張清春 向 玲 王錦秀 劉 揚(yáng) 宋敏杰 王云峰 孔凡洲 耿慧霞 顏 天 于仁成

南黃海首次暴發(fā)“巨囊”生態(tài)型球形棕囊藻藻華*

張清春1, 2, 4向 玲1, 3王錦秀1, 3劉 揚(yáng)1, 5宋敏杰1, 3王云峰1, 2, 4孔凡洲1, 2, 4耿慧霞1, 2, 4顏 天1, 2, 4于仁成1, 2, 3, 4①

(1. 中國科學(xué)院海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室(中國科學(xué)院海洋研究所) 山東青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家試點實驗室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實驗室 山東青島 266071; 3. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 4. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)中心 山東青島 266071; 5. 青島科技大學(xué) 山東青島 266045)

球形棕囊藻()常在熱帶至溫帶近海海域形成有害藻華, 該種具有種內(nèi)遺傳多態(tài)性, 且有囊體大小、特征色素組成等性狀分化。在我國南海形成有害藻華的球形棕囊藻可形成“巨型囊體”, 以19′-丁酰氧基巖藻黃素(But-fuco)為特征色素, 是一種獨特的“巨囊”生態(tài)型。2021年11月底至12月初, 南黃海青島沿岸暴發(fā)大規(guī)模球形棕囊藻藻華。藻華發(fā)生期間, 對青島沿岸3個站位的水文和化學(xué)要素進(jìn)行了觀測, 分析了球形棕囊藻囊體的數(shù)量、直徑和色素組成, 并應(yīng)用一種高分辨率種下分子標(biāo)記——葉綠體S-27基因間隔區(qū)分析了其遺傳特征。結(jié)果表明, 藻華發(fā)生期間青島沿岸表層海水溫度較低(12～14 °C), 海域營養(yǎng)鹽組成具有高溶解有機(jī)氮、低溶解無機(jī)氮的特征; 球形棕囊藻囊體豐度超過20個/L, 最大囊體直徑為18 mm, 以But-fuco為特征色素,S-27序列分析表明其與南海“巨囊”生態(tài)型球形棕囊藻具有相同的遺傳特征。南黃海首次暴發(fā)的球形棕囊藻藻華是由“巨囊”生態(tài)型形成, 該藻華可能對海洋生態(tài)系統(tǒng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展和核電設(shè)施運(yùn)行等構(gòu)成威脅, 亟待開展藻華成因與監(jiān)測預(yù)警對策研究。

球形棕囊藻; “巨囊”生態(tài)型; 有害藻華; 南黃海

2021年11月底12月初, 南黃海青島沿岸突發(fā)球形棕囊藻()形成的有害藻華(harmful algal bloom, HAB)。大量球形棕囊藻囊體聚集于青島市黃島至膠南沿岸海域, 這是南黃海海域首次暴發(fā)球形棕囊藻藻華。球形棕囊藻廣泛分布于熱帶至溫帶海洋, 能產(chǎn)生二甲基丙酸鹽, 對全球氣候變化具有重要影響(Charlson, 1987; Wassmann, 2005; Whipple, 2005)。球形棕囊藻具有復(fù)雜的異形生活史, 含有游離單細(xì)胞和囊體群體兩種迥異的細(xì)胞形態(tài)(齊雨藻等, 2001), 其中囊體是由黏多糖包裹成千上萬個藻細(xì)胞形成(Van Rijssel, 1997)。球形棕囊藻常以囊體形式形成藻華, 在全球許多近海海域均有該藻藻華記錄(Qi, 2004; Smith, 2014b)。在球形棕囊藻藻華衰退過程中, 死亡藻體分解消耗大量溶解氧, 囊體分解形成泡沫物質(zhì), 影響海洋生態(tài)系統(tǒng)和旅游景觀, 亦會產(chǎn)生溶血毒素等有毒有害化學(xué)物質(zhì), 危害海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展; 藻華期間形成的大量囊體易堵塞冷卻水過濾網(wǎng), 影響核電等沿海大型設(shè)施的安全運(yùn)行(齊雨藻等, 2001; Yu, 2017)。

