浙江梅山灣表層沉積物中甲藻孢囊分布和多樣性研究*

冷天澤 郭卓然 邵倩文 陸斗定 戴鑫烽①

(1. 自然資源部第二海洋研究所 海洋生態系統動力學重點實驗室 浙江杭州 310012; 2. 寧波海洋研究院 浙江寧波315832)

據統計, 75%左右的有毒有害赤潮由甲藻引起,而在2 000 多種有描述的海洋甲藻中超過10%的甲藻能產生孢囊(Head, 1996; Gómez, 2012)。甲藻孢囊具有較強的耐受不良環境能力, 在海底沉積環境中可存活數十年甚至上百年(Gómez, 2012; Ellegaardetal,2018)。表層沉積物中的孢囊是過去一段時期內沉積的所有甲藻孢囊的集合(黃海燕等, 2009), 在遇到合適的環境條件后會萌發, 可為赤潮的發生提供“種源”(Andersonetal, 2014)。而不同年代沉積物中的甲藻孢囊可一定程度上反映該區域水體的富營養化歷史(王朝暉, 2007a), 同時也為有毒有害赤潮發生歷史和預測提供研判依據(Andersonetal, 2014)。

梅山灣作為寧波舟山港的重要組成部分之一,與陸地聯系緊密, 原先為南北開放的水道, 于2012～2017 年期間在向陸側建設了北壩和南壩, 合龍后形成了半封閉式的人工瀉湖(孫麗梅等, 2018), 堤壩改變了灣內水動力環境, 使得灣內水體較為平靜, 泥沙含量減少(余灣, 2018)。隨著產業的升級, 梅山灣兩側陸地區域由漁業和農業向工業化發展, 形成了一個以石化、鋼鐵、能源、造紙和船舶等為重點的產業聚集帶, 灣內則是以旅游、休閑和生態保護等為主的集聚區(王慶麗等, 2016)。建堤后, 梅山灣曾多次發生赤潮, 在2018 年達到頂峰(Shaoetal, 2020)。為探究建堤對該海灣生態系統的影響, 本研究在梅山灣內外海域共設置了6 個調查站位, 對表層沉積物中的甲藻孢囊, 特別是有毒有害種開展了一系列研究, 同時對造成灣內外甲藻孢囊分布差異的原因進行了分析。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在梅山灣內外海域設置了6 個采樣點(圖1, 表1), 于2022 年11 月下旬用彼得遜抓斗式采樣器采集了表層沉積物樣品。取上表層0～2 cm 間的沉積物樣品, 置于封口袋密封, 低溫避光保存, 帶回實驗室后4 °C 冷藏至處理。

表1 梅山灣采樣站位信息Tab.1 Information of the sampling stations in Meishan Bay

圖1 梅山灣孢囊采樣站位分布Fig.1 The sampling stations of cysts in Meishan Bay

1.2 樣品處理與甲藻孢囊鑒定

參考Bolch (1997)的方法進行樣品處理, 依次經過“超聲、過篩、離心和重液浮選”步驟。具體如下:稱取20 g 左右沉積物樣品, 混合均勻后分成兩份。一份于稱量瓶中稱重, 經70 °C 烘箱中24 h 后再次稱重,計算沉積物含水量; 另一份用于甲藻孢囊分析鑒定,加入適量滅菌過濾海水稀釋沉積物, 用超聲波振蕩2 min。依次通過125 μm 和20 μm 網篩, 用滅菌海水沖洗多次, 直至過濾液清澈。之后將20 μm 網篩上的沉積物轉移到20 mL 玻璃管中, 然后利用膠頭滴管多次向底部吹氣, 使較重的沉積物顆粒首先沉降至試管底部, 用吸管吸取上浮液于10 mL 離心管中, 重復多次以確保懸浮物都轉移到離心管中, 最終定容至10 mL。之后通過重液浮選濃縮, 取15 mL 離心管, 底部加入2 mL 多聚鎢酸鈉(SPT)重液, 緩慢將定容后的懸浮液加入重液上方, 樣品以3 000 r/min 速率離心10 min, 去除部分上清液, 吸取交界面懸浮的甲藻孢囊于2 mL 離心管中, 定容至2 mL, 保存于4 °C 冰箱中。根據樣品清潔度, 吸取0.1～1 mL 處理后的樣品及適量過濾海水于計數框中, 使用倒置顯微鏡(Olympus CKX53, 日本)進行甲藻孢囊形態鑒定和數量統計, 使用正置顯微鏡(ZEISS Axiolab 5, 德國)拍攝照片。依據參考文獻對孢囊進行定性定量分析(Matsuokaetal, 2000; 王朝暉, 2007b), 每個樣品觀察不少于100 個甲藻孢囊, 甲藻孢囊豐度以每克干泥中的甲藻孢囊數量表示, 單位為cysts/g (干重)。

