西北大西洋B族维生素与钴胺素的季节性共限制模式及其对海洋生态系统的影响

本研究通过5年季节性观测，揭示了西北大西洋（NWA）中B族维生素（B1、B2、B3、B5、B6、B12）及其代谢物在颗粒相与溶解相中的动态分布规律，首次证实春季浮游植物存在氮与钴胺素（B12）共限制现象，并发现秋季钴胺素重塑与再循环机制的关键作用，为海洋微生物营养互作提供了新的理论框架。

　　

材料与方法

研究团队在2016-2020年间，于加拿大新斯科舍省外海的西北大西洋斯科舍陆架与斜坡区域（Halifax Line系列站点）进行了8次航次监测。通过CTD-Rosette系统采集1-250米不同深度的水样，分别使用0.2μm尼龙滤膜分离颗粒相与溶解相样品。为最大限度减少光降解效应，所有提取操作均在暗室中完成，仅使用红光头灯照明。

颗粒相样品采用有机溶剂萃取（乙腈:甲醇:超纯水=40:20:20）结合珠磨破碎法处理，并添加重氮标记的CN-B₁₂作为内标。溶解相样品通过C18固相萃取柱富集，洗脱液经真空干燥后复溶。所有样本均采用液相色谱-三重四极杆质谱联用技术（LC-MS/MS）进行定量分析，以多反应监测模式（SRM）检测11种维生素及其代谢物。

为评估钴胺素的生态学效应，研究还开展了营养添加培养实验。在春季（2017年5月）和秋季（2016年10月）分别采集5米深度的海水，设置对照组、+硝酸盐（10μM）、+B₁₂（100 pM）以及+硝酸盐+B₁₂共添加组，监测叶绿素a浓度与流式细胞术细胞计数变化。

海洋学背景

研究区域受拉布拉多寒流与墨西哥湾暖流共同影响，呈现显著的季节性水文特征。春季平均水温为6.8°C，硝酸盐浓度较高（平均2.0 mmol/m3），叶绿素a浓度达1.12 mg/m3，表征典型的硅藻水华期。秋季水温升高至13.6°C，硝酸盐浓度降至0.3 mmol/m3，叶绿素a浓度为0.37 mg/m3，群落以蓝细菌和小型浮游植物为主。盐度在陆架区（平均32.0）与陆坡区（平均34.5）呈现明显梯度差异。

颗粒相B族维生素的动态特征

在颗粒相中成功定量了11种代谢物，包括钴胺素活性形式（Me-B₁₂、Ado-B₁₂）、前体物质（DMB、HET、HMP）及经典B族维生素（B₁、B₂、B₃、B₅）。总B₁₂浓度范围在0.01-4.7 pM之间，DMB（5,6-二甲基苯并咪唑）作为钴胺素下轴配体，在55%样本中检出（平均0.13±0.11 pM）。B₂检出率最高（71%），平均浓度0.53±0.42 pM，而B₅仅在30%样本中检测到。

多元回归树（MRT）分析表明，季节因素是颗粒相维生素变异的主要驱动因子（解释11.89%方差）。春季样本中活性钴胺素（OH-B₁₂、Ado-B₁₂、Me-B₁₂）浓度显著升高，而秋季样本中DMB和B₃富集。层次聚类分析进一步将样本分为四大类群：Cluster C以春季陆架样本为主，富含活性钴胺素；Cluster D主要为秋季陆架样本，以DMB和CN-B₁₂为特征。

季节性相关分析揭示独特规律：秋季颗粒有机碳（POC）与B₁、B₃呈显著正相关，而叶绿素a与B₂、DMB在秋季呈现强相关性，在春季却无此现象。这表明秋季微生物群落中异养生物对维生素库存的影响增强。

溶解相维生素的分布规律

溶解相中检出9种代谢物，其中OH-B₁₂为主要存在形式（75%样本检出，平均0.61±0.49 pM），CN-B₁₂仅6%样本检出。DMB广泛存在（95%样本，6.9±5.6 pM），B₂检出率最高（98%，9.5±7.0 pM），B₃（烟酸）浓度达110±78 pM。

与颗粒相不同，溶解相维生素变异主要受磷酸盐浓度和空间位置驱动（MRT解释28.7%方差）。陆坡区样本中FAMP（B₁降解产物）积累，暗示该区域B₁降解增强或微生物摄取减少。陆架区样本中B₃、B₆和HMP浓度显著升高，反映区域特异的生物地球化学过程。

相分配与钴胺素共限制证据

五种代谢物（HET、DMB、B₂、B₃、B₁₂）在两相中均被可靠定量。DMB、HET、B₂和B₃在溶解相中富集，而B₁₂在颗粒相中浓度等于或高于溶解相，尤其在春季样本中显著。

溶解相OH-B₁₂浓度随时间变化分析显示：春季水华衰退期呈现明显消耗趋势，而秋季浓度保持稳定。培养实验证实：春季添加硝酸盐与B₁₂组合显著提升叶绿素a浓度与小型真核光养细胞数量，表明氮与钴胺素共限制；秋季仅硝酸盐添加即产生显著促进效应，说明该季节钴胺素不构成限制因子。

讨论与展望

本研究首次系统揭示西北大西洋B族维生素的多相态动态规律。维生素浓度差异反映其生理功能重要性：B₃作为NAD(P)H前体，浓度高于仅参与特异性反应的B₁₂。现有Ks值数据表明，尽管B₃浓度相对较高，仍可能对 auxotrophs（营养缺陷型）微生物产生限制。

钴胺素动态呈现鲜明季节特征：春季依靠物理混合从深层补充，随水华发展逐渐消耗，至衰退期出现共限制；秋季则通过重塑（remodeling）与再循环维持稳定库存——DMB浓度升高、重塑菌群（如交替单胞菌目、假单胞菌目）活跃，以及伪钴胺素的存在共同支持这一机制。

该研究为海洋维生素循环提供了多相态、多季节的观测框架，证明钴胺素对西北大西洋生态系统存在季节性调控作用。未来需重点研究：1）不同维生素形态的生物有效性；2）物种特异性维生素配额；3）重塑过程速率与关键参与者，最终构建预测维生素生态效应的理论模型。