营养富集对微生物积累RDOC的影响：一项使用长期培养的惰性水进行的微宇宙实验

《Marine Pollution Bulletin》：Effects of nutrient enrichment on microbial accumulation of RDOC: A microcosm experiment using long-term incubated inert waters

海洋微生物碳泵（MCP）效率受营养富集影响研究。通过33天黑暗微宇宙培养长期孵化的惰性水体，梯度添加氮、磷，发现高营养水平促进溶解有机碳（DOC）分解，改变微生物群落结构（如Bacteroidota丰度增加），加速DOC周转并减少惰性溶解有机碳（RDOC）积累，削弱长期碳封存能力。

　　

作者：陆曦、张梦蝶、林思恒、胡晨

单位：厦门大学碳中和创新研究中心，中国厦门361005

摘要

气候变化缓解越来越依赖于对海洋作为主要碳汇作用的理解，其中浮游生物介导的过程——特别是微生物碳泵（MCP）——促进了溶解有机碳（DOC）向难降解形式的转化，从而支持长期的碳封存。在这项研究中，我们通过一个为期33天的黑暗微宇宙实验，使用添加了不同浓度氮和磷的长期培养惰性水样，来探讨营养富集对MCP效率的影响。结果表明，高营养富集可能克服了难降解DOC（RDOC）利用的化学限制，使其更容易转化为生物可利用的形式。营养物质的添加还引发了显著的微生物群落更替，有利于那些能够高效降解复杂有机物的类群（如Bacteroidota）。这些变化增强了DOC的消耗并加速了碳的周转，最终减少了通过MCP途径的RDOC积累。总体而言，这些发现强调了营养负荷和富营养化如何重塑浮游生物群落动态及DOC转化途径，对于预测海洋生态系统在人类活动加剧和气候变化下的恢复力及其长期碳封存能力具有重要意义。

引言

作为巨大的活跃碳汇，海洋在缓解全球气候变化中发挥着关键作用。其庞大的溶解有机碳（DOC）储库规模可与大气中的二氧化碳相媲美（Ogawa和Tanoue，2003年），使其成为全球碳循环的重要组成部分。大部分海洋DOC池由难降解的溶解有机碳（RDOC）组成——这部分碳难以被微生物降解，因此成为长期的碳汇，可持续存在数千年（Hansell，2013年）。因此，理解RDOC的产生、储存和去除机制对于解析DOC动态至关重要，这也是过去十年生物地球化学研究的主要焦点（Eichinger等人，2009年；Kragh和S?ndergaard，2009年；Kragh和S?ndergaard，2004年；S?ndergaard等人，2000年）。尽管RDOC的重要性显而易见，但其起源和命运长期以来仍是个谜。Jiao等人（2010年）提出的微生物碳泵（MCP）理论为理解RDOC的形成提供了关键框架。该理论强调了微生物/浮游生物将生物可利用的易降解DOC（LDOC）转化为RDOC的过程，从而增强了海洋中的长期碳封存。因此，研究影响MCP效率的因素——即通过微生物过程实现RDOC储存的效率——对于评估海洋的碳储存能力、生态系统恢复力及其气候缓解潜力至关重要。

MCP过程的效率是动态的，并且对环境条件的变化非常敏感（Jiao等人，2024年）。除了水柱生态系统的自然波动外，人为干扰（如人类活动加剧导致的营养物质排放增加）也改变了海水的生化特性，这尤其在沿海地区引发了紧迫的生态问题。尽管在理解微生物对DOC的产生和消耗以及影响这些过程的各种环境因素方面取得了显著进展（Cotner JamesB.和Biddanda BopaiahA.，2002年；Fuhrman等人，2015年；Rivkin和Legendre，2001年），但营养物质可用性对DOC特别是RDOC的持久性和生物降解性的具体影响仍存在争议。

