红海浮游细菌自上而下控制对营养盐添加与变暖的响应机制研究

这篇研究通过四季微宇宙实验揭示了红海沿岸浮游细菌及其捕食者（异养纳米鞭毛虫HNFs和病毒）对营养盐（无机N/P、有机葡萄糖及混合添加）与温度（±3°C）的协同响应。结果表明，无机与混合营养盐显著促进聚球藻（Synechococcus）和HNFs增殖，而温度升高强化了异养细菌-HNFs的耦合作用，预示未来变暖可能加剧微生物环（microbial loop）对碳通量的调控。

　　

引言

海洋浮游细菌作为生物量的主要组成部分，其调控机制包括自下而上（营养盐可用性）和自上而下（原生生物捕食与病毒裂解）控制。红海作为典型寡营养热带海域，其微生物群落对人为营养输入和气候变暖的响应尚不明确。本研究通过四季微宇宙实验，系统评估了营养盐添加（无机I、有机O、混合M）与温度梯度（±3°C）对浮游细菌及其天敌的动态影响。

材料与方法

实验在沙特阿拉伯KAUST港（22°N, 39°E）开展，采集表层水（2 m）后设置对照（C）、无机（I：NaNO₃+NaHPO₄）、有机（O：葡萄糖）和混合（M）处理，并在环境温度±3°C下培养6天。每日监测微生物丰度（流式细胞术）、叶绿素a（分粒径）及营养盐（NO₃^?、PO₄^3?、DOC/DON），通过响应比（RR=处理组最大丰度/对照组）量化效应。

结果

环境背景：冬季硝酸盐最低（1.54 μmol L^?1），夏季最高（6.54 μmol L^?1），N:P比达40–266，显示磷限制。浮游细菌丰度（1.28–5.78×10⁵ cells mL^?1）低于其他海域，HNFs（0.48–1.73×10³ cells mL^?1）和病毒（0.20–1.79×10⁷ mL^?1）无显著季节差异。

营养盐效应：

• 聚球藻：I和M处理RR>2（除夏季），LF组占70%，O处理抑制其生长。

• 异养细菌：HNA细胞（63%）主导，I处理在春季RR显著（1.5倍），葡萄糖添加效果微弱，印证SAR11类群对复杂有机物的偏好。

• HNFs：滞后细菌峰值1天出现，春季RR达2.1（I/M处理），反映快速捕食响应。

• 病毒：M处理在冬季/夏季RR最高（1.6倍），但宿主特异性导致响应离散。

温度效应：

• 聚球藻丰度与初始硝酸盐正相关（r=0.99），而异养细菌依赖DOC（r=0.99）。

• HNFs RR在I处理中随温度上升（r=0.55），与细菌的耦合强度随温度升高（r=0.99）。病毒在I/M处理中RR与温度正相关（r=0.54–0.66），夏季关联最强。

讨论

营养盐输入（尤其无机形式）通过促进初级生产间接刺激异养细菌，而葡萄糖的弱效应可能源于本土菌群的代谢偏好。温度升高虽未直接改变细菌RR，但通过增强HNFs捕食压力（如夏季斜率1.66高于春秋的0.64–0.75）重塑了营养级联。病毒动态的复杂性可能反映宿主抗性演化或裂解周期差异。

结论

红海浮游细菌群落受无机营养盐驱动更显著，而变暖通过强化HNFs-细菌的相互作用可能加剧微生物环的碳循环优势。该研究为热带海域生态响应提供了实验依据，强调控制富营养化对维持红海生态平衡的重要性。