福建福寧灣表層沉積物中甲藻孢囊分布與多樣性研究*

王朝暉 鄭 虎 王文婷 謝昌良 暨雙輝 張宇寧

(暨南大學生命科學技術(shù)學院生態(tài)學系 廣東廣州 510632)

甲藻是海洋浮游植物的重要組成部分, 約有75%左右的有毒有害赤潮是由甲藻引起(Gómez,2012)。許多甲藻在其生活史過程中能形成休眠孢囊,孢囊加厚細胞壁, 并沉入海底成為海洋沉積物的一部分(Bravoet al,2014)。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)可為水體提供營養(yǎng)細胞, 被認為是赤潮發(fā)生的“種源”(Andersonet 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(Matsuokaet al, 2000)。由于具有較厚的耐受性孢囊壁, 孢囊可在海底環(huán)境中存活數(shù)十年甚至上百年(Ellegaardet al, 2018)。因此, 沉積物中孢囊的分布可反映營養(yǎng)細胞種群動態(tài), 揭示赤潮特別是有毒有害赤潮發(fā)生潛勢(Andersonet al, 2014)。

福寧灣位于福建省東北部霞浦縣, 屬中亞熱帶海洋性季風濕潤氣候, 季節(jié)性特征明顯, 地勢平坦,大多為泥沙底質(zhì), 沿岸有羅漢溪等河流入海。福寧灣浮游植物群落主要由硅藻、甲藻組成, 優(yōu)勢種包括中肋骨條藻(Skeletonema costatum)、 柏氏角管藻(Cerataulina bergonii)和條紋小環(huán)藻(Cyclotella striata)等硅藻以及夜光藻(Noctiluca scintillans)和波狀角藻(Ceratium trichoceros)等甲藻(全漢鋒等, 2015)。福寧灣是霞浦縣重要的養(yǎng)殖基地, 21 世紀以來福寧灣頻發(fā)赤潮, 主要為中肋骨條藻、具齒原甲藻(Prorocentrum dentatum)、夜光藻、米氏凱倫藻(Karenia mikimotoi)等赤潮(陳國斌等, 2004; 劉煒等, 2008)。而目前關(guān)于福寧灣甲藻孢囊的研究尚未見報道。

為了解福寧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, 本研究采集了福寧灣表層沉積物樣品, 對沉積物中甲藻孢囊的分布規(guī)律進行研究, 重點揭示有毒有害甲藻孢囊的分布; 同時測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。研究目的旨在闡明福寧灣海域甲藻赤潮發(fā)生潛勢, 為福寧灣的環(huán)境保護和海洋資源可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在福寧灣海域設(shè)置了7 個采樣點(圖1), 于2018年4 月用彼得遜抓斗式采樣器采集了表層沉積物樣品, 取上表層0～2 cm 沉積物樣品, 混勻后用封口袋密封, 低溫避光保存, 帶回實驗室后－20 °C 避光保存待測。

圖1 福寧灣孢囊研究采樣圖Fig.1 The sampling stations in Funing Bay

1.2 生源要素測定

稱取約15 g 濕沉積物, 于45 °C 烘干至恒重, 研磨后過100 μm 網(wǎng)篩后, 放入密封袋中保存待測。總氮(TN)和總有機碳(TOC)的含量使用美國 Perkin-Elmer 2400 Series Ⅱ型元素分析儀測定(谷陽光等,2010), 總磷(TP)含量采用過硫酸鹽同步消化法測定(邢殿樓等, 2006), 生物硅(BSi)采用化學連續(xù)提取法提取(Liuet al, 2002)。

1.3 孢囊的分析與鑒定

稱取5 g 濕沉積物樣品, 置于燒杯中, 加入適量過濾海水充分混合后, 水浴超聲處理60 s, 然后先后過125 和10 μm 孔徑篩網(wǎng), 收集10 μm 篩網(wǎng)上的顆粒物, 定容至10 mL, 加入3%福爾馬林固定。在倒置顯微鏡(Nikon ECLIPSE)下對孢囊進行分析鑒定, 每個樣品觀察分析至少100 個孢囊, 孢囊密度以每克干泥中甲藻孢囊數(shù)量表示(cysts/g, 以干重計, 下同)。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

