《Limnology and Oceanography》：Elevated B-vitamins within a temperate estuary: Strong spatiotemporal dynamics and links to microbial plankton communities
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B族维生素是原核和真核浮游生物细胞所需的有机辅因子；其可利用性影响水生微生物群落及相关生物地球化学过程。尽管具有生态重要性，但河口中B族维生素的动态变化及其与浮游生物组成的关系尚不明确，限制了研究人员对河口生物学的一般理解以及对B族维生素在海洋系统中分布的认识
B族维生素是原核和真核浮游生物细胞所需的有机辅因子；其可利用性影响水生微生物群落及相关生物地球化学过程。尽管具有生态重要性，但河口中B族维生素的动态变化及其与浮游生物组成的关系尚不明确，限制了研究人员对河口生物学的一般理解以及对B族维生素在海洋系统中分布的认识。在本研究中，研究人员同时定量了溶解相和颗粒相中的多种B族维生素及其 vitamers（维生素相关化合物，如从头合成的前体）。与此同时，研究人员对美国北卡罗来纳州纽斯河河口（Neuse River Estuary，NRE）从淡水至多盐区的原核和真核微生物群落进行了表征，时间跨度为夏季至秋季。研究人员发现河口中存在显著的B族维生素自生生产，且河口中部区域因藻类生长而成为B族维生素水平升高的区域。B族维生素及vitamer浓度在短时间尺度（数周）内高度动态变化，研究人员识别出两种特定的动态模式：中等程度的浓度变化可能由生产/消耗驱动，而偶发的快速浓度峰值则可能由浮游生物群落组成的变化所致。研究人员确定维生素B1、B12、psB12（假钴胺素）和B3是解释NRE原核和真核浮游生物变化的关键变量，揭示B族维生素是解析河口中浮游生物群落变异性的重要化合物。本研究提供了对河口中B族维生素及vitamer跨区域动态浓度的深入认识，并为B族维生素对浮游生物群落组成的影响提供了新证据。
**一、研究背景与科学问题**
B族维生素是绝大多数原核和真核浮游生物细胞所必需的有机辅因子，主要作为酶辅因子参与核心代谢途径，部分成员还兼具抗氧化或核糖开关配体功能。维生素B1（硫胺素）、B2（核黄素）、B3（烟酸或烟酰胺）、B5（泛酸）、B6（吡哆醇）、B7（生物素）、B9（叶酸）和B12（钴胺素）对大多数细胞不可或缺。其中，B3是NAD/NADH和NADP/NADPH合成的必需前体，处于中枢代谢网络的关键节点。多数原核和真核浮游生物分类群对一种或多种B族维生素呈营养缺陷型（auxotrophic），即无法自主合成所需维生素，必须从外源获取完整的维生素或通过相应的转运体和酶途径回收利用vitamers（维生素相关化合物，包括合成前体和降解产物）。例如，B12的vitamer包括5,6-二甲基苯并咪唑（DMB），B1的vitamers包括4-氨基-5-羟甲基-2-甲基嘧啶（HMP）、4-氨基-5-氨甲基-2-甲基嘧啶（AmMP）、N-甲酰基-4-氨基-5-氨甲基-2-甲基嘧啶（FAMP）以及噻唑类化合物4-甲基-5-噻唑乙醇（HET）和5-（2-羟乙基）-4-甲基-1,3-噻唑-2-羧酸（cHET）。此外，蓝细菌还能产生假钴胺素（pseudocobalamin，psB12），这是一种大多数浮游生物无法直接利用的钴胺素类似物，但可经微生物介导的DMB化学重塑后被其他浮游生物类群利用。
尽管B族维生素的生态重要性已被广泛认知，但河口水环境中B族维生素的动力学特征及其与浮游生物群落的联系仍未得到充分研究。现有研究表明，无机营养盐和/或水文属性的变化仅能部分解释河口中微生物浮游生物的可观测变异性，而B族维生素等微量营养素的可用性可能是一个被忽视的解释因子。在特定水生环境中，B族维生素已被证实能影响微生物浮游生物组成和细菌生产力，但在温带河口，相关测量十分匮乏。此外，已有研究多集中于单一或少量B族维生素的溶解态浓度测定，对颗粒相（浮游生物生物量内）B族维生素及vitamers的系统定量极为有限，同时定量溶解态和颗粒相B族维生素对于阐明维生素循环过程并评估高营养级生物的食物可利用性至关重要。
