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热带海洋学报 >

2025 , Vol. 44 >Issue 5: 97 - 107

DOI: https://doi.org/10.11978/2025006

海洋生物学

三亚湾夏季原核生物的微型浮游动物摄食率与病毒裂解率*

  • 李春山 , 1, 2 ,
  • 张建东 , 3 ,
  • 龙超 3 ,
  • 龙丽娟 1 ,
  • 黄思军 , 1
展开
  • 1.中国科学院南海海洋研究所, 中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室, 广东 广州 510301
  • 2.中国科学院大学, 北京 100049
  • 3.中国科学院南海海洋研究所, 海洋环境工程中心, 广东 广州 510301
黄思军。email:

*感谢匿名审稿专家提出的宝贵修改意见和建议。

李春山(1998—), 男, 河南省信阳市人, 硕士研究生, 从事海洋微生物生态学研究。email: 。

张建东(1988—), 男, 山东省潍坊市人, 高级工程师, 从事海洋微生物生态学研究。email: 。

Copy editor: 殷波

收稿日期: 2025-01-07

  修回日期: 2025-03-05

  网络出版日期: 2025-03-18

基金资助

国家自然科学基金项目(42176116)

国家自然科学基金项目(42306134)

国家自然科学基金项目(41576126)

国家科技基础资源调查专项(2023FY100803)

广东省自然科学基金项目(2017A030306020)

中国科学院南海海洋研究所“南海新星”项目(NHXX2019ST0101)

收起

Microzooplankton grazing rates and viral lysis rates on prokaryotes in summer Sanya Bay*

  • LI Chunshan , 1, 2 ,
  • ZHANG Jiandong , 3 ,
  • LONG Chao 3 ,
  • LONG Lijuan 1 ,
  • HUANG Sijun , 1
Expand
  • 1. Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Acedemy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. Marine Environmental Engineering Center, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
HUANG Sijun. email:

Received date: 2025-01-07

  Revised date: 2025-03-05

  Online published: 2025-03-18

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42176116)

National Natural Science Foundation of China(42306134)

National Natural Science Foundation of China(41576126)

Science & Technology Fundamental Resources Investigation Program(2023FY100803)

Natural Science Foundation of Guangdong Province(2017A030306020)

Rising Star Foundation of the South China Sea Institute of Oceanology(NHXX2019ST0101)

Fold

摘要

海洋原核生物碳流向的时间序列研究有限, 尤其在中国南海海域。在三亚湾开展的为期一个月的研究中, 我们分析了原核生物的微型浮游动物摄食率与病毒裂解率的时间序列变化。结果表明, 原核生物的生长率(μ)高于病毒裂解率(v)和微型浮游动物摄食率(g)之和, 平均值为(2.69±0.66)d-1, 范围为1.61~3.87d-1; 病毒裂解率平均值为(0.77±0.34)d-1, 范围为0.31~1.21d-1; 微型浮游动物摄食率平均值为(0.83±0.58)d-1, 变化范围为0.12~1.88d-1。原核生物的病毒裂解碳量(Cv)和微型浮游动物摄食碳量(Cg)相当, 均达到~106fg·mL-1。病毒裂解率与微型浮游动物摄食率呈负相关关系, 裂解百分比(Pv)与摄食百分比(Pg)同样也呈负相关; 然而, 病毒裂解碳量和微型浮游动物摄食碳量呈显著正相关。原核生物的病毒裂解作用和微型浮游动物摄食作用的强度在时间序列上的变化幅度较大, 而总体上裂解作用和摄食作用对原核生物死亡率的贡献相当, 共同组成了原核生物碳流向的两个重要途径。南海三亚湾原核生物的碳流通途径研究为认知海洋生产力结构和碳循环机制提供了数据支持。

关键词： 微型浮游生物; 原核生物; 原核生物碳流向; 病毒裂解作用; 微型浮游动物摄食作用

本文引用格式

李春山 , 张建东 , 龙超 , 龙丽娟 , 黄思军 . 三亚湾夏季原核生物的微型浮游动物摄食率与病毒裂解率*[J]. 热带海洋学报, 2025 , 44(5) : 97 -107 . DOI: 10.11978/2025006