1997年, 球形棕囊藻首次在我國東南沿海形成有害藻華(陳菊芳等, 1999), 之后在廣東、海南和廣西近海海域連年暴發(fā), 成為我國東南沿海最為突出的藻華災(zāi)害(李亞男等, 2012; 沈萍萍等, 2018)。在渤海也多次暴發(fā)該藻藻華(曲凌云等, 2008; 屠建波等, 2011)。在本次青島沿岸藻華之前, 未見有東海和南黃海發(fā)生球形棕囊藻藻華的報道。

球形棕囊藻具有囊體大小和特征色素組成等性狀分化。包括我國近海在內(nèi)的東亞至南亞一帶沿岸海域, 球形棕囊藻囊體常達(dá)到厘米級, 稱為“巨型囊體”(Giant colony) (齊雨藻等, 2001; Smith, 2014b)。與之相比, 全球其他海域的球形棕囊藻囊體多為毫米級, 通常不超過3 mm (Rousseau, 1990; Smith, 2014b)。除了囊體大小, 該藻的特征色素組成差異明顯(Vaulot, 1994; Zapata, 2004)。巖藻黃素(fucoxanthin, Fuco)的兩種衍生物19′-己酰氧基巖藻黃素(19′-hexanoyloxyfucoxanthin, Hex-fuco)和19′-丁酰氧基巖藻黃素(19′-butanoyloxyfucoxanthin, But-fuco)為棕囊藻的特征色素(Zapata, 2000, 2004)。具體到球形棕囊藻, 部分株系含有上述兩種特征色素, 但也有株系僅含有其中一種特征色素或兩種特征色素都不含有(Vaulot, 1994; Antajan, 2004; Zapata, 2004; Seoane, 2009; 王錦秀等, 2019)。基于核糖體18S rDNA、28S rDNA和ITS等常見分子標(biāo)記的研究發(fā)現(xiàn), 球形棕囊藻具有種下遺傳多樣性(Lange, 2002; Chen, 2003; Medlin, 2007), 但是現(xiàn)有分子標(biāo)記過于保守或高變, 與性狀特征分化或地理分布之間無法關(guān)聯(lián)。近年的研究發(fā)現(xiàn), 葉綠體和線粒體基因組中的高變區(qū)能較好地分辨球形棕囊藻不同地理株系, 與囊體大小、特征色素組成等也有很好的對應(yīng)關(guān)系, 可以用作球形棕囊藻種下遺傳分化的分子標(biāo)記(Song, 2020, 2021; Zhang, 2021; Niu, 2022)。

基于球形棕囊藻葉綠體S-27基因間隔區(qū)和線粒體8基因高分辨率分子標(biāo)記, 可以將全球不同海域20余株球形棕囊藻分為4個基因型, 其中Ⅰ型和Ⅱ型廣布于世界各海域, 而Ⅲ型株系僅分布于大西洋北海海域, Ⅳ型僅分布于我國南海海域。前3個基因型的球形棕囊藻僅形成直徑≤3 mm小囊體, 含有Hex-fuco和But-fuco兩種特征色素, 但Ⅳ型可形成“巨型囊體”, 僅含But-fuco一種特征色素(王錦秀等, 2019; Zhang, 2021, 2022; Niu, 2022)。綜合其遺傳特征、囊體大小和特征色素組成, Ⅳ型球形棕囊藻被定義為一個獨特的“巨囊”生態(tài)型( Zhang, 2022)。2015～2021年間, 南海多起球形棕囊藻藻華期間采集的囊體均以But-fuco為特征色素, 且都屬于Ⅳ型, 表明“巨囊”生態(tài)型引發(fā)了南海球形棕囊藻藻華(Wang, 2022; Zhang, 2022)。

