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지중해 연안 해역의 연속 실험 열파에 대한 플랑크톤 공동체의 기능적 및 구조적 반응

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지중해 연안 해역의 연속 실험 열파에 대한 플랑크톤 공동체의 기능적 및 구조적 반응

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8050(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

해양 열파(HW)의 빈도는 향후 수십 년 동안 지중해에서 증가할 것으로 예상됩니다. 현장 중우주 실험이 33일 동안 지중해 석호에서 수행되었습니다. 석호의 자연 온도에 따라 세 개의 중우주가 대조군으로 사용되었습니다. 다른 세 가지에서는 대조군과 비교하여 + 5 °C의 2개 HW가 실험일(d) 1부터 d5(HW1)까지 및 d11부터 d15(HW2)까지 적용되었습니다. 산소, 엽록소-a(chl-a), 온도, 염도 및 모든 중우주에 잠긴 센서의 빛에 대한 고주파 데이터를 사용하여 총 일차 생산량(GPP), 호흡(R) 및 식물성 플랑크톤 성장(μ) 및 손실을 계산했습니다. (L) 요금. 색소의 영양소와 식물성 플랑크톤 군집 구조도 분석되었습니다. HW1은 GPP, R, chl-a, µ 및 L을 7~38% 크게 증가시켰습니다. HW2는 R만을 강화함으로써 시스템을 종속 ​​영양으로 전환했습니다. 따라서 첫 번째 HW의 효과는 식물성 플랑크톤 과정에 대한 두 번째 HW의 효과를 약화시켰지만 온도에 의해 강력하게 조절되는 공동체 호흡에는 영향을 미치지 않았습니다. 또한, 규조류에서 합토 식물로의 천연 식물성 플랑크톤의 계승은 합토 식물을 희생시키면서 시아노박테리아와 엽록소가 선호되었기 때문에 두 HW에 의해 변경되었습니다. 이러한 결과는 HW가 지중해 플랑크톤 공동체에 뚜렷한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다.

해양 폭염(HW)은 며칠에서 몇 달까지 지속되는 극도로 단기간 지속되는 온난화 현상입니다1. 지구 기후 변화로 인해 향후 수십 년 동안 전 세계 대부분의 해양에서 이러한 현상의 빈도와 강도가 증가할 것으로 예상됩니다2,3. 이는 특히 집중화에 가장 민감한 지역 중 하나인 지중해 연안 해역에서 심각한 경제적, 생태학적 결과를 가져올 것으로 예상됩니다5,6,7,8. 따라서 플랑크톤 공동체가 수생 생태계에서 중요한 역할을 하기 때문에 HW가 생태계 내의 기본 플랑크톤 기능에 미치는 영향을 연구하는 것이 필수적입니다.

식물성 플랑크톤은 광합성을 통해 산소를 생산합니다. 이러한 산소 생산은 총 1차 생산(GPP)이라고 할 수 있는 반면, 모든 플랑크톤은 호기성 호흡(R)을 통해 산소를 소비합니다. 따라서 GPP와 R 사이의 균형은 순 소비자(GPP < R) 또는 순 산소 생산자(GPP > R10,11)로 작용할 수 있는 능력을 나타내는 수생 시스템에 대한 대사 지수를 제공합니다. 이 균형은 부분적으로 식물성 플랑크톤 성장(μ) 및 손실(L) 속도와 관련이 있으며, 이는 자체적으로 식물성 플랑크톤의 적합성과 포식 및 바이러스 용해와 같은 손실 요인과 관련된 시스템의 영양 지수를 제공합니다12,13,14 . 모든 식물성 플랑크톤이 1차 생산에 참여하더라도 식물성 플랑크톤 기능 그룹은 먹이그물과 생지화학적 순환 내에서 역할이 다를 수 있습니다. 이는 식물성 플랑크톤 군집 구조가 GPP와 R 사이의 균형과 μ와 L15 사이의 균형과 밀접하게 관련되어 있음을 의미합니다. 따라서 이러한 지수와 식물성 플랑크톤 군집 구조의 반응을 평가하는 것은 HW가 지중해 연안 생태계 기능에 미치는 영향에 대한 이해를 심화시키는 데 중요합니다.