Abstract

Studies on the temporal dynamics of carbon flux on prokaryotic organisms are limited, particularly in the South China Sea. During a month-long study in Sanya Bay, we examined the temporal dynamics of zooplankton grazing rate and viral lysis rate on prokaryotes. Our study revealed that prokaryotic growth rate (µ) surpassed the combined rates of viral lysis (v) and microzooplankton grazing (g), averaging (2.69 ± 0.66) d-1 (1.61 ~ 3.87 d-1). The viral lysis rate averaged (0.77 ± 0.34) d-1 (0.31 ~ 1.21 d-1), while the microzooplankton grazing rate averaged (0.83 ± 0.58) d-1 (0.12 ~ 1.88 d-1). The carbon flux caused by viral lysis (Cv) and zooplankton grazing (Cg) on prokaryotes was nearly equal, each approximating 106 fg·mL-1. Negative correlations were observed between viral lysis rates and microzooplankton grazing rates, as well as between the percentage of prokaryotic cells lysed by viruses (Pv) and the percentage of prokaryotic cells grazed by microzooplankton (Pg). Conversely, a significant positive correlation was noted between viral lysis-caused carbon flux and microzooplankton grazing-caused carbon flux. Overall, viral lysis and microzooplankton grazing on prokaryotes exhibited substantial variability over the study period, with both processes contributing equally to prokaryotic mortality, highlighting their significance in prokaryotic carbon flux. Elucidating the carbon flow pathways on prokaryotes through time-series analysis in the South China Sea provides new data on marine productivity structure and carbon cycling mechanisms.

Key words： picophytoplankton; prokaryotes; carbon flux; viral lysis; microzooplankton grazing

微微型浮游生物一般是指粒径小于2μm的浮游生物, 其主要类群包括原绿球藻(Prochlorococcus)、聚球藻(Synechococcus)、超微型真核藻类(Picoeukaryote)、原核生物(Prokaryotes, 包括细菌和古菌)及浮游病毒(viroplankton)。微微型浮游生物是海洋生态系统的重要组成部分, 广泛地分布于河口、近岸、近海及开阔大洋水体中(Wang et al, 2010; Wei et al, 2022; Chen et al, 2023); 同时也是海洋生态系统中生物量和生产力的重要贡献者, 在海洋生态系统物质循环和能量流动中发挥着重要作用 (Sieburth et al, 1978; Richardson et al, 2007; Richardson, 2019)。海洋中真核与原核藻类是主要的初级生产者; 异养原核生物是有机物质的分解者, 在微食物环(microbial loop)中扮演重要角色, 可以再循环利用环境中的有机物, 使它们重新进入食物网物质与能量的传递过程(Polimene et al, 2016; Heneghan et al, 2024)。病毒可以裂解细菌和藻类, 释放其细胞内部的溶解有机物质, 将原本应流向更高营养级的物质返回环境中, 产生了病毒分流(viral shunt), 影响着海洋生物地球化学循环和多种生态过程(Suttle, 2007; Zimmerman et al, 2020)。
原核生物的消亡主要由两个生态过程主导, 分别是微型浮游动物的摄食和病毒的裂解。海洋微型浮游动物(microzooplankton)是指粒径介于2~200μm的浮游动物, 它们是原核生物主要的摄食者(Pernthaler, 2005; Calbet, 2008)。随着海洋中病毒具有高丰度的发现, 病毒裂解作用对生态系统的影响继微型浮游动物摄食作用之后, 逐渐引起了广泛关注(Bergh et al, 1989; Proctor et al, 1990)。微微型浮游生物丰度和分布不仅与病毒的裂解作用与微型浮游动物的摄食作用有关(Parsons et al, 2012; Gainer et al, 2017), 还受到多种生物和非生物因素的影响(Burns et al, 1991; Ning et al, 2004; Beg Paklar et al, 2020; Sánchez et al, 2020; Wei et al, 2022)。Landry等(1982)开发的“稀释培养法”最先被用于微型浮游动物摄食率的估计, 后经Evans等(2003)改良被广泛应用于测定微型浮游动物摄食率和病毒裂解率(Jacquet et al, 2005; Tijdens et al, 2008; Parvathi et al, 2014; Tsai et al, 2015a)。然而, 由于稀释培养试验过程的烦琐, 同时缺乏其他更直接的检测方法, 微型浮游动物的摄食作用与病毒的裂解作用研究十分匮乏。时间序列调查是研究生态系统中生物类群的存量、丰度变化、生态过程通量的重要手段。然而, 目前研究海洋水体环境中原核生物的微型浮游动物摄食率和病毒裂解率的时间序列研究同样匮乏。
本研究以三亚湾为研究区域, 采用稀释培养法, 开展了为期一个月的调查, 分析并阐述了不同微微型浮游生物类群丰度的变化, 探究了原核生物的微型浮游动物摄食率与病毒裂解率, 以期加深对三亚湾微微型浮游生物生态学过程的认识。

