河口羽流：溶解有机物分子特征与生物地球化学命运的沿海生态系统调控者

本研究聚焦河口羽流(EP)驱动的溶解有机物(DOM)转化机制，通过整合光谱学与傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)技术，揭示了低氧区(LDOZ)DOM分子组成向低氧化度、高饱和度和硫富集方向的转化规律，为理解沿海碳封存和污染物循环提供了关键分子层面证据。

　　

河口和沿海区域作为陆地与海洋之间的关键过渡带，虽然仅占全球海洋面积的7%–8%，却支撑着全球75%的人口和30%的海洋初级生产力。在这些高生产力的生态系统中，河口羽流（Estuarine Plumes, EPs）是一种由淡水和海水密度驱动混合形成的普遍自然现象。这些羽流作为汇聚带，积累陆源营养物质和有机质，进而刺激浮游植物的快速增殖。随后，这些浮游植物碎屑和其他有机质的沉降和微生物降解会导致底层水体中溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）的大量消耗，经常形成低溶解氧区（Low-DO Zones, LDOZ）。这个过程对河口生态系统的生物地球化学循环，尤其是碳循环，产生了深远影响。

溶解有机物（Dissolved Organic Matter, DOM）是河口碳循环的核心组成部分，既是碳和营养盐的载体，也是水生系统中有机质的主要形式。河口羽流的动力学通过调节浮游植物生物量和溶解氧浓度，深刻影响DOM的来源（包括陆源和自生源）、组成和生物地球化学循环。例如，已有研究表明，浮游植物通过光合作用和代谢过程释放大量易分解化合物；实验室研究表明，其代谢产物中高达50%的DOM分子式含有硫（S）。溶解氧浓度的变化对DOM特征起着关键的调控作用。例如，随着溶解氧浓度的降低，类腐殖质物质的荧光强度呈指数增长，低氧条件不仅增强了DOM的分子丰富度，还促进了富含羧基结构的还原性和不饱和化合物的积累。虽然浮游植物活动或溶解氧水平对DOM循环的独立影响已受到广泛关注，但由河口羽流同时诱导的高初级生产力和低溶解氧对DOM分子特征和命运的协同效应仍知之甚少。

珠江口（Pearl River Estuary, PRE）作为一个高度动态且受人为影响的沿海系统，是研究这些复杂DOM相关生物地球化学过程的理想天然实验室。作为中国流量第二大的河流，珠江每年向珠江口输送约9.5×10⁵吨有机碳，径流量达3.4×10¹¹ m³。流域内呈现出显著的土地利用梯度，其中上游以森林和农业用地为主，这与高度发达的下游流域形成鲜明对比。下游流域包含粤港澳大湾区（Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area, GBA），是全球电子、纺织和石油化工等行业的制造中心。该地区强烈的城市化和工业化，居住着超过1亿居民，导致年废水排放量达9×10⁹ m³，向系统贡献了复杂的人为DOM混合物。因此，珠江口以遭受严重的季节性低氧条件而闻名。这种现象通常发生在夏季，空间上集中在河口西部的底层水体，并从河口向海延伸。这些低氧区的形成是由多种因素共同驱动的：携带高负荷陆源营养盐的大量淡水排放、由于温度和盐度梯度产生的强烈水层分层，以及由此产生的河口羽流诱导的浮游植物水华。这种多来源DOM和复杂河口羽流动力的组合是全球许多大型河口系统的特征。因此，研究河口羽流对DOM命运的影响不仅对该区域的生态学具有重要意义，也为全球类似河口系统中DOM生物地球化学循环提供了见解。

在这项研究中，研究人员从珠江口受河口羽流影响的区域采集了16个底层水样，旨在探究DOM的来源、分子组成和转化机制。他们采用了一套互补的技术，包括紫外-可见光谱、激发-发射矩阵（Excitation-Emission Matrix, EEM）荧光光谱和傅里叶变换离子回旋共振质谱（Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry, FT-ICR MS）。研究目标为：（1）表征受河口羽流影响的底层水体中DOM的光学和分子特征；（2）阐明河口羽流动力学对DOM转化机制的影响及其在河口碳循环中的作用。