目前對引發(fā)青島沿岸藻華的球形棕囊藻色素組成和遺傳特征都不了解。在球形棕囊藻藻華發(fā)生期間,本文在青島沿岸采集了球形棕囊藻囊體, 對囊體大小、色素組成以及遺傳信息進(jìn)行了分析, 初步研判了此次球形棕囊藻藻華原因種的生物學(xué)特征, 以期為解析南黃海球形棕囊藻發(fā)生機(jī)制和有效防控藻華危害提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2021年12月6日, 分別在青島市黃島區(qū)沿岸的唐島灣(TDW)、星光島(XGD)和古鎮(zhèn)口(GZK)海域設(shè)置采樣點(圖1)。在每個采樣點采集表層海水1～2 L, 倒入白瓷盤中, 以刻度尺測量囊體直徑, 最小可測量囊體直徑約0.5 mm。每個采樣點挑取單個或多個囊體, 測量并記錄直徑后, 以滅菌海水清洗去除囊體表面附著物, 分別在低負(fù)壓下過濾到孔徑為0.4 μm聚碳酸酯膜(Millipore, 美國) 和孔徑約為0.68 μm GF/F玻璃纖維濾膜(Whatman, 英國) 上, 迅速放入液氮中保存, 帶回實驗室于-80 °C冰箱中存放, 用于囊體分子和色素特征分析。取80 mL海水樣品用經(jīng)450 °C灼燒的GF/F玻璃纖維濾膜過濾, 裝入100 mL聚碳酸酯瓶中, 帶回實驗室存放于-40 °C冰箱, 用于營養(yǎng)鹽分析。現(xiàn)場海水溫度、鹽度、pH以及溶解氧(DO)由梅特勒多參數(shù)測試儀(Mettler Toledo, Columbus, 美國)測定。

1.2 營養(yǎng)鹽樣品分析

1.3 色素樣品分析

棕囊藻囊體色素提取和分析參照Zapata等(2000)和Kong等(2012)的方法。將囊體色素濾膜剪碎后, 加入1 400 μL 95%甲醇水溶液進(jìn)行色素提取, 同時加入100 μL 8′-apo-β,ψ-carotaldehyde (750 μg/L)作為內(nèi)標(biāo), 充分?jǐn)嚢韬蟊〕曁幚? min。以孔徑0.22 μm有機(jī)相針頭濾器對提取液進(jìn)行過濾, 吸取800 μL濾液至1.5 mL棕色樣品瓶中, 加入160 μL超純水, 震蕩混勻, 立即進(jìn)行高效液相色譜(HPLC)色素分析。

圖1 我國渤海和黃海(a)和青島沿岸采樣站位地圖(b)

注: TDW: 唐島灣站; XGD: 星光島站; GZK: 古鎮(zhèn)口站

1.4 DNA提取、PCR擴(kuò)增和測序

采用十六烷基三甲基溴化銨(Hexadecyl trimethyl ammonium Bromide, CTAB)提取法提取囊體過濾膜樣基因組DNA (Winnepenninckx, 1993), 提取的DNA溶解于TE溶液中, 保存于-20 °C用于PCR擴(kuò)增。利用前期研發(fā)的高分辨分子標(biāo)志擴(kuò)增球形棕囊藻葉綠體S-27基因間隔區(qū), 引物為S-27-F (5′-GAAGCATACGCACCAAGC-3′) 和S-27-3R (5′-ATTGTTGAGTTTACGACGGATA-3′) (Zhang, 2021), PCR體系和擴(kuò)增條件分別參照Zhang等(2021)。用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR擴(kuò)增產(chǎn)物, 然后送測序公司進(jìn)行雙端測序, 測序獲得序列用Invitrogen 11.0 ContigExpress (ThermoFisher, 美國)進(jìn)行組裝。

1.5 系統(tǒng)進(jìn)化分析

從GenBank下載全球不同海域的20株球形棕囊藻葉綠體S-27基因間隔區(qū)序列(表1), 加上本研究獲得的6條序列, 并以南極棕囊藻() CCMP1374和約氏棕囊藻() CCMP2496為外群進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析。使用ClustalW對序列進(jìn)行比對; 使用MEGA10.0程序中Find Best DNA/Protein Models (ML)功能選擇最適合替換模型T92, 構(gòu)建最大似然進(jìn)化樹(maximum- likelihood tree), bootstrap值為1 000 (Kumar, 2018);使用Modelfinder程序選擇貝葉斯樹(Bayesian tree)最適合替換模型為HKY+F+G4 (Kalyaanamoorthy, 2017), 使用MrBayes3.2.6構(gòu)建貝葉斯樹, 四條MCMC鏈運(yùn)行2 000 000代, 每1 000代進(jìn)行一次取樣(Ronquist, 2012)。

2 研究結(jié)果

2.1 環(huán)境參數(shù)

