河口过渡带痕量金属动态与细菌群落及预测代谢的关联

《Marine Environmental Research》：Linking trace metal dynamics to bacterial community and predicted metabolism in estuarine transition zones

　　

摘要

痕量金属调节微生物介导的生物地球化学过程，然而关于它们在河口环境中是作为微量营养元素还是代谢抑制剂发挥作用，野外证据仍然有限。本研究通过整合溶解态和颗粒态金属分析、16S rRNA 基因测序、功能预测和多变量建模，调查了珠江口（PRE）盐度梯度上痕量金属动力学与细菌群落之间的耦合关系。大多数溶解态金属相对于保守混合线表现出正偏差，而颗粒态金属特别是在低盐度区（LS, 0-13.67‰）出现耗竭。金属分配系数（K_metal）主要受盐度和悬浮颗粒物控制。低盐度区和高盐度区（HS, >13.67‰）之间的细菌群落差异显著，理化性质、K_metal 和营养盐共同解释了群落总变异的 73.7%，其中盐度占 19.36%，其次是 K_Cd（12.15%）和 K_Fe（10.23%）。共现网络揭示了低盐度区紧密连接的群落结构，其中关键类群与铜（Cu）的生物有效性相关。功能预测显示低盐度区碳代谢显著富集。偏最小二乘路径建模表明必需金属分配（Fe, Cu, Co 和 V）与核心碳代谢途径之间存在正相关，而非必需金属（Cd, Pb 和 As）产生负面影响。各途径内富集的金属依赖性酶进一步支持了这些关联。与其他河口的对比表明，珠江口升高的必需金属库存是颗粒物丰富且河流主导系统的特征，具有化学缓冲的金属有效性。总之，我们的发现强调了必需金属作为动态河口环境中与细菌碳处理相关的被忽视的微量营养元素的作用。

引言

痕量金属在河口和海洋系统的多种生物地球化学过程中起着至关重要的作用，例如固碳、N₂ 固氮、硝化/反硝化、甲烷氧化以及有机氮和磷的利用（Anderson, 2020）。这些微生物介导的过程由金属酶催化，金属酶进行关键的氧化还原反应，痕量金属在其中充当电子载体、催化中心或结构稳定剂（Tonietti et al., 2024）。其中，铁（Fe）应用最广泛，常见于支持电子转移和能量储存的血红素和铁硫簇中（Reed et al., 2021）。铁也是直接塑造碳和氮转化的催化酶所必需的（Bellenger et al., 2020; Calzadiaz-Ramirez and Meyer, 2022）。锰（Mn）与铁化学性质相似，可在选定的酶促过程中替代铁（Fitsanakis et al., 2010）。铜（Cu）利用其氧化还原活性进行电子转移和氧化反应，激活少数周质和膜酶（Andrei et al., 2020; Glass and Orphan, 2012）。锌（Zn）作为多种水解酶的结构和催化辅因子，包括碳酸酐酶和碱性磷酸酶（Lipscomb and Str?ter, 1996）。尿素酶、氢酶和维生素 B₁₂ 依赖性酶需要钴（Co）和镍（Ni），这些酶在甲烷代谢中发挥作用（Hu et al., 2021; Zeer-Wanklyn and Zamble, 2017）。基于钒（V）的酶包括卤过氧化物酶和固氮酶（Timmins and De Visser, 2018）。因此，Fe, Mn, Cu, Zn, Co, Ni 和 V 可作为必需微量营养元素，尽管过量浓度或更活泼的形式可能导致毒性作用。相比之下，镉（Cd）、铅（Pb）和砷（As）通常被认为非必需，即使在低浓度下也可能具有毒性，且无已确认的生理需求（Khatun et al., 2022）。