1.3 數據處理和統計分析

孢囊的香農-威爾種類多樣性指數(Shannon-Wiener diversity index,H′)(Shannonetal, 1949)、皮盧均勻度指數(Pielou’s evenness index,J′)(Pielou, 1969)計算公式為

優勢種類的優勢度指數(Y＞0.02)判斷, 計算公式為

式中,S為單一樣品中的物種數,pi為第i種的細胞個體數與該樣品的細胞個體總數的比值,ni為所有樣品中第i種的細胞個體總數,N為所有樣品的細胞個體總數,fi為第i種在所有樣品中的出現頻率。

使用IBM SPSS Statistics 23 中的單因素方差分析(ANOVA)來分析灣內外不同類型物種在豐度和種數之間的差異性, 使用Surfer 15 繪制采樣站位、甲藻孢囊豐度、物種多樣性指數和均勻度指數分布圖, 使用Origin Pro 2021 繪制柱狀圖。

2 結果與分析

2.1 甲藻孢囊種類組成和豐度分布

在寧波梅山灣海域表層沉積物中, 共分析鑒定出甲藻孢囊37 種, 其中多甲藻目孢囊18 種、膝溝藻目10 種、裸甲藻目7 種和2 種Thoracosphaerales 目孢囊, 各站位所鑒定到的孢囊種類數為11～23 種(表2, 圖3)。甲藻孢囊豐度介于237～1 054 cysts/g, 站位平均甲藻孢囊豐度為606 cysts/g, S3 站位甲藻孢囊豐度最高(1 054 cysts/g), S6 站位最低(237 cysts/g)(圖2a)。各站位點平均豐度多甲藻目(368 cysts/g)高于膝溝藻目(106 cysts/g)和裸甲藻目(110 cysts/g)。物種多樣性指數在1.63～2.47, S1 站位最大, S3 站位最小(圖2b); 均勻度指數在0.58～0.82, S6 站位最大, S2 站位最小(圖2c)。優勢種有原多甲藻(Protoperidiniumsp.)、美利堅原多甲藻(Protoperidiniumamericanum)、透鏡翼甲藻(Diplopsalislenticula)、微小亞歷山大藻(Alexandriumminutum)、鏈狀裸甲藻(Gymnodinium catenatum)和錐狀斯氏藻(Scrippsiellatrochoidea), 其中原多甲藻、美利堅原多甲藻、透鏡翼甲藻和鏈狀裸甲藻在所有站位均有分布(表2)。根據參考文獻, 37種甲藻孢囊中有19 種為異養型, 16 種為自養型, 其余2 種孢囊營養類型不確定(Matsuoka, 1999; 王朝暉,2007a; 石雅君等, 2011; Priceetal, 2017; 李影等,2017; Tianetal, 2018; 楊雙, 2019; 鐘文聰, 2019)。

表2 梅山灣海域表層沉積物甲藻孢囊信息及分布狀況Tab.2 Information and distribution of dinoflagellate cysts in surface sediments of the Meishan Bay

圖2 梅山灣各站位點甲藻孢囊相對豐度(a)、物種多樣性指數(b)和均勻度指數(c)分布Fig.2 Relative abundance (a), Shannon-Wiener diversity index (H′) (b) and Pielou’s evenness index (J′) (c) of dinoflagellate cysts in different stations of Meishan Bay

圖3 梅山灣海域表層沉積物中部分甲藻孢囊圖集Fig.3 Photographs of partial dinoflagllate cysts in the surface sediments from Meishan Bay

每個站位都檢出赤潮種類和有毒甲藻的孢囊(表2),有毒種包括產麻痹性貝類毒素的巴哈馬麥甲藻(Pyrodiniumbahamensevar.bahamense)、塔瑪(鏈狀)亞歷山大藻(Alexandriumtamarense/catenella)、微小亞歷山大藻和鏈狀裸甲藻, 產蝦夷扇貝毒素的網狀原角管藻(Protoceratiumreticulatum)、多邊舌甲藻(Lingulodiniumpolyedrum)和具刺膝溝藻(Gonyaulax spinifera), 產魚毒素的哈曼褐多溝藻(Pheopolykrikoshartmannii)和對雙殼類幼蟲有致死效應的錐狀斯氏藻(Tangetal., 2012)。