2.2 球形棕囊藻囊體數(shù)量與大小

在唐島灣采集1 L表層海水中, 觀測到直徑介于0.5～18 mm的球形棕囊藻囊體27個; 星光島采集2 L表層海水中直徑介于1～12 mm的球形棕囊藻囊體37個; 古鎮(zhèn)口1 L表層海水中直徑介于4～8 mm球形棕囊藻囊體3個(圖2)。將3個站位的囊體信息綜合分析表明, 現(xiàn)場海水中直徑在5～10 mm的囊體占優(yōu)勢(55%), 其次是直徑1～5 mm的囊體(30%), 直徑大于10 mm囊體數(shù)量較低, 最大囊體直徑可達(dá)18 mm (圖3)。

表1 本研究中球形棕囊藻和南極棕囊藻的信息

Tab.1 Information of Phaeocystis globosa and P. Antarctica strains for this study

注: /表示株系不成囊或偶爾形成直徑≤3 mm小囊體; —表示具體信息不詳

表2 2021年12月青島沿岸三個調(diào)查站位的環(huán)境因子

Tab.2 Environmental parameters measured at the three sampling sites in the coastal water of Qingdao in December 2021

2.3 球形棕囊藻色素組成

藻華現(xiàn)場采集9個直徑介于4～18 mm的球形棕囊藻囊體進(jìn)行色素分析, 結(jié)果如圖4所示。檢測到的主要色素包括脫植基葉綠素(chlide)、甲基脫植基葉綠素(Me-chlide)、19′-丁酰氧基巖藻黃素(But-fuco)、巖藻黃素(fuco)、硅甲藻黃素(diad)、硅藻黃素(diat)、葉綠素(chl)、α-胡蘿卜素(βε-Car)和β-胡蘿卜素(ββ-Car)。所有囊體樣品中都未檢測到Hex-fuco, 僅檢測到But-fuco。結(jié)果表明形成藻華的球形棕囊藻以But-fuco為特征色素。

參照王錦秀等(2019)前期建立的囊體直徑-囊體細(xì)胞數(shù)方程=0.00762.120 4, 根據(jù)囊體直徑換算得出每個囊體樣品中含有藻細(xì)胞數(shù), 計算出囊體中單細(xì)胞主要色素含量(表3)。fuco和chl是球形棕囊藻囊體細(xì)胞中的主要色素組分, 含量分別為0.120～0.279 pg/cell和0.076～0.303 pg/cell; 其次為diad, 含量為0.009～0.092 pg/cell; 細(xì)胞特征色素But-fuco含量為0.005～0.019 pg/cell。

圖2 球形棕囊藻藻華囊體的現(xiàn)場照片(a, b)和顯微照片(c)

圖3 2021年12月青島沿岸球形棕囊藻藻華期間囊體直徑分布狀況

2.4 球形棕囊藻種下多態(tài)性分析

采自三個站位的6個球形棕囊藻囊體的葉綠體S-27基因間隔區(qū)序列完全一致。根據(jù)構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹可以看出, 所有球形棕囊藻聚集在一起, 遠(yuǎn)離南極棕囊藻和約氏棕囊藻。球形棕囊藻可分為4個獨立簇, 其中第1和2簇聚集在一起, 第3和4簇聚集一起。第1簇包括中國南海北部灣株系MEL43、MEL44、MEL68和MEL69, 南海珠江口株系MEL45、東海泉州海域株系MEL47, 越南海域株系MEL78、泰國灣株系CCMP1524以及大西洋加勒比海, 墨西哥灣和英吉利海峽株系CCMP628、CCMP629和RCC055, 這11個株系內(nèi)部還有遺傳分化。第2簇包括分離自東海霞浦海域西株系MEL71以及大西洋北美海域株系CCMP2754。第3簇包括分離自大西洋北海海域株系RCC678、RCC736、RCC1736和Pg-G(A)。第4簇包括分離自南海北部灣和大亞灣株系MEL42、MEL70和TIO393, 以及本研究中從青島沿岸采集的6個囊體(圖5)。

