海洋浮游微食物網對氮、磷營養(yǎng)鹽的再生研究綜述

張武昌，陳雪，3，李海波，3，趙麗，趙苑，董逸，肖天（1.中國科學院海洋研究所海洋生態(tài)和環(huán)境科學重點實驗室，山東　青島　266071；2.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋生態(tài)與環(huán)境科學功能實驗室，山東　青島　266071；3.中國科學院大學，北京　100049）

海洋浮游微食物網對氮、磷營養(yǎng)鹽的再生研究綜述

張武昌1，2，陳雪1，2，3，李海波1，2，3，趙麗1，2，趙苑1，2，董逸1，2，肖天1，2
（1.中國科學院海洋研究所海洋生態(tài)和環(huán)境科學重點實驗室，山東青島266071；2.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋生態(tài)與環(huán)境科學功能實驗室，山東青島266071；3.中國科學院大學，北京100049）

海洋浮游微食物網包括病毒、細菌、聚球藻藍細菌、原綠球藻、微微型自養(yǎng)真核生物、微型浮游動物（混合營養(yǎng)和異養(yǎng)鞭毛蟲、纖毛蟲）等生物類群，其中病毒、細菌及微型浮游動物等異養(yǎng)生物類群是海洋中氮、磷營養(yǎng)鹽再生的重要貢獻者。海洋中細菌吸收還是釋放營養(yǎng)鹽取決于細菌與底物中元素的比例，在多數海區(qū)，異養(yǎng)細菌都是吸收營養(yǎng)鹽。病毒主要通過溶解宿主來釋放宿主細胞中的物質，釋放的營養(yǎng)元素的存在形態(tài)大多為有機物。微型浮游動物對營養(yǎng)鹽的再生主要通過排泄來完成，目前在實驗室內測定微型浮游動物排泄率的研究比較少，進行研究的主要困難有兩個：第一，微型浮游動物的室內培養(yǎng)較難；第二，測定微型浮游動物的代謝率技術難度較高。根據已有研究結果，鞭毛蟲的單位體重排氮率為2.8~140 μg N（mg DW）-1h-1，最大排氮率為7.0×10-9~13.8×10-6μg NH4+N cell-1h-1，再生效率為0~100%；最大排磷率為3.8×10-9~6.6×10-7μg P cell-1h-1，再生效率為0~100%。鞭毛蟲的營養(yǎng)鹽排泄率和再生效率受鞭毛蟲自身的生長階段和生活策略、餌料中元素比例及溫度的影響。纖毛蟲的單位體重排氮率為0.25~178 μg N（mg DW）-1h-1，最大排氮率為1.59×10-7~ 1.2×10-4μg NH4+N cell-1h-1；單位體重排磷率為13~363 μg P（mg DW）-1h-1，最大排磷率為0~1.3×10-5μg P cell-1h-1。影響纖毛蟲排泄率和再生速率的主要因素為纖毛蟲生長階段和溫度。自然海區(qū)測定微型浮游生物對營養(yǎng)鹽的再生的方法主要為同位素稀釋法，此外還可以根據其他資料推算微型浮游生物的營養(yǎng)鹽再生速率及產生率以反映再生能力。多數野外實驗結果證明微型浮游動物是營養(yǎng)鹽主要的再生者。

微食物網；微型浮游動物；營養(yǎng)鹽再生；排泄

海洋浮游微食物網包括病毒、細菌、聚球藻藍細菌、原綠球藻、微微型自養(yǎng)真核生物、微型浮游動物（混合營養(yǎng)和異養(yǎng)鞭毛蟲、纖毛蟲）等生物類群，除聚球藻藍細菌、原綠球藻和微微型自養(yǎng)真核生物外，其他類群都是異養(yǎng)生物。海洋中的氮、磷等營養(yǎng)鹽隨生物地球化學循環(huán)在生物體和環(huán)境間循環(huán)。異養(yǎng)生物（含混合營養(yǎng)生物）在生長過程中會將溶解態(tài)營養(yǎng)鹽釋放到海水中，這一過程即為營養(yǎng)鹽再生（nutrient regeneration）。海洋浮游微食物網的營養(yǎng)鹽再生過程主要是異養(yǎng)生物類群來完成，微型浮游動物對營養(yǎng)鹽的再生主要通過排泄（excretion）來完成，細菌對營養(yǎng)鹽的再生也被稱為再礦化（remineralization） （Glibert et al，1982；Glibert，1982）。營養(yǎng)鹽再生效率（R，regeneration efficiency）可以用來衡量生物對營養(yǎng)鹽再生的貢獻，即在一定時間段內攝食者排出的營養(yǎng)鹽（E）和攝入的營養(yǎng)鹽（I）的比值（E/I×100%），或者是整個培養(yǎng)時間段內排出的所有的營養(yǎng)鹽和培養(yǎng)開始時顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽的比值（Goldman et al，1985b）。

目前國內外在浮游微食物網對營養(yǎng)鹽的再生的研究還很少，本文對以往的研究進行綜述，以期為此類研究提供借鑒。

1　異養(yǎng)細菌對營養(yǎng)鹽的再生

在微食物環(huán)概念（Azam et al，1983）提出之前，Johannes（1964 b）就發(fā)現(xiàn)海洋異養(yǎng)細菌能夠吸收無機磷營養(yǎng)鹽。隨著微食物環(huán)概念的提出，人們逐漸意識到單細胞異養(yǎng)生物（細菌和原生動物）也是大部分營養(yǎng)鹽再生的貢獻者（Caron，1994）。

