A análise plurianual revela a sazonalidade coordenada nas unidades populacionais e na composição da cadeia alimentar planctónica no próprio Mar Báltico

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11865 (2023) Citar este artigo

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O reino planctônico, das bactérias ao zooplâncton, fornece a base para as teias alimentares aquáticas pelágicas. No entanto, múltiplos níveis tróficos raramente são incluídos em estudos de séries temporais, dificultando uma compreensão holística da influência da dinâmica sazonal e das interações entre espécies na estrutura da cadeia alimentar e nos ciclos biogeoquímicos. Aqui, investigamos a composição da comunidade planctônica, com foco no bacterio, fito e mesozooplâncton grande, e como os fatores bióticos e abióticos se correlacionam na estação do Observatório Microbiano de Linnaeus (LMO) no Mar Báltico de 2011 a 2018. As estruturas das comunidades planctônicas mostraram dinâmica pronunciada. mudanças com padrões recorrentes. Resumindo as partes da cadeia alimentar microbiana planctônica estudadas aqui para o carbono total, surge uma imagem com o fitoplâncton contribuindo consistentemente> 39%, enquanto o bacterio e o grande mesozooplâncton contribuíram com ~ 30% e ~ 7%, respectivamente, durante o verão. Cyanophyceae, Actinobacteria, Bacteroidetes e Proteobacteria eram grupos importantes entre os procariontes. É importante ressaltar que Dinophyceae, e não Bacillariophyceae, dominaram a floração autotrófica da primavera, enquanto Litostomatea (ciliados) e Appendicularia contribuíram significativamente para as entidades consumidoras, juntamente com o mesozooplâncton mais tradicionalmente observado, Copepoda e Cladocera. Nossas descobertas sobre a sazonalidade tanto na composição do plâncton quanto nos estoques de carbono enfatizam a importância das análises de séries temporais da estrutura da cadeia alimentar para caracterizar a regulação dos ciclos biogeoquímicos e restringir adequadamente os modelos ecossistêmicos.

O Mar Báltico é um dos maiores sistemas salobras do mundo1. Oferece múltiplos serviços socioeconómicos, como a pesca, a navegação de recreio, a natação e o desfrute geral da paisagem marítima2. O Mar Báltico foi, e ainda é, fortemente influenciado por múltiplos factores de stress antropogénicos e pela exploração excessiva dos serviços ecossistémicos, com efeitos graves no ecossistema, por exemplo, eutrofização e poluição3,4. A produção das comunidades planctônicas é transferida para níveis tróficos superiores. Contudo, os mecanismos que regulam a eficiência da transferência ainda não estão bem definidos e, adicionalmente, podem ser afetados por estressores antrópicos5. Como tal, o Mar Báltico pode esclarecer como os serviços ecossistémicos, por exemplo, os produtos do mar selvagens/de cultura, a remoção de nutrientes e poluentes e o turismo, são afectados por factores de stress antropogénicos e, assim, oferecer uma visão alargada sobre a gestão baseada nos ecossistemas para garantir uma utilização sustentável dos recursos. o Mar Báltico.

Produtores e consumidores primários, como comunidades de bacterio, fito e zooplâncton, constituem a base das cadeias alimentares pelágicas, juntamente com fungos e archaea, e a sua atividade metabólica tem grandes impactos no ciclo elementar global6,7,8,9,10,11,12 ,13. O fluxo total de energia e matéria para níveis tróficos mais elevados na cadeia alimentar é altamente dependente da estrutura e funcionamento da comunidade microbiana, uma vez que os microrganismos heterotróficos reciclam nutrientes e dissipam a energia produzida pelos produtores primários . Os organismos na base da cadeia alimentar aquática produzem biomassa e compostos que são importantes para níveis tróficos mais elevados em toda a cadeia alimentar. Por exemplo, tanto o plâncton heterotrófico como o autotrófico desempenham um papel fundamental na síntese de, por exemplo, vitaminas que são universalmente necessárias aos organismos superiores17. Além disso, os peixes afetam as comunidades planctônicas, seja diretamente pela predação ou indiretamente pela liberação de predadores18,19. Portanto, investigações regionais de longo prazo sobre a dinâmica sazonal dos parâmetros ambientais e do bacterio, fito e zooplâncton têm o potencial de fornecer novos conhecimentos sobre a estrutura e o funcionamento da cadeia alimentar.

O bacterioplâncton desempenha um papel fundamental na cadeia alimentar aquática, atribuível à alta abundância, número de espécies, propriedades funcionais e numerosas interações com outros microrganismos, bem como níveis tróficos mais elevados. Nos ecossistemas aquáticos, os principais produtores primários são o fitoplâncton20,21, que representa apenas 0,2% da biomassa do produtor primário global, mas representa 50% da produção líquida, por exemplo21,22. O fitoplâncton, por sua vez, é pastoreado pelo zooplâncton e estima-se que o zooplâncton possa consumir 10-40% da produção primária através do pastoreio diário, dependendo da produtividade do ecossistema23. É importante ressaltar que mesmo pequenas mudanças nas estruturas comunitárias ou de tamanho e na produção podem ter efeitos complexos e em grande escala em todo o ecossistema, incluindo a produção de peixes4,24,25. No entanto, relativamente poucos estudos incluem múltiplos níveis tróficos dentro do reino do plâncton e raramente cobrem estimativas de biomassa total juntamente com medidas de composição da comunidade e parâmetros abióticos8,26,27,28,29,30,31,32.

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>