福建福宁湾表层沉积物中甲藻孢囊分布与多样性研究*

2022-11-25王朝晖王文婷谢昌良暨双辉张宇宁

海洋与湖沼 2022年6期

王朝晖郑虎王文婷谢昌良暨双辉张宇宁

(暨南大学生命科学技术学院生态学系广东广州 510632)

甲藻是海洋浮游植物的重要组成部分, 约有75%左右的有毒有害赤潮是由甲藻引起(Gómez,2012)。许多甲藻在其生活史过程中能形成休眠孢囊,孢囊加厚细胞壁, 并沉入海底成为海洋沉积物的一部分(Bravoet al,2014)。沉积物中甲藻孢囊可以帮助种群度过恶劣环境, 而孢囊的萌发可为水体提供营养细胞, 被认为是赤潮发生的“种源”(Andersonet al,2014)。虽然只有10%～20%的甲藻能形成休眠孢囊,但许多有毒有害赤潮藻类能产生休眠孢囊, 而近岸海域大部分赤潮甲藻特别是循环发生赤潮的藻类均为孢囊形成种类(Matsuokaet al, 2000)。由于具有较厚的耐受性孢囊壁, 孢囊可在海底环境中存活数十年甚至上百年(Ellegaardet al, 2018)。因此, 沉积物中孢囊的分布可反映营养细胞种群动态, 揭示赤潮特别是有毒有害赤潮发生潜势(Andersonet al, 2014)。

福宁湾位于福建省东北部霞浦县, 属中亚热带海洋性季风湿润气候, 季节性特征明显, 地势平坦,大多为泥沙底质, 沿岸有罗汉溪等河流入海。福宁湾浮游植物群落主要由硅藻、甲藻组成, 优势种包括中肋骨条藻(Skeletonema costatum)、柏氏角管藻(Cerataulina bergonii)和条纹小环藻(Cyclotella striata)等硅藻以及夜光藻(Noctiluca scintillans)和波状角藻(Ceratium trichoceros)等甲藻(全汉锋等, 2015)。福宁湾是霞浦县重要的养殖基地, 21 世纪以来福宁湾频发赤潮, 主要为中肋骨条藻、具齿原甲藻(Prorocentrum dentatum)、夜光藻、米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi)等赤潮(陈国斌等, 2004; 刘炜等, 2008)。而目前关于福宁湾甲藻孢囊的研究尚未见报道。

为了解福宁湾甲藻孢囊的分布状况, 揭示有毒有害甲藻赤潮发生潜势, 本研究采集了福宁湾表层沉积物样品, 对沉积物中甲藻孢囊的分布规律进行研究, 重点揭示有毒有害甲藻孢囊的分布; 同时测定了沉积物中生源要素含量, 以揭示孢囊分布与生源要素的关系。研究目的旨在阐明福宁湾海域甲藻赤潮发生潜势, 为福宁湾的环境保护和海洋资源可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在福宁湾海域设置了7 个采样点(图1), 于2018年4 月用彼得逊抓斗式采样器采集了表层沉积物样品, 取上表层0～2 cm 沉积物样品, 混匀后用封口袋密封, 低温避光保存, 带回实验室后－20 °C 避光保存待测。

图1 福宁湾孢囊研究采样图Fig.1 The sampling stations in Funing Bay

1.2 生源要素测定

称取约15 g 湿沉积物, 于45 °C 烘干至恒重, 研磨后过100 μm 网筛后, 放入密封袋中保存待测。总氮(TN)和总有机碳(TOC)的含量使用美国 Perkin-Elmer 2400 Series Ⅱ型元素分析仪测定(谷阳光等,2010), 总磷(TP)含量采用过硫酸盐同步消化法测定(邢殿楼等, 2006), 生物硅(BSi)采用化学连续提取法提取(Liuet al, 2002)。

