珠江口沿河段的多磷酸盐储存与二氧磷（DOP）的迁移

《Marine Pollution Bulletin》：Coupled polyphosphate storage and DOP mobilization along estuarine gradients in the Pearl River Estuary

珠江口河流主导河口区溶解磷（DOP）的循环机制研究。通过23个表层站点调查发现：溶解活性磷（SRP）向海递减，非活性溶解磷（SNP）主导近岸区域，其中17.9%-92.7%的SNP可被磷酸酶分解。外源磷酸酶活性（PMEA、PDEA）集中在2-200μm颗粒 fraction，与颗粒态多聚磷酸盐（polyP）动态共存，揭示微生物在磷受限时通过酶解DOP和储存polyP的协同策略。

　　

Xian-Yang Zhang|Feng-Xian Han|Jian-Ting Li|Jia-Xue Wu|Song-Hui Lu|Lin-Jian Ou

中国广州中山大学南方海洋科学与工程 Guangdong 实验室（珠海）生命科学技术学院，邮编 510632

摘要

随着溶解无机氮含量的增加，以河流为主导的河口地区日益面临磷（P）压力，这提升了溶解有机磷（DOP）在维持生态系统生产力方面的作用。我们在珠江口（PRE）的23个采样点进行了调查，测量了溶解态和颗粒态磷的分布、可被酶水解的可利用磷（SNP；作为生物可利用DOP的代理指标）、不同粒径范围内的磷酸单酯酶（PMEA）和磷酸二酯酶（PDEA）活性以及颗粒态多聚磷酸盐（polyP）的含量。溶解态活性磷（SRP）向海方向逐渐减少，而SNP在离岸区域占主导地位；其中17.9–92.7%的SNP可以被酶水解。PMEA和PDEA主要存在于2–200微米的颗粒中，这表明它们与浮游植物和附着在颗粒上的细菌有关。颗粒态多聚磷酸盐含量丰富，并且在各采样点与磷酸酶活性呈正相关。主成分分析将受河流影响的区域（SRP、颗粒有机磷和可被二酯酶水解的DOP含量较高）与以浮游植物为主的区域区分开来（叶绿素a含量较高、多聚磷酸盐含量较高以及磷酸酶活性较高）。这些现象与一种共存的微生物策略一致：在营养物质充足时，微生物会储存多聚磷酸盐；而在SRP稀缺的微生境中，通过磷酸酶的作用释放DOP。管理上的建议包括减少颗粒态和生物可利用的有机磷以及无机磷的排放，以削弱这种储存-释放的耦合效应。

引言

由于人类活动将更多的氮（N）和磷（P）通过河流排入海洋，沿海地区的富营养化问题日益严重，导致有害藻类大量繁殖和缺氧现象（Malone和Newton，2020；Dai等人，2023）。自20世纪90年代以来，许多地区的废水处理措施降低了磷酸盐的排放量，但氮的减排速度较慢（Paerl等人，2016；Gypens等人，2017）。随着溶解无机氮含量的持续上升，许多沿海水域可能会面临更严重的磷压力（Pe?uelas等人，2013；Glibert和Burford，2017），因此需要更深入地了解磷的储存、转化以及向微生物的供应机制（Bj?rkman，2014；Duhamel等人，2021）。

在实验中，溶解态磷通过钼蓝法（Cembella等人，1984；Benitez-Nelson，2000）被分为溶解态活性磷（SRP）和溶解态非活性磷（SNP，主要为溶解有机磷，即DOP）。为了评估DOP的生物可利用性，我们将SNP进一步分为两种可被酶水解的组分：被磷酸单酯酶水解的SNP（SNP_PME）和被磷酸二酯酶水解的SNP（SNP_PDE）（Monbet等人，2009；Hashihama等人，2013；Van Wambeke等人，2024）。在SRP迅速消耗的情况下，磷酸酶的作用至关重要；但由于底物特异性和检测方法的限制，二酯的贡献相对较小（Hoppe，2003；Dyhrman，2016；Yamaguchi等人，2021）。在以河流为主导、颗粒含量丰富的河口中，明显的生物地球化学梯度和颗粒微生境可能使酶和底物高度集中，从而加剧这些过程（Simon等人，2002；Stocker，2012）。

