福建东山湾表层沉积物中甲藻孢囊分布研究

王朝晖, 张宇宁, 王文婷, 谢昌良, 陈佳卓, 郑虎, 王军星

1. 暨南大学生命科学技术学院生态学系, 广东 广州 510632;

2. 惠州市海洋技术中心, 广东 惠州 516003

甲藻是海洋浮游植物的重要组成, 而且有75%左右的有毒有害赤潮是由甲藻引起(Gómze, 2012)。许多甲藻在其生活史过程中能形成休眠孢囊, 孢囊加厚细胞壁, 并沉入海底成为海洋沉积物的一部分(Matsuoka et al, 2000)。沉积物中甲藻孢囊可以帮助种群度过恶劣环境, 而孢囊的萌发可为水体提供营养细胞, 被认为是赤潮发生的“种源”(Anderson et al, 2014)。虽然只有10%～20%的甲藻能形成休眠孢囊, 但许多有毒有害赤潮藻类能产生休眠孢囊, 而近岸海域大部分赤潮甲藻特别是循环发生赤潮的藻类均为孢囊形成种类(Matsuoka et al, 2000)。由于孢囊具有较厚的耐受性孢囊壁, 可在海底环境中存活数十年甚至上百年(Ellegaard et al, 2018)。因此, 沉积物中孢囊分布可反映营养细胞的种群动态, 并揭示赤潮, 特别是有毒有害赤潮发生潜势(Anderson et al, 2014)。

东山湾位于福建省漳州市云霄县列屿镇刺仔尾, 漳江自其北部的湾顶入海, 是一个半封闭的不规则梨形海湾。东山湾是福建省优良港湾, 港口资源丰富, 气候温和, 水质优良, 生物资源丰富, 初级生产力高, 是福建省重要的渔业及水产养殖海域, 主要养殖对象包括紫菜、海带等大型藻类和波纹巴非蛤、长牡蛎等(孙鲁峰 等, 2017)。东山湾是一个半封闭海湾, 与湾外海水交换速度慢, 人类活动所产生的排入海湾的污染物难以稀释扩散, 易导致湾内局部水环境污染。东山湾水体污染主要分为海上污染及陆源污染, 其中陆源污染主要为农业污染, 生活污染及工业污染次之, 海上污染主要集中于八尺门网箱养殖聚集区域等水产养殖区(姜双城 等, 2016)。

东山湾的浮游植物优势种主要为中肋骨条藻(Skeletonema costatum)、菱形海线藻(Thalassionema nitzschioides)、旋链角毛藻(Chaetoceros curvisetus)、洛氏角毛藻(Chaetoceros lorenzianus)和丹麦细柱藻(Leptocylindrus danicus)等小型硅藻(叶又茵, 2013; 吴惠璇, 2021), 赤潮也时常发生(黄毅坚 等, 1993), 但是目前关于东山湾甲藻孢囊的研究尚未见报道。为了了解东山湾甲藻孢囊的分布状况, 揭示有毒有害甲藻赤潮发生潜势, 本研究在东山湾采集了表层沉积物样品, 对沉积物中甲藻孢囊的分布规律进行了研究, 重点揭示有毒有害甲藻孢囊的分布; 同时测定了沉积物中生源要素含量, 以揭示孢囊分布与生源要素的关系。研究目的旨在阐明东山湾海域甲藻赤潮发生潜势, 为东山湾的环境保护和海洋资源可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在东山湾海域设置了9 个采样点(图1), 于2016年11 月用彼得逊抓斗式采样器采集了表层沉积物样品。由于近岸海域沉积速率为每年1～2cm, 上表层0～2cm沉积物代表了最近1～2 年的沉降结果(王朝晖, 2007)。取上表层0～2cm 沉积物样品, 混匀后用封口袋密封, 低温避光保存, 带回实验室后-20℃避光保存待测。

1.2 生源要素测定

沉积物于45℃烘干至恒重, 研磨后过100μm 筛网, 放入密封袋中保存待测。总氮(total nitrogen, TN)和总有机碳(total organic carbon, TOC)的含量使用美国Perkin—Elmer 2400 Series Ⅱ型元素分析仪测定(谷阳光 等, 2010), 总磷(total phosphorus, TP)含量采用过硫酸盐同步消化法测定(邢殿楼 等, 2006), 生物硅(bio-silicon, BSi)采用化学连续提取法提取(Liu et al, 2002)。生源要素测定通过空白试剂和10个重复的标准沉积物样品(近海海洋沉积物, GBW 07314, 中国)的分析进行质控评估, 生物元素的分析精度控制在5%以内。