基于上述背景，本研究选取美国北卡罗来纳州的纽斯河河口（NRE）——美国第二大河口复合体系阿尔伯马尔-帕姆利科河口系统（APES）的主要支流——开展研究，提出两个核心科学问题：（1）温带河口盐度梯度上B族维生素浓度如何在短期（数周）内变化？（2）B族维生素与不同粒径浮游生物群落之间存在何种关联？NRE是一个富营养化系统，接收上游农业和城市发展的营养盐输入，并受到中到极端风暴的扰动，其内部存在显著的水文变化，形成了浮游生物（尤其是浮游植物）生物量、组成和活性沿河口的异质性，是研究上述问题的理想场所。研究人员假设：（1）B族维生素浓度在短时间尺度上具有动态性，并沿河口呈现独特分布模式；（2）浮游生物群落组成受B族维生素/vitamer可用性的显著影响，尤其是B1和B12。
**二、研究内容与方法概述**
研究人员于2021年7月26日、9月13日和27日、10月11日和25日，在北卡罗来纳大学教堂山分校海洋科学研究所（UNC-IMS）纽斯河河口建模与监测项目（MODMON）支持下，在NRE0、NRE50、NRE70、NRE100、NRE120和NRE180六个站位采集近表层（0.5米）水样。研究同时定量了溶解相和两个颗粒粒径分级（微微型浮游生物0.22–3 μm和纳米/微型浮游生物3–90 μm）中的12种溶解态和16种颗粒态B族维生素及vitamers，采用靶向液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）技术（Dionex Ultimate-3000 LC系统耦合TSQ Quantiva三重四极杆质谱仪），以稳定同位素稀释法进行定量校正。浮游生物群落组成通过16S和18S rRNA基因扩增子测序表征，采用DADA2流程生成扩增子序列变体（ASVs），分别以SBDI-curated GTDB（r09-rs220）和PR2（v5.0.0）数据库进行原核和真核分类学注释。流式细胞术用于计数微微型浮游植物（PE-SYN、PC-SYN、PEUK、LEUK）和细菌丰度。环境参数包括温度、盐度、浊度、颗粒有机碳（POC）、溶解有机碳（DOC）、叶绿素a（Chl a）、无机营养盐（NO3?+NO2?、NH4?、PO43?、SiO2）及初级生产力（1?C-碳酸氢盐吸收法）。数据分析采用基于转换的冗余分析（tb-RDA）、前向选择、主坐标分析（PCoA）及Kendall秩相关分析。
**三、主要研究结果**
**（一）水文和生物地球化学条件**
NRE表层盐度范围为0至17 ppt，向下游递增，7月径流量升高使淡水信号向更下游扩展。水温从7月的29°C降至10月的21°C。无机营养盐呈现站位和时间变异性，溶解无机氮与磷酸盐比（N:P）在NRE0最高（>20），向河口中部（NRE70）递减。叶绿素a最大值出现在河口中部（NRE50、70），达20–40 μg L?1。10月25日NRE0出现异常高值：Chl a达90 μg L?1，浊度13.1 NTU，POC达3.9 mg C L?1，初级生产力达277 mg C m?3 h?1。
**（二）溶解态B族维生素和vitamers定量**
12种B族维生素和vitamers在22次溶解相采样（60个样品）中被定量。生物活性形式的B12（Ado-B12、Me-B12）和psB12（Me-psB12）未被检出，与现场光降解预期一致。溶解态OH-B12浓度为0.9–3.0 pM，OH-psB12浓度较低（0.4–1.4 pM），DMB浓度高于检出限（2.8 pM）但多数样品中不可定量。溶解态B1浓度为19–74 pM，B1 vitamers中FAMP最高可达82 pM。溶解态B2浓度为12–96 pM，B6均值为13.7±6 pM，B5在13个高盐站位低于检出限（NRE100、120、180除外），但在9月13日NRE180出现159±21 pM的显著峰值。聚类分析显示B1和OH-B12的浓度模式相似，OH-psB12在下游河口（NRE100、120、180）呈独特的约4倍高值模式。淡水样品（NRE0）的维生素谱聚为一类且浓度范围整体低于下游；河口中部站位（NRE50、70）与部分NRE100和NRE120数据形成独立聚类，凸显中部河口为独特的溶解维生素/vitamer组成区域。
