Многолетний анализ выявил скоординированную сезонность запасов и состава планктонной пищевой сети в самом Балтийском море.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 11865 (2023) Цитировать эту статью

384 доступа

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Планктонная сфера, от бактерий до зоопланктона, обеспечивает основу для пелагических водных пищевых сетей. Однако множественные трофические уровни редко включаются в исследования временных рядов, что затрудняет целостное понимание влияния сезонной динамики и взаимодействия видов на структуру пищевой сети и биогеохимические циклы. Здесь мы исследовали состав планктонных сообществ, уделяя особое внимание бактерио-, фито- и крупному мезозоопланктону, а также то, как коррелируют биотические и абиотические факторы на станции Микробной обсерватории Линнея (LMO) в Балтийском море в период с 2011 по 2018 год. Структура планктонных сообществ показала выраженную динамику. смены с повторяющимися закономерностями. Суммируя изученные здесь части планктонной микробной пищевой сети по общему углероду, получается картина, в которой фитопланктон постоянно составляет > 39%, а бактериальный и крупный мезозоопланктон - ~ 30% и ~ 7% соответственно летом. Cyanophyceae, Actinobacteria, Bacteroidetes и Proteobacteria были важными группами прокариот. Важно отметить, что в автотрофном весеннем цветении доминировали Dinophyceae, а не Bacillariophyceae, тогда как Litostomatea (инфузории) и Appendularia внесли значительный вклад в потребительские образования вместе с более традиционно наблюдаемым мезозоопланктоном, Copepoda и Cladocera. Наши выводы о сезонности как в составе планктона, так и в запасах углерода подчеркивают важность анализа временных рядов структуры пищевой сети для характеристики регуляции биогеохимических циклов и надлежащего ограничения моделей экосистем.

Балтийское море является одной из крупнейших в мире солоноватых систем1. Он предлагает множество социально-экономических услуг, таких как рыболовство, катание на лодках, плавание и общее наслаждение морским пейзажем2. Балтийское море находилось и до сих пор находится под сильным влиянием многочисленных антропогенных стрессоров и чрезмерной эксплуатации экосистемных услуг с серьезными последствиями для экосистемы, например, эвтрофикацией и загрязнением3,4. Продукция планктонных сообществ переносится на более высокие трофические уровни. Однако механизмы, регулирующие эффективность переноса, до сих пор четко не определены и, кроме того, на них могут влиять антропогенные стрессоры5. Таким образом, Балтийское море может пролить свет на то, как экосистемные услуги, например, дикие/выращенные морепродукты, удаление питательных веществ и загрязнителей, а также туризм, страдают от антропогенных стрессоров, и тем самым предложить расширенный взгляд на экосистемное управление для обеспечения устойчивого использования ресурсов. Балтийское море.

Первичные продуценты и консументы, такие как бактерио-, фито- и зоопланктонные сообщества, составляют основу пелагических пищевых сетей вместе с грибами и архей, и их метаболическая активность оказывает серьезное влияние на глобальный круговорот элементов6,7,8,9,10,11,12 ,13. Общий поток энергии и вещества на более высокие трофические уровни пищевой сети во многом зависит от структуры и функционирования микробного сообщества, поскольку гетеротрофные микроорганизмы перерабатывают питательные вещества и рассеивают энергию, производимую первичными продуцентами14,15,16. Организмы, лежащие в основе водной пищевой сети, производят биомассу и соединения, которые важны для более высоких трофических уровней во всей пищевой сети. Например, как гетеро-, так и автотрофный планктон играют ключевую роль в синтезе, например, витаминов, которые повсеместно необходимы высшим организмам17. Более того, рыба влияет на планктонные сообщества либо напрямую в результате хищничества, либо косвенно в результате выпуска хищников18,19. Таким образом, региональные долгосрочные исследования сезонной динамики параметров окружающей среды, а также бактерио-, фито- и зоопланктона могут дать новые знания о структуре и функционировании пищевой сети.

Бактериопланктон играет ключевую роль в водной пищевой сети, что объясняется высокой численностью, количеством видов, функциональными свойствами и многочисленными взаимодействиями с другими микроорганизмами, а также более высокими трофическими уровнями. В водных экосистемах основными первичными продуцентами являются фитопланктон20,21, который составляет лишь 0,2% мировой биомассы первичных продуцентов, но на их долю приходится 50% чистой продукции, например21,22. Фитопланктон, в свою очередь, поедается зоопланктоном, и, по оценкам, зоопланктон может ежедневно потреблять 10–40% первичной продукции за счет выпаса, в зависимости от продуктивности экосистемы23. Важно отметить, что даже небольшие изменения в структуре сообществ или размеров и производстве могут иметь сложные и масштабные последствия для всей экосистемы, включая производство рыбы4,24,25. Тем не менее, относительно немногие исследования включают несколько трофических уровней в сфере планктона и редко охватывают оценки общей биомассы, а также измерения состава сообщества и абиотических параметров8,26,27,28,29,30,31,32.