海洋中沒有被攝食消耗的有機碳被稱為碎屑（Fenchel et al，1977），海洋浮游細菌依靠分解海水中的碎屑進行生長和代謝，這些碎屑被稱為細菌的底物（substrate）。碎屑的化學組成變化很大，如大型海藻和海草的殘體是一類高分子量、結構復雜的惰性碳化合物碎屑，而海洋浮游生物排出的單糖、氨基酸等則是極易被氧化的溶解性碎屑。在大洋中，細菌的主要底物是后者。傳統(tǒng)觀點認為細菌利用這些溶解和顆粒碎屑物質并向海水中釋放氮、磷元素。但是在20世紀80年代，很多研究表明這些異養(yǎng)浮游細菌可以吸收海水中的無機氮、磷營養(yǎng)鹽，與浮游植物是競爭關系（Kirchman，1994；Wheeler et al，1986）。

Caron（1994）指出細菌是吸收還是釋放營養(yǎng)鹽取決于細菌和底物的元素比例。當底物的C∶N比例遠高于細菌C∶N含量時，底物中氮營養(yǎng)鹽缺乏，細菌就主要是吸收海水中的氮營養(yǎng)鹽；反之細菌就主要向海水中釋放氮營養(yǎng)鹽。例如，Goldman等（1987 a）利用不同CN（1.5∶1到10∶1）的底物喂養(yǎng)細菌研究氮元素的再生效率，細菌的C∶N比值為5∶1，當底物的C∶N比值為10∶1時，底物中氮營養(yǎng)鹽缺乏，細菌吸收海水中的氮營養(yǎng)鹽，因此氮的再生效率（RN）為0%；當底物的C∶N比值為1.5∶1時，細菌釋放氮營養(yǎng)鹽，RN為86%。雖然至今仍不能確定浮游異養(yǎng)細菌的底物的化學組成，但是一般認為海洋中碳水化合物是細菌生長和代謝的主要底物，其C∶N可能大于10∶1；而細菌的核酸含量較高，N元素含量較高，在生長率較高的時候，細菌的C∶N含量可低至4∶1。所以海洋中快速生長的細菌主要吸收海水中的氮營養(yǎng)鹽，不太可能是引起氮再生的主要生物類群。

在海洋中，細菌的底物中溶解有機碳歸根結底來自浮游植物。由于底物中的C∶N比值是細菌是否吸收無機營養(yǎng)鹽的因素，Kirchman（1994）提出假說：在寡營養(yǎng)海區(qū)，浮游植物缺乏氮營養(yǎng)鹽，形成的底物C∶N比值較高，因此，細菌會從海水中吸收更多無機營養(yǎng)鹽；在近岸富營養(yǎng)海區(qū)，浮游植物產生的底物C∶N比值較低，細菌能從底物中獲得足夠的氮營養(yǎng)鹽，對海水中無機氮營養(yǎng)鹽的吸收會較少。同理，在層化較好的水體中，真光層中營養(yǎng)鹽較缺乏，浮游植物產生的底物C∶N比值較高，細菌會吸收海水中的無機營養(yǎng)鹽；而在真光層以下，營養(yǎng)鹽豐富，浮游植物產生的底物C∶N比值低，細菌很可能是營養(yǎng)鹽的再生者（Caron，1994）。

此后的研究在以上假說的基礎上進行了細化研究，在近岸河口等富營養(yǎng)海區(qū)也發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)細菌吸收營養(yǎng)鹽，不過是有機形態(tài)的營養(yǎng)鹽（王秋璐等，2010；白潔等，2005）。因此目前普遍認為異養(yǎng)細菌在多數海區(qū)都吸收營養(yǎng)鹽，海洋浮游原生動物才是營養(yǎng)鹽再生的主要貢獻者。

2　病毒對營養(yǎng)鹽的再生

海洋浮游病毒會導致浮游細菌和浮游植物死亡，在有些情況下病毒導致的死亡率甚至會大于被攝食導致的死亡率。病毒感染宿主，導致宿主溶解，宿主細胞中的物質釋放到周圍海水中，營養(yǎng)元素的存在形態(tài)大多為有機物的形態(tài)，這一點不同于浮游動物排泄的營養(yǎng)鹽，因此這一過程又被稱為再活化（remobilization） （Wilhelm et al，2000）。

到目前為止，直接測量病毒對營養(yǎng)鹽的再活化是非常困難的。在實驗室內，研究在病毒和宿主培養(yǎng)體系中用放射性標記法研究病毒感染對營養(yǎng)元素的釋放，發(fā)現(xiàn)病毒感染單胞藻 Aureococcus anophagefferens后，在培養(yǎng)體系中沒有發(fā)現(xiàn)溶解態(tài)的有機氮營養(yǎng)鹽，可能說明釋放的有機氮營養(yǎng)鹽很快被細菌分解利用（Gobler et al，1997）。

因為直接測定比較困難，間接估計病毒對營養(yǎng)元素再活化是另一種選擇。間接估計的方法估計病毒通過溶解細菌釋放到水體中的營養(yǎng)鹽，需要的參數包括病毒的周轉率和裂解量、細菌的死亡率和生長率、細菌的元素含量等。利用這種方法，Wilhelm等（2000）估計墨西哥灣病毒對氮營養(yǎng)鹽的再活化速率為0.02~1.0μgL-1d-1，佐治亞海峽病毒對氮、磷和鐵營養(yǎng)鹽的再活化速率分別為0.25~1.98 μg L-1d-1，0.02~0.18 μg L-1d-1和0.05~0.17 μg L-1d-1。

除了病毒殺死細菌釋放營養(yǎng)鹽外，病毒自身死亡導致的營養(yǎng)鹽釋放正在引起關注（Thomas et al，1999；Jover et al，2014）。在自然條件下，病毒衰亡會釋放其體內的營養(yǎng)元素。病毒顆粒與其宿主相比，磷元素的含量較高，因此，與氮元素相比，病毒衰亡對海洋磷循環(huán)的重要性要更大（Jover et al，2014）。

