基于浮游植物流式細胞儀對膠州灣春季浮游植物的研究

陳蕓燕, 孫曉霞, 朱明亮

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基于浮游植物流式細胞儀對膠州灣春季浮游植物的研究

陳蕓燕1, 2, 孫曉霞1, 3, 朱明亮1

(1. 中國科學院海洋研究所膠州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站, 山東青島 266071; 2. 中國科學院大學北京 100049; 3. 青島海洋科學與技術(shù)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)

本文基于浮游植物流式細胞儀CytoSub對2014年春季膠州灣浮游植物功能群組成及其與環(huán)境因子的關(guān)系開展研究。CytoSub共檢測出6個浮游植物類群, 分別是聚球藻、微微型真核浮游植物、隱藻、微型單細胞藻、小型單細胞藻和鏈狀藻。多元統(tǒng)計分析顯示膠州灣春季浮游植物可劃分為兩個群落, 群落1主要由灣外站位組成, 浮游植物生物量濃度為15.15 μg /L(以碳含量計, 以下同), 以小型單細胞藻、鏈狀藻和微型單細胞藻為主; 群落2主要由灣內(nèi)站位組成, 浮游植物生物量濃度為72.83μg/L, 以鏈狀藻為主。膠州灣的優(yōu)勢類群為鏈狀藻, 其豐度與水溫和營養(yǎng)鹽濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。與其他浮游植物粒級研究方法的比較表明, 當調(diào)查海域優(yōu)勢種為小粒徑的鏈狀藻時, 該方法能夠快速、準確地測量出各個浮游植物類群的粒徑參數(shù), 從而推算出浮游植物群落的粒級結(jié)構(gòu)。

浮游植物; 浮游植物流式細胞儀; 流式細胞術(shù); 粒徑分析法; 膠州灣

海洋浮游植物以及浮游植物的初級生產(chǎn)過程是海洋生態(tài)系統(tǒng)中的重要驅(qū)動因子, 浮游植物的變化能夠直接影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[1]。浮游植物能夠直接吸收海水中的營養(yǎng)物質(zhì), 利用光合作用參與海水中的C、N、P等元素的循環(huán), 從而在整個海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起著極其重要的作用[2-5]。不同粒級結(jié)構(gòu)的浮游植物對海洋初級生產(chǎn)力的貢獻不同[6], 了解浮游植物的類群組成、豐度和粒級結(jié)構(gòu)等生態(tài)特點是研究特定海區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的基礎。目前海洋浮游植物調(diào)查研究的方法主要有: 傳統(tǒng)的葉綠素濃度調(diào)查方法、傳統(tǒng)的顯微鏡鏡檢方法、傳統(tǒng)的流式細胞術(shù)、高效液相色譜法、分子探針法和衛(wèi)星海洋遙感法[7-11]。但是這些方法還不能實現(xiàn)浮游植物的現(xiàn)場快速自動監(jiān)測。近些年來發(fā)展的水下型浮游植物流式細胞儀(CytoSub)能夠根據(jù)浮游植物藻類細胞的粒級、內(nèi)部構(gòu)造、色素等光學變量實時提供浮游植物類群和豐度信息, 為高頻、實時、原位、全粒級地監(jiān)測浮游植物提供了一種有效的手段[11-19]。關(guān)于應用CytoSub在近海海灣區(qū)域以及遠海海域?qū)Ω∮沃参镱惾旱母哳l監(jiān)測, 國際上已經(jīng)開展了大量的研究。例如, Thyssen等[20-21]使用CytoSub對2015年夏季馬賽灣浮游植物類群時間序列的變化進行了研究; Dugenne等[22]使用浮游植物流式細胞儀(CytoSense)來研究了Berre lagoon中甲藻的分裂率; Bonato等[23]使用CytoSense研究了英吉利海峽中浮游植物類群隨季節(jié)的演替以及影響浮游植物類群演替的環(huán)境因子。但是, 基于CytoSub對我國近海浮游植物的全粒級研究目前還未見報道。

膠州灣是我國近海典型的海灣, 膠州灣海水中的營養(yǎng)鹽水平在全球典型海灣中處于一個中等水平, 膠州灣的生物生產(chǎn)力高、生物多樣性相對較高, 具有黃海大生態(tài)系統(tǒng)的特征和海灣自身的特征[24-25]。本文基于2014年春季(4月)在膠州灣12個站位采集的樣品資料, 用浮游植物流式細胞儀監(jiān)測膠州灣浮游植物類群和豐度的變化, 系統(tǒng)研究和分析了膠州灣浮游植物功能群組成、豐度變化及關(guān)鍵環(huán)境影響因子, 為近海生態(tài)系統(tǒng)浮游植物的快速自動觀測提供支撐。