1 材料与方法

1.1 采样和物理参数

在中国海南省三亚鹿回头附近海域设置一个固定采样点(109°28′27″E, 18°12′43″N), 采样点距海岸线约30m, 水深5~6m, 采样时间为2023年8月29日至9月22日, 共24d, 期间收集了13个样品。用5L有机玻璃采水器采集表层海水(约1m水深处), 用于病毒对原核生物的裂解率、微型浮游动物对原核生物的摄食率、微微型浮游生物丰度、叶绿素a (Chl a)和营养盐浓度的测定。
50mL水样经过0.45μm针孔过滤器过滤后储存于无菌离心管中, 冷冻于-20℃以用于营养盐分析。1L海水通过GF/F膜(Whatman)过滤, 滤膜保存于液氮中, 用于叶绿素a浓度的测定。取1.96mL经过20μm筛绢预过滤的海水样品用50%戊二醛(V/V) 40μL在黑暗中固定15min后, 迅速放于液氮中储存, 用于测定微微型浮游生物的丰度。此外, 约10L水样用于改良稀释法测定原核生物的病毒裂解率及微型浮游动物的摄食率。改良稀释法中, 培养前后各取1.96mL的原核生物样品, 用50%戊二醛(V/V) 40μL在黑暗中固定15min后, 迅速放于液氮中储存, 通过流式细胞仪计数前需要使用20μm筛绢预过滤, 用于测定培养前后原核生物的丰度。稀释试验所用容器在使用前用无菌水清洗3次。

1.2 环境因子的测定

温度、盐度和溶解氧等指标使用YSI Pro Plus (Yellow Spring Instruments, 美国)现场测定。营养盐样品解冻后, 采用自动注射分析仪AA3 (Seal Auto Analyzer 3, Bran-Luebbe GmbH, 德国)同步测定5项营养盐的浓度, 包括铵盐( $\text{N}{\text{H}}_{4}^{+}$-N)、硝酸盐( $\text{N}{\text{O}}_{3}^{-}$-N)、亚硝酸盐( $\text{N}{\text{O}}_{2}^{-}$-N)、磷酸盐( $\text{P}{\text{O}}_{4}^{3-}$-P)、硅酸盐( $\text{Si}{\text{O}}_{3}^{2-}$-Si)。将叶绿素滤膜浸入90%丙酮(V/V)溶液中, 在4℃黑暗条件下萃取24h后, 用Turner Trilogy叶绿素荧光计(Turner Design Inc., 美国)测定叶绿素a的浓度(Zhang et al, 2024)。

1.3 微微型浮游生物测定

样品室温解冻后, 用流式细胞仪(Cytoflex S, Beckman Coulter, 美国)测定微型真核生物(PicoEuk)、聚球藻(Syn)、原核生物(Prok)、病毒(Vir)的丰度。PicoEuk的细胞浓度基于红色叶绿素荧光(488nm)和侧向散射光进行测定; 富含藻红蛋白的聚球藻(PE_Syn)通过橙色荧光(561nm)和侧向散射光测定; 而富含藻蓝蛋白的聚球藻(PC_Syn)则通过APC荧光(638nm)和红色叶绿素荧光(488nm)测定。为了定量原核生物(Prok)和病毒(Vir)的丰度, 在黑暗中使用SYBR Green I (终浓度分别为5×10-5和10-4的分子探针储备液)(Thermo Fisher, Waltham, 美国)分别在80℃和室温条件下染色15min后, 使用绿色荧光(488nm)和侧向散色光进行测定。