3　微型浮游動物對營養(yǎng)鹽的再生

在測定微型浮游動物的排泄率的研究開展之前，Johannes（1964a） 就以磷循環(huán)為例首次指出研究微型浮游動物對營養(yǎng)鹽的再生的重要性。浮游動物代謝釋放的營養(yǎng)鹽是海洋浮游植物生長所需營養(yǎng)鹽的重要來源。Johannes（1964a）用等體重代謝時間（Body-weightEquivalentExcretionTime，BEET），即動物排出等同于自身體內所含營養(yǎng)鹽總量的營養(yǎng)鹽所需的時間，來衡量不同粒級的生物的代謝率的快慢。根據當時已有的資料，確立了幾種浮游動物排泄磷的BEET與動物體重的關系。動物的體重越小，單位體重的代謝率越高，BEET越短。根據這些數據的關系，推論出體重為2.5×10-7μg dry wt（體積為1 μ3）的鞭毛蟲，其BEET為2 min。微型浮游動物在浮游動物生物量中占的比例比中型浮游動物大，因此微型浮游動物的代謝對營養(yǎng)鹽的再生的作用比中型浮游動物大。

目前對微型浮游動物的營養(yǎng)鹽再生研究主要集中在兩個方面：針對微型浮游動物的某一種類，研究其對營養(yǎng)鹽的排泄率（excretion rates）；針對某一海區(qū)的所有微型浮游動物，研究其對營養(yǎng)鹽的再生速率（regeneration rates）。

3.1實驗室內測定微型浮游動物的排泄率

測定微型浮游動物對營養(yǎng)鹽的排泄率主要在實驗室內進行，此類研究比較少（表1，表2）。目前進行研究的主要困難有兩個。第一，微型浮游動物的室內培養(yǎng)較難。第二，測定微型浮游動物的代謝率技術難度較高。由于微型浮游動物個體微小，雖然單位體重的代謝率較高，但個體的代謝率卻很小，要克服單個個體代謝率低的困難，就要加長培養(yǎng)時間（例如Goldman等（1985 b）培養(yǎng)7 d），為了在培養(yǎng)時間內使動物保持好的狀態(tài)，就要投喂浮游植物、細菌等作為餌料，這時就產生了餌料吸收浮游動物釋放的營養(yǎng)鹽的問題。目前主要有兩種方法消除投喂餌料對營養(yǎng)鹽的影響：第一種培養(yǎng)在持續(xù)黑暗的條件下進行，從而避免餌料浮游植物在培養(yǎng)過程中吸收營養(yǎng)鹽；第二種方法是設立對照組，估計餌料對營養(yǎng)鹽的吸收率。除此之外，Eccleston-Parry等（1995）用細菌為餌料測定鞭毛蟲的營養(yǎng)鹽再生作用時，用細菌抑制劑阻止細菌生長，以消除細菌對營養(yǎng)鹽的影響。

表1　實驗室內測定海洋鞭毛蟲的營養(yǎng)鹽排泄率

異養(yǎng)原生動物排泄物中，NH4+和PO4-是營養(yǎng)鹽的主要存在形式，還有溶解有機氮（DON）和溶解有機磷（DOP），其中溶解有機氮主要有氨基酸、多肽、尿素、尿酸、次黃嘌呤、二氫尿嘧啶、腺嘌呤、鳥嘌呤等。這些溶解有機營養(yǎng)鹽也很重要，但是其絕對量比無機營養(yǎng)鹽要小，例如尿素在穩(wěn)定生長期開始排放，大約占總排放量的15%（Goldman et al，1985b），Bidigare（1983）的研究結果表明氨基酸只占總氮排放的10%~15%，Andersson等（1985）和Goldman等（1985b）在其研究中則發(fā)現(xiàn)氨基酸占比更少，只有0.02%。由于和無機磷酸鹽（等）是原生動物排泄的主要形式，本文僅介紹和無機磷酸鹽（等）的排泄率。

3.1.1鞭毛蟲的營養(yǎng)鹽排泄率

表2　實驗室內測定海洋纖毛蟲的營養(yǎng)鹽排泄率

Goldman等（1985b）在將浮游植物、細菌單獨培養(yǎng)時和兩者混合培養(yǎng)時，培養(yǎng)液中非常少；當培養(yǎng)液中加入以浮游植物、細菌為餌料的異養(yǎng)鞭毛蟲Paraphysomonas imperforata時，培養(yǎng)液中的含量很高，這說明鞭毛蟲是再生的主要貢獻者，細菌的貢獻可以忽略。

到目前為止，已經測定9種鞭毛蟲的排氮率，9種鞭毛蟲的排磷率。根據這些研究，鞭毛蟲的單位體重排氮率為2.8~40 μg N（mg DW）-1h-1，最大排氮率為7.0×10-9~13.8×10-6μgN cell-1h-1，再生效率為0~100%。最大排磷率為3.8×10-9~6.6× 10-7μg P cell-1h-1，再生效率為0~100%（表1）。

鞭毛蟲的排氨率和再生效率在培養(yǎng)的不同時期不同。在餌料的生長不受營養(yǎng)鹽限制的條件下，鞭毛蟲P.imperforata的排氨率在指數生長期最高，在進入穩(wěn)定生長期后明顯變??；再生效率在指數生長期最低（15%~30%），當餌料生物受到氮限制時，鞭毛蟲的氮再生效率降為8% （Goldman et al，1985b）。

鞭毛蟲P.imperforata在攝食浮游植物時，浮游植物的N∶P含量對鞭毛蟲進行氮再生和磷再生有影響。餌料中氮缺乏越嚴重，鞭毛蟲再生的滯后期越長，甚至到穩(wěn)定生長期才有再生；在餌料中磷缺乏的情況下，的排出在指數生長期即開始，直到穩(wěn)定生長期后還有排出。當餌料中缺乏氮時，鞭毛蟲在整個生長周期中都有磷的排泄，且排泄速度大體相同；當餌料中缺乏磷時，磷的排泄在鞭毛蟲的任何生長期都沒有發(fā)生（Goldman et al，1987）。