多聚磷酸盐（polyP）——由磷酸残基组成的线性链——通常被认为是在磷充足条件下的奢侈性储存形式（Cembella等人，1984；Young和Ingall，2010）。然而，在磷缺乏的寡营养海水中也观察到了多聚磷酸盐的积累，这表明它可能具有其他生理功能，并且其作用取决于具体环境（Martin等人，2014；Martin等人，2018；Diaz等人，2016；Hashihama等人，2020）。在浑浊、受污染的河口中，多聚磷酸盐的动态变化与细胞外磷酸酶活性的关系尚不明确，这限制了将开阔海洋的研究结果直接应用于沿海系统的能力。

在这里，我们探讨在受污染、以河流为主导的河口中，微生物群落如何平衡磷的储存和释放：多聚磷酸盐作为暂时的细胞储存形式，而在SRP分布不均或稀缺时，细胞外磷酸酶则参与DOP的释放。我们研究了三个问题：（i）溶解态磷的分布——包括可被酶水解的SNP组分（SNP_PME、SNP_PDE）——如何随盐度和营养盐梯度变化；（ii）不同粒径范围内的磷酸酶活性（磷酸单酯酶和磷酸二酯酶；PMEA、PDEA）的位置；（iii）在动态变化的河口环境中，储存指标（颗粒态多聚磷酸盐）和释放指标（PMEA、PDEA）是否同时存在。这些问题构成了一个总体假设，即储存和释放过程可以在富含颗粒的微生境中共同发生。

研究区域和采样

珠江口（PRE）是南海生态系统的重要组成部分，由于人为输入的营养物质，该地区存在严重的富营养化、季节性的缺氧现象以及频繁发生的有害藻类爆发（Yin和Harrison，2008；Dai等人，2023）。持续较高的氮磷比例表明该系统存在磷的限制（Harrison等人，2008；Chen等人，2023）。2020年7月6日至12日，我们在R/V Haijian No. 203号船上对珠江口及其周边海域进行了现场采样。

水文变量的空间分布

表层水温范围为27.9至32.2°C（平均值±标准差：29.4±1.0°C），分布相对均匀（图S1a）。盐度从河口附近的0.64增加到离岸的33.56（总体平均值为22.1±9.7），形成了明显的河流-海洋梯度（图S1b）。

SRP、SNP和可被酶水解的SNP的空间分布

SRP浓度范围为0.10至0.80 μmol L^?1（0.29±0.22 μmol L^?1），并向海方向逐渐降低（图2a）。SNP浓度范围为0.08至0.41 μmol L^?1（0.19±0.08 μmol L^?1），在河口内部区域分布相对均匀（图2b）。

讨论

珠江口具有明显的盐度梯度，这种梯度决定了营养物质的分布和微生物过程，而表层水温则相对均匀。我们通过分析SNP、颗粒态多聚磷酸盐和细胞外磷酸酶（PMEA、PDEA）的分布模式，来推断微生物在磷供应波动情况下的适应性策略。

结论

在整个珠江口中，SRP向海方向逐渐减少，而SNP在溶解态磷中的比例逐渐增加；其中相当一部分SNP可以被酶水解（SNP_PME和SNP_PDE）。细胞外磷酸酶（PMEA、PDEA）主要存在于2–200微米的颗粒中，表明浮游植物和附着在颗粒上的细菌是主要贡献者。颗粒态多聚磷酸盐含量丰富，并且在各采样点与磷酸酶活性呈正相关。综合这些现象，支持了一种共存的微生物策略：在营养物质充足时储存多聚磷酸盐，在SRP稀缺的微生境中通过磷酸酶释放DOP。

作者贡献声明

Xian-Yang Zhang： 起草初稿，进行正式数据分析。 Feng-Xian Han： 起草初稿，进行正式数据分析。 Jian-Ting Li： 进行实验研究，进行正式数据分析。 Jia-Xue Wu： 提供实验资源。 Song-Hui Lu： 审稿和编辑，提供实验资源。 Lin-Jian Ou： 起草和编辑，审稿，起草初稿，进行正式数据分析，提出研究概念。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42476124和42176021）以及南方海洋科学与工程 Guangdong 实验室（珠海）创新团队项目（项目编号311024004）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。