1 材料用方法

1.1 樣品采集與處理

在2014年春季(4月)在膠州灣及其鄰近海域共設置12個調(diào)查站, 具體站位見圖1。在每個采樣站點用Niskon采水器采集表層水樣, 使用CytoSub對水樣進行分析。本研究以紅色熒光作為激發(fā)光來檢測膠州灣新鮮海水中的浮游植物功能群, 每個樣品檢測3~5min。

同時取500 mL水過濾于0.45 μm醋酸纖維濾膜, 回實驗室用Turner Designs熒光光度計測定葉綠素含量。海水溫度、鹽度用CTD現(xiàn)場同步測定。營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)由中國科學院海洋研究所膠州灣生態(tài)站提供。

1.2 浮游植物碳含量(生物量)計算

根據(jù)反映細胞粒徑大小的前向散射, 通過Cytoclus3軟件轉(zhuǎn)換得出細胞粒徑。浮游植物細胞的體積由球形體積公式進行推算, 然后通過公式=0.433×0.863得到碳含量(表示細胞碳含量,表示細胞體積)[26], 最后根據(jù)細胞碳含量乘以細胞豐度得到浮游植物的生物量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

浮游植物流式細胞儀檢測結(jié)果采用Cytoclus3軟件進行分析。浮游植物豐度數(shù)據(jù)經(jīng)過log轉(zhuǎn)化后, 借助Primer6.0基于Bray-Curtis相似性指數(shù)和組平均的方法進行q-型聚類[27], 從而確定浮游植物群落結(jié)構(gòu)。采用SPSS16.0軟件進行浮游植物優(yōu)勢種豐度與環(huán)境因子的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果

2.1 膠州灣浮游植物類群組成

CytoSub基于樣品光學性質(zhì)聚類分析出6個浮游植物類群(圖2), 分別是Cluster 1(1.93 μm±0.39 μm)、Cluster 2(0.94 μm±0.20 μm)、Cluster 3(5.11 μm±2.33 μm)、Cluster 4(6.86 μm±0.46 μm)、Cluster 5(35.03 μm± 11.57 μm)和Cluster 6(7.06 μm±3.40 μm)。在本研究中, Cluster 1由于細胞大小為1~3 μm, 并且以葉綠素作為主要色素, 因此, Cluster 1為微微型真核浮游植物[22]。Cluster 2由于細胞大小小于2 μm, 且細胞富含藻膽蛋白, 因此Cluster 2為聚球藻[4, 28]。Cluster 3細胞大小為2~10 μm, 且細胞富含藻膽蛋白和葉綠素, 因此Cluster 3為隱藻[29]。Cluster 4和Cluster 5細胞大于3 μm, 且細胞為富含葉綠素的單細胞, 因此Cluster 4和Cluster 5為單細胞藻[30-31]。Cluster 6細胞為鏈狀, 且細胞為富含葉綠素的單細胞, 因此Cluster 6為鏈狀硅甲藻[30-31]。

2.2 膠州灣浮游植物的群落結(jié)構(gòu)

膠州灣浮游植物的群落結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在本研究中, 利用Bray-Curtis相似性指數(shù)聚類分析顯示調(diào)查海區(qū)浮游植物可劃分為2個群落, 群落1主要由灣外D6、D7、D8站位的樣品構(gòu)成, 此群落所處位置的平均溫度和平均營養(yǎng)鹽(硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨鹽和硅酸鹽)濃度較低, 分別為9.24℃、2.55、0.41、2.23 和1.03 μmol/L, 平均葉綠素濃度相對較低, 為0.68 mg/m3; 群落2主要由灣內(nèi)站位的樣品構(gòu)成, 此區(qū)域平均溫度、平均營養(yǎng)鹽(硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨鹽和硅酸鹽)濃度和葉綠素濃度較高, 分別為11.30℃、8.62、0.74、3.82、2.13 μmol/L和0.72 mg/m3(表1)。

群落1中浮游植物的平均豐度較低(858.48 個/mL),主要類群為聚球藻(146 個/mL)和微微型真核浮游植物(412 個/mL)且群落1以微微型真核浮游植物(48.00 %)為主, 群落2中浮游植物的平均豐度較高(3 009.44 個/mL), 主要由微微型真核浮游植物(1 147 個/mL)和鏈狀藻(1 187 個/mL)組成(表2)。

