福建東山灣表層沉積物中甲藻孢囊分布研究

王朝暉, 張宇寧, 王文婷, 謝昌良, 陳佳卓, 鄭虎, 王軍星

1. 暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院生態(tài)學(xué)系, 廣東 廣州 510632;

2. 惠州市海洋技術(shù)中心, 廣東 惠州 516003

甲藻是海洋浮游植物的重要組成, 而且有75%左右的有毒有害赤潮是由甲藻引起(Gómze, 2012)。許多甲藻在其生活史過程中能形成休眠孢囊, 孢囊加厚細(xì)胞壁, 并沉入海底成為海洋沉積物的一部分(Matsuoka et al, 2000)。沉積物中甲藻孢囊可以幫助種群度過惡劣環(huán)境, 而孢囊的萌發(fā)可為水體提供營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞, 被認(rèn)為是赤潮發(fā)生的“種源”(Anderson et al, 2014)。雖然只有10%～20%的甲藻能形成休眠孢囊, 但許多有毒有害赤潮藻類能產(chǎn)生休眠孢囊, 而近岸海域大部分赤潮甲藻特別是循環(huán)發(fā)生赤潮的藻類均為孢囊形成種類(Matsuoka et al, 2000)。由于孢囊具有較厚的耐受性孢囊壁, 可在海底環(huán)境中存活數(shù)十年甚至上百年(Ellegaard et al, 2018)。因此, 沉積物中孢囊分布可反映營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的種群動(dòng)態(tài), 并揭示赤潮, 特別是有毒有害赤潮發(fā)生潛勢(shì)(Anderson et al, 2014)。

東山灣位于福建省漳州市云霄縣列嶼鎮(zhèn)刺仔尾, 漳江自其北部的灣頂入海, 是一個(gè)半封閉的不規(guī)則梨形海灣。東山灣是福建省優(yōu)良港灣, 港口資源豐富, 氣候溫和, 水質(zhì)優(yōu)良, 生物資源豐富, 初級(jí)生產(chǎn)力高, 是福建省重要的漁業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖海域, 主要養(yǎng)殖對(duì)象包括紫菜、海帶等大型藻類和波紋巴非蛤、長(zhǎng)牡蠣等(孫魯峰 等, 2017)。東山灣是一個(gè)半封閉海灣, 與灣外海水交換速度慢, 人類活動(dòng)所產(chǎn)生的排入海灣的污染物難以稀釋擴(kuò)散, 易導(dǎo)致灣內(nèi)局部水環(huán)境污染。東山灣水體污染主要分為海上污染及陸源污染, 其中陸源污染主要為農(nóng)業(yè)污染, 生活污染及工業(yè)污染次之, 海上污染主要集中于八尺門網(wǎng)箱養(yǎng)殖聚集區(qū)域等水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)(姜雙城 等, 2016)。

東山灣的浮游植物優(yōu)勢(shì)種主要為中肋骨條藻(Skeletonema costatum)、菱形海線藻(Thalassionema nitzschioides)、旋鏈角毛藻(Chaetoceros curvisetus)、洛氏角毛藻(Chaetoceros lorenzianus)和丹麥細(xì)柱藻(Leptocylindrus danicus)等小型硅藻(葉又茵, 2013; 吳惠璇, 2021), 赤潮也時(shí)常發(fā)生(黃毅堅(jiān) 等, 1993), 但是目前關(guān)于東山灣甲藻孢囊的研究尚未見報(bào)道。為了了解東山灣甲藻孢囊的分布狀況, 揭示有毒有害甲藻赤潮發(fā)生潛勢(shì), 本研究在東山灣采集了表層沉積物樣品, 對(duì)沉積物中甲藻孢囊的分布規(guī)律進(jìn)行了研究, 重點(diǎn)揭示有毒有害甲藻孢囊的分布; 同時(shí)測(cè)定了沉積物中生源要素含量, 以揭示孢囊分布與生源要素的關(guān)系。研究目的旨在闡明東山灣海域甲藻赤潮發(fā)生潛勢(shì), 為東山灣的環(huán)境保護(hù)和海洋資源可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在東山灣海域設(shè)置了9 個(gè)采樣點(diǎn)(圖1), 于2016年11 月用彼得遜抓斗式采樣器采集了表層沉積物樣品。由于近岸海域沉積速率為每年1～2cm, 上表層0～2cm沉積物代表了最近1～2 年的沉降結(jié)果(王朝暉, 2007)。取上表層0～2cm 沉積物樣品, 混勻后用封口袋密封, 低溫避光保存, 帶回實(shí)驗(yàn)室后-20℃避光保存待測(cè)。

