水团动态驱动沿海海洋固氮速率与固氮微生物群落组成

《Limnology and Oceanography》：Water mass dynamics drive nitrogen fixation rates and diazotroph community composition in the coastal ocean

　　

尽管在大西洋中部的沿海水域中已观测到显著的N₂固定速率（NFRs），但相关研究在时间覆盖上仍有限，用于检测固氮生物（diazotrophs）的方法及其研究结果也各不相同。本研究在美国北卡罗来纳州Nags Head与Pea Island之间的动态沿海环境中，通过2019年6月至2020年8月的月度时间序列观测以及2019年8月的一次巡航调查，研究了NFRs和固氮微生物群落。研究人员观测到哈特拉斯角锋（Cape Hatteras Front）的移动，并在中大西洋湾（Mid-Atlantic Bight, MAB）、南大西洋湾（South-Atlantic Bight, SAB）、切萨皮克湾（Chesapeake Bay）和俄勒冈入流（Oregon Inlet）羽流水体及其混合区中，检测到明显不同的NFRs和固氮微生物群落。最高NFR（42.4 ± 3.0 nmol N L^?1 d^?1）出现在锋面混合区，该处检测到的nifH目标丰度最高，且nifH群落高度多样化。观测结果揭示了固氮微生物群落和NFRs存在显著的季节性变化（从低于检测限到26.1 ± 9.3 nmol N L^?1 d^?1），其中夏末和秋初的NFRs较高。此外，研究人员对三种固氮生物检测方法（nifH基因扩增子测序、nifH基因定量PCR和显微镜检）的比较证实，需要采用综合方法才能全面调查固氮微生物群落，并印证了先前关于Richelia被经典nifH测序引物所排斥的推测。本研究通过记录水团动态如何影响生物地球化学体系和固氮微生物群落，加深了对沿海N₂固定的理解。研究结果对于预测气候引起的水团特征变化可能如何影响该地区沿海固氮微生物群落组成和活性具有重要意义。

氮（N）是生命的基本构成元素，通常限制着大部分海洋表层生态系统的生产力。只有少数微生物（固氮生物）能够将占主导形态的氮气（N₂）转化为生物可利用的氨，这一过程称为N₂固定，通过供应新氮支持生产力，在海洋生态系统中发挥重要作用。历史上，海洋N₂固定主要归因于严重氮限制的副热带环流，尤其是束毛藻（Trichodesmium）。然而自21世纪初以来，分子生物学方法的应用以及此前被认为不利于固氮的环境（特别是沿海区域）中N₂固定速率测量的增加，显著扩展了已知固氮生物的多样性和分布范围。西北大西洋陆架对新的氮输入有显著贡献，而哈特拉斯角锋（Cape Hatteras Front）附近观测到特别高的N₂固定速率。然而，在哈特拉斯角沿海区域——多个水团交汇之处，驱动N₂固定时空变化的物理因素在很大程度上仍未得到探索，负责该过程的固氮微生物群落也尚未被充分表征。本研究通过每月时间序列和一次为期一天的巡航，调查了N₂固定速率（NFRs）和固氮微生物群落，并比较了三种检测固氮生物的方法：nifH基因扩增子测序、nifH基因定量PCR（qPCR）和显微镜检。研究结果表明，水团运动与混合对固氮速率和群落组成有强烈影响，最高NFR出现在锋面混合区，同时证实了结合多种检测方法的必要性，特别是Richelia难以用经典nifH引物扩增。这些发现增进了对动态沿海环境中固氮过程的理解，并为预测气候变化对沿海固氮群落的影响提供了依据。

研究人员在美国北卡罗来纳州纳格斯黑德（Nags Head）的珍妮特码头（Jennette's Pier）开展了从2019年6月至2020年8月的月度采样，并在2019年8月16日沿7个站点进行了巡航采样。表层海水样品用于叶绿素a（Chl a）、营养盐、DNA提取和固氮速率测定。N₂固定速率采用¹⁵N₂气泡去除法培养测定；固氮微生物群落的检测结合了nifH基因扩增子测序、nifH基因定量PCR（qPCR）和显微镜检三种方法；统计方法包括BIO-ENV分析、主坐标典型分析（CAP）和多元排列方差分析（PERMANOVA）等。样本覆盖了MAB水、SAB水、切萨皮克湾和俄勒冈入流羽流及其混合区，形成了完整的水团-生物地球化学观测框架。

### 水文与营养盐背景：2019年8月巡航

巡航前5天盛行西南偏南风，导致南部站位表层盐度和温度较高。1号站（靠近俄勒冈入流）表层温度最低、营养盐和Chl a浓度最高；3号站表层盐度最低；5号站（离岸锋面处）在15米深度内出现温度波动，显示锋面过渡特征。表层水密度自3号站向南至7号站递增，揭示了不同水团的交汇格局。