1.4 改良稀释法

根据Evans等(2003)的方法, 本研究测定了浮游原核生物的病毒裂解率和微型浮游动物的摄食率。首先, 通过200μm筛网过滤天然海水, 获得仅含微型浮游生物的样品。然后将该海水与0.45μm过滤的“无摄食有病毒海水”和0.02μm过滤的“无摄食无病毒海水”按100%、70%、40%和20%的比例混合, 形成200mL的混合体系, 置于流动海水中露天培养24h。使用500mL透明聚碳酸酯瓶进行培养, 并在培养前后取流式样品。
改良稀释法假设原核生物的生长率与稀释度无关, 而病毒裂解率和摄食率与稀释度成正比。因此, 通过对原核生物表观生长率与稀释度进行线性回归, 可以获得原核生物生长率(μ)、微型浮游动物摄食率(g)及病毒裂解率(v)。在“无摄食有病毒海水”稀释组中, 仅稀释微型浮游动物, 其斜率代表微型浮游动物的摄食率(g); 而在“无摄食无病毒海水”稀释组中, 同时稀释微型浮游动物及病毒, 其斜率为微型浮游动物摄食率和病毒裂解率之和(g+v), 其截距则对应原核生物内禀生长率(μ)。
原核生物的表观生长率(k)用公式(1)计算:
$k\text{ }=\frac{1}{t}\text{ ln}\frac{{R}_{\text{t}}}{{R}_{0}}$
裂解作用和摄食作用对原核生物现存量的裂解百分比(Pv)和摄食百分比(Pg)用公式(2)、(3)计算:
${P}_{\text{v}}=(1-{\text{e}}^{-vt})\times 100\%$
${P}_{\text{g}}=(1-{\text{e}}^{-gt})\times 100\%$
裂解作用和摄食作用对原核生物所贡献碳的裂解量(Cv)和摄食量(Cg)用公式(4)、(5)计算:
${C}_{\text{v}}={P}_{\text{v}}\times A\times {C}_{\text{c}}$
${C}_{\text{g}}={P}_{\text{g}}\times A\times {C}_{\text{c}}$
式中: k为表观生长率(单位: d-1), t为培养时间(单位: d), Rt和R0分别为培养开始和结束时原核生物的丰度(单位: cells·mL-1), v为病毒裂解率(单位: d-1), g为微型浮游动物摄食率(单位: d-1), A为原核生物的丰度(单位: cells·mL-1), Cc为原核生物的单细胞碳生物量(单位: fg·cell-1), 本研究原核生物单细胞碳生物量采用 9.1fg·cell-1 (Buitenhuis et al, 2012)。
通过上述方法, 统计分析原核生物固定的碳在不同流通途径上的量及两种作用对碳循环的影响。

1.5 数据分析

使用Ocean Data View软件绘制采样站位图。变异系数(标准差与平均值之比)用于比较微微型浮游生物丰度、裂解率及摄食率的变化程度。用R语言软件对环境因子、微微型浮游生物丰度、摄食率、裂解率等数据进行统计分析和相关性分析(Jiao et al, 2020; Zhang et al, 2024)。同时, 应用多元回归模型(R中的lm函数)和方差分解分析(R中“relaimpo”包中的calc.relimp函数)(Grömping, 2006)来评估海水理化性质的差异在解释不同微微型浮游生物丰度、原核生物生长率、病毒裂解作用及微型浮游动物摄食作用的重要性。最后, 使用“ggplot2” (Ginestet, 2011)或“corplot”生成所有图。

2 结果

2.1 三亚湾采样期间环境变化

三亚湾24d采样期间的环境参数如图1所示。时间序列中, 海水温度的平均值为(28.33±1.16)℃, 变化范围为26.10℃~29.40℃。低温26.1℃出现在8月29日至30日, 随后温度逐渐上升, 9月7日达到最高29.4℃后又有所降低, 直到9月19日28.4℃后再度上升至第二高点(29.4℃)。盐度的波动范围为31.97‰~33.73‰, 平均值为(32.99±0.43)‰。在采样初期盐度相对稳定, 但在9月11日骤然下降至最低点31.97‰, 之后稳定上升。溶解氧的质量浓度平均值为(5.63±0.50)mg·L-1, 变化范围为4.26~6.30mg·L-1; 叶绿素a质量浓度的平均值为(0.39±0.17)μg·L-1。铵盐( $\text{N}{\text{H}}_{4}^{+}$-N)、硝酸盐( $\text{N}{\text{O}}_{3}^{-}$-N)、亚硝酸盐( $\text{N}{\text{O}}_{2}^{-}$-N)、磷酸盐( $\text{P}{\text{O}}_{4}^{3-}$-P)、硅酸盐( $\text{Si}{\text{O}}_{3}^{2-}$-Si)的浓度变化呈现相似规律, 均在9月11日达到最高点。表1总结了各环境参数的变化范围及平均值。
图1 三亚湾采样期间的环境参数变化情况

Fig. 1 Variation of environmental parameters in Sanya Bay over the one-month sampling period

表1 三亚湾采样期内的环境因子与生物参数统计

Tab. 1 Statistics of environmental and biological parameters in Sanya Bay over the one-month sampling period