1.3 孢囊的分析与鉴定

称取5 g 湿沉积物样品, 置于烧杯中, 加入适量过滤海水充分混合后, 水浴超声处理60 s, 然后先后过125 和10 μm 孔径筛网, 收集10 μm 筛网上的颗粒物, 定容至10 mL, 加入3%福尔马林固定。在倒置显微镜(Nikon ECLIPSE)下对孢囊进行分析鉴定, 每个样品观察分析至少100 个孢囊, 孢囊密度以每克干泥中甲藻孢囊数量表示(cysts/g, 以干重计, 下同)。

1.4 数据处理和统计分析

孢囊的香农-威尔种类多样性指数(Shannon-Wiener diversity index,H′)、皮卢均匀度指数(Pielou’s evenness index,J)以及孢囊与生源要素的相关关系采用SPSS 23.0 软件进行分析计算。采样图及孢囊密度的地理分布图使用软件 Sufer 13.0 进行绘制,柱状图及折线图使用Excel 2016 软件进行绘制。通过计算每种孢囊的平均密度确定其优势度, 孢囊按优势度排列的分布图使用R4.1.0 软件的ggplot2 函数包进行绘制。

2 结果与分析

2.1 甲藻孢囊集群结构

在福宁湾海域表层沉积物中, 共分析鉴定出甲藻孢囊 25 种, 其中膝沟藻目孢囊 9 种、Thoracosphaerales 目2 种(斯氏藻孢囊)、Suessiales 目1 种(别什藻孢囊)、裸甲藻目5 种、多甲藻类目8 种(表1), 每个站位所鉴定到的孢囊种类数为15～21 种(表1, 图2a)。本研究分析鉴定出9 种有毒有害甲藻的孢囊, 包括麻痹性贝类毒素(paralytic shellfish poisoning,PSP)原因种奥氏亚历山大藻(Alexandrium ostenfeldii)和链状/塔玛亚历山大藻(Alexandrium catenella/tamarense)孢囊复合体、goniodomine A 原因种平野亚历山大藻(Alexandrium hiranoi)、虾夷扇贝毒素(yessotoxin,YTX)原因种具刺膝沟藻(Gonyaulax spinifera)和网状原角藻(Protoceratium reticulatum)、产生鱼毒素的哈曼褐多沟藻(Pheopolykrikos hartmannii)以及赤潮藻类Barrufeta bravensis、锥状斯氏藻(Scrippsiella acuminata)和垂裂莱万藻(Levanderina fissa), 其中Barrufeta bravensis、Gonyaulax spinifera和Scrippsiella acuminata分布广泛且密度较高, 而其他有毒有害甲藻孢囊仅在某些站位零星分布(表1, 图3)。站位间香农-威尔种类多样性指数(H′)变化不大,为2.06～2.34; 而均匀度指数(J)则为0.71～0.81(图2a)。

图2 福宁湾甲藻孢囊种类多样性指数以及各类孢囊的百分比组成Fig.2 Species diversity of dinoflagellate cysts and percentage proportions of cyst groups

图3 甲藻孢囊按平均孢囊密度排列的分布状况Fig.3 Distribution of dinoflagellate cysts in average concentrations

表1 福宁湾海域表层沉积物中甲藻孢囊信息及分布状况Tab.1 Information and distribution of dinoflagellate cysts in surface sediments from Funing Bay

续表

在各类孢囊中, 以多甲藻目的孢囊占据优势(图2b), 占比为42.5%～61.6%, 平均为47.7%。多甲藻目中大部分为异养型的原多甲藻属的孢囊(表1), 原多甲藻孢囊占比37.6%～50.0%, 平均为42.5%。Suessiales即别什藻(Biecheleria tirezensis)的孢囊次之, 百分比为17.7%～29.6%, 平均25.0%。裸甲藻目和膝沟藻目的孢囊百分比含量相近, 平均分别为13.0%和9.1%。而Thoracosphaerales (两种斯氏藻)的孢囊平均百分比含量仅为5.2%。