众所周知，营养富集可以刺激初级生产并促进DOC的释放（Behrenfeld等人，2006年；Falkowski等人，1998年），然而新产生的DOC通常是易降解的，会被异养微生物迅速消耗，从而限制了其积累（Azam等人，1983年；Biddanda和Benner，1997年）。因此，营养物质的增加并不一定能促进海洋中的长期碳储存。在富营养化系统中，营养循环的不平衡甚至可能导致可降解LDOC的积累，这种现象被称为“微生物循环故障”（Thingstad和Lignell，1997年）。更重要的是，营养富集可能通过多种微生物途径抑制净RDOC的积累。例如，营养物质的增加可以缓解微生物的化学计量限制，促进更高效的碳处理过程，并减少微生物衍生难降解化合物的形成（Arnosti，2011年；Hansell，2013年）。此外，由于RDOC的碳氮比（C/N）和碳磷比（C/P）通常远高于LDOC（Hopkinson和Vallino，2005年），在营养贫乏的条件下其生物可利用性受到内在限制（Jiao等人，2011年）；因此，环境中的氮和磷浓度升高可能会显著增强微生物利用和分解RDOC的能力。此外，营养驱动的微生物群落重组可能有利于那些具有更强降解复杂或半难降解有机物能力的类群，从而缩短RDOC的持久时间（Traving等人，2017年）。综上所述，这些机制表明营养富集可能通过综合影响微生物代谢、群落结构和DOC的生物可利用性来降低MCP效率。

基于这些考虑，我们假设营养物质在调节MCP效率方面具有双重作用。在营养物质供应不足的情况下，受限的微生物活动限制了DOC的整体处理，有利于RDOC的积累和持久性。相反，氮和磷浓度的升高会刺激微生物生长和酶活性，加速LDOC的周转并促进RDOC的处理和分解，从而降低MCP效率，削弱长期碳封存能力。

为了验证这一假设，我们使用了一个经过生物老化处理的惰性海水系统进行了营养富集实验，该系统在长期培养（>400天）后达到了准稳态且反应性较低。然后我们向这些水中添加了不同水平的氮和磷，并在黑暗条件下培养了33天。这种方法补充了之前的短期、高活性实验，提供了关于营养物质如何调节近自然河口-海洋系统中碳转化和保留的新见解（Brailsford等人，2019年；Carlson等人，2002年；Liu等人，2014年）。通过测量营养物质浓度、有机碳动态和微生物群落结构的变化，我们旨在评估营养富集对MCP效率及其潜在机制的影响。

实验设置

实验使用了在达尔豪斯大学Aquatron Tower Tank系统中经过长期黑暗培养的海水。这些海水首先在黑暗条件下培养了大约81天以稳定系统，随后加入淡水以模拟河口混合情景，形成了具有明显层次的分层水柱，并保持了258天（Chen等人，2022年；Hu等人，2024年；Xiao等人，2022年；

初始营养物质和碳浓度

正如预期的那样，由于添加的营养物质水平不同，各处理组之间的初始硝酸盐和磷酸盐浓度也有所不同。在C-1×对照组中，硝酸盐和磷酸盐浓度分别为9.425 ± 0.04 μmol/L和1.35 ± 0.01 μmol/L。在T-2×组中，这些浓度分别增加到17.17 ± 0.09 μmol/L和2.38 ± 0.02 μmol/L。T-3×组的硝酸盐和磷酸盐浓度分别达到24.48 ± 0.06 μmol/L和3.50 ± 0.02 μmol/L，而最高组...

营养物质浓度对DOC利用效率的影响

本研究结果表明，环境营养物质浓度的变化会影响DOC的利用效率。在高营养物质条件下，这种效应尤为明显。随着营养物质浓度的增加（尤其是在T-4×组中），DOC的消耗量明显增加，表明营养富集促进了微生物对DOC的分解和利用（图2D）。这种增加的消耗可以通过几种机制来解释。

首先，营养物质...

结论

本研究表明，在氮和磷浓度升高的情况下，营养富集增强了DOC的周转并重塑了准稳态海洋系统中的微生物群落组成。营养物质可用性的增加促进了与有机物处理相关的微生物类群的发展，并伴随着DOC消耗量的增加，表明碳循环活动加剧。

作者贡献声明

陆曦：撰写初稿、验证、正式分析、数据管理。张梦蝶：撰写初稿、正式分析、数据管理。林思恒：撰写与编辑、监督、资金获取。胡晨：撰写与编辑、撰写初稿、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42506191、42306231）、福建省自然科学基金（项目编号：2023 J05017、2023 J05185）、中国博士后科学基金（项目编号：2021 M691863）以及海洋负碳排放（ONCE）计划的支持。作者感谢Xilin Xiao、Xiaowei Chen、Lianbao Zhang、Doug Wallace、Paul Hill、Jianning Wang和Jiezhen Xie在实验中的协助。