Eccleston-Parry等（1995）發(fā)現(xiàn)除了餌料中N: P之外，不同生活策略的鞭毛蟲的營養(yǎng)鹽再生效率不同。以4種鞭毛蟲P.imperforata、Bodo designs、Jakobalibera和Stephanoecadiplocostata為例，前兩者是高生長率（分別為0.2和0.14 h-1）的鞭毛蟲，后兩者為低生長率的鞭毛蟲（分別為0.029和0.026 h-1）。這4種鞭毛蟲對氮的再生效率相差不大（46%~69%），但是對磷的再生效率有明顯差異，高生長率鞭毛蟲為63%~85%，而低生長率鞭毛蟲為33~35%。

大多數實驗研究的溫度都比較溫和，處于15℃~ 25℃的范圍。Sherr等（1983）的實驗溫度為3℃~ 30℃，研究發(fā)現(xiàn)鞭毛蟲Monas sp.在18~23.5℃的排氨率較低，而在低溫和高溫時排氨率明顯提高。這種變化可能是鞭毛蟲在低溫和高溫處于生理不適應狀態(tài)造成的。從南極海域分離的P.imperforata在0~10℃的溫度范圍內生長率隨溫度升高而明顯升高，但是溫度的變化對氮和磷的再生沒有明顯影響（Rose et al，2008）。

3.1.2纖毛蟲的營養(yǎng)鹽排泄率

表2列舉了幾種纖毛蟲的營養(yǎng)鹽排泄率，其中真正屬于浮游類群的只有 Codonella、Colpidium、Stokesia、Strombidium和Tintinnopsis，因為浮游類群太少，表2也列出了一些底棲類群的數據以供比較。這些研究表明纖毛蟲單位體重排氮率為0.25~ 178 μg N（mg DW）-1h-1，最大排氮率為1.59×10-7~ 1.2×10-4μg NH4+N cell-1h-1；單位體重排磷率為13~363 μg P（mg DW）-1h-1，最大排磷率為0~ 1.3×10-5μg P cell-1h-1。

纖毛蟲的營養(yǎng)鹽排泄率和再生效率在培養(yǎng)的不同時期不同。排氨率在指數生長期一般比較高，F(xiàn)errier-Pages等（1994） 用活的細菌喂養(yǎng)無殼纖毛蟲（Strombidiumsulcatum）時，排氨率在指數生長期一直保持高值，進入穩(wěn)定生長期時迅速降低。再生效率在指數生長前期一直較低（<30%），在指數生長期后期開始升高（>100%），穩(wěn)定生長期保持高值（30%~100%） （Ferrier-Pages et al，1994）。Allali等（1994）用同種無殼纖毛蟲研究了纖毛蟲的排磷率，在培養(yǎng)實驗剛開始的停滯期排磷率最高（13±12×10-6μg P cell-1h-1），隨后降低，到穩(wěn)定生長后期為0 μg P cell-1h-1。

溫度對纖毛蟲的營養(yǎng)鹽排泄率有一定影響。Verity（1985） 研究了兩種近岸砂殼纖毛蟲（Tintinnopsis acuminata，T.vasculum）的排氮率，發(fā)現(xiàn)這兩種砂殼纖毛蟲的營養(yǎng)鹽排泄率隨溫度升高而升高，T.acuminata的營養(yǎng)鹽排泄率在15℃時為0.05 h-1，溫度為25℃時上升至0.12~0.14 h-1；T. vasculum的營養(yǎng)鹽排泄率在5℃時為0.01~0.02 h-l，溫度為15℃時上升為0.05~0.06 h-1。

3.1.3最大營養(yǎng)鹽排泄率和干重的關系

Dolan（1997）根據當時已有的實驗室內測定的原生動物排泄率資料，用氮和磷的最大排泄率（Excr，μg cell-1h-1）和干重（DW，mg cell-1）進行回歸，得出兩者的關系：

Log Excr N=-1.388+0.622 log DW

（n=15，r=0.899）

Log Excr P=-2.101+0.570 log DW

（n=12，r=0.847）

根據上述等式，原生動物最大的單位體重排磷率高于通過后生動物“體長-排泄率”關系外推得出的數值（Ikeda et al，1982；Wen et al，1994；Hargrave et al，1968；Mullin et al，1975），而最大的單位體重排氮率接近通過后生動物“體長-排泄率”關系外推得出的數值（Ikeda et al，1982；Verity，1985； Vidal et al，1982； Mullin et al，1975），表明原生動物對磷再生的作用可能高于對于氮再生的作用。

3.2自然海區(qū)測定微型浮游動物對營養(yǎng)鹽的再生

在自然海區(qū)進行的研究，多以粒徑級劃分生物類群，通常很難將細菌、浮游植物和浮游動物嚴格劃分出來。本節(jié)討論的研究對象微型浮游生物中的主要類群為微型浮游動物，因此這些研究結果主要反映了微型浮游動物的營養(yǎng)鹽再生能力。

3.2.1測定微型浮游動物對營養(yǎng)鹽的再生的方法

同位素稀釋法是測定微型浮游動物對營養(yǎng)鹽的再生速率的方法之一，這種方法最初用于土壤生境的研究中，Alexander（1970）將這種方法用于湖泊研究中，隨后，Harrison（1978），Caperon等（1979），Glibert（1982），Paasche等（1982）將這種方法用于海洋中。