1.3 孢囊的分析与鉴定

取5g 湿沉积物样品置于烧杯中, 加适量过滤海水充分混合后, 置于水浴超声中处理60s, 先后过孔径为125μm 和10μm 的筛网后, 收集10μm 筛网上的颗粒物, 定容至10mL, 并加入3%福尔马林固定。根据样品的清洁度, 吸取0.1～1mL 处理后的样品及适量过滤海水于计数框中, 充分混匀扩展至整个计数框, 孢囊形态鉴定和数量统计使用倒置显微镜(Nikon ECLIPSE)。根据参考文献(Matsuoka et al, 2000; 王朝晖, 2007)对孢囊进行定性定量分析, 每个样品观察分析至少100 个孢囊, 孢囊密度以每克干泥中甲藻孢囊的数量表示, 单位为个·g-1(干重)。

1.4 数据处理和统计分析

甲藻具有自养型和异养型生活方式, 其中膝沟藻目、Thoracosphaerales 目、Suessiales 目均为自养型甲藻, 裸甲藻目既有自养型也有异养型, 而多甲藻目中原多甲藻属均属于异养型, 自养型和异养型甲藻孢囊的百分含量为其各自的孢囊密度占总孢囊密度的百分比。孢囊的香农—威尔种类多样性指数(Shannon-Wiener diversity index,H′)、皮卢均匀度指数(Pielou’s evenness index,J)以及孢囊与生源要素的相关关系采用SPSS 23.0 软件进行分析计算。采样图使用ArcMap 10.2 软件进行绘制; 孢囊密度的地理分布图使用ArcMap 10.2 软件中的反距离权重插值法进行绘制; 柱状图及折线图使用Excel 2016软件进行绘制; 通过计算每种孢囊的平均密度确定其优势度, 孢囊按优势度排列的分布图使用R4.1.0软件的ggplot2 函数包进行绘制。

2 结果与分析

2.1 甲藻孢囊集群结构

在东山湾海域表层沉积物中, 共分析鉴定出甲藻孢囊 22 种, 其中膝沟藻目的孢囊 6 种、Thoracosphaerales 目 2 种(两种斯氏藻孢囊)、Suessiales 目1 种(别什藻孢囊)、裸甲藻目4 种、多甲藻类目8 种以及未确定目(Dinophyceae incertae sedis)1 种(环胺藻,Azadiniumsp.), 每个站位所鉴定到的孢囊种类数为12～17 种。本研究共分析鉴定出7 种有毒有害的甲藻孢囊, 包括麻痹性贝类毒素(PSP) 原因种奥氏亚历山大藻(Alexandrium ostenfeldii)和链状/塔玛亚历山大藻(Alexandrium catenella/tamarense)孢囊复合体、虾夷扇贝毒素(YTX)原因种具刺膝沟藻(Gonyaulax spinifera)、环胺藻毒素(AZP)潜在原因种环胺藻、产生鱼毒素的哈曼褐多沟藻(Polykrikos hartmannii)以及赤潮藻类Barrufeta bravensis、 锥 状 斯 氏 藻(Scrippsiella acuminata)。除具刺膝沟藻在DS1 站位密度较高外, 其他有毒有害甲藻孢囊仅在某些站位零星分布(图 2)。香农—威尔种类多样性指数(H′)偏低, 为1.7～2.38 之间, 而均匀度指数(J)则为0.64～0.84(图3a)。

甲藻具有自养型和异养型生活方式,本研究共分析鉴定出14 种自养型甲藻孢囊和8 种异养型甲藻孢囊(表1),异养型甲藻孢囊包括7 种原多甲藻属的孢囊以及裸甲藻目中的无纹多沟藻(Polykrikos schwartzii)孢囊。整体来说,东山湾表层沉积物中孢囊集群以异养型甲藻孢囊占据优势(图3b),各站位异养型甲藻孢囊的百分含量为41.4%～87.5%之间,平均达到75.5%。在各类孢囊中,以多甲藻目的孢囊占据优势,大部分为异养型的原多甲藻属的孢囊,占比为37.8%～87.5%,平均75.5%;膝沟藻目孢囊次之, 所占百分比为1.9%～31.5%, 平均13.7%; 裸甲藻目和Thoracosphaerale 的孢囊平均百分含量分别为4.8%和3.7%; 其他类别的孢囊密度较低, 百分含量均低于2%(图3c)。

表1 东山湾海域表层沉积物中甲藻孢囊的分布状况Tab. 1 Distribution of dinoflagellate cysts in surface sediments of the Dongshan Bay