**（三）颗粒态B族维生素和vitamers定量**
16种B族维生素和vitamers在23次颗粒相采样中被检出（0.2–3 μm：90个样品；3–90 μm：58个样品）。两个粒径分级的颗粒态B1平均浓度相近（0.2–3 μm：25±18 pM；3–90 μm：21±16 pM），但呈现空间分异：下游河口（NRE180、120、100）的微微型浮游生物级分中B1较高（31±21 pM），而上游河口（NRE0、50、70）的纳/微型浮游生物级分中B1较高（25±13 pM）。颗粒态B2在两个粒径级分间差异约2倍（0.2–3 μm：4.3±2.9 pM；3–90 μm：9.0±8.2 pM），10月11日全河口出现最低值（<2 pM）。0.2–3 μm级分的B3高度动态，变化超过20倍（14–306 pM）。颗粒态中可分辨三种B12形式（Me-B12、Ado-B12、OH-B12）和两种psB12形式（OH-psB12、Me-psB12），但生物可利用形式常低于检出限。OH-B12平均约1.1–1.3 pM，最高值见于9月27日NRE70的0.2–3 μm级分中的Ado-B12（7.6±2.8 pM）。10月25日微浮游生物样品中检测到3.4±0.6 pM的Me-psB12。DMB浓度在0.2–3 μm级分（平均2.2±1.4 pM）高于3–90 μm级分（检出限至1.7 pM）。最显著的时空变化是10月25日NRE0处3–90 μm级分中B2、B3、B5和HET的同步峰值。整体而言，颗粒态总B12浓度在多数样品中高于溶解态OH-B12浓度。颗粒态维生素谱未能按站位、采样时间或粒径级分有效聚类，仅在四次采样中两个粒径级分的维生素谱紧密聚类。
**（四）B族维生素与水文生物地球化学因子的关联**
相关性分析显示B族维生素/vitamer浓度与盐度的显著相关性较少，表明这些微量营养素的浓度并非沿河口梯度保守混合。溶解态OH-psB12与盐度及微微型蓝细菌丰度呈强正相关；溶解态B6与盐度呈负相关；颗粒态（0.2–3 μm）B5和Me-psB12与盐度呈正相关。多种颗粒态B族维生素/vitamers与POC、DOC和颗粒氮呈正相关。
**（五）浮游生物丰度与群落组成**
流式细胞术鉴定出四种小型浮游植物形态型：PE-SYN（7.29×101至1.23×10? cells mL?1，高盐站位更丰富）、PC-SYN（2.31×10?至1.62×10? cells mL?1，除NRE0外全河口丰富）、PEUK（10月25日NRE100达1.58×10? cells mL?1）和LEUK（9月27日NRE70达2.66×10? cells mL?1）。细菌平均丰度为1.52×10? cells mL?1，NRE0低10倍（4.24×10? cells mL?1）。
真核浮游生物共保留1640个ASVs，主要类群为Stramenopiles、Alveolata、Cryptophyta和Chlorophyta。硅藻Cyclotella在9月高度丰富（相对丰度最高达53%和70%），与LEUK峰值一致。甲藻主要分布于微浮游生物级分，7月26日以Polykrikos、Levanderina和Gyrodinium属为主。Chlorophyta在微微型浮游生物中更丰富（33±17%），Bathycoccus和Micromonas主导下游河口，Ostreococcus在上游河口占优。
