利用稳定同位素来描述深海洋层中胶质浮游动物的营养结构

《Limnology and Oceanography》：Using stable isotopes to describe the trophic structure of gelatinous zooplankton across the deep pelagic

　　本研究通过稳定碳氮同位素分析及氨基酸特异性同位素分析，评估了南加州洋流生态系统中0-3000米深度范围内5类浮游生物（环节动物、刺胞动物等）的食性层级。发现凝胶状浮游生物食性层级范围达2.4-3.8，其中深水层捕食者（如Aegina spp.）TP为3.8，浅水层植食者（如Pyrosoma atlanticum）TP为1.9。同位素值显示深水生物依赖稳定基底食物资源，且δ15N氨基酸分析验证了传统食性文献数据。研究表明稳定同位素方法可有效解析深水浮游生物复杂食性层级，揭示垂直生态分异规律。

　　这项研究探讨了胶质浮游动物在深海环境中的营养生态结构，特别是在南加州洋流生态系统中，这些动物在不同深度和摄食群体中的生态角色。胶质浮游动物是海洋生态系统和食物网的重要组成部分，但它们在深海区域的营养生态学特征尚不明确。研究人员通过稳定碳同位素（整体组织）和氮同位素（整体组织及氨基酸）分析，对多种胶质浮游动物的营养层级（TPs）进行了评估，包括栉水母、刺胞动物、栉水母、软体动物和浮游海鞘等。研究对象涵盖了从0米到3000米的深度，采集时间横跨2020年至2023年，共进行了四次科考任务。

在同一大类中，整体组织的碳（δ13C）和氮（δ1?N）同位素值显示出一定的相似性，与动物的体型大小无关。胶质浮游动物的营养层级范围跨越了2.4个层级，其中以捕食其他胶质浮游动物的动物（如Aegina spp.）营养层级最高，达到3.8；而以浮游植物和碎屑为食的动物（如Pyrosoma atlanticum）则营养层级最低，为1.9。基于氨基酸δ1?N值的营养层级估计与文献中报道的饮食情况较为一致，而使用整体组织δ1?N值计算的营养层级往往偏低。动物的δ13C和δ1?N值随深度增加而上升，表明浅海和深海浮游动物依赖于不同的基础食物资源。生活在600至1000米深度的水母的δ13C和δ1?N值在不同地点和季节之间的变化较小，这说明深海浮游动物依赖于较为稳定的深海食物资源。动物的δ13C和δ1?N值在季节之间相对一致，可能表明胶质食物网的营养结构具有一定的稳定性。

胶质浮游动物包括种类和生态上多样的生物，如栉水母、脊索动物、刺胞动物、栉水母和软体动物等。这些动物的分布范围从海面到海底，它们在食物网中的角色也因种类和深度而异。胶质浮游动物的集体食物网相互作用，作为捕食者和猎物，被称作“胶质食物网”。这些动物在食物网中占据多个营养层级，从以浮游植物和碎屑为食的浮游海鞘（Sutherland and Thompson, 2022）到以鱼类为食的更高阶捕食者（如 Physonect siphonophores，Hetherington et al., 2022）。

许多胶质浮游动物会进行昼夜垂直迁移，这连接了表层和深层食物网。食物资源随深度而变化，其中深海物种可能依赖悬浮的、降解的有机物，而浅海物种则依赖表层有机物。大多数研究集中在表层（<200米）的胶质浮游动物，这些动物更为强壮，可以被潜水设备采集（例如 Purcell, 1981；Corrales-Ugalde et al., 2021；Gibbons et al., 2021）。然而，由于采集完整胶质浮游动物的困难，我们的理解在深海生态系统中仍然受到限制，特别是在收集成本高昂、耗时较长的区域。

稳定同位素分析（SIA）是一种研究软体动物营养生态学的常用手段，这种方法只需组织样本，即可评估动物的觅食环境及其在食物网中的相对位置。整体组织的碳和氮同位素比值（δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk）可以提供一个时间整合的评估，但这些比值也受到食物网基础食物源的影响，这可能影响 SIA 对营养层级的估计。在食物网的基础部分，δ13C 和 δ1?N 的值会随时间和空间变化。例如，基础 δ1?N 和 δ13C 值会受到微生物再矿化和季节性初级生产力变化的影响。

