L’analisi pluriennale rivela la stagionalità coordinata degli stock e la composizione della rete alimentare planctonica nel Mar Baltico vero e proprio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11865 (2023) Citare questo articolo

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Il regno planctonico, dai batteri allo zooplancton, fornisce la base per le reti alimentari acquatiche pelagiche. Tuttavia, livelli trofici multipli sono raramente inclusi negli studi di serie temporali, ostacolando una comprensione olistica dell’influenza delle dinamiche stagionali e delle interazioni tra le specie sulla struttura della rete alimentare e sui cicli biogeochimici. Qui, abbiamo studiato la composizione della comunità di plancton, concentrandoci su batterio, fito- e mesozooplancton di grandi dimensioni, e come i fattori biotici e abiotici sono correlati presso la stazione dell’Osservatorio microbico Linnaeus (LMO) nel Mar Baltico dal 2011 al 2018. Le strutture delle comunità di plancton hanno mostrato una dinamica pronunciata turni con schemi ricorrenti. Riassumendo le parti della rete alimentare microbica planctonica studiate qui al carbonio totale, emerge un quadro con il fitoplancton che contribuisce costantemente per > 39% mentre i batteri e il grande mesozooplancton contribuiscono rispettivamente con ~ 30% e ~ 7%, durante l'estate. Cianoficee, Actinobacteria, Bacteroidetes e Proteobacteria erano gruppi importanti tra i procarioti. È importante sottolineare che le Dinophyceae, e non le Bacillariophyceae, hanno dominato la fioritura primaverile autotrofa, mentre Litostomatea (ciliati) e Appendicularia hanno contribuito in modo significativo alle entità consumatrici insieme al mesozooplancton, Copepoda e Cladocera più tradizionalmente osservati. I nostri risultati sulla stagionalità sia nella composizione del plancton che nelle scorte di carbonio sottolineano l’importanza delle analisi delle serie temporali della struttura della rete alimentare per caratterizzare la regolazione dei cicli biogeochimici e vincolare adeguatamente i modelli ecosistemici.

Il Mar Baltico è uno dei sistemi salmastri più grandi del mondo1. Offre molteplici servizi socioeconomici, come la pesca, la nautica da diporto, il nuoto e il godimento generale del paesaggio marino2. Il Mar Baltico è stato, ed è tuttora, fortemente influenzato da molteplici fattori di stress di origine antropica e dallo sfruttamento eccessivo dei servizi ecosistemici con gravi effetti sull'ecosistema, ad esempio eutrofizzazione e inquinamento3,4. La produzione delle comunità di plancton viene trasferita a livelli trofici più elevati. Tuttavia, i meccanismi che regolano l’efficienza del trasferimento non sono ancora ben definiti e, inoltre, potrebbero essere influenzati da fattori di stress di origine antropica5. In quanto tale, il Mar Baltico può far luce su come i servizi ecosistemici, ad esempio i prodotti ittici selvatici/allevati, la rimozione di nutrienti e sostanze inquinanti e il turismo, sono influenzati da fattori di stress di origine antropica e quindi offrire una visione ampliata sulla gestione basata sugli ecosistemi per garantire un utilizzo sostenibile delle risorse naturali. il Mar Baltico.

I produttori e i consumatori primari, come le comunità di batteri, fito e zooplancton, costituiscono la base delle reti alimentari pelagiche, insieme a funghi e archaea, e la loro attività metabolica ha un impatto importante sul ciclo elementare globale6,7,8,9,10,11,12 ,13. Il flusso totale di energia e materia verso livelli trofici più elevati nella rete alimentare dipende fortemente dalla struttura e dal funzionamento della comunità microbica poiché i microrganismi eterotrofi riciclano i nutrienti e dissipano l'energia prodotta dai produttori primari14,15,16. Gli organismi alla base della rete alimentare acquatica producono biomassa e composti importanti per livelli trofici più elevati in tutta la rete alimentare. Ad esempio, sia il plancton etero sia quello autotrofo svolgono un ruolo chiave nella sintesi delle vitamine, ad esempio, universalmente necessarie agli organismi superiori17. Inoltre, i pesci influenzano le comunità di plancton, direttamente attraverso la predazione o indirettamente attraverso il rilascio dei predatori18,19. Pertanto, le indagini regionali a lungo termine sulle dinamiche stagionali dei parametri ambientali e dei batteri, fito e zooplancton hanno il potenziale per fornire nuove conoscenze sulla struttura e sul funzionamento della rete alimentare.

Il batterioplancton svolge un ruolo fondamentale nella rete alimentare acquatica, attribuibile all'elevata abbondanza, al numero di specie, alle proprietà funzionali e alle numerose interazioni con altri microrganismi, nonché ai livelli trofici più elevati. Negli ecosistemi acquatici, i principali produttori primari sono il fitoplancton20,21, che costituisce solo lo 0,2% della biomassa del produttore primario globale, ma rappresenta il 50% della produzione netta, ad esempio21,22. Il fitoplancton, a sua volta, viene pascolato dallo zooplancton e si stima che lo zooplancton possa consumare il 10–40% della produzione primaria attraverso il pascolo quotidiano, a seconda della produttività dell'ecosistema23. È importante sottolineare che anche piccoli cambiamenti nelle strutture della comunità o nelle dimensioni e nella produzione possono avere effetti complessi e su larga scala sull’intero ecosistema, compresa la produzione ittica4,24,25. Tuttavia, relativamente pochi studi includono più livelli trofici all'interno del regno del plancton e raramente coprono le stime della biomassa totale insieme alle misure della composizione della comunità e dei parametri abiotici8,26,27,28,29,30,31,32.