同位素稀釋法的原理如下：海水中的微型浮游動物吸收氮營養(yǎng)鹽，同時也在排放出氮營養(yǎng)鹽，如果在海水中加入15N同位素標記的氮營養(yǎng)鹽進行培養(yǎng)，在培養(yǎng)過程中，假設浮游生物對15N和14N的吸收沒有差別，即對海水中15N和14N按照海水中的原子比例進行吸收，而吸收的15N并沒有排出到海水中，因此海水中氮營養(yǎng)鹽的15N所占的比例會變小。通過測量海水中氮營養(yǎng)鹽15N和14N的原子比例的變化（一般是變小，這種方法也因此被稱為同位素稀釋法（isotope dilution technique） Caperon et al，1979），就可以估計氮營養(yǎng)鹽的吸收速率和再生效率（Glibert et al，1982）。用同位素稀釋法也可以同時得出浮游動物對氨、尿素等氮營養(yǎng)鹽的吸收速率和再生速率（μg atoms L-1h-1），Caperon等（1979）給出了計算公式，Glibert等（1982）和Laws（1984）對這個方法的理論和操作進行了完善。此方法也可以用于磷再生速率的測定，Harrison（1983）利用33P同位素稀釋技術計算了磷的再生速率。

除了直接測定外，也可以根據其他參數推算微型浮游動物的營養(yǎng)鹽再生速率。Sorokin（1985）根據微型浮游動物生物量、呼吸率和P∶C（1.4%）來估計磷的再生速率。Sorokin（2002）和Sorokin等（2008）則是利用環(huán)境中磷濃度的變化率和吸收率計算磷再生速率。此外，Caron等（1988）根據C和N的代謝模型，用微型浮游動物的攝食率來估計其營養(yǎng)鹽產生率，以此來反映其對營養(yǎng)鹽的再生能力。Landry（1993）對這個模型進行了改進：

EN=（AEN×IC×N:CPP）-（IC×GGEC×N:CMZ）

其中：EN是N排泄率（μg N L-1d-1），AEN是微型浮游動物對N的同化效率，IC是微型浮游動物對C的攝食率，N∶CPP和N∶CMZ分別是餌料浮游植物和微型浮游動物體內N和C的比值，GGEC是微型浮游動物攝食碳的毛生長率。Lehrter等（1999），曾祥波等（2007）使用這個方法估計微型浮游動物對營養(yǎng)鹽的產生率。

3.2.2自然海區(qū)微型浮游生物對NH4+的再生

多數野外實驗結果驗證了Johannes（1964a）提出的微型浮游動物是營養(yǎng)鹽主要的再生者的假說（表3）。在加利福尼亞沿岸，大于90%的再生的NH4+來自微型浮游生物 （粒級小于 183 μm）（Harrison，1978）。在夏威夷卡內奧赫灣（Kaneohe Bay），微型浮游動物排泄的NH4+是大型浮游動物的30~40倍，主要的排泄者粒級小于 35 μm （Caperon et al，1979）。在上升流區(qū)，大于95%的NH4+再生是由粒級小于15 μm的浮游生物貢獻的（Probyn，1987）。在英吉利海峽，粒級為1~15 μm的生物對營養(yǎng)鹽的再生速率全年都大于粒級為15~ 200 μm和粒級小于1 μm的生物（Le Corre et al，1996）。在挪威奧斯陸峽灣，粒級為45~200 μm的微型浮游生物是最主要的營養(yǎng)鹽再生者（Paasche et al，1982）。例如在切薩皮克灣（Glibert et al，1992），粒級小于10 μm的生物對NH4+的再生速率遠遠大于粒級超過200 μm的生物。在密西西比河羽流區(qū)也出現(xiàn)類似的情況（Jochem et al，2004）。

表3　自然海區(qū)微型浮游生物對NH4+的再生速率

表4　自然海區(qū)微型浮游生物對磷的再生速率 (μg P L-1d-1)

在添加不同豐度（最大豐度20 L-1）橈足類的實驗中，再生速率在橈足類豐度達到一定數值時達到最大，然后隨著添加橈足類豐度的增加而降低（Glibert et al，1992）。這些現(xiàn)象說明，浮游動物各個營養(yǎng)級之間的攝食作用對的再生有影響。

3.2.3自然海區(qū)微型浮游動物對尿素的再生

微型浮游動物對尿素的再生可以用15N同位素稀釋法進行測定（Slawyk et al，1990）。在切薩皮克灣，尿素的再生速率為0.42~2.58 μg N L-1h-1，尿素的再生速率一直大于吸收速率（Lomas et al，2002）。在英吉利海峽，粒級小于200 μm的浮游生物對尿素的再生速率為0.6~20.6 nmol N L-1h-1，nano級和micro-級浮游生物再生尿素分別為51% 和36%，pico級的再生尿素很低，只在4月和10月才能測到；再生速率在冬季最低，夏季最高；再生和吸收速率的比值在不同的季節(jié)和水層都接近1，說明異養(yǎng)生物再生的尿素幾乎完全被浮游植物吸收；在周年內，再生尿素占再生氮（和尿素）的33%（L’Helguen et al，2005）。

3.2.4自然海區(qū)微型浮游動物對磷的再生

目前在自然海區(qū)進行微型浮游動物對磷的代謝的研究較少，多數研究內容是微型浮游生物對磷的吸收速率（Sorokin,1985;Sorokin et al,1996）。磷的再生速率變化范圍很大（0.02~2100 μg P L-1d-1），富營養(yǎng)化程度越高，再生速率越高（表4）。再生速率和吸收速率的比值為0.1~1.4，總體來說再生和被吸收保持平衡（Sorokin et al，2008）。