2.3 膠州灣浮游植物生物量的分布

與豐度的分布趨勢一致, 群落1的總生物量濃度(15.15 μg/L)低于群落2的總生物量濃度(72.83 μg /L), 詳見表3。但是, 在群落1中, 小型單細胞藻、鏈狀藻和微型單細胞藻生物量對總浮游植物生物量的貢獻最大, 分別為32.73%、29.97%、24.60%, 而群落2中, 鏈狀藻生物量對總浮游植物生物量的貢獻最大, 為63.63%。群落1中微微型浮游植物、微型浮游植物和小型浮游植物生物量對總生物量的貢獻分別為3.90%、63.37%、32.73%, 群落2中微微型浮游植物、微型浮游植物和小型浮游植物生物量對總生物量的貢獻分別為2.19%、83.62%、14.19%。

表1 群落1、2的環(huán)境特征

表2 各群落的浮游植物功能群組成及豐度(個/mL)

表3 浮游植物群落的生物量

3 討論

3.1 膠州灣浮游植物功能群的組成特點以及環(huán)境因子對膠州灣浮游植物功能群的影響

傳統(tǒng)的顯微鏡鏡檢結(jié)果研究表明硅藻和甲藻是膠州灣浮游植物的主要組成類群[32], 且膠州灣網(wǎng)采浮游植物以硅藻占絕對優(yōu)勢[24], 高效液相色譜法也表明膠州灣的優(yōu)勢類群為硅藻, 微型鞭毛藻次之, 甲藻和藍細菌最低[8]。而本文基于CytoSub的研究結(jié)果表明, 膠州灣灣內(nèi)豐度最高的浮游植物類群為鏈狀硅甲藻和微微型真核浮游植物(表2), 膠州灣灣內(nèi)生物量最高的浮游植物類群為鏈狀硅甲藻(表3); 膠州灣灣外豐度最高的浮游植物類群為微微型真核浮游植物(表2), 膠州灣灣外生物量最高的浮游植物類群為小型單細胞藻和鏈狀硅甲藻(表3)?？梢钥闯? 與傳統(tǒng)的研究方法相比, CytoSub能夠準確、高效地對膠州灣優(yōu)勢類群進行鑒定分析, 且CytoSub在野外實時監(jiān)測中對鏈狀藻的分析計數(shù)具有優(yōu)勢。CytoSub在對浮游植物類群進行快速分類計數(shù)的主要依據(jù)就是浮游植物類群所含特征色素及粒徑區(qū)別, 比如富含藻膽蛋白的聚球藻和隱藻, 就能在浮游植物類群中進行準確分類計數(shù), 但是由于硅藻和甲藻都屬于葉綠素較高且胡蘿卜素、類胡蘿卜素也較高, 目前用CytoSub很難將這兩類藻進行區(qū)分聚類分析。

一般來講, 不同的水體浮游植物群落結(jié)構(gòu)具有不同的特征[33], 且浮游植物的種類組成、豐度等變化在天然水體中主要與季節(jié)和營養(yǎng)鹽等密切相關(guān)[24]。在本研究中, 浮游植物群落豐度及生物量呈現(xiàn)灣內(nèi)高值、灣外低值的原因可能是由于灣外海域受人為活動因素影響較小, 主要受黃海水流的影響, 溫度和營養(yǎng)鹽濃度最較; 而灣內(nèi)海域靠近陸地, 有許多陸源排放口, 人類活動頻繁, 是膠州灣溫度最高、鹽度最低、營養(yǎng)鹽濃度最高的海域(表1)?；诟∮沃参镓S度與環(huán)境因子的相關(guān)性分析顯示鏈狀藻的豐度與水溫和大部分營養(yǎng)鹽濃度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(表4), 這與灣內(nèi)較高的鏈狀藻豐度和生物量有很好的吻合(表2, 表3)。Hein等[34]也研究表明, 小粒徑浮游植物更適應低營養(yǎng)鹽環(huán)境, 但高營養(yǎng)鹽環(huán)境更能滿足大粒徑浮游植物生長, 與本文的研究結(jié)果相同。

表4 膠州灣不同功能群浮游植物豐度與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

Tab.4 Correlation between the phytoplankton clusters and the environmental factors

注:=12; *表示差異顯著(<0.05), **表示差異極顯著(<0.01)