主要技术方法

本研究于2023年9月在珠江口进行采样，恰逢台风“苏拉”和“海葵”引发历史性极端降雨事件之后。采集了16个站位的底层水样（LDOZ和NLDOZ各8个）。水体理化性质（pH、盐度、溶解氧、营养盐、叶绿素a、溶解有机碳DOC）均采用标准仪器方法测定。DOM的光学特性通过紫外-可见光谱和EEM荧光光谱结合PARAFAC（平行因子分析）进行解析。DOM的分子组成采用FT-ICR MS高通量分子表征，并依据标准方案对分子式进行分类（如肽类、脂肪族、高不饱和化合物、多酚、缩合芳烃等）和分子参数计算（如H/C_wa, O/C_wa, N/C_wa, S/C_wa, DBE_wa, NOSC_wa等）。统计分析包括方差分析（ANOVA）和主成分分析（PCA）。

研究结果

3.1. 河口羽流驱动的环境异质性及其对整体DOM的影响

河口羽流的流体动力学，加之极端降雨事件，是塑造研究区域环境异质性的主要物理驱动因素。大量的淡水排放诱导了一个水文复杂的河口羽流，其特征是高浊度和强烈的温盐垂直分层。这个羽流通过两个关键机制塑造生物地球化学条件。首先，它作为一个导管，将陆源物质捕获并集中在表层。这导致位于LDOZ上方的表层水体中的营养盐（总氮TN和亚硝酸盐+硝酸盐NO₂^?-N + NO₃^?-N）和DOC浓度显著高于NLDOZ。其次，强烈的垂直分层形成了一个物理屏障，严重限制了向底层水体的垂直混合和氧气供应。这种限制是LDOZ形成的关键先决条件，建立了将LDOZ与NLDOZ区分开来的显著溶解氧梯度，尽管其他底层水参数（如温度和盐度）没有显著差异。

这个营养盐丰富的表层反过来促进了快速的浮游植物水华，这是河口羽流主导系统的典型响应。定量上，LDOZ上方表层水体的叶绿素a浓度（9.09 ± 2.02 μg/L）大约是NLDOZ（1.67 ± 1.98 μg/L）的4.5倍。这种强烈的初级生产驱动了LDOZ中PO₄^3?-P和NH₄⁺-N相对于NLDOZ的优先吸收和显著消耗。随后，这些浮游植物衍生的碎屑沉降到底层，证据是LDOZ中的叶绿素a浓度（1.56 ± 1.10 μg/L）高于NLDOZ（0.69 ± 0.26 μg/L），为微生物呼吸提供了丰富的 fresh 底物。这种强烈的生物需氧量，加上分层导致的氧气再补充的物理屏障，最终导致底层水体溶解氧耗竭，LDOZ中的浓度（3.75 ± 1.00 mg/L）相较于NLDOZ（6.18 ± 0.26 mg/L）下降了约40%。

值得注意的是，尽管有大量的外源和自生DOM输入，LDOZ中的整体DOC浓度（1.07 ± 0.12 mg/L）显著低于（约14%）NLDOZ（1.25 ± 0.18 mg/L）。这一结果表明，在LDOZ中，生物和物理DOC去除的联合速率超过了高输入速率以及原位生产。虽然微生物（例如r-策略细菌）处理仍在进行，但这种净DOC减少的主要驱动因素可能是物理去除。在河口羽流创造的高浊度动态环境中，淡水和海水的混合增强了DOM的絮凝及其随后吸附到沉降颗粒上。因此，在LDOZ中观察到的高浊度，加上该时期 substantial 的沉积物通量，可能通过吸附和聚集促进了DOC从溶解相向颗粒相的高度有效转移，最终降低了其在水体中的浓度。尽管加强的呼吸作用可能通过CO₂的产生降低pH，但区域之间没有观察到显著差异，表明河口的高碱度提供了强大的缓冲能力。

3.2. LDOZ与NLDOZ之间光学特性的对比

与整体DOC趋势相反，LDOZ表现出特定的CDOM和FDOM组分的显著积累。具体而言，CDOM（由a₃₅₀指示）和通过PARAFAC识别的陆源（C1）和微生物（C2）类腐殖质组分在LDOZ中比在NLDOZ中显著更丰富。这种类腐殖质物质的富集可归因于外源输入和原位转化的结合。首先，C1组分的较高丰度与河口羽流的输送动力学一致，LDOZ（站点1-8）位于接收和保留更大比例河流DOM的位置。这种河流DOM的特征是富含来自流域土壤和植被的陆源腐殖质化合物。这一解释得到了LDOZ中显著更高的水体浊度和SUVA₂₅₄值的进一步支持。其次，C2组分的显著增加表明LDOZ内活跃的原位微生物转化过程。虽然丰富的浮游植物衍生前体为微生物活动提供了丰富的底物，但普遍的低氧条件抑制了它们的完全矿化。在这些限制下，微生物代谢策略可能从高效的好氧矿化转向涉及修饰和部分降解的途径。因此，微生物群落（例如Saprospiraceae）可能不完全矿化这些新鲜的DOM输入，导致它们被改造成化学上更稳定的微生物类腐殖质物质。