1.2 生源要素測(cè)定

沉積物于45℃烘干至恒重, 研磨后過100μm 篩網(wǎng), 放入密封袋中保存待測(cè)?？偟?total nitrogen, TN)和總有機(jī)碳(total organic carbon, TOC)的含量使用美國(guó)Perkin—Elmer 2400 Series Ⅱ型元素分析儀測(cè)定(谷陽(yáng)光 等, 2010), 總磷(total phosphorus, TP)含量采用過硫酸鹽同步消化法測(cè)定(邢殿樓 等, 2006), 生物硅(bio-silicon, BSi)采用化學(xué)連續(xù)提取法提取(Liu et al, 2002)。生源要素測(cè)定通過空白試劑和10個(gè)重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)沉積物樣品(近海海洋沉積物, GBW 07314, 中國(guó))的分析進(jìn)行質(zhì)控評(píng)估, 生物元素的分析精度控制在5%以內(nèi)。

1.3 孢囊的分析與鑒定

取5g 濕沉積物樣品置于燒杯中, 加適量過濾海水充分混合后, 置于水浴超聲中處理60s, 先后過孔徑為125μm 和10μm 的篩網(wǎng)后, 收集10μm 篩網(wǎng)上的顆粒物, 定容至10mL, 并加入3%福爾馬林固定。根據(jù)樣品的清潔度, 吸取0.1～1mL 處理后的樣品及適量過濾海水于計(jì)數(shù)框中, 充分混勻擴(kuò)展至整個(gè)計(jì)數(shù)框, 孢囊形態(tài)鑒定和數(shù)量統(tǒng)計(jì)使用倒置顯微鏡(Nikon ECLIPSE)。根據(jù)參考文獻(xiàn)(Matsuoka et al, 2000; 王朝暉, 2007)對(duì)孢囊進(jìn)行定性定量分析, 每個(gè)樣品觀察分析至少100 個(gè)孢囊, 孢囊密度以每克干泥中甲藻孢囊的數(shù)量表示, 單位為個(gè)·g-1(干重)。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

甲藻具有自養(yǎng)型和異養(yǎng)型生活方式, 其中膝溝藻目、Thoracosphaerales 目、Suessiales 目均為自養(yǎng)型甲藻, 裸甲藻目既有自養(yǎng)型也有異養(yǎng)型, 而多甲藻目中原多甲藻屬均屬于異養(yǎng)型, 自養(yǎng)型和異養(yǎng)型甲藻孢囊的百分含量為其各自的孢囊密度占總孢囊密度的百分比。孢囊的香農(nóng)—威爾種類多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener diversity index,H′)、皮盧均勻度指數(shù)(Pielou’s evenness index,J)以及孢囊與生源要素的相關(guān)關(guān)系采用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行分析計(jì)算。采樣圖使用ArcMap 10.2 軟件進(jìn)行繪制; 孢囊密度的地理分布圖使用ArcMap 10.2 軟件中的反距離權(quán)重插值法進(jìn)行繪制; 柱狀圖及折線圖使用Excel 2016軟件進(jìn)行繪制; 通過計(jì)算每種孢囊的平均密度確定其優(yōu)勢(shì)度, 孢囊按優(yōu)勢(shì)度排列的分布圖使用R4.1.0軟件的ggplot2 函數(shù)包進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲藻孢囊集群結(jié)構(gòu)

在東山灣海域表層沉積物中, 共分析鑒定出甲藻孢囊 22 種, 其中膝溝藻目的孢囊 6 種、Thoracosphaerales 目 2 種(兩種斯氏藻孢囊)、Suessiales 目1 種(別什藻孢囊)、裸甲藻目4 種、多甲藻類目8 種以及未確定目(Dinophyceae incertae sedis)1 種(環(huán)胺藻,Azadiniumsp.), 每個(gè)站位所鑒定到的孢囊種類數(shù)為12～17 種。本研究共分析鑒定出7 種有毒有害的甲藻孢囊, 包括麻痹性貝類毒素(PSP) 原因種奧氏亞歷山大藻(Alexandrium ostenfeldii)和鏈狀/塔瑪亞歷山大藻(Alexandrium catenella/tamarense)孢囊復(fù)合體、蝦夷扇貝毒素(YTX)原因種具刺膝溝藻(Gonyaulax spinifera)、環(huán)胺藻毒素(AZP)潛在原因種環(huán)胺藻、產(chǎn)生魚毒素的哈曼褐多溝藻(Polykrikos hartmannii)以及赤潮藻類Barrufeta bravensis、 錐 狀 斯 氏 藻(Scrippsiella acuminata)。除具刺膝溝藻在DS1 站位密度較高外, 其他有毒有害甲藻孢囊僅在某些站位零星分布(圖 2)。香農(nóng)—威爾種類多樣性指數(shù)(H′)偏低, 為1.7～2.38 之間, 而均勻度指數(shù)(J)則為0.64～0.84(圖3a)。

