超微型浮游藻类对太湖碳代谢平衡时空差异的影响研究

Eutrophic lake has important impacts on regional and global carbon balance. Eutrophic lake is generally regarded as autotrophic ecosystems because it encompasses high biomass, according to the classical limnological theory. However, some lake regions of Lake Taihu were found to be heterotrophic in the most of months of the year. Phytoplankton provides bioavailable particulate carbon, which is the most important carbon source in phytoplankton food web. When the contribution of picophytoplankton, with cell size less than <2 μm, to total phytoplankton community is high, the respiration of water would be larger than primary production. Our primary results show that picophytoplankton has a big contribution to primary production in some lake regions of Lake Taihu. Therefore, we hypothesized that the proportion of picophytoplankton to the whole phytoplankton community and the community structure of picophytolankton may be very important to carbon metabolism balance of Lake Taihu. We will perform field investigation and in situ microcosm experiment to study the relationship between spatio-temporal variation of production and respiration of Lake Taihu and environmental factors. The community structure of picophytoplankton, and the contribution of different groups to production and respiration will be studied by using a newly developed approach, combining flow cytometric sorting, molecular technique and carbon isotope. Our results will clarify the situation of carbon metabolism balance of Lake Taihu and its critical impacting factors. Furthermore we will try to complement the current limnological theory which mainly based on the research of deep lake.

富营养化湖泊对流域乃至全球的碳收支平衡具有重要的影响。传统湖沼学理论认为富营养化湖泊由于具有较高的浮游藻类生物量通常都是自养型，但最新的研究结果表明太湖梅梁湾和湖心全年大部分时间都呈异养代谢。浮游藻类提供的生物可利用性颗粒有机碳是浮游食物网中的主要碳源，而超微型藻(<2μm)在浮游藻类中的比重越大，水体呼吸量就越高。初步调查结果发现超微型藻对太湖局部湖区大部分时间的初级生产力有重要贡献。因此超微型藻在整个浮游藻类中的比重及自身的结构组成可能对太湖的碳代谢平衡有重要的影响。本研究拟通过野外调查和原位微宇宙试验明确太湖初级生产力和呼吸量的时空分布和关键影响因子，并结合流式细胞术分选、分子生物学和同位素技术，阐明不同粒径范围浮游藻类，尤其是超微型藻对太湖代谢平衡时空差异的贡献。该研究结果拟揭示太湖作为大型浅水富营养化湖泊的碳代谢平衡现状和原因，并进一步补充完善目前多基于深水湖泊研究的湖沼学理论。

超微型浮游植物是指粒径 ≤ 3 μm的所有微型浮游植物，广泛分布于海洋和淡水生态系统中，在水生生态系统的物质循环和能量流动中起着重要作用。本研究通过流式细胞技术结合高通量测序技术对太湖、巢湖中超微型浮游植物丰度、生产力水平及其多样性和群落结构的时空分布特征进行了系统性研究；同时通过四季野外原位模拟实验，分别探讨了太湖梅梁湾湖区和东太湖区中超微型浮游植物对CO2升高的响应情况。主要结论如下：（1）富营养水体中仍有丰度较高的超微型藻，主要包括超微真核藻（PPEs）和富含藻蓝素的超微蓝藻（PC-cells），他们对两湖全年初级生产力的贡献量平均约为20-30%，冬季最高可达达95%；（2）PPEs与超微蓝藻PC-cells呈现相反的时空分布规律：PPEs主要在冬、春季占优势，而PC-cells则在夏、秋季优势更明显。空间上，PPEs在营养水平更高的水体中更占优势，而PC-cells则反之；（3）流式分选结合高通量测序法不仅大大提高了超微藻的检测效率，而且覆盖率高，有利于稀有种的检测。结果表明，太湖、巢湖中PPEs类群丰富，但优势种较少。在门水平上，主要以Chlorophyta和 Bacillariophyta为优势；而在OTU水平上，20%的优势OTUs代表了超过90%的PPEs序列，而80%的稀有OTUs只代表了不到10%的PPEs序列；（4）两湖PPEs群落结构均显示出显著的季节差异，而空间差异不明显。季节因素引起的差异是主导超微藻群落结构变化的主要因素；（5）通过流式分选，还发现了大量非PPEs序列，而这些PPEs序列大多属于PPEs细胞的寄生虫和捕食者等，主要包括Chytridiomycota、Perkinsozoa、Ciliophora以及Cercozoa等，暗示了寄生等生物影响在PPEs群落变化中的重要作用；（6）CO2浓度的升高在大多数情况下可促进PPEs细胞的生长，春季最显著；而对PC-cells无显著影响，甚至具有一定的抑制作用；CO2浓度的变化对PPEs的群落组成也有一定影响，通过测序发现在东太湖中随着CO2浓度的升高，Chrysophyceae纲的两个OTUs浓度有增加的趋势，而隶属于Chlorophyceae和Cryptomonadaceae的OTUs浓度却逐渐降低。