3 討論

3.1 青島沿岸球形棕囊藻藻華是由“巨囊”生態(tài)型形成

本研究首次報道了南黃海海域暴發(fā)的球形棕囊藻藻華。球形棕囊藻主要分布于熱帶至溫帶大洋和近海海域, 可引發(fā)有害藻華。20世紀(jì)80～90年代, 球形棕囊藻藻華主要出現(xiàn)在北大西洋的北海及其鄰近海域(Rousseau, 1990; Lancelot, 2009)。20世紀(jì)末, 太平洋西部的東亞和東南亞海域頻發(fā)球形棕囊藻藻華, 位于印度洋的阿拉伯海等也有零星出現(xiàn)(Madhupratap, 2000; Qi, 2004; Hai, 2010; Smith, 2014b)。1997年10月, 中國東南沿海首次暴發(fā)大規(guī)模球形棕囊藻藻華, 隨后, 廣東、海南和廣西沿海亦頻頻發(fā)生。2004年6月至2006年10月, 渤海沿海多次發(fā)生球形棕囊藻藻華(曲凌云等, 2008; 屠建波等, 2011)。在本次青島沿岸發(fā)生球形棕囊藻藻華之前, 未曾有南黃海發(fā)生球形棕囊藻藻華的報道。

圖4 球形棕囊藻囊體色素色譜圖(440 nm)

表3 2021年12月青島沿岸三個調(diào)查站位球形棕囊藻囊體細(xì)胞中的主要色素含量*

Tab.3 Content of pigments in colony cells collected from the three sampling sites in the coastal water of Qingdao in December 2021

注:*因缺少childe標(biāo)準(zhǔn)品, 未計算細(xì)胞內(nèi)childe色素含量

圖5 基于rbcS-rpl27序列建立的球形棕囊藻系統(tǒng)進(jìn)化樹

Figure 5 Phylogenetic tree established forbased on theS-27 intergenic spacer

注: 圖中數(shù)值斜線左邊是最大似然bootstrap值, 右邊是貝葉斯分析值, 圖中加粗的為本研究中從青島沿岸采集的6個球形棕囊藻囊體

前期研究發(fā)現(xiàn), 球形棕囊藻具有種下遺傳多態(tài)性, 且存在囊體大小和特征色素等性狀分化(Vaulot, 1994; Zapata, 2004; Medlin, 2007; Smith, 2014b)。基于核糖體18S rDNA、28S rDNA、ITS和L等常見分子標(biāo)記研究表明, 球形棕囊藻具有復(fù)雜的種下遺傳多態(tài)性(Medlin, 2007)。在大西洋北海海域, 球形棕囊藻囊體一般小于3 mm, 含Hex-fuco和But-fuco兩種特征色素。而在東南亞沿海, 球形棕囊藻藻華中常出現(xiàn)厘米級大小的“巨型囊體”, 且僅含有But-fuco一種特征色素。隨著研究深入, 在我國近海也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了僅形成小囊體、以Hex-fuco和But-fuco為特征色素的球形棕囊藻株系(王錦秀等, 2019)。盡管球形棕囊藻囊體形成受到光照、溫度、營養(yǎng)鹽、硅藻, 以及浮游動物攝食等多種因素影響(Tang, 2003; Sazhin, 2007; Wang, 2010, 2011), 但上述因素并非決定球形棕囊藻大小的根本因素。棕囊藻特征色素含量會受到光照等環(huán)境因素影響(Buma, 1991; van Leeuwe, 1998, 2014; Schlüter, 2000; DiTullio, 2007), 但其特征色素組成與環(huán)境因素?zé)o關(guān)。因此, 球形棕囊藻囊體大小和特征色素等性狀應(yīng)當(dāng)具有其遺傳基礎(chǔ)。早期研究中采用的分子標(biāo)記因過于保守或高變, 無法合理解釋球形棕囊藻的生物地理分布狀況, 與其性狀特征分化也沒有清晰的關(guān)聯(lián)。

