複数年にわたる分析により、バルト海固有の資源の季節性とプランクトン性食物網の構成が明らかになりました

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11865 (2023) この記事を引用

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細菌から動物プランクトンまでの浮遊領域は、遠洋性水生食物網のベースラインを提供します。しかし、複数の栄養段階が時系列研究に含まれることはめったになく、食物網の構造や生物地球化学サイクルに対する季節動態や種の相互作用の影響についての全体的な理解を妨げています。今回、我々は、2011年から2018年にかけてバルト海のリンネ微生物観測所（LMO）基地において、細菌プランクトン、植物プランクトン、大型中動物プランクトンに焦点を当て、プランクトン群集の構成と、生物的要因と非生物的要因の相関関係を調査した。プランクトン群集の構造は、顕著な動的な構造を示した。繰り返しのパターンでシフトします。ここで研究したプランクトン性微生物食物網の全炭素に対する部分を要約すると、夏の間、植物プランクトンが一貫して 39% 以上の寄与を示し、細菌プランクトンと大型中動物プランクトンがそれぞれ ~ 30% と ~ 7% の寄与を示していることがわかります。ラン藻、放線菌、バクテロイデス、およびプロテオバクテリアは、原核生物の中でも重要なグループでした。重要なのは、桿菌藻類ではなく渦藻類が独立栄養性の春の開花を支配していたのに対し、リトストマテア（繊毛虫）と付属器官は、より伝統的に観察されている中動物プランクトン、カイアシ類、クラドケラ類とともに消費者主体に大きく貢献したことである。プランクトン組成と炭素貯蔵量の両方における季節性に関する我々の発見は、生物地球化学サイクルの調節を特徴づけ、生態系モデルを適切に制約するための食物網構造の時系列分析の重要性を強調している。

バルト海は世界最大の汽水系の 1 つです1。漁業、レクリエーションボート、水泳、海景全体の楽しみなど、複数の社会経済サービスを提供しています2。バルト海は、富栄養化や汚染など、生態系に深刻な影響を与える複数の人為的ストレス因子や生態系サービスの過剰利用の影響をこれまでも、そして今も大きく受けています3,4。プランクトン群集の生産は、より高い栄養段階に移行します。しかし、伝達効率を調節するメカニズムはまだ十分に解明されておらず、さらに人為的ストレス因子の影響を受ける可能性もあります5。そのため、バルト海は、野生/養殖魚介類、栄養素や汚染物質の除去、観光などの生態系サービスが人為的ストレス因子によってどのように影響を受けるかを明らかにすることができ、それによって海洋生物の持続可能な利用を確保するための生態系ベースの管理について、より広い視野を提供することができます。バルト海。

細菌、植物、動物プランクトンのコミュニティなどの一次生産者と消費者は、菌類や古細菌とともに遠洋食物網の基盤を構成しており、その代謝活動は地球規模の元素循環に大きな影響を与えています6、7、8、9、10、11、12。、13．従属栄養微生物は栄養素をリサイクルし、一次生産者によって生産されたエネルギーを散逸させるため、食物網におけるより高い栄養段階へのエネルギーと物質の総流れは、微生物群集の構造と機能に大きく依存します14、15、16。水生食物網の根元にある生物は、食物網全体のより高い栄養レベルにとって重要なバイオマスと化合物を生成します。例えば、異栄養性プランクトンと独立栄養性プランクトンは両方とも、高等生物に普遍的に必要とされるビタミンなどの合成において重要な役割を果たしています17。さらに、魚は捕食によって直接、または捕食者の放出によって間接的にプランクトン群集に影響を与えます18,19。したがって、環境パラメータと細菌、植物、動物プランクトンの季節動態に関する地域的な長期調査は、食物網の構造と機能に関する新しい知識を提供する可能性があります。

バクテリオプランクトンは、豊富な存在量、種の数、機能的特性、他の微生物との数多くの相互作用、およびより高い栄養レベルに起因して、水生食物網において極めて重要な役割を果たしています。水生生態系では、主な一次生産者は植物プランクトン 20,21 であり、世界の一次生産者バイオマスの 0.2% にすぎませんが、純生産量の 50% を占めます (例 21,22)。植物プランクトンは動物プランクトンによって放牧され、生態系の生産性に応じて、動物プランクトンは毎日の放牧によって一次生産量の 10 ～ 40% を消費する可能性があると推定されています 23。重要なのは、群集構造やサイズ構造、生産量の小さな変化でさえ、魚の生産を含む生態系全体に複雑かつ大規模な影響を与える可能性があるということです4,24,25。それにもかかわらず、プランクトン領域内の複数の栄養段階を含む研究は比較的少数であり、群集構成および非生物パラメータの測定とともに総バイオマス推定値をカバーすることはほとんどありません8、26、27、28、29、30、31、32。