甲藻具有自養(yǎng)型和異養(yǎng)型生活方式,本研究共分析鑒定出14 種自養(yǎng)型甲藻孢囊和8 種異養(yǎng)型甲藻孢囊(表1),異養(yǎng)型甲藻孢囊包括7 種原多甲藻屬的孢囊以及裸甲藻目中的無紋多溝藻(Polykrikos schwartzii)孢囊。整體來說,東山灣表層沉積物中孢囊集群以異養(yǎng)型甲藻孢囊占據(jù)優(yōu)勢(shì)(圖3b),各站位異養(yǎng)型甲藻孢囊的百分含量為41.4%～87.5%之間,平均達(dá)到75.5%。在各類孢囊中,以多甲藻目的孢囊占據(jù)優(yōu)勢(shì),大部分為異養(yǎng)型的原多甲藻屬的孢囊,占比為37.8%～87.5%,平均75.5%;膝溝藻目孢囊次之, 所占百分比為1.9%～31.5%, 平均13.7%; 裸甲藻目和Thoracosphaerale 的孢囊平均百分含量分別為4.8%和3.7%; 其他類別的孢囊密度較低, 百分含量均低于2%(圖3c)。

表1 東山灣海域表層沉積物中甲藻孢囊的分布狀況Tab. 1 Distribution of dinoflagellate cysts in surface sediments of the Dongshan Bay

圖2 顯示了22 種甲藻孢囊按照優(yōu)勢(shì)度排列的分布狀況, 僅有3 種孢囊在所有站位均有分布, 分別為鋸齒原多甲藻(Protoperidinium denticulatum)、里昂原多甲藻(Protoperidinium leonis)和別什藻(Biecheleria tirezensis)。密度最高的為3 種原多甲藻孢囊, 平均孢囊密度為16.7～31.5 個(gè)·g-1; 隨后是3 種膝溝藻屬的孢囊和別什藻(Biecheleria tirezensis)孢囊, 平均密度為2.6～5.6 個(gè)·g-1; 裸甲藻(Gymnodinium plasticum)和水晶斯 氏 藻(Scrippsiella crystallina)平 均 密 度 為 2.5～ 2.6 個(gè)·g-1; 而其他孢囊僅零星分布。

2.2 孢囊密度的地理分布

東山灣海域甲藻孢囊及優(yōu)勢(shì)目孢囊的地理分布見圖4, 總孢囊密度和各類孢囊密度分布規(guī)律相近, 在漳江口和八尺門附近較低, 而在兩者之間的海域則較高。孢囊密度介于70.6～136.4 個(gè)·g-1, 平均為107.2 個(gè)·g-1; 最低值位于漳江口的DS7, 最高值位于DS5, 而且其他近岸海域的站點(diǎn)(DS1、DS2、DS4～DS6)的孢囊密度均超過了100 個(gè)·g-1(圖4a)。膝溝藻目孢囊密度介于2.1～36.3 個(gè)·g-1, 平均密度為15.1 個(gè)·g-1, 最低值位于DS2, 其次為DS7; 最高值位于DS1, DS8、DS5、DS9 處密度也較高(圖4b)。裸甲藻目孢囊的密度介于0.7～21.8 個(gè)·g-1, 平均密度為5.5 個(gè)·g-1, 最高值位于DS1, 最低值位于DS7, 而其他站位裸甲藻目的孢囊密度較低(圖4c)。多甲藻目孢囊的密度介于43.6～105.5 個(gè)·g-1, 平均密度為80.3 個(gè)·g-1, 最高值位于DS5, DS8 次之(100.9 個(gè)·g-1), 低值區(qū)位于DS1以及DS7 和DS9(圖4d)。未確定至目的甲藻孢囊即環(huán)胺藻孢囊僅以低密度零星分布(圖2)。

2.3 甲藻孢囊與生源要素之間的關(guān)系

根據(jù)東山灣表層沉積物中甲藻孢囊與生源要素的皮爾森相關(guān)性分析結(jié)果(表2), 孢囊種類數(shù)以及孢囊密度與所有生源要素?zé)o明顯的相關(guān)關(guān)系(p＞0.05), 說明沉積物中生源要素對(duì)甲藻孢囊的豐富度和多樣性無明顯影響。孢囊種類數(shù)與孢囊密度、膝溝藻目及裸甲藻目的孢囊密度均呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(p＜0.05), 與其他目的孢囊密度也呈現(xiàn)一定正相關(guān)關(guān)系。裸甲藻目的孢囊密度與膝溝藻目和Suessiales目的孢囊密度明顯正相關(guān)(p＜0.05)。