4　總結

目前，科學界普遍認為海洋浮游微食物網在海洋水體營養(yǎng)鹽的再生中起到重要作用，其中主要的貢獻者為異養(yǎng)生物類群（異養(yǎng)細菌，病毒，微型浮游動物等）。海洋中細菌吸收還是釋放營養(yǎng)鹽取決于細菌與底物中元素的比例，在多數海區(qū)，異養(yǎng)細菌都是吸收營養(yǎng)鹽。病毒主要通過溶解宿主來釋放宿主細胞中的物質，釋放的營養(yǎng)元素的存在形態(tài)大多為有機物。微型浮游動物對營養(yǎng)鹽的再生主要通過排泄來完成，但是微型浮游動物的營養(yǎng)鹽再生速率測定還較少，主要是因為技術難度較大。微型浮游動物自身的生長階段和生活策略、餌料中元素比例及溫度等環(huán)境因子是影響微型浮游動物排泄率和再生速率的主要因素。自然海區(qū)測定微型浮游生物對營養(yǎng)鹽的再生的方法主要為同位素稀釋法，還可以根據其他資料推算微型浮游生物的排泄率。多數野外實驗結果證明微型浮游動物是營養(yǎng)鹽主要的再生者。我國的微型浮游動物生態(tài)學研究才剛剛起步，只在臺灣海峽估計了營養(yǎng)鹽的再生（曾祥波等，2007）。

Alexander V,1970.Relationships between turnover rates in the biological nitrogen cycle and algal productivity,37-50,in Dynamics of the nitrogen cycle in lakes.Institute of Marine Science,University of Alaska.

Allali K,Dolan J R,Rassoulzadegan F,1994.Culture characteristics and orthophosphate excretion of a marine oligotrich ciliate,Strombidium sulcatum,fed heat-killed bacteria.Marine Ecology Progress Series, 105:159-165.

Andersen O K,Goldman J C,Caron D A,et al,1986.Nutrient cycling in a microflagellate food chain:III.Phosphorus dynamics.Marine Ecology Progress Series,31:47-55.

Andersson A,Lee C,Azam F,et al,1985.Release of amino acids and inorganic nutrients by heterotrophic marine microflagellates.Marine Ecology Progress Series,23（1）:99-106.

Azam F,Fenchel T,Field J G,et al,1983.The ecological role of watercolumn microbes in the sea.Marine Ecology Progress Series,10 (3):257-263.

Berman T,Nawrocki M,Taylor G T,et al,1987.Nutrient flux between bacteria,bacterivorous nanoplantonic protists and algae.Marine Microbial Food Webs,2（2）:69-82.

Bidigare R R,1983.Nitrogen excretion by marine zooplankton.In Carpenter EJ and Capone DG(ed)Nitrogen in the marine environment.New York:Academic Press,385-409.

Bode A,Dortch Q,1996.Uptake and regeneration of inorganic nitrogen in coastal waters influenced by the Mississippi River:Spatial and seasonal variations.Journal of Plankton Research,18（12） :2251-2268.

Caperon J,Schell D,Hirota J,et al,1979.Ammonium excretion rates in Kaneohe Bay,Hawaii,measured by a15N isotope dilution technique. Marine Biology,54（1）:33-40.

Caron D A,Goldman J C,1988.Dynamics of protistan carbon and nutrient cycling.Journal of Protozoology,35（2）:247-249.

Caron D A,Goldman J C,Dennett M R,1986.Effect of temperature on growth,respiration,and nutrient regeneration by an omnivorous microflagellate.Applied and Environmental Microbiology,52（6）: 1340-1347.

Caron D A,Porter K G,Sanders R W,1990.Carbon,nitrogen and phosphorusbudgetsforthemixotrophicphytopflagellatePoterioochromonas malhamensis(Chrysophyceae)during bacterial ingestion.Limnology and Oceanography,35（2）:433-443.

Caron D A.1994.Inorganic nutrients,bacteria,and the microbial loop. Microbial Ecology,28（2）:295-298.

Dolan J R,1997.Phosphorus and ammonia excretion by planktonic protists.Marine Geology,139（1）:109-122.

Eccleston Parry J D,Leadbeater B S C.1995.Regeneration of phosphorus and nitrogen by four species of heterotrophic nanoflagellates feeding on three nutritional states of a single bacterial strain.Applied and Environmental Microbiology,61（3）:1033-1038.

Fenchel T,Jorgensen B B,1977.Detritus food chains of aquatic ecosystems:the role of bacteria.Advances in Microbial Ecology,1:1-49.

Ferrier PagesC,RassoulzadeganF,1994.N remineralization in planktonic protozoa.Limnology and Oceanography,39(2):411-419.

Gardner W S,Cavaletto J F,Cotner J B,et al,1997.Effects of natural light on nitrogen cycling rates in the Mississippi River Plume.Limnology and Oceanography,42（2）:273-281.

Gardner W S,Cotner J B,Herche L,1993.Chromatographic measurement of nitrogen mineralization rates in marine coastal waters with15N. Marine Ecology Progress Series,93:65-73.

Gast V,Horstman U,1983.N-remineralization of phyto-and bacterioplankton by the marine ciliate Euplotes vannus.Marine Ecology Progress Series,13:55-60.

Glibert P M,1982.Regional studies of daily,seasonal and size fraction variability in ammonium remineralization.Marine Biology,70（2）: 209-222.

Glibert P M,Lipschultz F,McCarthy J J,et al,1982.Isotope dilution models of uptake and remineralization of ammonium by phytoplankton.Limnology and Oceanography,27（4）:639-650.

Glibert P M,Miller C A,Garside C,1992.regeneration and grazinginterdependent processes in size-fractionatedexperiments. Marine Ecology Progress Series,82（2）:65-74.

Gobler C J,Hutchins D A,Fisher N S,et al,1997.Release and bioavail-ability of elements following viral lysis of a marine chrysophyte. Limnology and Oceanography,42（7）:1492-1504.

Goldman J C,Caron D A,Andersen O K,et al.1985 b.Nutrient cycling in a microflagellate food chain:I.Nitrogen dynamics.Marine Ecology Progress Series,24（3）:231-242.

Goldman J C,Caron D A,Dennett M R,1987 a.Regulation of gross growth efficiency and ammonium regeneration in bacteria by substrate C:N ratio.Limnology and Oceanography,32（6）:1239-1252.

