氮和磷酸盐的协同限制作用调控着南海北部和珠江口过渡水域的初级生产力

《Frontiers in Microbiomes》：Serial nitrogen-phosphate co-limitation controls the primary productivity in the transitional waters of northern South China Sea and the Pearl River Estuary

氮磷限制与微生物群落响应机制研究。

　　在海洋生态系统中，氮（N）和磷（P）作为关键营养元素，对浮游植物的生长和微生物群落的结构起着决定性作用。浮游植物不仅是海洋食物网的基础，也是全球生物地球化学循环的重要组成部分，它们对地球碳循环和氧气供应具有深远影响。在沿海过渡水域中，由于河流输入、陆地径流以及人类活动等多种因素的共同作用，营养元素的分布和限制模式呈现出显著的区域差异。这种复杂的营养动态使得沿海生态系统成为研究营养限制与生物地球化学循环的理想场所。本文以中国南海北部的沙门岛附近水域为研究对象，探讨该地区浮游植物的营养限制模式及其对微生物群落结构的影响。

### 1. 营养限制与生态系统生产力

浮游植物在海洋生态系统中扮演着核心角色，其生长受到多种营养元素的限制。氮和磷是浮游植物生长所必需的营养元素，而它们的细胞比例大致遵循Redfield比值，这一比例代表了海洋中有机碳、氮和磷的平均含量。然而，沿海水域由于受到陆地输入和人类活动的显著影响，其营养限制模式往往比开阔海域更为复杂。在某些情况下，单一营养元素的缺乏可能成为限制因素，而在其他情况下，多个营养元素可能同时或依次成为限制因素。例如，在一些营养丰富的沿海区域，氮的相对浓度较高，而磷的浓度较低，此时磷可能成为主要的限制因素。而在另一些区域，如沙门岛附近的水域，尽管靠近富含营养的珠江河口，氮仍然主要限制了浮游植物的生长。这种现象在夏季尤为明显，由于珠江输入和海洋动力过程的共同作用，使得该地区的氮浓度相对较高，而磷浓度则较低。

### 2. 研究背景与区域特征

沙门岛位于珠江河口与南海北部交汇处，处于一个高度动态的过渡水域环境中。该区域的海水环境受到多种因素的影响，包括潮汐动力、大陆和岛屿地下水排放、河流输入以及人类活动。在夏季，珠江的流量增加，会带来大量的营养物质进入附近的河口和沿海水域。然而，尽管氮的浓度有所上升，磷的浓度仍然保持在较低水平。此外，南海北部的西南季风引起的沿海上升流也会对沙门岛附近的海水营养结构产生影响。这些因素共同作用，使得沙门岛水域成为研究营养限制与生态系统生产力的理想地点。

### 3. 研究方法与实验设计

为了深入了解沙门岛附近水域的营养限制模式及其对微生物群落的影响，本研究采用了两种互补的方法：高频率的原位观测和受控的营养添加实验。原位观测涵盖了从2022年7月18日22:00到2022年7月21日14:00之间的四个小时采样间隔，共采集了17个样本。这些样本用于分析水体中的营养元素浓度变化及其对浮游植物生产力的影响。与此同时，研究团队在2022年7月18日18:00启动了营养添加实验，使用尿素和磷酸二氢钾（KH?PO?）作为添加的氮和磷源。尿素作为一种有机氮源，可能对浮游植物的生长起到重要作用，而磷酸二氢钾则作为无机磷源，用于研究其对微生物群落结构的影响。

在实验设计中，将初始的表层海水转移到四个20升的透明低密度聚乙烯桶中，分别进行空白对照组（无营养添加）、氮添加组（尿素）、磷添加组（磷酸二氢钾）和氮磷共添加组（尿素与磷酸二氢钾共同添加）。为了确保实验的准确性，对每个实验组进行了三次重复。实验过程中，研究人员对水体中的温度、pH值、溶解氧（DO）、盐度和叶绿素a浓度进行了实时监测。同时，通过过滤采集微生物样本，并提取其DNA，用于后续的16S rRNA基因和宏基因组测序分析。这些数据将帮助研究人员理解不同营养添加条件下微生物群落的组成变化及其与浮游植物生产力之间的关系。