表2 甲藻孢囊與生源要素的皮爾森相關(guān)性分析 Tab. 2 Pearson correlation coefficients between the dinoflagellate cysts and biogenic elements

3 討論

休眠孢囊是很多甲藻生活史的特殊休眠階段, 約有10%～20%的甲藻能形成休眠孢囊(Head, 1996)。但是許多有害赤潮藻類能產(chǎn)生休眠孢囊, 而近岸海域大部分赤潮甲藻特別是循環(huán)發(fā)生赤潮的藻類均為孢囊形成種類(Matsuoka et al, 2000), 故孢囊被認(rèn)為是赤潮發(fā)生的“種源”(Anderson et al, 2014)。然而, 目前對(duì)于許多休眠孢囊的形態(tài)特征尚未完全清楚, 一些孢囊與營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的對(duì)應(yīng)關(guān)系還屬未知(Tang et al, 2021)。因此, 通過顯微鏡觀察得到的休眠孢囊種類多樣性和密度常常被低估。雖然如此, 通過傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)分類對(duì)孢囊集群進(jìn)行分析鑒定, 是沉積物中孢囊研究的基礎(chǔ)。

本研究在福建省東山灣9 個(gè)站點(diǎn)的表層沉積物中共發(fā)現(xiàn)甲藻孢囊22 種, 每個(gè)站點(diǎn)鑒定的孢囊種類數(shù)為12～17 種, 孢囊的種類多樣性偏低, 因?yàn)槲覈?guó)其他海域表層沉積物中的甲藻孢囊種類一般為20～40 種(黃海燕 等, 2010; 王艷 等, 2012; Lu et al, 2017)。東山灣海域各站點(diǎn)甲藻孢囊密度介于70.6～136.4 個(gè)·g-1, 孢囊密度雖然小于膠州灣(李影 等, 2017)、北黃海(石雅君 等, 2011)、遼東半島(李大成 等, 2019)以及廣東大亞灣(王朝暉 等, 2004)等, 但與其他近岸海域及河口地區(qū)如渤海灣(王艷 等, 2012)、長(zhǎng)江口海域(黃海燕 等, 2010)、珠江口(Lu et al, 2017)以及福建興化灣(祝躍 等, 2008)相近。甲藻孢囊通常較易在顆粒大小、沉降性質(zhì)與之相近的黏土中積累, 一般沉積物粒徑越小的粘性沉積物中甲藻孢囊密度較高(Yamaguchi et al, 1995)。同時(shí)孢囊密度也與沉積物的沉降速率有關(guān), 沉降速率越高, 單位時(shí)間內(nèi)形成的孢囊就越被稀釋, 因此孢囊密度也較低。東山灣近岸沉積物多以粉砂和砂質(zhì)沉積為主(蔡月娥 等, 1987; 阮金山, 1997), 粗糙的沉積物不利于孢囊的沉積。此外, 東山灣是一個(gè)半封閉性內(nèi)灣, 同時(shí)是福建省的重要養(yǎng)殖基地, 受人為活動(dòng)干擾大, 沉積速率較高, 導(dǎo)致沉積物中孢囊密度降低。傳統(tǒng)顯微鏡鑒定也受人為影響較大, 個(gè)體較小的孢囊以及形態(tài)學(xué)特征不明顯的孢囊可能被忽略, 孢囊上覆蓋的雜質(zhì)也可能遮蓋孢囊特征, 導(dǎo)致無法準(zhǔn)確鑒定而被忽略, 進(jìn)而導(dǎo)致鑒定到的孢囊類型和密度減少。