图3 显示了25 种甲藻孢囊按照平均孢囊密度排列的分布状况, 有8 种孢囊在所有站位均有分布, 分别为别什藻、五角原多甲藻(Protoperidinium pentagonum)、里昂原多甲藻(Protoperidinium leonis)、Barrufeta bravensis、安倍原多甲藻(Protoperidinium abei)、异帽藻、具刺膝沟藻和耳蜗膝沟藻(Gonyaulax cochlea)。此外, 还有6 种孢囊在6 个站位出现, 说明福宁湾孢囊组成相近。密度最高的前六种孢囊均在所有站位分布, 其中别什藻孢囊平均密度达到69.8 cysts/g (以干重计, 下同); 随后是两种原多甲藻属的孢囊, 平均密度分别为50.1 和40.1 cysts/g;Barrufeta bravensis、安倍原多甲藻、异帽藻的孢囊位列密度第4 至第6 位,平均密度为13.9～32.0 cysts/g; 其他孢囊的平均密度均小于10 cysts/g。Barrufeta bravensis孢囊平均密度达32.0 cysts/g, 其他8 种有毒有害甲藻孢囊密度位于0.96～8.8 cysts/g, 具刺膝沟藻和锥状斯氏藻孢囊密度相对较高。

2.2 孢囊密度的地理分布

福宁湾海域甲藻孢囊的地理分布见图4, 总孢囊密度和各类孢囊密度分布规律相近, 大部分高值区位于在短表岛以北的近岸海域FN1 站位以及长表岛外的FN4 至FN6 一带, 而低值区则位于长表岛附近的FN2 以及位于高罗澳的FN3 和海尾角附近的FN5。孢囊密度介于178.6～386.3 cysts/g, 平均为286.0 cysts/g,整体来说呈现东北部偏高、西南部偏低的趋势, 最高值位于FN6, 最低值位于FN2 (图4a)。膝沟藻孢囊密度介于11.4～33.2 cysts/g, 平均密度为25.0 cysts/g, 最高值位于FN6, FN3 和FN7 膝沟藻孢囊密度也较高; 低值区位于以FN2 为中心的西北角(图4b)。Thoracosphaerales孢囊包括两种斯氏藻孢囊, 其密度介于2.1～33.2 cysts/g,平均密度为16.1 cysts/g, 高值区位于FN1, 最低值位于FN2 (图 4c)。Suessiales 中仅鉴定出一种别什藻Biecheleria tirezensis孢囊, 孢囊密度介于48.8～95.0 cysts/g, 平均密度为69.8 cysts/g, 高值区位于FN4 至FN6, 低值区则位于以FN2 为中心的西部海域(图4d)。裸甲藻目的孢囊密度介于6.2～97.6 cysts/g, 平均密度为42.1 cysts/g, 分布规律与总孢囊密度一致, 高值区位于FN1 和FN6, 而低值区位于FN2 附近(图4e)。多甲藻孢囊除了异帽藻Heterocapsa niei孢囊外, 其余全部为原多甲藻孢囊; 多甲藻密度介于103.4～168.2 cysts/g, 平均密度为133.0 cysts/g, 高值区也位于FN1 和FN6, 低值区则位于FN5 (图4e)。

图4 总孢囊密度及不同类别孢囊密度的地理分布(单位: cysts/g)Fig.4 Geographical distribution in concentration of overall cysts and cysts of the five classes (unit: cysts/g)

2.3 甲藻孢囊与生源要素之间的关系

表2 列出了福宁湾表层沉积物中甲藻孢囊与生源要素的皮尔森相关性分析结果, 孢囊密度与生源要素一般无明显相关关系, 仅Suessiales 孢囊密度与TN 呈现出明显的正相关关系(P＜0.05)。总孢囊密度与主要孢囊类别如裸甲藻孢囊、多甲藻孢囊、Thoracosphaerales 孢囊和Suessiales 孢囊密度均呈明显正相关关系(P＜0.05 或P＜0.01), 说明它们是总孢囊密度的重要贡献者。