0.125 kg m−3, compared to the surface density73. Over the sampling time span, 13 sampling occasions had a mixed layer depth between 0 and 1 m, which could be caused by the stabilization time being too short. However, all samplings are presented as this was considered to have limited effects on the interpretation of our results. In addition, STRÅNG data (sunshine duration and PAR) were extracted from the Swedish Meteorological and Hydrological Institute (SMHI) and produced with support from the Swedish Radiation Protection Authority and the Swedish Environmental Agency. Spearman correlations to investigate relationships among biotic and abiotic parameters used the complete dataset with individual samplings. To investigate relationships among bacterio-, phyto- and the large mesozooplankton community composition, Spearman correlations for relative biomasses of bacterio-, phyto- and large mesozooplankton were used and in addition to the five taxonomical groups of large mesozooplankton presented in Fig. 1. Litostomatea (principally Mesodinium rubrum) is a mixotroph74,75 but was here considered a predator in the analysis. The output from the analysis was visualized using the “circlize” package76 in combination with the “ComplexHeatmap” package77. ‘Other zooplankton’ included specimens from the classes Thecostraca, Bivalvia, Malacostraca, Gastropoda, Clitellata, Ostracoda, Polychaeta, Thaliacea, Oligotrichea as well as specimens of the phyla Chaetognatha, Echinodermata and unidentified. Contribution to the relative biomass was always < 2% for each separate class/phyla included in ‘Other zooplankton’./p> 10 µg L−1 (Fig. 1f; Fig. S1f.). Phytoplankton biomass displayed a similar pattern compared to Chl a, with a spring bloom in April (days 91–120), reaching ~ 250 mg C m−3. During late spring, phytoplankton biomass had decreased to around 100 mg C m−3 (Fig. 2c) and a second peak was reached by mid-summer (July, 182–212) at ~ 200 mg C m−3. Subsequently, biomass stabilized around 100 mg C m−3 and decreased to winter values in December-January (25–50 mg C m−3). Phytoplankton were quantified using slightly different analytical methods during 2011–2014 compared to 2015–2018 (see material and methods) indicating that separate analysis of the two time periods is necessary. Biomass did not display a large interannual variability during the two periods 2011–2014 and 2015–2018 when analyzed separately. However, biomass was higher throughout the first period compared to the later (Fig. S4b). This result was probably related to the differences in the analytical procedure for the two time periods. Total biomass of large mesozooplankton displayed a seasonal trend with winter biomass of ~ 1 mg C m−3, followed by a rapid increase in mid-spring (May, days 121–151) peaking during early summer (June, days 152–181)) with large mesozooplankton biomass of ~ 10 mg C m−3 being stable for about a month (Fig. 2e). Towards the end of July (day 212), large mesozooplankton started to decrease and by autumn reached ~ 5 mg C m−3. The biomass of large mesozooplankton displayed low interannual variability, with similar seasonality among the years (Fig. 2e; Fig. S4c)./p> 0.05./p> 39% of the total carbon in the plankton food web. During spring, phytoplankton carbon and its relative contribution was highest (65%), whilst reaching minimal values in winter (39%). During summer and autumn, phytoplankton carbon was at a similar level, considering both amount and relative contribution (Fig. 6; Table S2). Litostomatea (exclusively the ciliate M. rubrum) made a noteworthy contribution to total carbon in the plankton communities, comprising > 20% of the total carbon throughout all seasons. During winter, Litostomatea had the lowest carbon levels, whilst the highest levels were found during summer. For most of the seasons, large mesozooplankton carbon and relative contribution was low (1–3%), except during summer when values peaked (7%). During winter and spring, large mesozooplankton carbon was at its lowest. Autumn large mesozooplankton carbon was two times higher than winter and spring levels (Fig. 6; Table S2)./p> 55% of the community (average per season). Yet, other taxa such as Appendicularia appear to have a significant role in the Baltic Sea in relation to copepods and cladocerans. Small-sized zooplankton were not included in this study, due to the sampling technique, making inferences about them in terms of abundance and biomass in relation to large mesozooplankton impossible. However, other studies have shown that small-sized zooplankton, such as rotifers and small cladocerans, play a critical role, both in terms of biomass and abundance, in the Baltic food web8,10. Furthermore, ciliates (Litostomatea; M. rubrum) also contributed to a large fraction of the carbon pool throughout the year, although some studies suggest that their life-style is dominated by autotrophy74,75, questioning their importance as predators. This suggests that a diverse and dynamic plankton community should be considered when assessing the food web structure, which could help explain the interactions in the planktonic realm./p>