三标同位素示踪技术揭示浅水海绵Halichondria panicea摄食代谢活性与脂肪酸生物合成路径

为解决浅水海绵代谢活性监测难题，荷兰皇家海洋研究所(NIOZ)团队创新性采用13C/15N/2H三标同位素示踪技术，通过12小时孵育实验证实海绵Halichondria panicea能高效摄取富集细菌（80 mg org. C l-1），其PLFAs中13C主要分布于细菌特征性脂肪酸（51.7%于C16:1ω7c），而2H优先整合至海绵特异性长链脂肪酸（如C26:2占20.9%），首次实现底物依赖与非依赖代谢活动的同步检测。

　　

在海洋生态系统中，海绵作为重要的底栖生物，不仅通过滤食作用参与物质循环，其独特的微生物共生系统更被视为"生物合成工厂"。然而传统方法难以区分宿主与共生菌群的代谢贡献，特别是在极端环境如深海中，生物活性监测面临技术瓶颈。针对这一挑战，荷兰皇家海洋研究所(NIOZ)的Tanja Stratmann团队在《Journal of Experimental Marine Biology and Ecology》发表创新研究，通过多同位素示踪技术揭示了浅水海绵Halichondria panicea的代谢奥秘。

研究人员设计了三重稳定同位素标记实验：采用¹³C和¹⁵N标记的灭活细菌作为食物源，同时用氘水(²H₂O)标记环境水体。从荷兰东斯海尔德潮间带采集的11个H. panicea样本，在1%氘化海水中进行12小时暗培养。通过气相色谱-同位素比值质谱(GC-IRMS)分析磷脂衍生脂肪酸(PLFA)的¹³C/²H富集情况，结合元素分析仪测定 bulk组织同位素组成，并连续监测溶解无机碳(DIC)和氧气消耗。

研究结果揭示三个重要发现：

1. 营养竞争现状
   通过条件指数(CI=0.38)对比历史数据，发现东斯海尔德种群营养状态相当于波罗的海冬季饥饿个体，暗示当地大量双壳类养殖导致食物竞争。

2. 脂肪酸生物合成路径
   细菌特征性PLFA（如i-C14:0、ai-C15:0）含3.38 μg ¹³C/g DM，而海绵特异性长链PLFA（≥C24）含0.57 μg ¹³C/g DM。结合²H标记证实：

• 微生物组利用细菌源性前体（如C16:0）合成支链脂肪酸
• 海绵通过4次延伸将C16:0转化为C24:1ω(9)
• C26:2ω(5,9)可能源自C14:0的6次延伸

1. 代谢活性监测新方法
   活体海绵²H吸收量(49.1 μmol/mmol C/d)显著高于死亡对照组(p=0.03)，其中26.3%的²H整合至细胞膜磷脂，证实氘水可作为"底物非依赖型"代谢示踪剂。

这项研究开创性地建立了多同位素联用技术体系：¹³C/¹⁵N反映食物网物质流动，²H示踪基础代谢活性。特别值得注意的是，实验发现饥饿状态海绵接触富营养底物时，氧耗速率骤升10-100倍，这对深海采矿等突发营养输入场景的生态评估具有警示意义。该方法未来可拓展至深海生态系统研究，为解析极端环境下生物的代谢适应机制提供关键技术支撑。