密度跃层下方略有增加，这与之前研究中观察到的藻类碎屑水解积累的模式一致。
DOM组成的变异模式通过主成分分析和多种过程指数进行了评估。在2017年单循环条件下，DOM组成显示出显著的季节性变化，春季和夏季的样品与浮游植物输入相关，而秋季样品则显示出更多的陆源特征和含硫化合物富集，这可能与分层发展和氧化还原条件变化有关。在2018年多循环条件下，垂直分层导致了DOM组成的显著垂直分异，密度跃层附近成为含硫化合物富集的“热点”区域，这与该区域强烈的氧化还原梯度和硫酸盐还原过程活跃有关。同时，表层和底层水体则更多地受到浮游植物来源DOM的影响。
研究发现，在整个湖沼条件转变期间，莫诺湖的DOM相较于其他高盐内流湖，始终表现出更低的芳香性和更高的还原程度。这些发现揭示了高盐湖泊中有机碳循环的动态机制，强调了DOM来源（自生与陆源）和氧化还原驱动的生物地球化学过程（特别是硫循环）在塑造DOM分子组成中的关键作用。该研究增进了对高盐湖泊这一特殊环境中复杂有机质转化过程的理解，有助于更准确地评估内陆水体在全球碳循环，特别是碳封存潜力方面的重要作用。