尽管痕量金属的生物地球化学作用已得到确立，但关于它们在自然微生物群落中主要作为类似微量营养元素的辅因子还是代谢抑制剂，基于野外的证据仍然有限。纯培养物的生理研究表明，酶活性的最佳金属浓度通常超过自然水体中的原位水平（Glass and Orphan, 2012），这意味着在动态环境条件下，微生物代谢潜力可能受金属供应或可获得性的限制（Sharma et al., 2022; Yan et al., 2022）。这种关系在河口尤其难以评估，因为淡水与海水混合产生盐度、pH 值、离子强度、悬浮颗粒、营养盐和有机物组成的陡峭梯度。这些梯度调节痕量金属在溶解态、胶体态和颗粒态池之间的重新分配（Turner and Millward, 2002），同时通过环境过滤、颗粒相关栖息地和底物异质性重塑细菌群落（Herlemann et al., 2011）。因此，解决痕量金属在这样的系统中的双重作用需要一个整合框架，将金属地球化学与河口环境梯度上的群落组成、生态关联和代谢功能联系起来。

珠江口（PRE）是中国第二大河口，以强烈的盐度梯度、丰富的悬浮颗粒、密集的河流输入和历史人为金属负荷为特征，为调查提供了合适的自然系统（Wu et al., 2024; Zhou et al., 2024）。尽管最近的监管努力已显著减少金属排放并改善水质，但大多数以前的研究集中在污染状况、毒理学风险、痕量金属的环境评估上（Jiao et al., 2018; Niu et al., 2021; Tang et al., 2023）。相比之下，它们作为微生物代谢过程（如碳循环）微量营养元素的潜在生态作用仍然相对未被探索。鉴于微生物代谢支撑着营养盐再生、有机物转化和食物网支持，澄清金属 - 微生物相互作用对于评估演变的和管理条件下的河口生态系统功能至关重要。

为解决这一知识差距，我们在珠江口盐度梯度上进行了野外采样，并整合了痕量金属形态分析、细菌群落测序、共现网络分析、预测功能谱和偏最小二乘路径建模（PLS-PM）。研究目标为：(i) 表征沿河口盐度梯度的痕量金属动力学行为；(ii) 确定痕量金属动力学如何与细菌群落组成和结构相关；(iii) 评估痕量金属在细菌代谢潜力上是作为功能性微量营养元素还是抑制剂发挥作用。

章节摘要

研究区域和采样程序

珠江口是中国南部主要的亚热带河口，也是区域贸易和沿海发展的重要走廊（Cao et al., 2022）。自 20 世纪 70 年代以来，珠江口盆地的快速城市化和工业化在历史上造成了大量的金属输入并改变了下游水质（Ip et al., 2004）。长期的缓解和监管行动减少了金属排放，最近的调查显示金属浓度符合国家标准

沿珠江口盐度梯度的痕量金属动力学

表 1 总结了珠江口水的理化参数和营养盐水平。D_metal 和 P_metal 相对于淡水 - 海水混合线表现出明显的非保守行为（图 S1 和 2）。大多数 D_metal 超过理论线，表明溶解态池中有净增加（图 S1）。相比之下，P_metal 通常低于混合线，低盐度区内所有金属均出现明显损失（图 2）。这表明盐度驱动的

结论

本研究在珠江口盐度梯度上整合了痕量金属分配、细菌群落和预测功能，表明河口混合驱动了强烈的非保守金属行为，从而重塑了细菌组成、结构和碳处理能力。在淡水 - 海水混合期间，低盐度区 P_metal 的广泛损失与 D_metal 池的净增加同时发生，表明盐度驱动的相转移是一种主要机制

CRediT 作者贡献声明

Wei Lin: 撰写 – 审阅与编辑，调查，概念化。Xianchuan Xie: 撰写 – 审阅与编辑，监督，概念化。Chenxi Jiang: 撰写 – 原稿，可视化，方法学。Chunyang Zhou: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，方法学，资金获取，概念化。Zhiwei Liang: 撰写 – 审阅与编辑，验证，方法学。Junbao Yin: 可视化，验证

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本研究受中国江西省重点研发计划（20261BCF320016）和国家自然科学基金（42207265）支持。

Chenxi Jiang|Chunyang Zhou|Zhiwei Liang|Junbao Yin|Wei Lin|Xianchuan Xie