生態(tài)型(ecotype)是指同一物種的不同種群長期生活在不同環(huán)境中, 由于環(huán)境選擇和隔離產(chǎn)生趨異適應(yīng), 成為遺傳上有差異、適應(yīng)不同生態(tài)環(huán)境的類群, 相當(dāng)于分類學(xué)上的亞種(Turesson, 1922; Begon, 2005)。基于葉綠體S-27基因間隔區(qū)和線粒體8基因分子標(biāo)記研究都表明, 分離于南海的部分球形棕囊藻藻株能形成厘米級“巨型囊體”, 以But-fuco作為特征色素, 且其在基因型屬于Ⅳ型。在南海海域2015～2021年期間的調(diào)查發(fā)現(xiàn), 該海域存在包括Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ型之內(nèi)多種基因型球形棕囊藻游離細(xì)胞, 但藻華期間采集的球形棕囊藻囊體都屬于Ⅳ型(Zhang, 2021, 2022; Niu, 2022)。室內(nèi)模擬實驗也發(fā)現(xiàn), Ⅳ型球形棕囊藻比Ⅰ和Ⅱ型具有更高的溶血活性和生物毒性。因此, “巨型囊體”球形棕囊藻與其他球形棕囊藻相比具有明顯的性狀和遺傳差異, 應(yīng)屬于一類獨特的生態(tài)型——“巨囊”生態(tài)型(Zhang, 2022)。本研究發(fā)現(xiàn), 在青島沿岸形成藻華的球形棕囊藻可以形成厘米級“巨型囊體”, 囊體葉綠體S-27基因間隔區(qū)與“巨囊”生態(tài)型球形棕囊藻完全一致, 均屬于Ⅳ型, 且以But-fuco作為特征色素。上述結(jié)果表明此次青島沿岸球形棕囊藻藻華是由“巨囊”生態(tài)型形成。

3.2 南黃海球形棕囊藻藻華的監(jiān)測和研究展望

球形棕囊藻藻華暴發(fā)具有規(guī)模大、時間長等特征。如2016～2017年北部灣球形棕囊藻藻華影響海域覆蓋了從廣西防城港至廣東雷州半島的近岸海域, 持續(xù)時間從2016年12月至次年3月(賀成等, 2019); 1997年我國東南沿海首次暴發(fā)球形棕囊藻藻華, 面積超過3 000 km2, 持續(xù)6個月(陳菊芳等, 1999)。此外, 球形棕囊藻藻華往往會在暴發(fā)海域多年持續(xù)發(fā)生, 很難消除。20世紀(jì)80～90年代, 球形棕囊藻藻華在北大西洋的北海及鄰近海域幾乎連年出現(xiàn), 1997年以來, 我國南海海域也連續(xù)多年暴發(fā), 2011年至今, 北部灣幾乎每年冬季都會發(fā)生(沈萍萍等, 2021)。南黃海海域的球形棕囊藻藻華是否會連年出現(xiàn), 值得密切關(guān)注。

球形棕囊藻藻華是典型的有害藻華, 對海洋生態(tài)系統(tǒng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以及沿岸大型設(shè)施運(yùn)行等有不利影響(沈萍萍等, 2021)。南黃海球形棕囊藻藻華的潛在危害同樣值得密切關(guān)注。球形棕囊藻藻華暴發(fā)時會產(chǎn)生二甲基硫化物和硫丙酸等有毒物質(zhì), 常造成海洋生物死亡。藻華消亡時, 高生物量囊體細(xì)胞分解消耗大量氧氣, 造成水體缺氧, 威脅海洋生物生存(沈萍萍等, 2018)。1997年我國東南沿海暴發(fā)的大規(guī)模藻華造成養(yǎng)殖生物大量死亡, 僅廣東拓林灣的漁業(yè)直接損失超過6 000萬元(陳菊芳等, 1999)。前人研究發(fā)現(xiàn), 球形棕囊藻南海株系可產(chǎn)生溶血毒素, 是造成大量海洋生物死亡的原因之一(何家菀等, 1999)。本文近期研究也發(fā)現(xiàn), “巨囊”生態(tài)型球形棕囊藻(Ⅳ型)比Ⅰ和Ⅱ型具有更高的溶血活性, 對輪蟲和鹵蟲等浮游生物的生物毒性更強(qiáng)(Zhang, 2022)。南黃海的“巨囊”生態(tài)型球形棕囊藻有可能對該海域的水產(chǎn)養(yǎng)殖活動造成損害。球形棕囊藻具有膠質(zhì)囊體, 容易堵塞冷卻系統(tǒng)過濾網(wǎng), 威脅沿海地區(qū)核電和熱點設(shè)施的安全運(yùn)行,南海北部灣海域的球形棕囊藻藻華對核電運(yùn)行的影響是備受關(guān)注的熱點問題(曹西華等, 2017)。近年來, 我國沿海大力發(fā)展核電和火電工程, 南黃海沿岸已建立和正在建立多個核電和火電廠, 依賴大量海水來維持冷源系統(tǒng)正常運(yùn)行。南黃海海域“巨囊“生態(tài)型球形棕囊藻藻華對核電和火電冷源系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響值得高度關(guān)注。

