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(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)殖對象包括紫菜、海帶等大型藻類和波紋巴非蛤、長牡蠣等(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, 本研究在東山灣采集了表層沉積物樣品, 對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, 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。

1.2 生源要素測定

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?？偟?total nitrogen, TN)和總有機(jī)碳(total organic carbon, 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(total phosphorus, TP)含量采用過硫酸鹽同步消化法測定(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)的分析進(jìn)行質(zhì)控評估, 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(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(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,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(xì)胞的對應(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渌Ｓ虮韺映练e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, 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, 而小型硅藻的大量繁殖又說明富營養(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養(yǎng)化程度和較高的初級生產(chǎn)力, 如日本東京灣(Matsuoka, 1999)、韓國南部沿海(Shin et al, 2011)、我國長江口(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生產(chǎn)力及富營養(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, 雖然其赤潮在我國沿海尚未有報(bào)道, 但其孢囊在我國沿海分布廣泛(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。