0.125 kg m−3, compared to the surface density73. Over the sampling time span, 13 sampling occasions had a mixed layer depth between 0 and 1 m, which could be caused by the stabilization time being too short. However, all samplings are presented as this was considered to have limited effects on the interpretation of our results. In addition, STRÅNG data (sunshine duration and PAR) were extracted from the Swedish Meteorological and Hydrological Institute (SMHI) and produced with support from the Swedish Radiation Protection Authority and the Swedish Environmental Agency. Spearman correlations to investigate relationships among biotic and abiotic parameters used the complete dataset with individual samplings. To investigate relationships among bacterio-, phyto- and the large mesozooplankton community composition, Spearman correlations for relative biomasses of bacterio-, phyto- and large mesozooplankton were used and in addition to the five taxonomical groups of large mesozooplankton presented in Fig. 1. Litostomatea (principally Mesodinium rubrum) is a mixotroph74,75 but was here considered a predator in the analysis. The output from the analysis was visualized using the “circlize” package76 in combination with the “ComplexHeatmap” package77. ‘Other zooplankton’ included specimens from the classes Thecostraca, Bivalvia, Malacostraca, Gastropoda, Clitellata, Ostracoda, Polychaeta, Thaliacea, Oligotrichea as well as specimens of the phyla Chaetognatha, Echinodermata and unidentified. Contribution to the relative biomass was always < 2% for each separate class/phyla included in ‘Other zooplankton’./p> 10 µg L−1 (Fig. 1f; Fig. S1f.). Phytoplankton biomass displayed a similar pattern compared to Chl a, with a spring bloom in April (days 91–120), reaching ~ 250 mg C m−3. During late spring, phytoplankton biomass had decreased to around 100 mg C m−3 (Fig. 2c) and a second peak was reached by mid-summer (July, 182–212) at ~ 200 mg C m−3. Subsequently, biomass stabilized around 100 mg C m−3 and decreased to winter values in December-January (25–50 mg C m−3). Phytoplankton were quantified using slightly different analytical methods during 2011–2014 compared to 2015–2018 (see material and methods) indicating that separate analysis of the two time periods is necessary. Biomass did not display a large interannual variability during the two periods 2011–2014 and 2015–2018 when analyzed separately. However, biomass was higher throughout the first period compared to the later (Fig. S4b). This result was probably related to the differences in the analytical procedure for the two time periods. Total biomass of large mesozooplankton displayed a seasonal trend with winter biomass of ~ 1 mg C m−3, followed by a rapid increase in mid-spring (May, days 121–151) peaking during early summer (June, days 152–181)) with large mesozooplankton biomass of ~ 10 mg C m−3 being stable for about a month (Fig. 2e). Towards the end of July (day 212), large mesozooplankton started to decrease and by autumn reached ~ 5 mg C m−3. The biomass of large mesozooplankton displayed low interannual variability, with similar seasonality among the years (Fig. 2e; Fig. S4c)./p> 0.05./p> 39% of the total carbon in the plankton food web. During spring, phytoplankton carbon and its relative contribution was highest (65%), whilst reaching minimal values in winter (39%). During summer and autumn, phytoplankton carbon was at a similar level, considering both amount and relative contribution (Fig. 6; Table S2). Litostomatea (exclusively the ciliate M. rubrum) made a noteworthy contribution to total carbon in the plankton communities, comprising > 20% of the total carbon throughout all seasons. During winter, Litostomatea had the lowest carbon levels, whilst the highest levels were found during summer. For most of the seasons, large mesozooplankton carbon and relative contribution was low (1–3%), except during summer when values peaked (7%). During winter and spring, large mesozooplankton carbon was at its lowest. Autumn large mesozooplankton carbon was two times higher than winter and spring levels (Fig. 6; Table S2)./p> 55% of the community (average per season). Yet, other taxa such as Appendicularia appear to have a significant role in the Baltic Sea in relation to copepods and cladocerans. Small-sized zooplankton were not included in this study, due to the sampling technique, making inferences about them in terms of abundance and biomass in relation to large mesozooplankton impossible. However, other studies have shown that small-sized zooplankton, such as rotifers and small cladocerans, play a critical role, both in terms of biomass and abundance, in the Baltic food web8,10. Furthermore, ciliates (Litostomatea; M. rubrum) also contributed to a large fraction of the carbon pool throughout the year, although some studies suggest that their life-style is dominated by autotrophy74,75, questioning their importance as predators. This suggests that a diverse and dynamic plankton community should be considered when assessing the food web structure, which could help explain the interactions in the planktonic realm./p>