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 軟件進行分析計算。采樣圖及孢囊密度的地理分布圖使用軟件 Sufer 13.0 進行繪制,柱狀圖及折線圖使用Excel 2016 軟件進行繪制。通過計算每種孢囊的平均密度確定其優(yōu)勢度, 孢囊按優(yōu)勢度排列的分布圖使用R4.1.0 軟件的ggplot2 函數(shù)包進行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲藻孢囊集群結(jié)構(gòu)

在福寧灣海域表層沉積物中, 共分析鑒定出甲藻孢囊 25 種, 其中膝溝藻目孢囊 9 種、Thoracosphaerales 目2 種(斯氏藻孢囊)、Suessiales 目1 種(別什藻孢囊)、裸甲藻目5 種、多甲藻類目8 種(表1), 每個站位所鑒定到的孢囊種類數(shù)為15～21 種(表1, 圖2a)。本研究分析鑒定出9 種有毒有害甲藻的孢囊, 包括麻痹性貝類毒素(paralytic shellfish poisoning,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、goniodomine A 原因種平野亞歷山大藻(Alexandrium hiranoi)、蝦夷扇貝毒素(yessotoxin,YTX)原因種具刺膝溝藻(Gonyaulax spinifera)和網(wǎng)狀原角藻(Protoceratium reticulatum)、產(chǎn)生魚毒素的哈曼褐多溝藻(Pheopolykrikos hartmannii)以及赤潮藻類Barrufeta bravensis、 錐 狀 斯 氏 藻(Scrippsiella acuminata)和垂裂萊萬藻(Levanderina fissa), 其中Barrufeta bravensis、Gonyaulax spinifera和Scrippsiella acuminata分布廣泛且密度較高, 而其他有毒有害甲藻孢囊僅在某些站位零星分布(表1, 圖3)。站位間香農(nóng)-威爾種類多樣性指數(shù)(H′)變化不大,為2.06～2.34; 而均勻度指數(shù)(J)則為0.71～0.81(圖2a)。

圖2 福寧灣甲藻孢囊種類多樣性指數(shù)以及各類孢囊的百分比組成Fig.2 Species diversity of dinoflagellate cysts and percentage proportions of cyst groups

圖3 甲藻孢囊按平均孢囊密度排列的分布狀況Fig.3 Distribution of dinoflagellate cysts in average concentrations

表1 福寧灣海域表層沉積物中甲藻孢囊信息及分布狀況Tab.1 Information and distribution of dinoflagellate cysts in surface sediments from Funing Bay

續(xù)表

在各類孢囊中, 以多甲藻目的孢囊占據(jù)優(yōu)勢(圖2b), 占比為42.5%～61.6%, 平均為47.7%。多甲藻目中大部分為異養(yǎng)型的原多甲藻屬的孢囊(表1), 原多甲藻孢囊占比37.6%～50.0%, 平均為42.5%。Suessiales即別什藻(Biecheleria tirezensis)的孢囊次之, 百分比為17.7%～29.6%, 平均25.0%。裸甲藻目和膝溝藻目的孢囊百分比含量相近, 平均分別為13.0%和9.1%。而Thoracosphaerales (兩種斯氏藻)的孢囊平均百分比含量僅為5.2%。

圖3 顯示了25 種甲藻孢囊按照平均孢囊密度排列的分布狀況, 有8 種孢囊在所有站位均有分布, 分別為別什藻、五角原多甲藻(Protoperidinium pentagonum)、里昂原多甲藻(Protoperidinium leonis)、Barrufeta bravensis、安倍原多甲藻(Protoperidinium abei)、異帽藻、具刺膝溝藻和耳蝸膝溝藻(Gonyaulax cochlea)。此外, 還有6 種孢囊在6 個站位出現(xiàn), 說明福寧灣孢囊組成相近。密度最高的前六種孢囊均在所有站位分布, 其中別什藻孢囊平均密度達到69.8 cysts/g (以干重計, 下同); 隨后是兩種原多甲藻屬的孢囊, 平均密度分別為50.1 和40.1 cysts/g;Barrufeta bravensis、安倍原多甲藻、異帽藻的孢囊位列密度第4 至第6 位,平均密度為13.9～32.0 cysts/g; 其他孢囊的平均密度均小于10 cysts/g。Barrufeta bravensis孢囊平均密度達32.0 cysts/g, 其他8 種有毒有害甲藻孢囊密度位于0.96～8.8 cysts/g, 具刺膝溝藻和錐狀斯氏藻孢囊密度相對較高。