参数 范围 平均值(X±SD) 参数 范围 平均值(X±SD)
温度/℃ 26.10~29.40 28.33±1.16 Syn/(×104cells·L-1) 0.33~7.38 2.98±2.47
盐度/‰ 31.97~33.73 32.99±0.43 PC_Syn/(×102cells·L-1) 1.0~15.00 6.38±4.39
DO/(mg·L-1) 4.26~6.30 5.63±0.50 PE_Syn/(×104cells·L-1) 0.31~7.33 2.92±2.46
Chl a/(μg·L-1) 4.26~6.30 0.39±0.17 Vir/(×107VLPs·mL-1) 0.11~2.82 1.00±0.78
${\text{NO}}_{\text{3}}^{-}$-N/(μmol·L-1) 0.96~3.88 1.83±0.82 μ /d-1 1.61~3.87 2.69±0.66
${\text{NO}}_{\text{2}}^{-}$-N/(μmol·L-1) 0.09~0.26 0.15±0.04 v/d-1 0.31~1.21 0.77±0.34
${\text{NH}}_{\text{4}}^{+}$-N/(μmol·L-1) 1.51~4.23 2.84±0.70 g/d-1 0.12~1.88 0.83±0.58
${\text{PO}}_{\text{4}}^{3-}$-P/(μmol·L-1) 0.05~0.30 0.12±0.06 Pv/% 6.18~70.31 50.86±18.04
${\text{SiO}}_{\text{3}}^{2-}$-Si/(μmol·L-1) 2.55~7.00 3.88±1.33 Pg/% 0.29~84.70 49.69±26.53
Prok/(×105cells·L-1)) 2.33~14.00 5.79±4.07 Cv/(×106fg·mL-1) 0.18~7.75 2.66±2.11
PicoEuk/(×103cells·L-1) 0.01~4.20 1.82±1.46 Cg/(×106fg·mL-1) 0.01~9.51 2.81±2.61

注: DO: 溶解氧; Chl a: 叶绿素a; Prok: 原核生物; PicoEuk: 微型真核生物; Syn: 聚球藻; PC_Syn: 富含藻蓝蛋白的聚球藻; PE_Syn: 富含藻红蛋白的聚球藻; Vir: 病毒; VLP: 病毒样颗粒; μ: 原核生物生长率; v: 病毒裂解率; g: 微型浮游动物摄食率; Pv: 病毒裂解百分比; Pg: 微型浮游动物摄食百分比; Cv: 病毒裂解碳量; Cg: 微型浮游动物摄食碳量

2.2 微微型浮游生物丰度的变化

微微型浮游生物的丰度变化范围和平均值如表1所示。总体而言, 微微型浮游生物的丰度按以下顺序排列: 病毒 > 原核生物 > 微微型蓝细菌 > 微型真核生物(图2和表1), 这一结果与以往研究一致(Wigington et al, 2016; Flombaum et al, 2020)。4个微微型浮游生物类群之间的丰度差异达到1~2个数量级。例如, 三亚湾病毒和浮游原核生物的丰度平均值分别为(1.00±0.78)×107VLPs·mL-1和(5.79±4.07)× 105cells·mL-1。微微型蓝细菌中, 富含藻红蛋白的聚球藻(PE_Syn)丰度相较富含藻蓝蛋白的聚球藻(PC_Syn)丰度要高1~2个数量级, PE_Syn丰度平均值为(2.9±2.46)×104cells·mL-1, 而PC_Syn丰度平均值仅为(6.38±4.39)×102cells·mL-1。微微型浮游生物丰度的变异系数表现出以下降序: 微微型蓝细菌 > 微型真核生物 > 病毒 > 原核生物。
图2 三亚湾采样期间的微微型浮游生物群丰度变化

a. 微微型浮游生物及病毒丰度的日变化趋势; b. 微微型浮游生物及病毒丰度的分布特征。Vir: 病毒; Prok: 原核生物; Syn: 聚球藻; PicoEuk: 微型真核生物; PE_Syn: 富含藻红蛋白的聚球藻; PC_Syn: 富含藻蓝蛋白的聚球藻。图b中的数字为变异系数值, 用于评估参数的波动范围

Fig. 2 Fluctuations of picoplankton abundances in Sanya Bay over the one-month sampling period. (a) Diurnal variation in the abundances of picoplankton and viruses; (b) abundance distribution and variation across picoplankton and virus groups. Vir: virioplankton; Prok: prokaryotes; Syn: Synechococcus; PicoEuk: picoeukaryotes; PC_Syn: phycocyanin-rich Synechococcus; PE_Syn: phycoerythrin-rich Synechococcus; The numerical values in panel b represent the coefficient of variation, used to assess the variability in the abundance of each group