表2 甲藻孢囊与生源要素的皮尔森相关性分析Tab.2 Pearson correlation coefficients between dinoflagellate cysts and biogenic elements

3 讨论

3.1 福宁湾甲藻孢囊集群结构特征

休眠孢囊是很多甲藻生活史的特殊休眠阶段,约有10%～20%的甲藻能形成休眠孢囊(Head, 1996),但是许多有害赤潮藻类能产生休眠孢囊, 而近岸海域大部分赤潮甲藻特别是循环发生赤潮的藻类均为孢囊形成种类(Matsuokaet al, 2000), 孢囊被认为是赤潮发生的“种源”(Wanget al, 2007; Andersonet al,2014)。目前对于许多休眠孢囊的形态特征尚未完全清楚, 一些孢囊与营养细胞的对应关系还属未知(Tanget al, 2021)。因此, 通过显微镜观察得到的休眠孢囊种类多样性和密度常常被低估。虽然如此, 通过传统的形态学分类对孢囊集群进行分析鉴定, 仍是沉积物中孢囊研究的基础。本研究在福建省福宁湾7个站点的表层沉积物中共发现甲藻孢囊25 种, 每个站位鉴定的孢囊种类数为15～21 种。孢囊的种类多样性与我国及世界其他海域沉积物中的甲藻孢囊种类丰富度相近, 在我国其他海域表层沉积物中甲藻孢囊种类一般为 20～40 种(黄海燕等, 2010; 王艳等,2012; Luet al, 2017)。

福宁湾海域各站点甲藻孢囊密度介于 178.6～386.3 cysts/g, 孢囊密度与我国其他近岸港湾如胶州湾(李影等, 2017)、北黄海(石雅君等, 2011)、辽东半岛(李大成等, 2019)和深圳湾(赵薇等, 2021)等相近,且略高于其他近岸海域及河口地区如渤海湾(王艳等,2012)、长江口海域(黄海燕等, 2010)、珠江口(Luet al,2017)以及福建兴化湾(祝跃等, 2008)等。甲藻孢囊通常较易在颗粒大小、沉降性质与之相近的粘土中积累,一般沉积物粒径较小的黏性沉积物中甲藻孢囊密度较高(Yamaguchiet al, 1995)。福宁湾内整体沉积物颗粒较细, 以泥和砂质泥为主, 仅在近岸区域有较粗的砂质粉砂和粉砂等岛屿侵蚀物质分布(郭俊杰等,2021), 较细的沉积物更有利于孢囊的沉积。从孢囊的地理分布来看, 大部分高值区位于在短表岛以北的近岸海域以及长表岛外海域, 而低值区则位于长表岛至海尾角的近岸海域。沉积物粒径分析表明, 在长表岛和海尾角附近沉积物粒径较粗, 以砂质泥为主,而在长表岛南部则以较细的泥质沉积物为主(郭俊杰等, 2021)。此外, 在长表岛东南海域FN2 至FN7 断面,水深呈现出明显增加趋势(图1), 更有利于孢囊沉积。而位于近岸海域的FN1 虽然水深较浅, 但该海域初级生产力较高, 浮游植物细胞密度明显高于其他远岸海域(全汉锋等, 2015), 同时沉积物也以较细的泥质为主, 致使该海域孢囊密度也较高。