原核浮游生物共检出4451个ASVs。微微型浮游生物中Pseudomonadota（平均59±13%）、Actinomycetota（14±8%）、Bacteroidota（13±6%）和Cyanobacteriota（10±8%）占主导。Pelagibacterales在NRE各站位均为微微型浮游生物的重要成员（平均44±13%），NRE0最低（21±11%）。优势蓝藻属为Vulcanococcus（Synechococcus样，PC-SYN），占微微型和微型浮游生物的8–15%。10月25日NRE0微浮游生物中Cyanobacteriia（纲）占比激增至31%，潜在产毒蓝藻Planktothrix agardhii占微浮游生物相对丰度的11.5%。PCoA分析显示NRE0的群落组成独特聚类，整体上群落组成按粒径级分的聚类优于按采样时间的聚类。
**（六）B族维生素与浮游生物群落的关联性**
冗余分析（tb-RDA）表明，选定的B族维生素和vitamers共同解释了真核和原核浮游生物组成方差的30.6%和42%。具体而言，颗粒态B3和FAMP、溶解态B1和OH-psB12是强显著解释变量（p≤0.005）；溶解态B6、颗粒态OH-B12和B3是真核浮游生物组成的显著解释变量；溶解态B1是原核群落的最强解释变量。相比之下，盐度单独解释真核和原核群落组成的6.9%和8.5%，所有非维生素环境变量合计仅解释13.9%和20.4%。B族维生素/vitamer浓度的累计解释方差超过了全部环境变量的解释方差。
**四、讨论与结论**
本研究揭示了温带（长停留时间）河口中B族维生素循环的新视角：（1）淡水输入通过促进藻类生长间接提高河口中部区域的B族维生素水平；（2）B族维生素（溶解态和颗粒态）在河口中部生成后可被快速消耗——推测通过同化吸收和营养级传递——在到达下游（更偏海洋的）河口之前即被大量去除；（3）B1、B3和B12类化合物浓度的变化能够解释原核和真核浮游生物组成的变化，反映了B族维生素可用性与浮游生物群落组成之间密切且相互依赖的关系。
研究人员识别出两种B族维生素浓度的动态模式：模式1为中等程度变化（2至4倍浓度变化，如溶解态HMP、颗粒态FAMP），指示维生素/vitamer生产和消耗的紧密耦合；模式2为高幅度变化（周期性≥10倍变化），以浓度快速高峰为特征（如溶解态B5和cHET、颗粒态B2），反映了特定浮游生物活动和/或生物量的扰动及种间相互作用。在扰动事件（如快速生物量积累）期间，颗粒态B族维生素/vitamer浓度可急剧上升，因为胞内维生素合成（或摄取和回收）超过释放，表明除衰亡和死亡外，维生素/vitamer向公共溶解库的净转移极其有限。
关于B族维生素的来源，蓝细菌可能是B1和psB12的从头合成者，颗粒态Me-psB12的峰值浓度（3.4±0.6 pM）与淡水区域丝状蓝藻Planktothrix agardhii的激增相吻合。溶解态和颗粒态OH-psB12浓度与微微型蓝细菌丰度之间存在显著关联，支持了微微型蓝细菌丰度可作为psB12浓度指示因子的观点，并提示（微微型）蓝细菌促进了具备钴胺素重塑能力（利用psB12和DMB）的分类群。从降解的钴胺素和DMB中回收B12可能代表水生态系统中一个被忽视的重要途径。此外，多种推定B1营养缺陷型类群（Pelagibacterales、隐藻、Chlorophyta的Ostreococcus、Micromonas、Bathycoccus）的持续存在表明河口中存在活跃的维生素回收和vitamer转化过程。
本研究的核心结论是：B族维生素和vitamer浓度在短时间尺度（数周）内高度动态变化，具体浓度动态由生产/消耗和群落组成变化共同驱动；河口中部因藻类生长而成为B族维生素水平升高的区域，并伴随下游的快速同化吸收和营养级传递；B族维生素/vitamer可用性在解释原核和真核微生物浮游生物群落组成变异中具有显著作用，尤其是B1、B12和OH-psB12，揭示B族维生素是解析河口中浮游生物群落变异性的重要化合物。