2.3 原核生物生长率、被摄食率及被裂解率的变化

原核生物的生长率(μ)、摄食作用参数(g、Pg、Cg)和裂解作用参数(v、Pv、Cv)在一个月内的变化和波动情况如图3所示, 波动范围及平均值详见表1。原核生物的生长率高于病毒裂解率和微型浮游动物摄食率之和, 平均值为(2.69±0.66)d-1, 范围为1.61~ 3.87d-1, 这一结果与以往的研究一致(Tsai et al, 2015a)。病毒裂解率平均值为(0.77±0.34)d-1, 变化范围为0.31~1.21d-1, 微型浮游动物摄食率平均值为(0.83±0.58)d-1, 变化范围为0.12~1.88d-1。在一个月内, 病毒的裂解作用与微型浮游动物的摄食作用交替占主导地位, 二者共同导致原核生物的死亡(Tsai et al, 2016)。病毒裂解百分比平均值为(50.86±18.04)%, 微型浮游动物摄食百分比平均值为(49.69±26.53)%; 病毒裂解碳量和微型浮游动物摄食碳量均达到~106fg·mL-1。时间尺度上, 裂解作用和摄食作用对原核生物死亡率的贡献总体相当, 共同组成了原核生物碳流向的两个重要途径。
图3 三亚湾在一个月内的原核生物生长率、病毒裂解作用及微型浮游动物摄食作用日变化

a. 病毒裂解率、微型浮游动物摄食率和原核生物生长率日变化折线图; b. 病毒裂解率、微型浮游动物摄食率和原核生物生长率日变化箱线图; c. 病毒裂解百分比和微型浮游动物摄食百分比日变化折线图; d. 病毒裂解百分比和微型浮游动物摄食百分比日变化箱线图; e. 病毒裂解碳量和微型浮游动物摄食碳量日变化折线图; f. 病毒裂解碳量和微型浮游动物摄食碳量日变化箱线图。μ: 原核生物生长率; v: 病毒裂解率; g: 微型浮游动物摄食率; Pv: 病毒裂解百分比; Pg: 微型浮游动物摄食百分比; Cv: 病毒裂解碳量; Cg: 微型浮游动物摄食碳量。图b、d、f中的数字表示变异系数值, 用于评估参数的波动范围

Fig. 3 Diurnal variations in prokaryotic growth rates, viral lysis, and microzooplankton grazing in Sanya Bay over the one-month sampling period. (a) Line graph showing the diurnal variation in viral lysis rate, microzooplankton grazing rate, and prokaryotic growth rate; (b) boxplot showing the diurnal variation in viral lysis rate, microzooplankton grazing rate, and prokaryotic growth rate; (c) line graph showing the diurnal variation in the percentage of cells lysed by viruses and grazed by microzooplankton; (d) boxplot showing the diurnal variation in the percentage of cells lysed by viruses and grazed by microzooplankton; (e) line graph showing the diurnal variation in carbon flux caused by viral lysis and microzooplankton grazing; (f) boxplot showing the diurnal variation in carbon flux caused by viral lysis and microzooplankton grazing. μ: prokaryotic growth rate; v: viral lysis rate; g: microzooplankton grazing rate; Pv: percentage of cells lysed by viruses; Pg: percentage of cells grazed by microzooplankton; Cv: carbon flux caused by viral lysis; Cg: carbon flux caused by microzooplankton grazing. The values shown in panels b, d, and f indicate the coefficient of variation, used to reflect the extent of variability in each parameter

2.4 原核生物的病毒裂解率与微型浮游动物摄食率的主要影响因素

为了确定影响微微型浮游生物丰度和原核生物的病毒裂解率与微型浮游动物摄食率的环境参数, 我们将这些值与环境参数两两配对, 进行多元回归分析及Pearson相关性分析(图4)。较高的解释变异比例表明模型拟合良好。基于相关性和最佳多元回归模型, 我们检查了每组生物参数与环境参数的差异的相关性, 并确定了主要预测因子。在各因素中, 营养盐浓度( $\text{N}{\text{H}}_{4}^{+}$-N、 $\text{N}{\text{O}}_{3}^{-}$-N、 $\text{N}{\text{O}}_{2}^{-}$-N、 $\text{P}{\text{O}}_{4}^{3-}$-P、 $\text{Si}{\text{O}}_{3}^{2-}$-Si)与微微型浮游生物的丰度、病毒裂解作用参数(v、Pv、Cv)、微型浮游动物摄食作用参数(g、Pg、Cg)的相关性高于水体温度、盐度、溶解氧等水文参数。其中, $\text{N}{\text{O}}_{2}^{-}$-N和 $\text{Si}{\text{O}}_{3}^{2-}$-Si 对微微型浮游生物丰度、裂解作用、摄食作用的解释度最高。此外, Chl a浓度与病毒裂解作用呈正相关, 与摄食作用呈负相关。
图4 环境因子对浮游生物群落差异、原核生物生长率、病毒裂解作用及微型浮游动物摄食作用差异的贡献

a. 各响应变量被环境因子解释的变异比例; b. 环境因子与各响应变量之间的 Pearson 相关性及重要性。PC_Syn: 富含藻蓝蛋白的聚球藻; PE_Syn: 富含藻红蛋白的聚球藻; Syn: 聚球藻; PicoEuk: 微型真核生物; Prok: 原核生物; Vir: 病毒; v: 病毒裂解率; g: 微型浮游动物摄食率; μ: 原核生物生长率; Pv: 病毒裂解百分比; Pg: 微型浮游动物摄食百分比; Cv: 病毒裂解碳量; Cg: 微型浮游动物摄食碳量

