南海北部海域多胺循环特征及对细菌生产力贡献的研究

Polyamines are a group of aliphatic compounds containing 2 or more amines. They are dissolved in seawater and mainly from autotrophic plankton. Polyamines are ideal substrates for heterotrophic bacteria as a result of higher ratios of nitrogen to carbon. The water in Northern South China Sea is co-limited by nitrogen and phosphorus. The dissolved organic nitrogen released from autotrophic phytoplankton is the major nitrogen sources to bacteria. Thus, polyamines may play an important role in biogeochemical nitrogen cycling in Northern South China Sea besides dissolved free amino acids (DFAA). In this study, we will use High-performance Liquid Chromatography and Radioisotope Tracing method to measure concentrations and turnover rates of polyamines and DFAA, respectively. The contributions of polyamines and DFAA to total carbon and nitrogen demands of bacterial production will be determined based on polyamine uptake rates and bacterial production calculated from 3H-leucine incorporation rates. The dynamics of polyamines and DFAA in seawater will be compared in order to elucidate the significance of polyamines in nitrogen cycling. Multivariate analysis will be applied to analyze correlations between polyamine dynamics and environmental variables in seawater. This research will reveal features of polyamine biogeochemical cycling and their importance to nitrogen cycling in Northern South China Sea. The mechanism of environmental impact on polyamine dynamics will also be discussed based on correlations between polyamine dynamics and environmental factors.

多胺是一组含2个或多个氨基的短链脂肪族有机氮化合物。游离态多胺可溶解于水体环境，是浮游生物光合作用产物，较高的氮碳比使多胺成为异养细菌理想的氮源。南海北部海域是氮磷共同限制环境，自生有机氮是细菌生产力主要氮源，除溶解游离态氨基酸（DFAA），多胺在南海北部海域氮循环中可能扮演了重要的角色。本项目拟采用1）高效液相色谱法和同位素示踪法测定南海北部海域中多胺和DFAA的浓度和代谢速率；2）亮氨酸组入蛋白质法测定研究海域细菌生产力以评估多胺和DFAA分别对细菌生产力总碳氮需求的贡献；3）多元统计分析方法研究多胺循环代谢特征与环境因素的相关性。本项目将全面揭示多胺在南海北部海域分布和循环代谢的时空变化规律，通过比较多胺和DFAA对细菌生产力总碳氮需求的贡献，阐述多胺在南海北部氮循环中的作用。同时，基于多胺在南海北部海域循环代谢特征与环境参数的相关性分析结果，探讨多胺循环代谢对环境的响应机制。

多胺是一组含2个或多个氨基的短链脂肪族有机氮化合物。海洋中溶解态多胺主要是浮游生物光合作用的产物，多胺中较高的氮碳比使其成为异养细菌理想的氮源。南海北部海域是氮磷共同限制环境，溶解态有机氮（DON）被认为是细菌生产力主要氮源，然而针对DON的循环动力学过程及其对细菌生产力的贡献鲜有研究，这限制了对南海北部水体中物质和能量传递过程的认识。基于此，本项目通过研究多胺在南海北部的循环代谢过程，定量其对该海域细菌生产力碳氮需求的贡献，阐明多胺在南海北部生物地球化学氮循环中扮演的角色，揭示DON循环代谢对维持海洋生产力的关键作用。项目通过搭载国家973计划“南海陆坡生态系统动力学与生物资源的可持续利用”春季航次，结合实验室分析，主要研究内容包括：1）利用高效液相色谱法和放射性同位素示踪法测定南海北部陆坡海域中多胺和溶解态氨基酸（DFAAs）的浓度和周转率，计算多胺和DFAAs的微生物吸收代谢速率，比较多胺与DFAAs在研究区域的分布及循环代谢特征差异；2）通过亮氨酸组入蛋白质法测定细菌生产力，评估多胺和DFAAs对细菌生产力总碳氮需求的贡献；3）基于多元统计分析方法研究多胺循环代谢的主要环境影响因子；4）通过构建南海北部陆坡水域的宏基因组文库，探明主要代谢多胺的微生物类群。结果显示，在南海北部陆坡水域多胺代表组分腐胺的浓度平均为24.8 ± 3.99 nmol L-1，空间变化不显著。腐胺周转率（d-1）自表层向深层海域降低，导致其微生物吸收速率随深度逐渐减小，与同一样品中测定的DFAAs吸收速率变化规律相似。经估算，腐胺和DFAAs循环代谢可以分别满足细菌生产力中氮需的138 ± 275%和685 ± 860%，说明多胺和氨基酸是南海北部重要的氮来源。盐度和[NH4+]分别是上层和中层海水中影响多胺微生物吸收速率的主要环境因子。宏基因组分析显示南海北部陆坡海域中ɑ-和γ-变形菌是主要利用多胺的微生物类群。本项目通过定量研究多胺循环代谢特征及其对南海北部氮循环的贡献，揭示了DON是南海北部物质和能量传递的重要氮源。