尽管类蛋白质（C3）组分在区域之间没有显示出统计学上的显著差异，但其在LDOZ中的平均荧光强度比NLDOZ高约8%。这一观察结果可能反映了一种动态平衡，其中来自浮游植物碎屑的易分解蛋白质物质由于在低氧条件下部分抑制的降解而积累，同时一部分被专门的厌氧或兼性厌氧微生物进行微生物转化。此外，表征DOM来源（由FI和BIX指示）、腐殖化程度（由HIX指示）和分子大小（由S_R指示）的光学指数在两个区域之间没有显示显著差异。这一结果表明，虽然河口羽流动力学选择性地富集了特定的FDOM组分，但它们并未引起整体DOM池的体光学性质的显著差异，可能反映了多种来源和并发转化途径的复杂相互作用。

3.3. LDOZ与NLDOZ之间DOM的分子水平区别

FT-ICR MS的高分辨率分析揭示了LDOZ和NLDOZ的DOM池之间鲜明的分子水平对比。在所有样品中共鉴定出6464个分子式，包括2715个CHO化合物、2136个CHON化合物和1613个CHOS化合物。显著的是，LDOZ表现出比NLDOZ（5080个分子式） substantially 更大的分子丰富度（5933个分子式），包含的独特分子式数量（272个）几乎是NLDOZ（56个）的五倍。这种增强的分子丰富度可能源于多种因素的汇合：（1）由河口羽流输送的多样陆源和人为DOM的直接流入；（2）由河口羽流刺激的浮游植物水华产生的新颖代谢产物；（3）在LDOZ动态氧化还原条件下原位生成的各种转化产物，这促进了多样的厌氧转化途径。

在组成上，与NLDOZ相比，LDOZ DOM池表现出显著更高的难降解和易分解化合物的相对丰度。这种双重富集可能是河口羽流作为外源输入导管和自生物质保存者双重作用的直接结果。这些分子，特别是那些具有陆源或人为特征的分子的富集，突出了河口羽流作为从流域输送材料的有效导管的作用。同时，LDOZ显示出MLB_L内化合物的更高相对丰度，以及比NLDOZ更多的独特脂肪族和肽类分子式。这些新鲜的、易分解化合物在LDOZ中的积累可能主要由丰富浮游植物的渗出物和细胞裂解产物驱动。此外，与NLDOZ相比，LDOZ中显著更低的NOSC_wa表明，在这些条件下，微生物对有机物的完全好氧矿化在热力学上较不利。因此，厌氧代谢途径可能在LDOZ中变得主导，导致不完全降解和部分转化的中间产物的积累，包括观察到的易分解化合物和含硫副产物。

相反，在NLDOZ的富氧条件下，更活跃的好氧异养微生物群落（例如Rhodobacteraceae）可能驱动了易分解前体的有效处理。这种密集的微生物改造将易分解底物转化为更氧化（更高O/C_wa, NOSC_wa）和不饱和（更高DBE_wa）的难降解结构，如HUC和IOS，同时释放含氮副产物，从而富集了CHON池。这些对比鲜明的生物地球化学途径反映在关键分子指数上。具体而言，与NLDOZ相比，LDOZ中的DOM表现出显著更高的强度加权平均H/C_wa和S/C_wa比率，以及更低的O/C_wa、DBE_wa和NOSC_wa值。这些发现共同描绘了LDOZ DOM池的分子特征，即相对于NLDOZ，其氧化程度明显更低、饱和度更高且富含硫。这种氧化程度更低和饱和度更高的DOM特征与其他缺氧系统（如深层地下水）一致，其中生物易分解分子在缺氧条件下被保存。

3.4. 主成分分析将环境驱动因素与分子特征联系起来

为了综合整体、光学和分子特征之间的关系，并阐明分异的主要驱动因素，进行了主成分分析（PCA）。前两个主成分（PC1和PC2）共同解释了数据集中49.4%的总方差（PC1：26.8%，PC2：22.6%）。PCA得分图显示了LDOZ和NLDOZ样品沿PC1轴的清晰且显著的分离。NLDOZ样品聚集在PC1的正侧，该轴强烈且正负载着指示广泛微生物处理和氧化（更高N/C_wa, O/C_wa, NOSC_wa）以及高度处理的微生物副产物积累（更高HUC, CHON）的参数。因此，该轴代表了一个微生物处理强度增加的梯度。相反，LDOZ样品占据了PC1的负侧，负载着反映陆源输入（更高CDOM, C1, SUVA₂₅₄）和保存的、降解程度较低的自生物质（更高C2, C3, MLB_L）的变量。这种定位凸显了LDOZ DOM是外源和自生物质的复杂混合物，其组成直接由河口羽流的影响塑造。