2.2 孢囊密度的地理分布

福寧灣海域甲藻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, 大部分高值區(qū)位于在短表島以北的近岸海域FN1 站位以及長表島外的FN4 至FN6 一帶, 而低值區(qū)則位于長表島附近的FN2 以及位于高羅澳的FN3 和海尾角附近的FN5。孢囊密度介于178.6～386.3 cysts/g, 平均為286.0 cysts/g,整體來說呈現(xiàn)東北部偏高、西南部偏低的趨勢, 最高值位于FN6, 最低值位于FN2 (圖4a)。膝溝藻孢囊密度介于11.4～33.2 cysts/g, 平均密度為25.0 cysts/g, 最高值位于FN6, FN3 和FN7 膝溝藻孢囊密度也較高; 低值區(qū)位于以FN2 為中心的西北角(圖4b)。Thoracosphaerales孢囊包括兩種斯氏藻孢囊, 其密度介于2.1～33.2 cysts/g,平均密度為16.1 cysts/g, 高值區(qū)位于FN1, 最低值位于FN2 (圖 4c)。Suessiales 中僅鑒定出一種別什藻Biecheleria tirezensis孢囊, 孢囊密度介于48.8～95.0 cysts/g, 平均密度為69.8 cysts/g, 高值區(qū)位于FN4 至FN6, 低值區(qū)則位于以FN2 為中心的西部海域(圖4d)。裸甲藻目的孢囊密度介于6.2～97.6 cysts/g, 平均密度為42.1 cysts/g, 分布規(guī)律與總孢囊密度一致, 高值區(qū)位于FN1 和FN6, 而低值區(qū)位于FN2 附近(圖4e)。多甲藻孢囊除了異帽藻Heterocapsa niei孢囊外, 其余全部為原多甲藻孢囊; 多甲藻密度介于103.4～168.2 cysts/g, 平均密度為133.0 cysts/g, 高值區(qū)也位于FN1 和FN6, 低值區(qū)則位于FN5 (圖4e)。

圖4 總孢囊密度及不同類別孢囊密度的地理分布(單位: cysts/g)Fig.4 Geographical distribution in concentration of overall cysts and cysts of the five classes (unit: cysts/g)

2.3 甲藻孢囊與生源要素之間的關(guān)系

表2 列出了福寧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, 孢囊密度與生源要素一般無明顯相關(guān)關(guān)系, 僅Suessiales 孢囊密度與TN 呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)?？傛吣颐芏扰c主要孢囊類別如裸甲藻孢囊、多甲藻孢囊、Thoracosphaerales 孢囊和Suessiales 孢囊密度均呈明顯正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05 或P＜0.01), 說明它們是總孢囊密度的重要貢獻者。

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 dinoflagellate cysts and biogenic elements

3 討論

3.1 福寧灣甲藻孢囊集群結(jié)構(gòu)特征

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(Matsuokaet al, 2000), 孢囊被認為是赤潮發(fā)生的“種源”(Wanget al, 2007; Andersonet al,2014)。目前對于許多休眠孢囊的形態(tài)特征尚未完全清楚, 一些孢囊與營養(yǎng)細胞的對應(yīng)關(guān)系還屬未知(Tanget 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)學分類對孢囊集群進行分析鑒定, 仍是沉積物中孢囊研究的基礎(chǔ)。本研究在福建省福寧灣7個站點的表層沉積物中共發(fā)現(xiàn)甲藻孢囊25 種, 每個站位鑒定的孢囊種類數(shù)為15～21 種。孢囊的種類多樣性與我國及世界其他海域沉積物中的甲藻孢囊種類豐富度相近, 在我國其他海域表層沉積物中甲藻孢囊種類一般為 20～40 種(黃海燕等, 2010; 王艷等,2012; Luet al, 2017)。