图2 显示了22 种甲藻孢囊按照优势度排列的分布状况, 仅有3 种孢囊在所有站位均有分布, 分别为锯齿原多甲藻(Protoperidinium denticulatum)、里昂原多甲藻(Protoperidinium leonis)和别什藻(Biecheleria tirezensis)。密度最高的为3 种原多甲藻孢囊, 平均孢囊密度为16.7～31.5 个·g-1; 随后是3 种膝沟藻属的孢囊和别什藻(Biecheleria tirezensis)孢囊, 平均密度为2.6～5.6 个·g-1; 裸甲藻(Gymnodinium plasticum)和水晶斯 氏 藻(Scrippsiella crystallina)平 均 密 度 为 2.5～ 2.6 个·g-1; 而其他孢囊仅零星分布。

2.2 孢囊密度的地理分布

东山湾海域甲藻孢囊及优势目孢囊的地理分布见图4, 总孢囊密度和各类孢囊密度分布规律相近, 在漳江口和八尺门附近较低, 而在两者之间的海域则较高。孢囊密度介于70.6～136.4 个·g-1, 平均为107.2 个·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点(DS1、DS2、DS4～DS6)的孢囊密度均超过了100 个·g-1(图4a)。膝沟藻目孢囊密度介于2.1～36.3 个·g-1, 平均密度为15.1 个·g-1, 最低值位于DS2, 其次为DS7; 最高值位于DS1, DS8、DS5、DS9 处密度也较高(图4b)。裸甲藻目孢囊的密度介于0.7～21.8 个·g-1, 平均密度为5.5 个·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较低(图4c)。多甲藻目孢囊的密度介于43.6～105.5 个·g-1, 平均密度为80.3 个·g-1, 最高值位于DS5, DS8 次之(100.9 个·g-1), 低值区位于DS1以及DS7 和DS9(图4d)。未确定至目的甲藻孢囊即环胺藻孢囊仅以低密度零星分布(图2)。

2.3 甲藻孢囊与生源要素之间的关系

根据东山湾表层沉积物中甲藻孢囊与生源要素的皮尔森相关性分析结果(表2), 孢囊种类数以及孢囊密度与所有生源要素无明显的相关关系(p＞0.05), 说明沉积物中生源要素对甲藻孢囊的丰富度和多样性无明显影响。孢囊种类数与孢囊密度、膝沟藻目及裸甲藻目的孢囊密度均呈明显的正相关关系(p＜0.05), 与其他目的孢囊密度也呈现一定正相关关系。裸甲藻目的孢囊密度与膝沟藻目和Suessiales目的孢囊密度明显正相关(p＜0.05)。

表2 甲藻孢囊与生源要素的皮尔森相关性分析 Tab. 2 Pearson correlation coefficients between the dinoflagellate cysts and biogenic elements

3 讨论

休眠孢囊是很多甲藻生活史的特殊休眠阶段, 约有10%～20%的甲藻能形成休眠孢囊(Head, 1996)。但是许多有害赤潮藻类能产生休眠孢囊, 而近岸海域大部分赤潮甲藻特别是循环发生赤潮的藻类均为孢囊形成种类(Matsuoka et al, 2000), 故孢囊被认为是赤潮发生的“种源”(Anderson et al, 2014)。然而, 目前对于许多休眠孢囊的形态特征尚未完全清楚, 一些孢囊与营养细胞的对应关系还属未知(Tang et al, 2021)。因此, 通过显微镜观察得到的休眠孢囊种类多样性和密度常常被低估。虽然如此, 通过传统的形态学分类对孢囊集群进行分析鉴定, 是沉积物中孢囊研究的基础。

本研究在福建省东山湾9 个站点的表层沉积物中共发现甲藻孢囊22 种, 每个站点鉴定的孢囊种类数为12～17 种, 孢囊的种类多样性偏低, 因为我国其他海域表层沉积物中的甲藻孢囊种类一般为20～40 种(黄海燕 等, 2010; 王艳 等, 2012; Lu et al, 2017)。东山湾海域各站点甲藻孢囊密度介于70.6～136.4 个·g-1, 孢囊密度虽然小于胶州湾(李影 等, 2017)、北黄海(石雅君 等, 2011)、辽东半岛(李大成 等, 2019)以及广东大亚湾(王朝晖 等, 2004)等, 但与其他近岸海域及河口地区如渤海湾(王艳 等, 2012)、长江口海域(黄海燕 等, 2010)、珠江口(Lu et al, 2017)以及福建兴化湾(祝跃 等, 2008)相近。甲藻孢囊通常较易在颗粒大小、沉降性质与之相近的黏土中积累, 一般沉积物粒径越小的粘性沉积物中甲藻孢囊密度较高(Yamaguchi et al, 1995)。同时孢囊密度也与沉积物的沉降速率有关, 沉降速率越高, 单位时间内形成的孢囊就越被稀释, 因此孢囊密度也较低。东山湾近岸沉积物多以粉砂和砂质沉积为主(蔡月娥 等, 1987; 阮金山, 1997), 粗糙的沉积物不利于孢囊的沉积。此外, 东山湾是一个半封闭性内湾, 同时是福建省的重要养殖基地, 受人为活动干扰大, 沉积速率较高, 导致沉积物中孢囊密度降低。传统显微镜鉴定也受人为影响较大, 个体较小的孢囊以及形态学特征不明显的孢囊可能被忽略, 孢囊上覆盖的杂质也可能遮盖孢囊特征, 导致无法准确鉴定而被忽略, 进而导致鉴定到的孢囊类型和密度减少。