### NFR与固氮微生物群落：2019年8月巡航

巡航期间NFRs高且变异较大：6号站（离岸SAB水）最低，5号站（离岸MAB与SAB边界）最高，达到42.4 ± 3.0 nmol N L^?1 d^?1，为全研究最高值。qPCR检测的nifH目标丰度跨两个数量级，5号站最高；所有站点中Het 2（与半管藻共生的Richelia euintracellularis）占qPCR检出基因拷贝的绝大多数。扩增子测序显示，测序方法未将Richelia检出到种水平，且其属水平读长极低；Trichodesmium、UCYN-A1和UCYN-A2/3/4则被有效检出。PERMANOVA确认NO₃ + NO₂和可溶性活性磷（SRP）是影响巡航扩增子群落组成的显著环境变量。

### 水文与营养盐背景：珍妮特码头时间序列

2019年9月至11月表层温度递减、盐度多变、营养盐较低；12月出现最高NO₃ + NO₂（0.83 μM）和SRP（0.24 μM），伴随第二高Chl a（10.38 μg L^?1）；2020年1月出现异常高温（15.62°C）和高盐（34.30），与持续南风驱动的锋面北移一致；3月和5月营养盐低于检测限；6月至8月Chl a较低，营养盐波动。

### NFR与固氮微生物群落：珍妮特码头时间序列

2019年9至11月NFRs持续可测（2.4 ± 1.8至26.1 ± 9.3 nmol N L^?1 d^?1），10月最高NFR与最高Chl a一致；qPCR以Trichodesmium为主，但10月所有qPCR目标均未检出，而扩增子测序显示Thermodesulfobacteriota门占60.3%。12月至次年2月NFRs较低，qPCR未检出目标，扩增子测序以非蓝藻门为主；显微镜检在1月检出自由生活的R. intracellularis（Het 1）。3月和5月固氮生物未被qPCR或显微镜检检出，扩增子测序以Thermodesulfobacteriota为主。6至8月NFRs在2.2至8.6 nmol N L^?1 d^?1之间，qPCR检出目标因月份而异；2020年7月为时间序列中最高的qPCR目标丰度（1.04 × 10⁶ 基因拷贝 L^?1），以Het 2和UCYN-A2为主。蓝藻门在13个时间序列采样日期中的7个占扩增子读长多数，而Thermodesulfobacteriota门多在12月至5月占优。BIO-ENV分析选出Chl a、SRP、NO₃ + NO₂和表层盐度为最佳模型，且Chl a是显著单一参数。

### 研究范围统计分析

多元线性回归表明，qPCR测定的所有目标nifH总和与Chl a呈显著负相关；Trichodesmium和Het 2的nifH丰度也与Chl a负相关，而Trichodesmium和Het 1/3的nifH丰度与NFR呈正相关，UCYN-A1与NO₃ + NO₂呈正相关、与SRP呈负相关。合并巡航与时间序列数据后，qPCR数据的BIO-ENV最佳模型为NFR、Chl a和表层温度，PERMANOVA确认NFR和表层温度显著；扩增子测序数据的最佳模型为Chl a、SRP、NO₃ + NO₂和表层盐度，PERMANOVA确认NO₃ + NO₂和Chl a显著。方法比较显示，Trichodesmium的qPCR、测序和显微镜检间相关均不显著；Het 2的qPCR与显微镜检正相关但不显著，而UCYN-A1的qPCR与测序结果呈显著负相关，提示菌株分类差异。

讨论部分围绕水团动力学展开：研究表明哈特拉斯角锋的南北移动、淡水羽流输入和季节性共同决定了NFR和固氮群落的变化。巡航中MAB与SAB水团具有不同的固氮群落组成，UCYN-A2主要在MAB水中占优，而Trichodesmium广泛分布；锋面混合区（5号站）具有最高的NFR和nifH丰度，表明水团混合增强固氮活性。三种检测方法的比较证实，经典nifH引物对Richelia存在扩增歧视，必须通过qPCR和显微镜检辅助才能准确估计Richelia的丰度；而扩增子测序则可提供更广的群落覆盖和更低的检测限。研究结论认为，哈特拉斯角锋面周围区域是一个高度动态的沿海环境，水团运动和混合受风场、海流和河口流出物控制，强烈塑造了营养盐分布和微生物群落。该研究为理解沿海N₂固定提供了更高时间分辨率的数据，并强调了结合多种方法调查固氮群落的必要性，对预测气候变化下锋面位置和水团性质改变对沿海固氮群落的影响具有重要意义。