中南第勒尼安海浮游植物多样性与粒径结构对微生物功能的影响研究

《Microbial Ecology》：Phytoplankton diversity and size structure in the Central-Southern Tyrrhenian Sea: implications for microbial functioning

本研究针对中南第勒尼安海浮游植物群落结构与微生物功能关系的认知空白，通过分析二十年航次数据，揭示了粒径结构以超微型浮游植物为主导(贡献>60%)的微生物食物网特征，阐明了水团和季节动态通过调控酶活性(LAP/GLU/AP)塑造有机质循环路径的机制，为地中海寡营养海域生态系统响应气候变化提供了基准范式。

　　

在地中海这颗"海洋生态系统的天然实验室"中，第勒尼安海作为连接西东地中海的关键通道，其水体层化现象日益加剧，浮游植物群落结构正经历着深刻变化。尽管浮游植物驱动着海洋一半的初级生产，但在这片寡营养海域，关于微生物群落如何响应中尺度水团特征的研究仍近乎空白。更关键的是，浮游植物粒径结构决定着碳流向——是通过大型浮游植物的"植食性食物链"实现碳输出，还是经由超微型浮游植物的"微生物环"在真光层内循环？这一科学问题的解答对预测气候变化下的生态系统演变至关重要。

为此，Carmela Caroppo等研究人员在《Microbial Ecology》发表了题为"Phytoplankton diversity and size structure in the Central-Southern Tyrrhenian Sea: implications for microbial functioning"的研究，通过对2005-2006年六个航次历史数据的系统分析，揭示了水团分层如何通过调控浮游植物粒径谱和微生物酶活性，最终决定碳循环路径的微观机制。

研究采用的关键技术方法包括：利用CTD剖面仪获取水团理化参数；通过分级叶绿素a荧光测定和¹⁴C标记法分别分析粒径分级生物量与初级生产；应用荧光底物法测定微生物酶活性(LAP/GLU/AP)；结合显微鉴定、网络分析和多元统计揭示群落结构与环境因子的关联。样本来源于中南第勒尼安海65个站点的324个水体样本，覆盖大西洋水(AW)、混合大西洋水(m-AW)和第勒尼安中层水(TIW)等6类水团。

水文参数特征

研究区域0-200米水层呈现典型的地中海水团结构：夏季大西洋水(s-AW)高温(>23°C)低盐(37.8-38.5)，秋季大西洋水(a-AW)盐度升高至38.5，TIW水团位于40-200米层，温度低于15.5°C。这种垂直分层为不同粒径浮游植物提供了差异化生境。

分级叶绿素a与初级生产分布

集成叶绿素a浓度平均为8.5±3.2 mg m^-2，其中超微型浮游植物(0.2-2.0μm)占比高达66%，其初级生产贡献达60%。深度叶绿素最大值(DCM)出现在50-75米层，该层超微型浮游植物占比69%。同化数(AN)分析显示s-AW水团因高温导致生物量最低但AN最高，表明系统处于高周转状态；而TIW水团中微米级浮游植物主导的高生物量伴随较低AN，暗示有机质滞留。

营养路径模式

通过大型浮游植物与总脱镁叶绿素比值判定，a-AW和AW水团以微生物途径主导(比值<0.2)，TIW和s-AW呈现多营养级特征(比值0.2-0.5)。这表明寡营养海域主要通过微生物环实现物质循环，而中层水团的间歇性混合为多营养级共存提供了条件。

浮游植物丰度与组成

细胞丰度波动范围2.01-90.40×10³ cells L^-1，鞭毛藻类占比62.3±9.5%。尽管甲藻数量仅占19.5%，其生物量贡献达71.0%，主要归因于其运动能力和混合营养策略。夏季硅藻丰度增加与沿岸-大洋耦合过程相关，而秋季甲藻在分层水体中形成成熟群落。

网络分析识别出38个显著共现类群，形成两个功能群组：TIW水团中的微米级硅藻群组(如角毛藻属)呈现高聚类系数，反映功能互补；s-AW/m-AW水团中的混合营养甲藻群组则展现摄食可塑性。网络中心性指标显示硅藻比甲藻具有更紧密的共现关系(p<0.01)。

微生物代谢特征

酶活性呈现明显垂直分层：LAP在s-AW表层和d-TIW深层出现峰值，表明蛋白质降解活跃；GLU和AP在a-AW的50-70米层最高，反映多糖和有机磷快速再生。m-AW水团中初级生产与水解速率同步增长，显示自养-异养过程的紧密耦合；而TIW水团中水解速率不随初级生产增加，暗示有机质输出潜力。

研究结论强调水团分层是调控浮游植物结构与功能的关键因子。超微型浮游植物在寡营养海域的核心作用被重新界定——不仅是背景群落，更是初级生产的主要驱动力。酶活性峰值与浮游植物群落的季节演替同步，证实微生物代谢对水文动态的高度响应。随着地中海表层升温加剧分层，本研究提供的基准数据预示未来微生物环作用强化可能导致高营养级资源衰退，为理解气候变化下海洋生态系统演变提供了关键理论依据。