3.2 膠州灣浮游植物粒級結(jié)構(gòu)及生物量估算

浮游植物粒徑分布方法研究目前主要包括葉綠素粒級分離法、電子粒度分析儀法和顯微測量粒徑分析等方法(表5)[35-37]。其中, 對于浮游植物粒級結(jié)構(gòu)的研究, 最常用的方法是葉綠素粒級分離法[38]。本文基于CytoSub的研究結(jié)果表明, 膠州灣灣外灣外浮游植物生物量以微型浮游植物(63.37%)為主, 小型浮游植物次之32.73%, 微微型浮游植物僅有3.90%; 膠州灣灣內(nèi)浮游植物生物量以微型浮游植物(83.62%)為主, 小型浮游植物(14.19%)次之, 微微型浮游植物僅有2.19%。但是, 孫曉霞等[36]采用葉綠素粒級分離法對膠州灣2003~2010年浮游植物粒級結(jié)構(gòu)進行的研究結(jié)果表明膠州灣表層浮游植物粒級組成以小型和微型浮游植物為主; 孫軍等[34]由葉綠素粒級分離法研究得出膠州灣浮游植物粒徑結(jié)構(gòu)平面分布情況為以小型浮游植物為主(60.65%), 微型浮游植物只有39.35%。從以上結(jié)果可知, 在本研究中微型浮游植物生物量對浮游植物總生物量的貢獻率高于以往調(diào)查資料, 可能的原因是在使用CytoSub對鏈狀硅甲藻進行分類計數(shù)時能根據(jù)鏈內(nèi)每個浮游植物細胞的大小進行分粒級計數(shù), 而傳統(tǒng)的葉綠素粒級分離法葉綠素粒級分離法雖簡單易行, 但其在網(wǎng)篩和濾膜粒級分離時會造成不可避免的誤差[35]。對膠州灣浮游植物種類組成的長期研究也表明, 中肋骨條藻()為膠州灣最重要的優(yōu)勢種, 且旋鏈角毛藻()也是膠州灣較重要的種類[24]。孫軍等[35]指出當調(diào)查海域優(yōu)勢種為鏈狀浮游植物群體時, 傳統(tǒng)的葉綠素粒級分離法、電子粒度分析儀法都會低估微型和微微型浮游植物的生物量, 高估>20μm的小型浮游植物的貢獻。因此, CytoSub應用在小粒徑的鏈狀藻占優(yōu)勢的海域具有極大的優(yōu)勢, 可以有效地避免分粒級過濾中的誤差, 從而準確監(jiān)測浮游植物群落的粒級結(jié)構(gòu)。

表5 浮游植物粒級觀測技術(shù)類型及比較

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High-resolution analysis of Jiaozhou Bay phytoplankton community structure based on automated submerged flow cytometer during spring

CHEN Yun-yan1, 2, SUN Xiao-xia1, 3, ZHU Ming-liang1

(1. Jiao Zhou Bay Marine Ecosystem Research Station, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences (IOCAS), Qingdao 266071, China; 2. University Of Chinese Academy Of Sciences, 19 Yuquan Road, Beijing 100049, China; 3. Laboratory For Marine Ecology And Environmental Science, Qingdao National Laboratory For Marine Science And Technology, Qingdao 266071, China)

This study presents an integrated analysis of the phytoplankton community of Jiaozhou Bay during the spring of 2014 using CytoSub, an automated submersible flow cytometry method. Data treatment was conducted on the basis of pulse shape analysis and resolved six clusters, which were named, picoeukaryotes, cryptophytes, nanoeukaryotes, microeukaryotes, and chainseukaryotes. Primer analysis showed that Jiaozhou Bay phytoplankton mainly included 2 phytoplankton groups; group 1 mainly comprised stations out of JiaozhouBay and group 2 mainly comprised stations inside Jiaozhou Bay. The phytoplankton biomass of group 1 (15.15 μg C/L) was lower than that of group 2 (72.83μg C/L). Group 1 was mainly composed of nanoeukaryotes, chainseukaryotes, and microeukaryotes, while group 2 was mainly composed of chainseukaryotes. Chainseukaryotes were predominant in Jiaozhou Bay and positively correlated with temperature and nutrients. Compared to other phytoplankton size fraction analysis methods, CytoSub provided an accurate evaluation of the phytoplankton community dominated by the chainseukaryotes.

Phytoplankton; CytoSub; Flow Cytometry; size fraction analysis; Jiaozhou Bay

(本文編輯: 梁德海)

Dec. 18, 2016

[Marine special project of the Chinese Academy of Sciences, No. XDA11030204; the Natural Basic Research Program of China, No. 2014CB441504]

P593

A

1000-3096(2017)06-0072-07

10.11759/hykx 20160726001

2016-12-18;

2017-03-16

中國科學院海洋專項項目(No. XDA11030204)、國家973項目(2014CB441504)

陳蕓燕(1987-), 女, 山東省東營人, 博士, 主要從事浮游植物生態(tài)學研究, E-mail: 88412052@163.com; 孫曉霞, 通信作者, 女, 研究員, 博士, E-mail: xsun@qdio.ac.cn