東山灣沉積物中甲藻孢囊集群以異養(yǎng)型孢囊占據(jù)優(yōu)勢(shì), 而異養(yǎng)型甲藻的孢囊平均百分含量高達(dá)75.5%。異養(yǎng)型甲藻需要攝食水體中硅藻等小型浮游植物, 一般來說, 自養(yǎng)型甲藻的生物量及生長(zhǎng)速度應(yīng)高于作為消費(fèi)者的異養(yǎng)型甲藻(Kang et al, 2021), 因此沉積物中自養(yǎng)型孢囊產(chǎn)量應(yīng)高于異養(yǎng)型孢囊。異養(yǎng)型甲藻孢囊百分含量上升, 說明其攝食的小型硅藻生物量高, 在浮游植物群落中占優(yōu)勢(shì), 而小型硅藻的大量繁殖又說明富營(yíng)養(yǎng)化程度的增加(Matsuoka, 1999; Kang et al, 2021)。因此, 較高的異養(yǎng)型孢囊百分比可用來指示水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度和較高的初級(jí)生產(chǎn)力, 如日本東京灣(Matsuoka, 1999)、韓國(guó)南部沿海(Shin et al, 2011)、我國(guó)長(zhǎng)江口(王朝暉 等, 2003)、廣東沿海(Lu et al, 2017)等。東山灣表層沉積物中較高的異養(yǎng)型甲藻孢囊百分含量在一定程度上說明了水體中較高的初級(jí)生產(chǎn)力及富營(yíng)養(yǎng)化水平。而相關(guān)研究表明, 雖然東山灣海域水質(zhì)尚處于中營(yíng)養(yǎng)水平, 但隨著沿岸地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及海水養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大, 東山灣海域的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)加劇(姜雙城 等, 2016)。從孢囊密度的地理分布來看, 孢囊峰值區(qū)位于中部近岸海域, 而在北部的漳江口和南部的八尺門海域較低。浮游植物調(diào)查結(jié)果顯示, 東山灣浮游植物優(yōu)勢(shì)種主要為中肋骨條藻和菱形海線藻等小型硅藻, 各海域浮游植物的細(xì)胞密度相近(吳惠璇, 2021)。因此, 沉積物中孢囊密度的差異主要與沉積物性質(zhì)和沉積速率有關(guān)。在漳江口海域, 由于河流帶來的泥沙使沉積速率增加, 河口粗糙的砂質(zhì)沉積物也不利于孢囊沉積; 而在八尺門養(yǎng)殖區(qū), 網(wǎng)箱養(yǎng)殖帶來的大量的養(yǎng)魚殘餌、生物糞便也使沉積速率增加, 且底棲環(huán)境污染加劇(阮金山, 1997), 從而導(dǎo)致孢囊密度的下降。

本研究共鑒定出有毒有害赤潮甲藻孢囊7 種(表1)。亞歷山大藻是麻痹性貝類毒素(PSP)原因種, 亞歷山大藻在我國(guó)沿海發(fā)生了多起赤潮(于仁成 等, 2020), 同時(shí)亞歷山大藻的孢囊也廣泛分布在我國(guó)沿海沉積物中(Tang et al, 2021), 而PSP 毒素也在浮游植物和貝類樣品中廣泛檢出(Zou et al, 2014; Liu et al, 2017), 而且大亞灣海域亞歷山大藻孢囊被認(rèn)為是貝類體內(nèi)PSP 毒素的重要來源(Wang et al, 2011)。本研究鑒定出兩種亞歷山大藻孢囊, 但僅零星分布且密度較低, 說明東山灣發(fā)生亞歷山大藻赤潮和PSP 毒素中毒事件的風(fēng)險(xiǎn)較低。具刺膝溝藻能產(chǎn)生蝦夷扇貝毒素(YTX)(Chikwililwa et al, 2019), 貝類可通過濾食有毒藻細(xì)胞將YTX 在體內(nèi)累積轉(zhuǎn)化并沿食物鏈傳遞, 對(duì)貝類消費(fèi)者及人類健康與生命安全造成潛在的威脅。雖然我國(guó)目前尚無YTX 毒素原因種的赤潮, 但是這些藻類的孢囊在沉積物中普遍有分布(石雅君 等, 2011; Tang et al, 2021), YTX 類毒素也不時(shí)地在浮游植物樣品和貝類樣品中檢出(Jiang et al, 2017; Liu et al, 2021)。本研究中具刺膝溝藻孢囊在DS1 站位的密度較高, 值得密切關(guān)注。哈曼褐多溝藻是一種產(chǎn)生魚毒素的赤潮種類, 雖然其赤潮在我國(guó)沿海尚未有報(bào)道, 但其孢囊在我國(guó)沿海分布廣泛(Tang et al, 2021)。錐狀斯氏藻是世界范圍內(nèi)廣泛分布的孢囊種類, 在我國(guó)南海、東海、南黃海的近岸海域也廣泛分布(Tang et al, 2021), 其赤潮也常在廣東大亞灣發(fā)生(Wang et al, 2007)。Barrufeta bravensis是一種裸甲藻新屬新種, 曾在西北地中海發(fā)生赤潮(Sampedro et al, 2011), 我國(guó)目前尚未有該種的報(bào)道。雖然東山灣尚未有這些赤潮的發(fā)生, 但其孢囊的存在需引起關(guān)注。