球形棕囊藻藻華在渤海和南海都有多次形成大規(guī)模藻華的記錄, 但在黃、東海海域很少發(fā)生, 其原因有待深入研究。本研究發(fā)現(xiàn), 此次南黃海的球形棕囊藻藻華是由“巨囊”生態(tài)型形成。以往渤海和北黃海球形棕囊藻藻華期間, 也有“巨型囊體”出現(xiàn)的記錄(李偉才等, 2006; 曲凌云等, 2008), 但由于缺乏現(xiàn)場樣品和分離的球形棕囊藻培養(yǎng)系, 無法進(jìn)行進(jìn)一步驗證?；?021年對渤海、黃海和東海浮游植物群樣品的分析, 我們發(fā)現(xiàn)渤海也存在Ⅳ型球形棕囊藻, 而黃海、東海海域的球形棕囊藻則以其他基因型為主。這表明渤海海域以往的球形棕囊藻藻華極有可能也是由“巨囊”生態(tài)型形成。但是, 此次藻華過程中的“巨囊”生態(tài)型球形棕囊藻從何而來, 我國南方、北方海域的“巨囊”生態(tài)型球形棕囊藻是否存在種群隔離和生理生態(tài)特征的差異等, 目前并不清楚。其次, 這次南黃海球形棕囊藻藻華也具有一些獨有的特征: 藻華期海水溫度僅為12～14 °C, 遠(yuǎn)低于南海海域藻華發(fā)生時的海水溫度(水溫20 °C左右) (徐寧等, 2003; 賀成等, 2019)。此外, 以往研究認(rèn)為高濃度硝態(tài)氮是球形棕囊藻大量繁殖和形成藻華的重要物質(zhì)基礎(chǔ)(Lancelot, 2007; Wang, 2021), 但在南黃海球形棕囊藻藻華期間, 海水中DON濃度(21～23 μmol/L)遠(yuǎn)高于DIN濃度(5.0～9.5 μmol/L), 高濃度DON是否有利于此次球形棕囊藻藻華形成仍有待闡明。鑒于球形棕囊藻藻華對海洋生態(tài)系統(tǒng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、沿岸核電和火電等設(shè)施的潛在危險, 有必要開展針對性的研究, 深入揭示我國北方海域球形棕囊藻藻華的發(fā)生機(jī)制, 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步強(qiáng)化對北方海域球形棕囊藻藻華的監(jiān)測預(yù)警。

本次南黃海球形棕囊藻藻華已被證實是由“巨囊”生態(tài)型形成。在海水中, 球形棕囊藻可以游離單細(xì)胞和囊狀群體兩種形態(tài)存在(齊雨藻等, 2001), 囊體出現(xiàn)常被視為藻華形成的標(biāo)志。在藻華形成前, 球形棕囊藻以游離單細(xì)胞形式存活于海水中。球形棕囊藻游離單細(xì)胞大小僅為3～8 μm, 通過傳統(tǒng)的顯微鏡觀察手段難以實現(xiàn)對游離細(xì)胞的鑒定和監(jiān)測?！熬弈摇鄙鷳B(tài)型球形棕囊藻以But-fuco作為特征色素, 在北部灣藻華的研究中, Wang等(2022)將But-fuco含量作為診斷色素, 成功應(yīng)用于球形棕囊藻藻華的過程研究和早期診斷。根據(jù)“巨囊”生態(tài)型球形棕囊藻的遺傳序列信息, Niu等(2022)開發(fā)了以線粒體8基因為靶區(qū)的特異性qPCR定量方法, 檢測限可達(dá)到30 cells/L, 成功應(yīng)用于北部灣海域球形棕囊藻藻華監(jiān)測和研究中。對青島沿岸采集的球形棕囊藻線粒體8基因擴(kuò)增測序結(jié)果表明, 其序列信息與南?！熬弈摇鄙鷳B(tài)型序列一致, 這表明前期研發(fā)的“巨囊”生態(tài)型球形棕囊藻特異性qPCR方法可以用于北方海域球形棕囊藻的檢測。這些研究手段為進(jìn)一步開展北方海域球形棕囊藻的監(jiān)測和研究工作奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