### 4. 实验结果与微生物响应

实验结果显示，尿素添加显著提高了浮游植物的初级生产力。在氮添加组（N组）中，叶绿素a浓度从2.1997至3.1007 μg/L上升至5.3352至12.1482 μg/L，表明尿素的添加促进了浮游植物的生长。相比之下，磷添加组（P组）的叶绿素a浓度几乎没有变化，甚至略有下降，这可能是因为磷的添加并未有效改善营养条件，反而可能加剧了异养细菌的竞争优势。氮磷共添加组（NP组）的叶绿素a浓度进一步上升，达到16.0793至21.2664 μg/L，表明氮和磷的共同添加对浮游植物的生长具有更大的促进作用。

在微生物群落结构方面，原位观测和实验结果均显示出显著的差异。在原位环境中，蓝藻（Cyanobacteria）始终占据主导地位，而在磷添加实验中，异养细菌（如Rhodobacterales和Maricaulales）的相对丰度显著增加，这表明磷的添加可能增强了异养细菌的竞争力，限制了蓝藻等自养微生物的生长。此外，实验结果还揭示了不同营养元素对微生物基因表达的影响。例如，在氮添加组中，蓝藻的尿素酶亚基（ureC）和磷酸盐转运系统（pstSCAB）基因相对丰度显著增加，表明尿素的添加促进了蓝藻对氮和磷的利用。而在磷添加组中，这些基因的丰度则有所下降，表明蓝藻在磷丰富的环境中可能处于竞争劣势。

### 5. 营养限制与微生物竞争

营养限制不仅影响浮游植物的生长，还深刻影响微生物群落的组成和功能。在本研究中，尿素的添加显著提高了蓝藻的生长潜力，同时也促进了其对氮和磷的利用。相比之下，磷的添加并未有效提高浮游植物的生产力，反而增强了异养细菌对营养元素的竞争能力。这种竞争可能通过“你生产，我清理”的机制实现，即异养细菌分解有机物质，释放无机营养，供自养微生物利用。然而，在封闭的实验系统中，由于营养供应有限，异养微生物和自养微生物之间的竞争可能会抑制彼此的生长潜力。

此外，实验还发现，钾离子（K?）的运输和通道基因在不同实验组中表现出不同的变化趋势。在氮添加组中，蓝藻的Trk/Ktr系统基因相对丰度增加，表明尿素的添加可能刺激了蓝藻对钾离子的需求。而在磷添加组中，异养细菌的钾离子转运和排泄相关基因丰度增加，表明它们在磷丰富的环境中可能更有效地适应碱性环境。这些结果进一步表明，营养元素的添加不仅影响微生物的生长，还可能通过改变其生理功能，间接影响整个生态系统的动态平衡。

### 6. 研究的局限性与未来展望

尽管本研究提供了关于沙门岛附近水域营养限制模式的重要信息，但其结论可能受到地理环境和实验条件的限制。由于沙门岛的地理位置和季节性变化，研究结果可能仅适用于特定的区域和季节。此外，实验中对DNA提取和测序的潜在偏差可能导致真核生物序列的缺失，从而限制了对初级生产力驱动因素的全面分析。因此，未来的研究应考虑纳入更多真核生物序列，以更全面地理解过渡水域中的生物地球化学循环。

### 7. 结论

综上所述，沙门岛附近的过渡水域在夏季表现出显著的氮限制模式。尿素的添加不仅提高了浮游植物的初级生产力，还促进了蓝藻的生长，而磷的添加则可能加剧异养细菌的竞争，限制了蓝藻等自养微生物的生长。这些发现强调了营养元素在沿海生态系统中的关键作用，并突显了人类活动对营养循环和生态生产力的深远影响。通过进一步的研究，可以更深入地理解不同营养元素在海洋生态系统中的相互作用，以及它们如何影响微生物群落的组成和功能。