Goldman J C,Caron D A,Dennett M R,1987b.Nutrient cycling in a microflagellatefoodchain:IVphytoplankton-microflagellate interactions.Marine Ecology Progress Series,38:75-87.

Goldman J C,Caron D A.1985 a.Experimental studies on an omnivorous microflagellate:implications for grazing and nutrient regeneration in the marine microbial food chain.Deep-Sea Research,32:899-915.

Goldman J C,Dennett M R,Gordin H,1989.Dynamics of herbivorous grazing by the heterotrophic dinoflagellate Oxyrrhis marina.Journal of Plankton Research,11(2):391-407.

Hargrave B T,Geen G H,1968.Phosphorus excretion by zooplankton. Limnology and oceanography,13(2):332-342.

HarrisonWG,1978.Experimentalmeasurementsofnitrogen remineralization in coastal waters.Limnology and Oceanography,23 （4）:684-694.

Harrison W G,1980.Nutrient regeneration and primary production in the sea.In Primary Productivity in the sea.New York:Falkowski GP ed Plenum Press.

Harrison W G,1983.Uptake and recycling of soluble reactive phosphorus by marine microplankton.Marine Ecology Progress Series,10:127-135.

Harrison W G,Douglas D,Falkowski R,et al,1983.Summer nutrient dynamics of the Middle Atlantic Bight:nitrogen uptake and regeneration.Journal of Plankton Research,5（4）:539-556.

Ikeda T,Hing Fay E,Hutchinson S A,et al,1982.Ammonia and inorganic phosphate excretion by zooplankton from inshore waters of the great barrier reef,Queensland.I.relationship between excretion rates and body size.Australian Journal of Marine and Freshwater Research,33（1）:55-70.

Jochem F J,McCarthy M J,Gardner W S,2004.Microbial ammonium cycling in the Mississippi River plume during the drought spring of 2000.Journal of Plankton Research,26（11）:1265-1275.

Johannes R E,1964a.Phosphorus excretion and body size in marine animals:microzooplankton and nutrient regeneration.Science,146 （3646）:923-924.

Johannes R E,1964b.Uptake and release of dissolved organic phosphorus by representatives of a coastal marine ecosystem.Limnology and Oceanography,9（2）:224-234.

Jover L F,Effler T C,Buchan A,et al,2014.The elemental composition of virus particles:implications for marine biogeochemical cycles. Nature Reviews Microbiology,12(7):519-528.

Jurgens K,Gude H,1990.Incorporation and release of phosphorus by planktonic bacteria and phagotrophic flagellates.Marine Ecology Progress Series,59:271-284.

Kirchman D L,1994.The uptake of inorganic nutrients by heterotrophic bacteria.Microbial Ecology,28（2）:255-271.

L'Helguen S,Slawyk G,Corre P L,2005.Seasonal patterns of urea regeneration by size-fractionated microheterotrophs in well-mixed temperate coastal waters.Journal of Plankton Research,27（3）:263-270.

La Roche J,1983.Ammonium regeneration:its contribution to phytoplankton nitrogen requirements in a eutrophic environment.Marine Biology,75（2-3）:231-240.

Landry M R,1993.Predicting excretion rates of microzooplankton from carbon metabolism and elemental ratios.Limnology and Oceanography,38（2）:468-472.

Laws E A,1984.Isotope dilution models and the mystery of the vanishing15N.Limnology and Oceanography,29（2）:379-386.

Le Corre P,Wafar M,L'Helguen S,et al,1996.Ammonium assimilation and regeneration by size-fractionated plankton in permanently well-mixed temperate waters.Journal of Plankton Research,18: 355-370.

Lehrter J C,Pennock J R,McManus G B,1999.Microzooplankton grazing and nitrogen excretion across a surface estuarine-coastal interface. Estuaries,22（1）:113-125.

Lomas M W,Trice T M,Glibert P M,et al,2002.Temporal and spatial dynamics of urea uptake and regeneration rates and concentrations in Chesapeake Bay.Estuaries,25:469-482.

Mullin M M,Perry M J,Renger E H,et al,1975.Phosphorus excretion by zooplankton:a comparison of methods.Marine Sciences Communication,1:1-13.

Nakano S I,1994 a.Carbon:nitrogen:phosphorus ratios and nutrient regeneration of a heterotrophic flagellate fed on bacteria with different element ratios.Archiv fuer Hydrobiologie,129（3）:257-271.

Nakano S I.1994.Rates and ratios of nitrogen and phosphorus released by a bacterivorous flagellate.Japanese Journal of Limnology,55 （2）:115-123.

Paasche E,Kristiansen S,1982.Ammonium regeneration by microzooplankton in the Oslo fjord.Marine Biology,69（1）:55-63.

Probyn T A,1987.Ammonium regeneration by microplankton in an upwelling environment.Marine Ecology Progress Series,37（5）:53-64.

Rose J,Vora N M,Caron D A,2008.Effect of temperature and prey type on nutrient regeneration by an Antarctic bacterivorous protist.Microbial Ecology,56(1):101-111.

Sherr B F,Sherr E B,Berman T,1983.Grazing,growth and ammonium excretion rates of a heterotrophic microflagellate fed with four species of bacteria.Applied and Environmental Microbiology,45 （4）:1196-1201.

Slawyk G,Raimbault P,L'Helguen S,1990.Recovery of urea nitrogen from seawater for measurement of15N abundance in urea regeneration studies,using the isotope-dilution approach.Marine Chemistry,30:343-362.

Sorokin Y I,1985.Phosphorus metabolism in planktonic communities of the Eastern Tropical Pacific.Marine Ecology Progress Series,27 （14）:87-97.

Sorokin Y I,2002.Dynamics of inorganic phosphorus in pelagic communities of the Sea of Okhotsk.Journal of Plankton Research,24 （12）:1253-1263.