2.2 灣內灣外甲藻孢囊種類組成和豐度分布

甲藻孢囊平均豐度灣內高于灣外(圖2a, 4a); 甲藻孢囊的物種多樣性指數和均勻度指數灣內都顯著低于灣外(圖4b, 4e); 孢囊平均種類數灣內外差異較小(圖4d); 有毒種平均豐度和種類占比灣內均高于灣外(圖4c, 4f); 赤潮種平均豐度和種類占比灣內均高于灣外(圖4c, 4f)。

圖4 梅山灣內灣外甲藻孢囊平均豐度及種類組成(*: P＜0.05)Fig.4 Average abundance and species composition of dinoflagellate cysts at the inner and outer stations of Meishan Bay (*: P＜0.05)

3 討論

3.1 灣內灣外甲藻孢囊集群結構特征及差異分析

本研究在梅山灣海域表層沉積物中鑒定出37 種甲藻孢囊, 孢囊的種類在我國大多數海域檢出數(15～50 種)范圍中偏高; 各站位點孢囊豐度介于237～1 054 cysts/g, 豐度范圍與深圳鹽田港相近, 比福建福寧灣, 福建東山灣, 南麂列島和遼東半島沿岸大, 比北黃海小; 多樣性指數接近于福建東山灣和福建福寧灣, 低于深圳鹽田港和膠州灣; 均勻度指數和福建東山灣、福建福寧灣和膠州灣相近, 略低于深圳鹽田港(表3)。

表3 中國海域近岸表層沉積物中甲藻孢囊相關信息Tab.3 Relative informative of dinoflagellate cysts in surface sediments along Chinese coasts

梅山灣位于浙江省寧波市海域, 建堤前與東海直接相連, 長期受長江口、錢塘江和東海海潮的影響,水體交換頻繁, 泥沙含量較高(潘磊劍等, 2020; 閆慧貞等, 2021)。在修筑南北堤后, 梅山灣內懸浮泥沙濃度與建堤之前相比降低了約 50～150 mg/L(余灣,2018)。懸浮泥沙減少, 導致水體透明度增加, 水體光照得以增強, 這促進了各類浮游植物的生長, 如李振華等(2018)分析, 舟山海域春季浮游植物在近岸的豐度低于離岸豐度很可能是水體懸浮物濃度和濁度造成。另一方面, 兩堤截流改變了梅山灣的潮汐和水動力環境(余灣, 2018), 使得灣內水動力減弱, 水體穩定性增加, 水中顆粒沉降速率降低。水體穩定性的增加可以提高浮游植物產量乃至藻華的發生(戴鑫烽等,2014)。浮游植物產量的提升就會相應地提高甲藻孢囊的產量。同時, 梅山灣灣外水流復雜, 水體渾濁,流速較快, 水中顆粒沉降速率較灣內高。研究表明,水中顆粒沉降速率越高, 單位時間內形成的孢囊豐度越低(王朝暉等, 2022a), 如福建東山灣沉積物中孢囊豐度的差異主要和沉積物性質和沉積速率有關(王朝暉等, 2022a)。

水體富營養化程度也會影響表層沉積物中甲藻孢囊的豐度和群落結構。梅山灣水質富營養化程度灣內高于灣外(張美等, 2020), 已有結果表明, 富營養化程度較高的海區, 浮游植物的多樣性指數和種類豐富度較低(李清雪等, 1999), 此外浮游植物生物多樣性指數在赤潮區會顯著低于非赤潮區(沈盎綠等,2018)。本研究顯示梅山海域灣內孢囊物種多樣性指數和均勻度指數均顯著低于灣外(圖3), 同時灣內曾多次暴發過赤潮(Shaoetal, 2020), 反映出了灣內生態系統穩定性較弱。此外, 梅山灣海域表層沉積物中Hg 的含量(0.73 mg/kg)高于象山港(0.11 mg/kg)、杭州灣(0.04 mg/kg)、浙江沿岸(0.04～0.05 mg/kg)、渤海灣(0.07 mg/kg)和遼東灣(0.07 mg/kg), 而Hg 的主要來源是農業殺蟲劑和污水(Wangetal, 2017; Jiangetal,2018; Lietal, 2018; Zhaoetal, 2018; Dingetal, 2019;Haoetal, 2019; Zhangetal, 2020), 這說明梅山海域水體環境受陸源影響較大。

影響表層沉積物中甲藻孢囊的環境因子眾多,除本文提到的水體透明度、水體動力環境和營養水平之外, 溫度、鹽度、人類活動、洋流變化和采樣方式等因素也會影響甲藻孢囊群落組成(林順利, 2016; 尤勝炮等, 2016)。