福寧灣海域各站點甲藻孢囊密度介于 178.6～386.3 cysts/g, 孢囊密度與我國其他近岸港灣如膠州灣(李影等, 2017)、北黃海(石雅君等, 2011)、遼東半島(李大成等, 2019)和深圳灣(趙薇等, 2021)等相近,且略高于其他近岸海域及河口地區(qū)如渤海灣(王艷等,2012)、長江口海域(黃海燕等, 2010)、珠江口(Luet al,2017)以及福建興化灣(祝躍等, 2008)等。甲藻孢囊通常較易在顆粒大小、沉降性質(zhì)與之相近的粘土中積累,一般沉積物粒徑較小的黏性沉積物中甲藻孢囊密度較高(Yamaguchiet al, 1995)。福寧灣內(nèi)整體沉積物顆粒較細, 以泥和砂質(zhì)泥為主, 僅在近岸區(qū)域有較粗的砂質(zhì)粉砂和粉砂等島嶼侵蝕物質(zhì)分布(郭俊杰等,2021), 較細的沉積物更有利于孢囊的沉積。從孢囊的地理分布來看, 大部分高值區(qū)位于在短表島以北的近岸海域以及長表島外海域, 而低值區(qū)則位于長表島至海尾角的近岸海域。沉積物粒徑分析表明, 在長表島和海尾角附近沉積物粒徑較粗, 以砂質(zhì)泥為主,而在長表島南部則以較細的泥質(zhì)沉積物為主(郭俊杰等, 2021)。此外, 在長表島東南海域FN2 至FN7 斷面,水深呈現(xiàn)出明顯增加趨勢(圖1), 更有利于孢囊沉積。而位于近岸海域的FN1 雖然水深較淺, 但該海域初級生產(chǎn)力較高, 浮游植物細胞密度明顯高于其他遠岸海域(全漢鋒等, 2015), 同時沉積物也以較細的泥質(zhì)為主, 致使該海域孢囊密度也較高。

福寧灣沉積物中甲藻孢囊的第一優(yōu)勢種為別什藻, 平均密度為69.8 cysts/g, 平均百分比為25.0%。別什藻是一種小型薄壁甲藻, 能形成孢囊(Rahoet al,2018)。在世界許多海域沉積物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)別什藻(Sildeveret al, 2017; Takahashiet al, 2014), 該藻孢囊在我國華南沿海沉積物中也廣泛分布(Liuet al,2020)。而該藻在福寧灣浮游植物調(diào)查中尚未報道, 可能是因為體型微小而被忽略, 其孢囊的廣泛而大量分布說明別什藻是福寧灣浮游植物中的常見優(yōu)勢甲藻。有研究表明, 以光能自養(yǎng)型為主要營養(yǎng)方式的某種甲藻的孢囊大幅度上升, 可在一定程度上說明甲藻生產(chǎn)力的上升以及浮游植物和孢囊物種多樣性的下降, 如挪威奧斯陸灣沉積物中多紋舌甲藻孢囊密度的增加說明了富營養(yǎng)化程度及初級生產(chǎn)力的上升(Daleet al, 1999), 而大亞灣沉積物中高密度的錐狀斯氏藻孢囊說明了海洋富營養(yǎng)化程度和錐狀斯氏藻赤潮的發(fā)生(Wanget al, 2011)。雖然在本研究中別什藻孢囊是福寧灣沉積物中的優(yōu)勢孢囊類別, 但僅憑一次表層沉積物中的孢囊調(diào)查難以揭示浮游植物和富營養(yǎng)化狀況的變遷狀況, 需要進一步對柱狀沉積物中孢囊的垂直分布進行研究, 以追溯福寧灣海洋環(huán)境變化歷程。