Sorokin Y I,Dallocchio F,2008.Dynamics of phosphorus in the Venice lagoon during a picocyanobacteria bloom.Journal of Plankton Research,30（9）:1019-1026.

Sorokin Y I,Dallocchio F,Gelli F,et al,1996.Phosphorus metabolism in anthropogenically transformed lagoon ecosystems:Comacchio lagoons.Journal of Sea Research,35:243-250.

Taylor W D,1984.Phosphorus flux through epilimnetic zooplankton from Lake Ontario:relationship with body size and significance to phytoplankton.Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences,41: 1702-1712.

Taylor W D.1986.The effect of grazing by a ciliated protozoan on phosphorus limitation of heterotrophic bacteria in batch culture.The Journal of protozoology,33:47-52.

Thomas H,Ittekkot V,Osterroht C,et al,1999.Preferential recycling of nutrients-the ocean's way to increase new production and to pass nutrient limitationLimnology and Oceanography,44(8):1999-2004.

Varela M M,Barguero S,Bode A,et al,2003.Microplanktonic regeneration of ammonium and dissolved organic nitrogen in the upwelling area of the NW of Spain:relationships with dissolved organic carbon production and phytoplankton size-structure.Journal of Plankton Research,25:719-736.

Verity P G,1985.Grazing,respiration,excretion and growth rates of tintinnids.Limnology and Oceanography,30:1268-1282.

Vidal J,Whitledge T E,1982.Rates of metabolism of planktonic crustaceans as related to body weight and temperature of habitat.Journal of Plankton Research,4(1):77-84.

Wen Y H,Vézina A,Peters R H,1994.Phosphorus fluxes in limnetic cladocerans:coupling of allometry and compartmental analysis. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences,51(5): 1055-1064.

Wheeler P A,Kirchman D L,1986.Utilization of inorganic and organic nitrogen by bacteria in marine systems.Limnology and Oceanography,31:998-1009.

Wilhelm S W,Suttle C A,2000.Viruses as regulators of nutrient cycles in aquatic environments.Microbial Biosystems:New Frontiers.551-556.

Wilhelm S W,Suttle C A.Viruses as regulators of nutrient cycles in aquatic environments.Microbial biosystems:New frontiers,edited by:Bell C R,Brylinsky M,and Johnson-Green P,Atlantic Canada Society of Microbial Ecology,2000:551-556.

白潔，李巋然，張昊飛，2005.膠州灣異養(yǎng)浮游細菌對磷的吸收作用及影響因素研究.中國海洋大學學報，自然科學版，35：835-838.

王秋璐，周燕遐，王江濤，等，2010.海洋異養(yǎng)細菌對無機氮吸收的研究.海洋通報，29：231-234，240.

曾祥波，黃邦欽，2007.臺灣海峽微型浮游動物的攝食壓力及其對營養(yǎng)鹽再生的貢獻.廈門大學學報，46：231-235.

（本文編輯：袁澤軼）

Review of nutrient(nitrogen and phosphorus)regeneration in the marine pelagic microbial food web

ZHANG Wu-chang1,2,CHEN Xue1,2,3,LI Hai-bo1,2,3,ZHAO Li1,2,ZHAO Yuan1,2,DONG Yi1,2,XIAO Tian1,2
(1.Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences,Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071, China;2.Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao266071,China;2.University of Chinese Academyof Sciences,Beijing 100049,China)

Marine planktonic microbial food web mainly includes viruses,bacteria,Synechococcus,Prochlorococcus, picoeukaryotes and microzooplankton(heterotrophic and pigmented nanoflagellates and ciliates).The heterotrophic taxonomic groups(including viruses,bacteria and microzooplankton)play an important role in nitrogen and phosphorus regeneration.In the sea,whether bacteria absorb or release nutrients depends on the element ratio of C:N or C:P in substrates.Most results indicate that heterotrophic bacteria absorb nutrients in the most area.Virus releases the nutrient elements mainly by dissolving the host cells.Excretion was the primary way for microzooplankton to regenerate the nutrients. However,only a few studies measuring the excretion rate of microzooplankton have been carried out in the laboratory due to the difficulties in(1)cultivation of marine microzooplankton in the lab,and(2)the determination of the microzooplanktonmetabolic rates.According to the previous research,the weight-specific nitrogen regeneration of nanoflagellates ranged from 2.8 to 140 μg N(mg DW)-1h-1.The maximum nitrogen excretion ranged from 7.0×10-9to 13.8×10-6μg NH4+N cell-1h-1.The rangeofregenerationrateswas0~100%.The maximumphosphorusexcretion ranged from3.8×10-9to6.6×10-7μgPcell-1h-1.The range of regeneration rates was 0~100%.The excretion rate and regeneration rate were influenced by growth phase and living strategy of nanoflagellates,the ratio of the elements in the prey and temperature,etc.In the case of ciliates,the weightspecific nitrogen regeneration ranged from 0.25 to 178 μg N(mg DW)-1h-1.The maximum nitrogen excretion ranged from 1.59×10-7to 1.2×10-4μg NH4+N cell-1h-1.The weight-specific phosphorus regeneration of ciliates ranged from 13 to 363 μg P(mg DW)-1h-1.The maximum phosphorus excretion ranged from 0 to 1.3×10-5μg P cell-1h-1.The main factors affecting the exretion and regeneration rate were the growth phase of ciliates and temperature,etc.Isotope dilution method was used to determine the nutrients regeneration rates of microzooplankton in situ.Most field test results supported the hypothesis that microzooplankton was the main nutrient regenerator.

microbial food web;microzooplankton;nutrient regeneration;excretion

張武昌（1973-），男，博士，研究員，主要從事海洋微型浮游生物研究。電子郵箱：wuchangzhang@163.com。

Q179

A

1001-6932（2016）03-0241-11

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.001

2015-07-07；

2015-09-15

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDA11030202.2）；973項目（2014CB441504）。