氨基酸特定同位素分析（CSIA-AA）是一种可以限制基础 δ1?N 值变化的方法，同时还能记录营养传递，因此是估计营养层级的强大工具。某些“营养”氨基酸在每次营养传递中表现出更高的 δ1?N 值，因为氮同位素在代谢反应中会发生分馏（例如，丙氨酸和谷氨酸）。其他“来源”氨基酸（例如，赖氨酸和苯基丙氨酸）则发生较少的氮同位素分馏，因此反映了食物网基础的 δ1?N 值。

在本研究中，我们使用整体 SIA 和 CSIA-AA 来描述南加州洋流生态系统中丰富且具有代表性的胶质浮游动物的营养生态学特征。我们的采样时间与地点覆盖了不同的表层生产力，从夏季到秋季逐渐下降。此外，我们还考虑了从近岸到远岸的差异。我们描述了胶质浮游动物营养结构如何随动物体型大小和时间空间变化而变化。我们使用了五种方法来估计动物的营养层级，因为对胶质浮游动物营养结构和饮食的了解有限，每种方法都有其固有的假设和不确定性。这些方法依赖于已发表的饮食文献、整体组织 SIA 以及 CSIA-AA 的不同“营养”氨基酸。

研究中采集的胶质浮游动物（n=561）来自13个分类群，用于整体组织稳定碳和氮同位素分析。我们选取了多个物种进行 CSIA-AA 分析，包括 Aegina spp.、B. cucumis、Hormiphora spp.、Pantachogon spp.、P. periphylla 和 P. atlanticum。这些物种被选取的原因是它们分布在不同的深度、假设的摄食群体以及采样区域的丰富性。为了限制可能的时空变化，所有用于 CSIA-AA 的样本都限制在2021年8月在近岸区域的两个白天拖网采样中。由于 Aegina spp. 的样本仅用于 CSIA-AA，因此我们无法测量其整体组织的 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值。这些样本在迈阿密大学的实验室中进行了 CSIA-AA 分析，遵循 Popp 等人（2007）和 Hannides 等人（2013）的方法。

我们使用了五种方法来估计营养层级（Supporting Information Table S3；详细信息见 Supporting Information）。第一种方法 TP_diet 基于已发表的饮食研究，包括现场观察和胃内容物分析。如果没有已发表数据或数据稀疏，我们将使用生态上相似的物种（如同一家族）来推测其主要饮食。第二种方法 TP_bulk 遵循 Post（2002）的方法，基于胶质浮游动物的 δ1?N_bulk 值、营养区分馏因子（TDF_bulk）以及基础 δ1?N 值。我们定义了基础同源物（λ）为 TP=1 的颗粒有机物（POM），并使用了 POM 在接近每个物种的 WMD 的深度的 δ1?N 值（δ1?N_POM_estimate）。我们还使用了 TDF_bulk 的范围（2.4–4.4‰）来考虑胶质消费者 TDF_bulk 的不确定性。第三种方法 TP_diet-bulk 利用已发表的饮食数据和 δ1?N_bulk 值来估计营养层级。对于这种方法，我们使用了已知的动物饮食信息来指定更准确的营养区分馏因子 TDF_diet。第四和第五种方法基于 CSIA-AA，按照 Chikaraishi 等人（2009）的方法进行，即 TP_AA（Supporting Information Table S3）。苯基丙氨酸被指定为“来源”氨基酸，并与其它已知的“来源”氨基酸有正相关关系（Supporting Information Fig. S2）。我们通过考虑两种“营养”氨基酸（谷氨酸和丙氨酸）以两种方式估计 TP_AA：谷氨酸 + 谷氨酰胺（δ1?N_Glu，TP_AA_Glu）和丙氨酸（δ1?N_Ala，TP_AA_Ala）。我们指定 β_Glu=3.4‰ 和 β_Ala=3.2‰。我们还假设 δ1?N_Glu（δ1?N_Ala）相对于 δ1?N_Phe 每个营养层级增加 6.4‰（5.2‰），即 TDF_AA_Glu=6.4‰ 和 TDF_AA_Ala=5.2‰。用于估计动物营养层级的误差传播方法见 Supporting Information。

样本信息和同位素数据可通过生物与化学海洋学数据管理办公室（BCO-DMO）访问，网址为 https://www.bco-dmo.org/project/853408。

