韩国西海岸紫菜养殖期间细菌群落与氮循环的阶段依赖性变化

《Marine Environmental Research》：Stage-dependent shifts in bacterial communities and nitrogen cycling during Pyropia cultivation on the west coast of Korea

　　

摘要

随着海藻养殖在全球范围内不断扩展，氮（N）的可获得性已成为理解作物生产力以及沿海养殖系统生物地球化学作用的核心问题。然而，细菌群落及其所预测的氮转化潜能如何随养殖阶段而变化，目前仍知之甚少。在此，我们考察了韩国中西部沿海某紫菜（Pyropia）养殖周期中环境条件与细菌氮循环潜能的差异。早期养殖阶段受较强的淡水影响，溶解性无机氮（DIN）可得性相对较高，细菌群落中包含与颗粒丰富及表面附着生境相关的类群。中期养殖阶段以DIN和溶解性有机碳的急剧耗竭、溶解态N₂O达到峰值、细菌多样性降低以及群落向与藻源有机质相关的异养谱系转变为特征。Tax4Fun2分析表明，该阶段的预测N₂固氮与硝化潜能较低，但预测氨化潜能较高，并且下游NO₂^?还原生物标志物的预测丰度较大，包括反硝化与DNRA相关标志物。养殖结束后，DIN部分恢复，同时出现不同的细菌群落以及预测氮循环生物标志物谱的持续重构。这些按阶段解析的模式表明，养殖期间的养分耗竭与不同氮途径预测潜能的转变相关，而非氮通量的直接再分配。尽管仍需要直接速率测定与功能基因验证，我们的结果将中期养殖阶段确定为浅海Pyropia养殖系统中养分耗竭、N₂O升高、细菌群落重组与预测氮循环重构交汇的关键生物地球化学窗口。

引言

海洋大型藻类养殖是沿海食品生产与沿海经济的重要组成部分，在东亚地区尤为突出，那里的海藻养殖业高度集约化（FAO, 2016; Gao et al., 2018a, Gao et al., 2018b）。其意义远不止于生物量生产：大型藻类养殖场能够通过集中初级生产力、养分吸收、有机质释放与生物表面，影响沿海生物地球化学循环。总体而言，大型藻类群落估计约占全球海洋初级生产力的10%，并为沿海碳封存与养分保持做出贡献（Israel et al., 2010）。在养殖藻类中，红藻紫菜属（Pyropia）是最具经济价值的海洋作物之一，年产量达数百万吨，支撑着中国、日本和韩国价值数十亿美元的产业（Xiao et al., 2017; Kim et al., 2017）。因此，Pyropia养殖的规模、密度与季节性使这些养殖场成为生物生产与沿海生物地球化学过程交汇的重要场景。通过在有限的沿海区域与明确的养殖窗口中集中藻类生物量，Pyropia养殖场能够在时空上聚焦养分需求。在浅水、受河流影响的水域中，这种集中的吸收作用可能会在动态的物理化学强迫下迅速重塑氮（N）库（Troell et al., 2009）。

通过快速的养分吸收与高生物量生产，Pyropia养殖场在养殖过程中显著改变了溶解性无机氮的可获得性（He et al., 2008）。氮的富集与耗竭都会影响大型藻类的生理过程，包括蛋白质合成、色素组成与生长效率，从而可能影响藻类的生产力，以及释放到周围水体中的有机质的数量与质量（Gao et al., 2018a, Gao et al., 2018b; Gouvêa et al., 2017）。这些变化可能改变浅海养殖环境中微生物底物供给、耗氧需求与养分再生动力学（Roleda and Hurd, 2019）。在此类系统中，氮不仅是藻类生长的资源，也是一个通过微生物过程（如氨化、硝化、同化性硝酸盐还原（ANR）、反硝化以及异化性硝酸盐还原为铵（DNRA））而被化学动态转化的库（Kim et al., 2019; Niwa and Harada, 2013; Ward, 1996）。由于这些途径在底物需求以及对氧气与有机碳可获得性的敏感性上各不相同，与养殖相关的氮可得性与有机质供给变化可能会改变微生物氮转化途径的相对重要性。