福宁湾沉积物中甲藻孢囊的第一优势种为别什藻, 平均密度为69.8 cysts/g, 平均百分比为25.0%。别什藻是一种小型薄壁甲藻, 能形成孢囊(Rahoet al,2018)。在世界许多海域沉积物中已经发现别什藻(Sildeveret al, 2017; Takahashiet al, 2014), 该藻孢囊在我国华南沿海沉积物中也广泛分布(Liuet al,2020)。而该藻在福宁湾浮游植物调查中尚未报道, 可能是因为体型微小而被忽略, 其孢囊的广泛而大量分布说明别什藻是福宁湾浮游植物中的常见优势甲藻。有研究表明, 以光能自养型为主要营养方式的某种甲藻的孢囊大幅度上升, 可在一定程度上说明甲藻生产力的上升以及浮游植物和孢囊物种多样性的下降, 如挪威奥斯陆湾沉积物中多纹舌甲藻孢囊密度的增加说明了富营养化程度及初级生产力的上升(Daleet al, 1999), 而大亚湾沉积物中高密度的锥状斯氏藻孢囊说明了海洋富营养化程度和锥状斯氏藻赤潮的发生(Wanget al, 2011)。虽然在本研究中别什藻孢囊是福宁湾沉积物中的优势孢囊类别, 但仅凭一次表层沉积物中的孢囊调查难以揭示浮游植物和富营养化状况的变迁状况, 需要进一步对柱状沉积物中孢囊的垂直分布进行研究, 以追溯福宁湾海洋环境变化历程。

3.2 福宁湾沉积物中有毒有害甲藻孢囊的分布及赤潮发生风险

在本研究中有毒有害赤潮藻类孢囊种类丰富,共鉴定出有毒有害赤潮甲藻孢囊9 种。亚历山大藻是麻痹性贝类毒素(PSP)原因种, 亚历山大藻在我国沿海发生了多起赤潮(于仁成等, 2020), 同时亚历山大藻的孢囊也广泛分布在我国沿海沉积物中(Tanget al,2021), PSP 毒素也在浮游植物和贝类样品中被广泛检出(Liuet al, 2017), 而且大亚湾海域亚历山大藻孢囊被认为是贝类体内PSP 毒素的重要来源(Wanget al,2011)。本研究鉴定出三种亚历山大藻孢囊, 另外有一种未鉴定至种的亚历山大藻孢囊, 其中两种(奥氏亚历山大藻和链状/塔玛亚历山大藻)孢囊复合体为PSP毒素原因种。而平野亚历山大藻可产生goniodomine A 毒素(Murakamiet al, 1998), 该藻营养细胞已经在我国沿海广泛分布(宋伦等, 2021; Yuet al, 2021), 但其孢囊尚属首次在我国沿海沉积物中出现。这些亚历山大藻孢囊仅零星分布且密度较低, 而其他PSP 毒素原因种如链状裸甲藻(Gymnodinium catenatum)的孢囊未在本研究中检出, 由此说明福宁湾发生亚历山大藻赤潮和PSP 毒素中毒事件的风险较低, 实际上在福宁湾以往的浮游植物调查中也尚未有PSP 毒素原因种的记录(陈国斌等, 2004; 全汉锋等, 2015)。

具刺膝沟藻和网状原角藻能产生虾夷扇贝毒素(YTX)(Chikwililwaet al, 2019), 而具刺膝沟藻在福宁湾所有站位均有分布。虽然我国目前尚无YTX 毒素原因种的赤潮, 但是这些藻类的孢囊在沉积物中普遍分布(石雅君等, 2011; Tanget al, 2021), YTX 类毒素也不时在浮游植物样品和贝类样品中被检出(Jianget al, 2017; Liuet al, 2021)。锥状斯氏藻是全世界范围内广泛分布的孢囊种类, 在我国南海、东海、南黄海的近岸海域广泛分布(Tanget al, 2021), 其赤潮也常在广东大亚湾发生(Wanget al, 2007), 同时锥状斯氏藻也是福宁湾浮游植物中的常见种类(陈国斌等,2004), 本研究中其孢囊分布较为广泛而且密度较高。Barrufeta bravensis是一种裸甲藻新属新种, 曾在西北地中海发生赤潮(Sampedroet al, 2011), 我国目前尚未有该种的报道, 本研究中该藻孢囊分布广泛而且密度较高, 需引起关注。