3.2 福寧灣沉積物中有毒有害甲藻孢囊的分布及赤潮發(fā)生風險

在本研究中有毒有害赤潮藻類孢囊種類豐富,共鑒定出有毒有害赤潮甲藻孢囊9 種。亞歷山大藻是麻痹性貝類毒素(PSP)原因種, 亞歷山大藻在我國沿海發(fā)生了多起赤潮(于仁成等, 2020), 同時亞歷山大藻的孢囊也廣泛分布在我國沿海沉積物中(Tanget al,2021), PSP 毒素也在浮游植物和貝類樣品中被廣泛檢出(Liuet al, 2017), 而且大亞灣海域亞歷山大藻孢囊被認為是貝類體內(nèi)PSP 毒素的重要來源(Wanget al,2011)。本研究鑒定出三種亞歷山大藻孢囊, 另外有一種未鑒定至種的亞歷山大藻孢囊, 其中兩種(奧氏亞歷山大藻和鏈狀/塔瑪亞歷山大藻)孢囊復(fù)合體為PSP毒素原因種。而平野亞歷山大藻可產(chǎn)生goniodomine A 毒素(Murakamiet al, 1998), 該藻營養(yǎng)細胞已經(jīng)在我國沿海廣泛分布(宋倫等, 2021; Yuet al, 2021), 但其孢囊尚屬首次在我國沿海沉積物中出現(xiàn)。這些亞歷山大藻孢囊僅零星分布且密度較低, 而其他PSP 毒素原因種如鏈狀裸甲藻(Gymnodinium catenatum)的孢囊未在本研究中檢出, 由此說明福寧灣發(fā)生亞歷山大藻赤潮和PSP 毒素中毒事件的風險較低, 實際上在福寧灣以往的浮游植物調(diào)查中也尚未有PSP 毒素原因種的記錄(陳國斌等, 2004; 全漢鋒等, 2015)。

具刺膝溝藻和網(wǎng)狀原角藻能產(chǎn)生蝦夷扇貝毒素(YTX)(Chikwililwaet al, 2019), 而具刺膝溝藻在福寧灣所有站位均有分布。雖然我國目前尚無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分布(石雅君等, 2011; Tanget al, 2021), YTX 類毒素也不時在浮游植物樣品和貝類樣品中被檢出(Jianget al, 2017; Liuet al, 2021)。錐狀斯氏藻是全世界范圍內(nèi)廣泛分布的孢囊種類, 在我國南海、東海、南黃海的近岸海域廣泛分布(Tanget al, 2021), 其赤潮也常在廣東大亞灣發(fā)生(Wanget al, 2007), 同時錐狀斯氏藻也是福寧灣浮游植物中的常見種類(陳國斌等,2004), 本研究中其孢囊分布較為廣泛而且密度較高。Barrufeta bravensis是一種裸甲藻新屬新種, 曾在西北地中海發(fā)生赤潮(Sampedroet al, 2011), 我國目前尚未有該種的報道, 本研究中該藻孢囊分布廣泛而且密度較高, 需引起關(guān)注。

4 結(jié)論

(1) 在福寧灣表層沉積物中分析鑒定出甲藻孢囊25 種, 甲藻孢囊密度介于178.6～386.3 cysts/g, 孢囊密度高值區(qū)分布在水深較深、初級生產(chǎn)力較高、沉積物較細的海域。

(2) 別什藻(Biecheleria tirezensis)孢囊是福寧灣沉積物中甲藻孢囊的第一優(yōu)勢種, 并且在所有站位均有分布, 但該藻在福寧灣浮游植物調(diào)查中尚未報道, 可能是因為體型微小而被忽略, 其孢囊的廣泛而大量分布說明別什藻是福寧灣浮游植物中的常見優(yōu)勢甲藻。

(3) 福寧灣有毒有害甲藻的孢囊種類豐富, 共發(fā)現(xiàn)9 種有毒有害甲藻孢囊, 大部分有毒有害甲藻孢囊僅零星分布, 但Barrufeta bravensis、具刺膝溝藻和錐狀斯氏藻的孢囊分布廣泛且密度比較高, 具有引發(fā)赤潮的潛勢, 需引起關(guān)注。