플랑크톤 군집 및 프로세스에 대한 천연 HW의 효과는 여러 시스템에서 연구되었습니다. 관찰 결과에 따르면 다양한 지역의 식물 및 동물성 플랑크톤 군집에 대한 HW의 중요한 영향이 보고되었으며16,17,18,19,20, HW는 외해 고위도에서 식물성 플랑크톤 바이오매스를 증가시키고 중위도 및 열대 위도에서는 감소하는 경향이 있음을 시사했습니다21,22 ,23. 따라서 물리적-생지화학적 모델과 해양 HW 프레임워크는 영양분이 풍부한 조건에서 식물성 플랑크톤 바이오매스와 성장에 HW가 긍정적인 영향을 미치고 영양분이 고갈된 조건에서는 그 반대 효과를 예측했습니다24,25. 이러한 예측은 1985년 이후 HW의 강도, 빈도 및 지속 기간의 증가로 인해 식물성 플랑크톤 생산이 부정적인 영향을 받은 P가 고갈된 지중해에서 확인되었습니다26. 그러나 반응은 해안 지역에서 훨씬 더 복잡할 수 있으며, 특히 육지로부터의 동종 영양분 유입 및 저서 구획과의 교환과 같은 지역 해안 과정에서 발생합니다. 실제로 해안 시스템의 온난화의 간접적 및/또는 계단식 효과는 연구 시작 시 환경 조건과 플랑크톤 군집 구조에 따라 실험 연구 중에 자주 강조되었습니다. 지중해 연안 해역에서는 온난화가 영양 상태에 따라 식물성 플랑크톤 성장과 바이오매스를 촉진하거나 억제하는 것으로 나타났습니다. 식물성 플랑크톤, 동물성 플랑크톤, 박테리오플랑크톤, 비리오플랑크톤 군집 간의 구조와 상호작용을 변화시킵니다. 대사 상태를 자가 영양 또는 종속 영양으로 전환합니다28,29,30,31,32,33. HW 동안 직접적으로 발생하는 온난화 효과 외에도 HW 종료 후 발생하는 플랑크톤 주요 기능 및 군집 구조의 변화가 보고되었습니다32,34,35. 이는 HW에 대한 수생 생태계의 반응이 온난화에 대한 단순한 반응보다 더 복잡하다는 것을 의미합니다. 대부분의 연구는 하나의 실험적인 HW에 중점을 두었지만 연속적인 HW의 결과는 거의 알려지지 않았으므로 거의 예측할 수 없으며 단 하나의 HW만 조사하는 연구에서 연속적인 HW에 대한 반응을 추론하는 것이 어려울 수 있습니다. 실제로, 첫 번째 HW에 대한 노출은 두 번째 HW에 대한 반응에 영향을 미칠 수 있습니다. 왜냐하면 기능적 프로세스, 공동체 구성 및 유기체 간의 상호 작용을 크게 수정할 수 있으며, 이는 결국 두 번째 HW에 대한 반응을 결정할 수 있기 때문입니다.

 20 µm in the control (C) and HW (D) treatments over the course of the experiment. The red shaded areas in (B,D) represent the HW1 and HW2 periods./p> 20 µm contributed between a minimum of 9 and 0% to a maximum of 45 and 43%, respectively (Fig. 5C). However, for the 3 µm < chl-a < 20 µm, no significant differences were found between treatments, except on d16 when it was significantly higher in the HW treatment than in the control (100%). In contrast, chl-a < 3 µm was significantly higher in the HW treatment compared to the control during HW1 (45%), and on d12 and d14 (260 and 79%, respectively). Meanwhile, it was significantly lower only on d7 (4%). Chl-a > 20 sharply and significantly increased only on d5 in the HW treatment compared with the control, before returning to the control level and being significantly lower than the control on d16 and d19 (81 and 100%, respectively). Overall, in the HW treatment, chl-a < 3 µm contributed between 15 and 93% to total chl-a (d1 and d12, respectively), the fraction 3 µm < chl-a < 20 µm contributed between 22 and 93% (d12 and d6, respectively), while chl-a > 20 µm contributed between 0% (d6, d9, d19) and 46% (d5) to total chl-a (Fig. 5D)./p> 20 µm fractions. Haptophytes Type 6–8 consist of 4’-keto-19’-haxanoyloxyfucoxanthing containing species, such as Emiliania huxleyi, while haptophytes Type 3–4 consist of species containing an important amount of fucoxanthin, such as Isochrysis galbana and Prymnesium parvum55. Pigment biomarkers of haptophytes were already shown to be promoted during an experimental HW in Thau lagoon and to make an important contribution to GPP32,33. Their advantage under warming could be from their competitiveness over other groups in certain nutrient and temperature conditions56. Given that haptophytes are important components of phytoplankton worldwide, being potentially toxics and/or mixotrophic57,58 and forming blooms that contribute substantially to regional biogeochemical cycles59,60, such positive impact of HWs on their relative abundance could significantly alter the functioning of Mediterranean coastal ecosystems in the future. In Thau lagoon, it was already reported that haptophytes could play a dominant role in the phytoplankton community, especially following early spring diatom blooms61. Our results suggest that future HWs occurring after spring blooms could exacerbate this role within Thau lagoon phytoplankton community. Nonetheless, changes in phytoplankton community composition reported in the present study need to be interpreted with caution, as they were assessed with pigment concentrations, which cellular content is known to be sensitive to changes in light and nutrient conditions62./p>