所有数据的统计分析均在 R 中进行（版本 4.3.1，R Core Team, 2023）。环境条件的差异通过将每个地点和季节的所有可用 CTD 投放数据拟合到局部估计散点平滑（LOESS）中进行可视化。这些投放揭示了大多数年份、地点和季节之间环境变量（溶解氧浓度、温度、盐度和 0 到 150 米深度积分的 Chl a）的变化。因此，所有同位素数据按地点和季节分组，以研究动物的 δ1?N 和 δ13C 值如何随时间和空间变化。

δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值不呈正态分布，且存在异方差性。因此，我们使用非参数检验进行大多数统计分析。我们使用 Welch's ANOVAs 和 Games–Howell 后验检验来研究 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值的变化。具体而言，我们研究了这些值在不同物种、不同年份、不同地点（当样本覆盖范围相似时）以及不同季节（当样本覆盖范围相似时）之间的变化。栉水母被排除在大多数时空分析之外，因为该门包含至少 18 个已知物种，其垂直栖息地的物种特异性差异会干扰 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值的解释。由于样本数量的限制，我们无法测试某些胶质浮游动物的 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值的时空差异。在某些情况下，同一季节的不同航次中，胶质浮游动物的 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值存在显著差异，因此这些样本也被排除在季节分析外。

我们使用 Spearman's 秩相关来研究 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值如何随动物体型大小和 WMD 变化，使用 R 中的 “stats” 包。为了考虑 δ13C_bulk 值在不同地点和 δ1?N_bulk 值在不同季节之间的基线变化，我们在研究同位素与动物体型大小的关系时，按地点约束 δ13C_bulk 值，按季节约束 δ1?N_bulk 值。我们使用配对 Wilcoxon-signed 秩检验来评估 δ1?N_bulk 值是否与 δ1?N_Phe 值相关，并使用 R 中的 “stats” 包拟合线性模型以可视化这种关系。我们还使用 Spearman's 秩相关来研究 δ1?N_Phe 值如何随 WMD 变化。最后，我们使用 Welch's ANOVA 在秩上进行分析，并结合 Games–Howell 后验检验来研究营养层级在不同胶质浮游动物之间的变化。

研究结果表明，胶质浮游动物的 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值在所有样本中显示出较大的变化范围，这表明它们占据了多个营养层级。浅海浮游海鞘（P. atlanticum 和 S. zonaria）的 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值最低，这与这些动物以浮游植物和碎屑为食的情况一致。生活在较深区域的捕食者（如水母）的 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值最高，这也符合其他研究的结果，表明它们处于更高的营养层级。在某些分类群中，δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值的重叠表明它们可能在营养生态位上相似。

胶质浮游动物的营养层级估计显示，它们的 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值随动物体型大小而变化。然而，大多数动物的 δ1?N_bulk 值与体型大小无关。对于某些分类群，如 Hormiphora spp. 和 P. atlanticum，它们的 δ13C_bulk 值与体型大小有显著关系。两种分类群的 δ1?N_bulk 值与体型大小呈正相关，表明它们的营养层级随体型变化。这些分类群可能涉及多个物种，因此难以确定 δ1?N_bulk 值的变化是否反映饮食、发育或物种间的差异。许多水母和栉水母依赖触手捕捉猎物，随着它们的成长，它们继续捕捉最小的猎物，同时捕食更大的猎物，这可能导致较少的发育阶段的饮食差异，与更活跃的视觉捕食者（如鱼类）相比。

研究还表明，胶质浮游动物的 δ13C 和 δ1?N 值随时间和空间变化而变化。δ1?N_Phe 值反映了基础食物资源，并可用于限制 δ1?N 值的变化。然而，由于 CSIA-AA 样本在同一地点和季节采集，我们无法研究 δ1?N_Phe 值在不同地点和季节之间的变化。动物的 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值在不同地点、季节和深度栖息地之间变化，这与其它研究的结果一致。环境变化会影响食物网的 δ13C 和 δ1?N 基线，因为初级生产者的群落和生长率会随着环境变化而变化。在本研究中观察到的 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值的变化主要归因于不同地点、季节和水深的物理环境差异，而不是动物营养层级或摄食行为的变化。