Fig. 4 Contributions of environmental factors to the differences in planktonic community, prokaryotic growth rates, viral lysis, and microzooplankton grazing. (a) Proportion of variance in each response variable explained by environmental factors; (b) Pearson correlations (color gradient) and variable importance (circle size) between environmental factors and response variables

进一步的相关性分析显示, 三亚湾不同微微型浮游生物丰度之间普遍存在正相关关系(图5)。在不同浮游生物类群中, 除了微型真核生物的丰度与PC_Syn的丰度呈负相关外, 其他所有浮游生物类群之间都表现出正相关关系。原核生物生长率与聚球藻、微型真核生物和原核生物的丰度呈负相关, 但与病毒裂解率和微型浮游动物摄食率则呈正相关(图5)。病毒裂解率与病毒丰度呈正相关, 与微型真核生物和原核生物丰度呈负相关。病毒裂解率与微型浮游动物摄食率呈负相关关系, 裂解百分比与摄食百分比同样也呈负相关, 这与图3观察到的病毒的裂解作用及微型浮游动物的摄食作用交替占优势的结果一致。然而, 病毒裂解碳量和微型浮游动物摄食碳量呈显著正相关, 这也证实了病毒的裂解作用和微型浮游动物的摄食作用对原核生物死亡率的贡献相当。而且, Cv和Cg与聚球藻、微型真核类、原核生物的丰度都具有正相关关系。
图5 浮游生物群落、原核生物生长率、病毒裂解作用及微型浮游动物摄食作用的相关性分析

PC_Syn: 富含藻蓝蛋白的聚球藻; PE_Syn: 富含藻红蛋白的聚球藻; Syn: 聚球藻; PicoEuk: 微型真核生物; Prok: 原核生物; Vir: 病毒; v: 病毒裂解率; g: 微型浮游动物摄食率; μ: 原核生物生长率; Pv: 病毒裂解百分比; Pg: 微型浮游动物摄食百分比; Cv: 病毒裂解碳量; Cg: 微型浮游动物摄食碳量。*: P<0.05

Fig. 5 Correlation analysis of planktonic community, prokaryotic growth rates, viral lysis, and microzooplankton grazing

3 讨论

3.1 微微型浮游生物的时间序列变化

在本研究中, 我们观察到三亚湾微微型浮游生物丰度及原核生物生长率和原核生物碳流向的日变化(图2、图3)。结果显示, 在一个月内, 三亚湾不同微微型浮游生物呈现出特定的丰度模式, 丰度按以下顺序排列: 病毒>原核生物>微微型蓝细菌>微型真核生物。病毒是水体中最丰富的生物实体, 一般认为“病毒-细菌比率”约为10∶1, 这与本研究的结果一致(Thingstad, 2000), 但也有研究表明10∶1模型的解释能力有限(Bergh et al, 1989; Wigington et al, 2016)。相比病毒高丰度低生物量的特点(Suttle, 2007), 微型真核生物虽然丰度较低, 但可以具有较高的碳含量, 且碳沉降可与生产速度成正比(Li et al, 1983; Worden et al, 2004; Richardson et al, 2007)。一项基于神经网络的定量生态位模型显示, 高丰度(~104cells·mL-1)的微型真核生物仅在赤道东太平洋、加州海流和本格拉上升流带出现, 而低丰度(~103cells·mL-1)的微微型真核生物预测区域与本研究区域吻合(Flombaum et al, 2020)。相比微微型蓝细菌和微型真核生物, 原核生物和病毒波动更小。研究表明, 病毒丰度在短期内保持相对稳定, 其变化与宿主的丰度变化相关(Thingstad, 2000; Wommack et al, 2000)。
与微微型浮游生物特定的丰度模式相比, 原核生物碳流向的波动较小, 模式更为复杂。三亚湾裂解作用和摄食作用强弱与亚热带河口的数据类似, 但显著高于温带开放海域的水平(Mojica et al, 2016)。病毒裂解率和微型浮游动物摄食率在一月内交替占主导地位, 但它们的总和小于原核生物生长率。一项温带东北太平洋夏季研究显示摄食和裂解对原核生物死亡率的贡献相当(Fuhrman et al, 1995), 东北大西洋夏季的两项研究同样显示相同的结果(Mojica et al, 2016; Mojica et al, 2020)。周、月、季节时间序列研究显示, 高纬度地区(Evans et al, 2021)、中纬度地区(Ordulj et al, 2015)、低纬度地区(Tsai et al, 2015b), 夏季(温暖)时摄食占主导, 冬季(寒冷)时裂解占主导。相较高纬度海区, 低纬度的病毒裂解率会增强(Mojica et al, 2016)。微型浮游动物摄食似乎在多数情况下占主导(Tsai et al, 2015b, 2016; Šolić et al, 2018), 而病毒裂解则受更复杂的因素影响。