东山湾沉积物中甲藻孢囊集群以异养型孢囊占据优势, 而异养型甲藻的孢囊平均百分含量高达75.5%。异养型甲藻需要摄食水体中硅藻等小型浮游植物, 一般来说, 自养型甲藻的生物量及生长速度应高于作为消费者的异养型甲藻(Kang et al, 2021), 因此沉积物中自养型孢囊产量应高于异养型孢囊。异养型甲藻孢囊百分含量上升, 说明其摄食的小型硅藻生物量高, 在浮游植物群落中占优势, 而小型硅藻的大量繁殖又说明富营养化程度的增加(Matsuoka, 1999; Kang et al, 2021)。因此, 较高的异养型孢囊百分比可用来指示水体的富营养化程度和较高的初级生产力, 如日本东京湾(Matsuoka, 1999)、韩国南部沿海(Shin et al, 2011)、我国长江口(王朝晖 等, 2003)、广东沿海(Lu et al, 2017)等。东山湾表层沉积物中较高的异养型甲藻孢囊百分含量在一定程度上说明了水体中较高的初级生产力及富营养化水平。而相关研究表明, 虽然东山湾海域水质尚处于中营养水平, 但随着沿岸地区的经济发展以及海水养殖规模的扩大, 东山湾海域的富营养化风险加剧(姜双城 等, 2016)。从孢囊密度的地理分布来看, 孢囊峰值区位于中部近岸海域, 而在北部的漳江口和南部的八尺门海域较低。浮游植物调查结果显示, 东山湾浮游植物优势种主要为中肋骨条藻和菱形海线藻等小型硅藻, 各海域浮游植物的细胞密度相近(吴惠璇, 2021)。因此, 沉积物中孢囊密度的差异主要与沉积物性质和沉积速率有关。在漳江口海域, 由于河流带来的泥沙使沉积速率增加, 河口粗糙的砂质沉积物也不利于孢囊沉积; 而在八尺门养殖区, 网箱养殖带来的大量的养鱼残饵、生物粪便也使沉积速率增加, 且底栖环境污染加剧(阮金山, 1997), 从而导致孢囊密度的下降。

本研究共鉴定出有毒有害赤潮甲藻孢囊7 种(表1)。亚历山大藻是麻痹性贝类毒素(PSP)原因种, 亚历山大藻在我国沿海发生了多起赤潮(于仁成 等, 2020), 同时亚历山大藻的孢囊也广泛分布在我国沿海沉积物中(Tang et al, 2021), 而PSP 毒素也在浮游植物和贝类样品中广泛检出(Zou et al, 2014; Liu et al, 2017), 而且大亚湾海域亚历山大藻孢囊被认为是贝类体内PSP 毒素的重要来源(Wang et al, 2011)。本研究鉴定出两种亚历山大藻孢囊, 但仅零星分布且密度较低, 说明东山湾发生亚历山大藻赤潮和PSP 毒素中毒事件的风险较低。具刺膝沟藻能产生虾夷扇贝毒素(YTX)(Chikwililwa et al, 2019), 贝类可通过滤食有毒藻细胞将YTX 在体内累积转化并沿食物链传递, 对贝类消费者及人类健康与生命安全造成潜在的威胁。虽然我国目前尚无YTX 毒素原因种的赤潮, 但是这些藻类的孢囊在沉积物中普遍有分布(石雅君 等, 2011; Tang et al, 2021), YTX 类毒素也不时地在浮游植物样品和贝类样品中检出(Jiang et al, 2017; Liu et al, 2021)。本研究中具刺膝沟藻孢囊在DS1 站位的密度较高, 值得密切关注。哈曼褐多沟藻是一种产生鱼毒素的赤潮种类, 虽然其赤潮在我国沿海尚未有报道, 但其孢囊在我国沿海分布广泛(Tang et al, 2021)。锥状斯氏藻是世界范围内广泛分布的孢囊种类, 在我国南海、东海、南黄海的近岸海域也广泛分布(Tang et al, 2021), 其赤潮也常在广东大亚湾发生(Wang et al, 2007)。Barrufeta bravensis是一种裸甲藻新属新种, 曾在西北地中海发生赤潮(Sampedro et al, 2011), 我国目前尚未有该种的报道。虽然东山湾尚未有这些赤潮的发生, 但其孢囊的存在需引起关注。