3.2 梅山灣有毒有害甲藻孢囊特征及潛在危害

本研究共鑒定出16 種赤潮種和9 種有毒種甲藻的孢囊。包括產麻痹性貝類毒素(PSP)的鏈狀裸甲藻、微小亞歷山大藻、塔瑪(鏈狀)亞歷山大藻和巴哈馬麥甲藻的孢囊(Suzukietal, 2003; Usupetal, 2012; Guet al, 2013; Zouetal, 2014; Lewisetal, 2018), PSP 毒素在貝類中毒反應中毒性最強, 危害最重, 在沿海地區赤潮發生時容易引發中毒事件( 張曌 等, 2023)。本研究中, 鏈狀裸甲藻孢囊(平均豐度80 cysts/g)作為優勢種在所有站位點均檢出, 鏈狀裸甲藻是我國常見的赤潮種之一(張文, 2009), 該藻赤潮暴發期間造成過嚴重的中毒事件和經濟損失(陳火榮, 2018), 且在赤潮暴發后會形成孢囊, 為赤潮的再次發生提供種源(張文, 2009; 李光毅等, 2022)。微小亞歷山大藻孢囊(平均豐度112 cysts/g)在所有灣內站位點均檢出, 也是優勢種之一。塔瑪(鏈狀)亞歷山大藻是所有能夠產生麻痹性貝類毒素的甲藻中分布最廣泛、認知度最高的物種之一(Andersonetal, 2012), 能利用不同的氮源維持生長并持續暴發藻華(司冉冉等, 2017)。巴哈馬麥甲藻孢囊在中國海域檢出不多, 但野外調查發現其孢囊可為該赤潮暴發提供種源(Likumahuaetal,2021)。另外, 具有高麻痹性貝類毒素的有害赤潮常常發生在富營養化程度較高的水體環境中(汪宇等,2021)。研究顯示, 水體富營養化會促進鏈狀裸甲藻的生長(胡蓉等, 2012), 而一定程度上的富營養化會使微小亞歷山大藻胞內胞外毒素含量和毒性增加(劉麗君, 2020), 高氮磷比會促進微小亞歷山大藻產毒效應(郝爽等, 2021)。在春季和秋季, 梅山灣灣外為中度污染, 主要為磷中等限制潛在性富營養以及貧營養, 灣內主要為輕度污染、磷限制潛在性富營養和磷限制富營養(張美等, 2020)。舟山海域的氮磷比長期嚴重失衡(李振華等, 2018), 這將提升浮游植物中的甲藻占比, 同時會使浮游植物細胞體積由大變小和產毒種類增加(Richardson, 1997; 寧修仁等, 2004)。因此很有必要加強對梅山灣海域尤其是灣內的監測, 以減少有毒有害赤潮造成的損失。

網狀原角管藻、多邊舌甲藻和具刺膝溝藻都是世界廣布赤潮種, 這些藻極有可能是海底養殖扇貝中蝦夷扇貝毒素的來源, 會導致扇貝死亡(Satakeetal,1997; Draiscietal, 1999; Tubaroetal, 2004; Rhodeset al, 2006; Riccardetal, 2009; 龐敏等, 2022), 其中具刺膝溝藻含蝦夷扇貝毒素最高(龐敏等, 2022), 為預防上述藻類造成的危害, 應加強檢測。

4 結論

(1) 2022 年冬季梅山灣海域表層沉積物中鑒定出4 目37 種甲藻孢囊, 豐度介于237～1 054 cysts/g, 物種多樣性指數在1.63～2.47, 均勻度指數在0.58～0.82。

(2) 甲藻孢囊平均豐度灣內高于灣外, 物種多樣性指數和均勻度指數灣內均顯著低于灣外, 反映了灣內生態系統穩定性較弱。引起上述現象的原因可能是“筑堤效應”, 即筑堤降低了梅山灣的水動力, 導致灣內懸浮物質濃度降低, 水體透明度提高和水中顆粒沉降速率降低; 同時, 由于水交換減弱, 陸地污染源的排放加深了灣內水體富營養化程度, 為藻類繁殖(甚至是赤潮爆發)提供了充足營養。

(3) 本次調查共檢出了16 種赤潮藻和9 種有毒甲藻孢囊, 有毒種及赤潮種甲藻孢囊豐度和種類占比灣內均高于灣外。其中, 產麻痹性貝類毒素的鏈狀裸甲藻和微小亞歷山大藻既是優勢種, 也分布于所有灣內站位, 應該重視對灣內有毒有害甲藻的監測。