PC2轴根据特定来源和难降解特征区分DOM。正PC2轴的特征是FI、S/C_wa、CHOS化合物和难降解化合物的高负载，表明来自陆源、人为和原位自生来源的复杂混合贡献。升高的CHOS和难降解化合物可能源于携带土壤淋滤物和生物质燃烧产物的陆地径流，以及人为输入。这种联系得到了令人信服的分子水平证据的加强：21个独特的O₃S和O₅S分子式主要在LDOZ中发现，而在NLDOZ中缺失，强烈表明来自废水中常见的含硫表面活性剂（例如直链烷基苯磺酸盐）的贡献。此外，河口羽流驱动的浮游植物水华是另一个关键来源，因为先前的研究表明，高达50%的浮游植物衍生DOM分子可能含有硫。最后，与NLDOZ样品更紧密的聚类相比，LDOZ样品在得分图中更大的离散度，直观地 encapsulate 了LDOZ内更异质和动态的生物地球化学条件，直接反映了河口羽流本身的可变性质。

3.5. 生物地球化学和环境意义

我们的发现超出了表征DOM动力学的范围，并对河口生态系统功能和区域碳预算具有显著意义。DOM通过提供代谢底物和通过阳离子-π/π-π相互作用促进污染物运输，在调节河口生态系统功能方面起着至关重要的作用。观察到的LDOZ中约14%的DOC浓度降低，尽管有高的初级生产潜力，表明广泛或持续的河口羽流可能会削弱河口系统作为碳汇的功能，从而影响区域蓝碳预算。在未来气候情景下，这种效应可能会被放大，这些情景预测极端降雨事件和 subsequent 河口羽流形成的频率和强度会增加，可能创建一个加剧全球变暖的正反馈循环。

此外，LDOZ内DOM组成的质变本身具有其深远的意义。LDOZ中易分解化合物的积累，在支持本地厌氧代谢的同时，创建了一个具有 high priming potential 的DOM储库。 upon 平流输送到邻近的富氧沿海水域，这种物质可能引发快速的微生物代谢响应，一种称为 priming effect 的现象。这种强化的呼吸作用可能加速碳库周转并显著增加CO₂释放通量。相反，LDOZ中难降解化合物和含硫化合物比例的增加，可能通过增加可用结合位点和络合潜力来增强有机污染物和金属保留的能力。这种改变的吸附动态可能显著改变污染物的命运和运输， potentially 放大其环境风险。此外，LDOZ中更高的DOM芳香性（更高SUVA₂₅₄），特别是加上珠江口典型的人为废水输入，可能会增加在水处理过程中或水产养殖/航运活动中使用消毒剂时形成有毒消毒副产物的风险。这种形成有毒副产物的 elevated potential 进一步加剧了水质退化并威胁水生生态系统的健康。这些发现强调了对在气候变化和人为活动日益加剧的压力下的河口生态系统进行加强的、综合的监测和适应性管理策略的迫切需求，以确保这些关键过渡带的可持续发展。

研究结论与讨论

本研究揭示了河口羽流（EPs）作为动态的生物地球化学反应器，深刻地调节着溶解有机物（DOM）的分子组成和命运。通过诱导浮游植物水华和 subsequent 溶解氧耗竭，河口羽流创造了显著的空间异质性，驱动了不同的DOM循环模式。尽管体DOC浓度低了约14%，但低氧区（LDOZ）与非低氧区（NLDOZ）相比，表现出升高的CDOM、C1和C2水平，以及更高的分子易损边界（MLB_L）和难降解化合物的相对丰度。在分子水平上，这种转变的特征是LDOZ中的DOM池具有更大的分子丰富度，其氧化程度更低、饱和度更高且显著富硫。低氧条件可能抑制了易分解化合物的完全微生物矿化，导致其积累，同时 concurrently 减少了含氮副产物的相对产生。此外，羽流的流体动力学作为输送和浓缩陆源和人为输入的有效导管，这些输入是观察到的难降解和含硫化合物的关键来源。最终，我们的结果强调了河口羽流在调节DOM转化途径中的关键作用，对海陆交界处的碳循环、污染物命运和生态系统健康具有深远的影响。这些分子水平的见解对于预测沿海生态系统对气候变化的响应以及在这些重要且高压力的区域制定有效的适应性管理策略至关重要。