3.2 原核生物的病毒裂解率及微型浮游动物摄食率的影响因素

微微型浮游生物丰度的日变化受到多种生物和非生物参数影响(如光照、营养盐可用性、混合程度和微量金属)(Flombaum et al, 2013, 2020; Sohm et al, 2016; Gainer et al, 2017)。通常认为, 微微型浮游生物的丰度与温度呈正相关关系(Wei et al, 2022), 但我们的结果仅病毒同温度有弱的正相关性, 一项冬夏季热带表层海洋的研究显示, 温度也仅在冬季会显著影响浮游原核生物的丰度(Gu et al, 2020)。本研究中微微型浮游生物丰度普遍与 $\text{N}{\text{O}}_{2}^{-}$-N 呈显著正相关, 同时与其他氮源( $\text{N}{\text{H}}_{4}^{+}$-N、 $\text{N}{\text{O}}_{3}^{-}$-N )也呈一定的正相关关系。
此外, 原核生物生长率和原核生物碳流向与环境关系更为复杂。有研究显示, 病毒裂解导致的原核生物死亡率与温度及盐度相关, 温度和盐度的升高会增强病毒的裂解作用(Parvathi et al, 2014; Tsai et al, 2015a; Mojica et al, 2016)。然而, 在本研究中, 病毒裂解率并未表现出与温度和盐度的显著正相关, 甚至与盐度呈显著负相关。另一项研究显示, 寡营养条件会增强病毒对原核生物的裂解作用(Hu et al, 2020), 这与图4中病毒裂解率和裂解百分比与 $\text{N}{\text{O}}_{2}^{-}$-N、 $\text{P}{\text{O}}_{4}^{3-}$-P、 $\text{Si}{\text{O}}_{3}^{2-}$-Si呈负相关的结果一致, 但与 $\text{N}{\text{H}}_{4}^{+}$-N、 $\text{N}{\text{O}}_{3}^{-}$-N 呈正相关, 以上说明短期小尺度影响病毒裂解作用的因素仍存在不确定性。微型浮游动物的摄食率和微微型浮游生物丰度同样与营养均呈正相关关系。图5显示微型浮游动物摄食率、摄食百分比和摄食量同微微型浮游生物丰度都呈正相关, 营养自下而上刺激了微型浮游动物的摄食, 温度的升高更加强化了微型浮游动物的摄食, 使得微生物环碳通量增加并传递到较高营养级(Šolić et al, 2018, 2019; Landry et al, 2023)。值得注意的是, 病毒裂解率和微型浮游动物摄食率同原核生物生长率都具有正相关关系且病毒裂解量与微型浮游动物摄食量呈现显著正相关, 微型浮游动物的摄食压力与病毒的裂解压力自上而下共同作用, 能够增强生态系统的净初级生产力(Bouvy et al, 2015; Weitz et al, 2015), 从而推动生物地球化学循环。
我们的数据仅在三亚站一个季节的白天表层收集, 因此并未考虑微微型浮游生物丰度及原核生物生长率和原核生物碳流向的空间、昼夜以及季节变化。同时, 原核生物的病毒裂解率与微型浮游动物摄食率的测量是通过“稀释培养”试验开展, 是一种间接的测量方法, 培养过程的不确定性也限制了测得参数的准确性(Gerea et al, 2019; Šolić et al, 2022)。因此, 有必要改良目前测量摄食率与裂解率的方法, 或者开发新的直接检测摄食率与裂解率的方法。

4 结论

在三亚湾为期一个月的研究中, 我们对原核生物的生长率、病毒裂解率和微型浮游动物摄食率进行了深入的调查。研究表明原核生物的生长率与病毒裂解率和微型浮游动物摄食率呈正相关关系, 数值上原核生物生长率要高于病毒裂解率和微型浮游动物摄食率之和。原核生物的病毒裂解率和微型浮游动物摄食率在数值上相当, 贡献的碳流通量也相当, 表明二者均是原核生物生产力输出的重要途径。本研究为理解海洋环境中微微型浮游生物丰度及原核生物生长率和原核生物碳流向的动态变化提供了新的认识。

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