0.125 kg m−3, compared to the surface density73. Over the sampling time span, 13 sampling occasions had a mixed layer depth between 0 and 1 m, which could be caused by the stabilization time being too short. However, all samplings are presented as this was considered to have limited effects on the interpretation of our results. In addition, STRÅNG data (sunshine duration and PAR) were extracted from the Swedish Meteorological and Hydrological Institute (SMHI) and produced with support from the Swedish Radiation Protection Authority and the Swedish Environmental Agency. Spearman correlations to investigate relationships among biotic and abiotic parameters used the complete dataset with individual samplings. To investigate relationships among bacterio-, phyto- and the large mesozooplankton community composition, Spearman correlations for relative biomasses of bacterio-, phyto- and large mesozooplankton were used and in addition to the five taxonomical groups of large mesozooplankton presented in Fig. 1. Litostomatea (principally Mesodinium rubrum) is a mixotroph74,75 but was here considered a predator in the analysis. The output from the analysis was visualized using the “circlize” package76 in combination with the “ComplexHeatmap” package77. ‘Other zooplankton’ included specimens from the classes Thecostraca, Bivalvia, Malacostraca, Gastropoda, Clitellata, Ostracoda, Polychaeta, Thaliacea, Oligotrichea as well as specimens of the phyla Chaetognatha, Echinodermata and unidentified. Contribution to the relative biomass was always < 2% for each separate class/phyla included in ‘Other zooplankton’./p> 10 µg L−1 (Fig. 1f; Fig. S1f.). Phytoplankton biomass displayed a similar pattern compared to Chl a, with a spring bloom in April (days 91–120), reaching ~ 250 mg C m−3. During late spring, phytoplankton biomass had decreased to around 100 mg C m−3 (Fig. 2c) and a second peak was reached by mid-summer (July, 182–212) at ~ 200 mg C m−3. Subsequently, biomass stabilized around 100 mg C m−3 and decreased to winter values in December-January (25–50 mg C m−3). Phytoplankton were quantified using slightly different analytical methods during 2011–2014 compared to 2015–2018 (see material and methods) indicating that separate analysis of the two time periods is necessary. Biomass did not display a large interannual variability during the two periods 2011–2014 and 2015–2018 when analyzed separately. However, biomass was higher throughout the first period compared to the later (Fig. S4b). This result was probably related to the differences in the analytical procedure for the two time periods. Total biomass of large mesozooplankton displayed a seasonal trend with winter biomass of ~ 1 mg C m−3, followed by a rapid increase in mid-spring (May, days 121–151) peaking during early summer (June, days 152–181)) with large mesozooplankton biomass of ~ 10 mg C m−3 being stable for about a month (Fig. 2e). Towards the end of July (day 212), large mesozooplankton started to decrease and by autumn reached ~ 5 mg C m−3. The biomass of large mesozooplankton displayed low interannual variability, with similar seasonality among the years (Fig. 2e; Fig. S4c)./p> 0.05./p> 39% of the total carbon in the plankton food web. During spring, phytoplankton carbon and its relative contribution was highest (65%), whilst reaching minimal values in winter (39%). During summer and autumn, phytoplankton carbon was at a similar level, considering both amount and relative contribution (Fig. 6; Table S2). Litostomatea (exclusively the ciliate M. rubrum) made a noteworthy contribution to total carbon in the plankton communities, comprising > 20% of the total carbon throughout all seasons. During winter, Litostomatea had the lowest carbon levels, whilst the highest levels were found during summer. For most of the seasons, large mesozooplankton carbon and relative contribution was low (1–3%), except during summer when values peaked (7%). During winter and spring, large mesozooplankton carbon was at its lowest. Autumn large mesozooplankton carbon was two times higher than winter and spring levels (Fig. 6; Table S2)./p> 55% of the community (average per season). Yet, other taxa such as Appendicularia appear to have a significant role in the Baltic Sea in relation to copepods and cladocerans. Small-sized zooplankton were not included in this study, due to the sampling technique, making inferences about them in terms of abundance and biomass in relation to large mesozooplankton impossible. However, other studies have shown that small-sized zooplankton, such as rotifers and small cladocerans, play a critical role, both in terms of biomass and abundance, in the Baltic food web8,10. Furthermore, ciliates (Litostomatea; M. rubrum) also contributed to a large fraction of the carbon pool throughout the year, although some studies suggest that their life-style is dominated by autotrophy74,75, questioning their importance as predators. This suggests that a diverse and dynamic plankton community should be considered when assessing the food web structure, which could help explain the interactions in the planktonic realm./p>