溶解有机物的组成是否有助于解释富含有机物的淡水中生物可利用大量营养素的浓度？

《Freshwater Biology》：Does Dissolved Organic Matter Composition Help Explain the Concentrations of Bioavailable Macronutrients in Organic Matter-Rich Freshwaters?

溶解有机物（DOM）的生物有效性对其在淡水生态系统中的微生物可利用性至关重要。本研究通过八个有机质丰富的溪流和湖泊水样，结合荧光EEM分析和细菌再生生物测试，探讨溶解有机碳（BDOC）、氮（BTDN）和磷（BTDP）的生物有效性。结果表明，BDOC与低芳香性荧光特征（如峰C、M和荧光指数FI）显著相关，BTDN主要由无机氮驱动，而BTDP与微生物衍生DOM相关。DOM组成变量可解释19%的BDOC、13%的BTDN和18%的BTDP的变异，验证了其作为预测生物有效性的有效指标。

　　本研究聚焦于溶解有机质（DOM）在淡水生态系统中对生物可利用宏量营养元素（碳、氮和磷）的影响。在北欧斯堪的纳维亚地区，许多淡水生态系统由于土地利用变化和气候变化的影响，其营养元素主要以DOM的形式存在，而无机氮和磷的浓度则有所下降。因此，理解这些系统中DOM的组成及其对生物可利用营养元素的贡献，对于预测生态响应和管理水质具有重要意义。DOM作为营养元素的重要载体，其结构特征决定了其在水体中的生物可利用性。研究者提出，生物可利用碳（BDOC）可能主要来源于新鲜产生的腐殖质类DOM，而生物可利用氮（BTDN）则与蛋白质类DOM有关，生物可利用磷（BTDP）则可能与微生物来源的DOM或与DOM-铁-磷酸盐复合物相关。

为了验证这些假设，研究团队从八个未富营养且DOM含量丰富的溪流和湖泊中采集了表层水样，并结合流式细胞术（flow cytometry）进行了BDOC、BTDN和BTDP的微生物生物测定。同时，他们利用荧光激发-发射矩阵（EEM）分析DOM的组成，以评估其对营养元素生物可利用性的解释能力。研究结果显示，生物可利用碳的浓度与新鲜产生的DOM的荧光特征密切相关，符合预期。然而，生物可利用氮与DOM的组成关系较为薄弱，尤其是与蛋白质类荧光峰之间的联系不显著，这可能与氮主要来源于无机氮（DIN）有关。相比之下，生物可利用磷则显示出与微生物来源的DOM和可能的有机磷成分之间存在一定的关联，但其与无机磷（如SRP）之间的关系并不明确。

这些发现表明，DOM的组成变量在解释生物可利用碳、氮和磷的变异方面具有显著的贡献，分别为19%、13%和18%。即使在考虑了标准营养变量之后，DOM的组成仍然能够提供额外的信息，从而显著提升预测模型的准确性。例如，在BDOC的预测模型中，加入DOM组成变量后，调整后的R2值从0.58提升至0.77；在BTDN的模型中，调整后的R2值从0.37增加到0.50；而在BTDP的模型中，调整后的R2值从0.33提升到0.62。这说明DOM的组成分析在预测生物可利用营养元素的浓度方面具有独特价值。

此外，研究还探讨了DOM组成与生物可利用营养元素之间的具体关系。例如，BDOC与‘C’、‘D’和‘FI’等荧光峰具有较强的正相关性，这些峰通常与新鲜产生的腐殖质类DOM有关，具有较低的芳香性。然而，与蛋白质类荧光峰之间的关系则较为复杂，某些峰显示出正相关，但在回归模型中却表现为负效应，这可能是因为某些非蛋白质类成分（如未降解的植物多酚）的干扰。相比之下，BTDP与‘T’峰（蛋白质类）以及‘A’峰（腐殖质类）之间存在直接的正相关，表明有机磷可能在这些水体中起到了重要作用。

研究还发现，生物可利用氮的浓度主要与无机氮有关，而非DOM的组成。这一结果在一定程度上出乎意料，因为DOM在这些水体中占主导地位。这可能意味着DOM中的氮主要以难以被微生物利用的形式存在，如异环氮或非水解性酰胺基团，这些结构对微生物的降解能力有限。因此，尽管DOM在水体中大量存在，但其对氮的生物可利用性贡献较小，这与已有的研究结果相一致。

对于磷而言，研究发现其生物可利用性可能与微生物来源的DOM或DOM-铁-磷酸盐复合物有关。虽然某些DOM峰与磷的生物可利用性显示出一定的关联，但这些关系并不显著。例如，‘A’峰与BTDP之间存在正相关，这可能意味着某些磷存在于与铁结合的腐殖质类DOM中，而‘T’峰的正相关则表明蛋白质类DOM可能也含有一定量的有机磷。然而，这些峰与生物可利用磷之间的联系并不显著，这表明DOM的组成在解释磷的生物可利用性方面具有一定的潜力，但需要更深入的研究来明确其具体机制。

本研究的结果强调了DOM组成分析在预测生物可利用营养元素浓度中的重要性。尽管DOM的组成变量在解释生物可利用碳、氮和磷的变异方面具有显著贡献，但它们并不能完全取代传统的营养变量。因此，结合DOM组成数据和传统营养变量，可以显著提升模型的预测能力。这种综合方法为未来的生态研究和水质管理提供了新的思路和工具。

此外，研究还指出，虽然DOM的组成分析在解释生物可利用营养元素方面具有潜力，但其在某些情况下的解释力有限。例如，对于生物可利用氮，其与DOM组成之间的关系较弱，这可能是因为DOM中的氮主要以难以被微生物利用的形式存在。而对于生物可利用磷，其与DOM组成之间的关系则较为复杂，可能涉及多种机制，如有机磷的释放和铁-磷酸盐复合物的形成。因此，未来的研究需要进一步探索这些机制，并结合多种分析方法，如核磁共振（NMR）等，以更全面地理解DOM的结构及其对营养元素生物可利用性的影响。

总的来说，本研究揭示了DOM组成在预测生物可利用营养元素浓度中的重要性，同时也指出了其局限性。通过结合DOM组成数据和传统营养变量，可以更准确地预测这些关键资源的相对可利用性，从而为淡水生态系统的管理和保护提供科学依据。随着DOM数据的公开和共享，这种分析方法有望成为未来研究的重要工具，帮助科学家更全面地了解全球范围内溶解营养元素的可利用性及其对生态系统的影响。