细菌群落组成提供了这些氮转化可能发生其中的分类学架构。氮循环性状在细菌谱系中分布不均，因此优势类群的变化可能会影响在环境条件变化下预测的氮转化途径库（Yan et al., 2025）。在海藻相关系统中，藻类—细菌互作涉及有机碳、维生素、信号化合物与再矿化养分的交换，既往研究表明，海藻养殖环境中的微生物群落在时间上可显著变化，且在活跃养殖期间往往以异养降解者为主导（Kazamia et al., 2012; Wang et al., 2021）。然而，由于分类学谱系本身无法确立基因携带、表达或途径活性，养殖周期中细菌群落的变化需要与明确预测的功能生物标志物一同加以解读。高通量16S rRNA基因扩增子测序，当与基于参考的功能预测框架结合时，通过根据分类学谱系估算与氮转化相关的KEGG直系同源生物标志物的相对分布，在群落组成与预测的生物地球化学潜能之间架起了解析桥梁（Langille et al., 2013; A?hauer et al., 2015; Louca et al., 2018; Douglas et al., 2020）。尽管该方法不能量化基因拷贝数、基因表达或原位过程速率，但它能够实现按阶段比较预测的氮转化潜能如何随细菌群落组成而变化。因此，这种整合有助于判断养殖周期是否与环境条件、细菌群落与预测氮循环潜能的协同转变相关。

在此，我们提出如下问题：韩国西川（Seocheon）近海的养殖系统中，Pyropia养殖周期是否会在浅海沿海氮循环中产生连贯的环境、分类学与预测功能特征？由于Pyropia养殖通过持续将无机氮同化到生长生物量中而可显著降低无机氮水平（He et al., 2008），而氮的可得性与藻源底物又塑造了相关的细菌群落（Ahmed et al., 2021），我们假设养殖过程将（i）重构细菌类群的相对优势地位，并（ii）重组预测的氧化性、循环性及还原性氮转化途径之间的平衡，反映它们对氮底物的不同需求与氧化还原依赖性。通过将物理化学测量、基于16S rRNA基因的细菌群落分析以及在不同养殖阶段用Tax4Fun2推断的途径相关生物标志物相结合，我们通过评估养分动力学、细菌群落与预测氮转化潜能之间的时间耦合来检验这些假设。

章节摘要

环境条件与溶解性养分测量

研究区位于韩国中西部沿海西川（Seocheon）的沿海水域，毗邻黄海东部的锦江（Geum River）河口（图1）。该地区支撑着广泛的Pyropia养殖，其特点是浅水沿海水深地形、强烈的潮汐混合以及来自锦江的间歇性淡水输入。养殖区的水深通常在约2–17米之间，反映了广阔的潮间带与缓坡海底。

养分可得性在养殖中期下降，并在养殖后部分恢复

从2024年10月至2025年4月的养殖周期中，环境条件发生了显著变化（图2）。养殖前与早期阶段（2024年10–11月）以较高的无机氮可得性和来自附近锦江的淡水影响为特征（图1）。10月份表层水温较高（18.5°C）、盐度较低（24.5 psu），恰逢DIN浓度最高（58.06 μmol L^?1），主要由升高的NH₄⁺（18.25 μmol L^?1）和NO₃^?（37.58 μmol L）支撑。

总结与结论

本研究揭示了韩国西川（Seocheon）近海浅海养殖场中Pyropia养殖周期内环境、分类学与预测功能方面的协同转变。中期养殖阶段发生了显著的转变，当时DIN与DOC耗竭最为严重，溶解态N₂O达到峰值，同时预测的N₂固氮与硝化潜能降低，而预测的氨化及下游NO₂^?还原潜能升高。因此，中期养殖阶段并非仅仅是……

CRediT作者贡献声明

Hyo-Ryeon Kim：撰写——初稿，可视化，调查研究，形式化分析，数据管理。Ju-Hyoung Kim：撰写——审阅与编辑，验证，调查研究，概念化。Seo-Young Kim：撰写——审阅与编辑，调查研究，数据管理。Mi-Jung Han：撰写——审阅与编辑，验证，调查研究，数据管理。Il-Nam Kim：撰写——初稿，验证，监督指导，调查研究，概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知可能影响本论文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

我们衷心感谢编辑与审稿人提出的宝贵意见和富有建设性的建议，这些意见极大地提升了本文的清晰度与质量。本研究由大韩民国忠清南道在"藻丝（Pyropia）养殖中褪色缓解先进技术开发"项目下予以资助，并由韩国海洋科学技术振兴院（KIMST）提供资金，后者由韩国海洋水产部（MOF）资助。

Hyo-Ryeon Kim|Ju-Hyoung Kim|Seo-Young Kim|Mi-Jung Han|Il-Nam Kim