2021年11月底至12月初, 青島沿岸暴發(fā)球形棕囊藻藻華, 藻華中產(chǎn)生大量囊體主要集聚于青島黃島至膠南沿岸。藻華發(fā)生時, 青島沿岸表層海水溫度低, 僅為12～14 °C, 呈現(xiàn)高DON、低DIN營養(yǎng)鹽組成特征。海水中囊體豐度可超過20個/L, 最大直徑超過1 cm。藻華中形成的囊體與南海“巨囊”生態(tài)型球形棕囊藻一樣, 均以But-fuco為特征色素; 葉綠體S-27序列完全一致, 與南?！熬弈摇鄙鷳B(tài)型球形棕囊藻同屬于基因Ⅳ型。“巨囊”生態(tài)型球形棕囊藻藻華可能會對南黃海生態(tài)系統(tǒng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和沿岸核電、熱電冷卻系統(tǒng)構(gòu)成威脅, 亟需加強(qiáng)我國北方海域球形棕囊藻藻華形成機(jī)制研究, 進(jìn)一步提高監(jiān)測預(yù)警能力, 防控藻華危害。

致謝 感謝參與現(xiàn)場調(diào)查和采樣全體科研人員, 以及煙臺大學(xué)江濤教授提供部分現(xiàn)場調(diào)查信息。

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FIRST REPORT OFBLOOM CAUSED BY “GIANT-COLONY” ECOTYPE IN THE SOUTH YELLOW SEA

ZHANG Qing-Chun1, 2, 4, XIANG Ling1, 3, WANG Jin-Xiu1, 3, LIU Yang1, 5, SONG Min-Jie1, 3, WANG Yun-Feng1, 2, 4, KONG Fan-Zhou1, 2, 4, GENG Hui-Xia1, 2, 4, YAN Tian1, 2, 4, YU Ren-Cheng1, 2, 3, 4

(1.CAS Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4.Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;5. Qingdao University of Science & technology, Qingdao 266045, China)

, an important causative species of harmful algal blooms worldwide, exhibits varying morphological and physiological features and high genetic diversity. The bloom-formingin the South China Sea (SCS) is proposed to be a unique “giant-colony” ecotype, which features giant colonies and possesses 19′-butanoyloxyfucoxanthin (But-fuco) as its diagnostic pigment, and is genetically distinct from other strains of...blooms occur frequently in the SCS, as well as several times in the Bohai Sea and the North Yellow Sea, but never in the South Yellow Sea (SYS). A.bloom broke out in the coastal waters of Qingdao from late November to early December, 2021. During the bloom, it was found that the surface temperature ranged 12～14 °C, andexhibited high DON (dissolved organic nitrogen) content and low DIN (dissolved inorganic nitrogen) content in the Qingdao coastal waters. The colony abundance was more than 20 colonies/L with the maximum diameter of 18 mm. The sampled colonies from the Qingdao coastal waters contained a unique diagnostic pigment But-fuco, and belonged to the same genetic clade of “giant-colony” ecotype of.distributed in the SCS. This study firstly reported that thebloom in the SYS caused by the “giant-colony” ecotype. The “giant-colony”.bloom may threaten local plankton ecosystem, aquaculture, and coastal nuclear power plant. Therefore, it is our key task to detect and monitor.blooms, and study the mechanism of its occurrence in the northern waters of China.

; “giant-colony” ecotype; harmful algal bloom (HAB); South Yellow Sea

Q14

10.11693/hyhz20220100017

*青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室山東省專項經(jīng)費, 2021QNLM040001-2; 國家自然科學(xué)基金委面上項目42076140號, U20A004號, 41776127號; 國家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查項目, 2018FY100200號。張清春, 副研究員, E-mail: qczhang@qdio.ac.cn

于仁成, 博士生導(dǎo)師, 研究員, E-mail: rcyu@qdio.ac.cn

2022-01-21,

2022-02-09