研究还发现，近岸和远岸区域的初级生产者和营养物质的可用性存在显著差异，这表明该区域的 δ13C 和 δ1?N 食物网基线具有动态变化。胶质浮游动物的 δ13C_bulk 值随着离岸距离的增加而减少，这可能是因为浮游植物群落向生长较慢、体型较小的物种转变，这些物种具有更大的表面积与体积比和较低的 δ13C_bulk 值。然而，动物的 δ1?N_bulk 值在离岸距离上保持稳定，这与之前类似研究的结果一致。季节性的上升流会影响水柱中的硝酸盐可用性，并影响初级生产（Rykaczewski and Checkley, 2008）。在春季，初级生产量和硝酸盐浓度较高，浮游植物群落由生长快、体型较大的物种（如硅藻）主导，其 δ1?N_bulk 值较低。这种同位素信号随后通过浮游动物群落传播。随着春季上升流的减少，表层硝酸盐池中1?N 减少，导致基线 δ1?N 值上升。我们的研究反映了这一预期。在季节上，胶质浮游动物的 δ1?N 值在秋季高于夏季。胶质浮游动物的 δ13C_bulk 值在季节之间保持一致，这表明在该地区，基线 δ13C_bulk 值可能更多地受到地点的影响。

消费者同位素比值随着深度变化。动物的 δ1?N_bulk、δ13C_bulk 和 δ1?N_Phe 值随着 WMD 的增加而增加。这些值的变化可能反映了水柱中基线食物资源的转变。在本研究中，进行 CSIA-AA 分析的分类群的 δ13C_bulk 和 δ1?N_bulk 值随着 WMD 的增加而显著变化。动物的 δ1?N_Phe 值，这些值反映了基线食物资源，也随着 WMD 的增加而增加。δ1?N_bulk 值与 δ1?N_Phe 值之间存在显著的正相关关系，这表明 δ1?N_bulk 值的变化部分归因于基线同位素的变化，可能还包括基线食物资源的变化。

在本研究中，我们使用 CSIA-AA 和 SIA 数据对胶质浮游动物的营养层级进行了估计。基于 CSIA-AA 的 TP_AA（TP_AA_Glu 和 TP_AA_Ala）和基于饮食的 TP_diet 通常一致。TP_AA_Ala 值在每个分类群中通常高于 TP_AA_Glu 值，这表明原生动物对胶质食物网的贡献可能很大。我们的研究强调，虽然不同方法之间的绝对营养层级存在差异，但胶质浮游动物的整体营养结构在方法之间保持一致，捕食者具有较高的营养层级，而以 Pyrosoma atlanticum 为代表的食草动物具有最低的营养层级。

Atolla vanhoeffeni 是一个值得注意的例外，其 TP_AA 值低于基于 δ1?N_bulk 值的营养层级。此前的研究推测 Atolla spp. 主要以浮游动物为食，基于其形态学特征和稀少的现场观察数据。然而，本研究的 TP_AA 值表明 Atolla vanhoeffeni 主要为草食动物或碎屑食动物。可能有多种原因导致其营养层级的低估。首先，所使用的营养区分馏因子（TDF_AA_Glu=6.4‰，TDF_AA_Ala=5.2‰）可能不适当。氨基酸的营养区分馏因子是物种特异性的，与动物的饮食和排洩模式相关，这些因素在深海栖息地中对胶质浮游动物来说并不明确。营养区分馏因子来源于非胶质动物，因此可能导致水母的营养层级低估。此外，这可能表明对 Atolla 的摄食生态学知识仍然有限。在一项实验室实验中，Atolla spp. 被提供多种猎物，包括鱼类、浮游动物和海洋雪。海洋雪最容易附着在其触手上，这表明 Atolla spp. 的营养层级可能低于之前推测的。两项研究显示，Atolla wyvelli 的 δ1?N_bulk 值低于某些中层浮游动物和鱼类（Czudaj et al., 2020）。Atolla vanhoeffeni 的来源氨基酸 δ1?N 值（δ1?N_Phe）与其它中层居民和迁移者（如 B. cucumis 和 P. periphylla）相似，表明它们可能依赖于混合的表层和中层食物资源。

胶质浮游动物的 TP_AA 值表明存在三个营养层级：少数低营养层级的物种（如浮游海鞘和 A. vanhoeffeni）、多个占据中间营养层级的物种（如栉水母和某些水母）以及一个占据最高营养层级的深海水母（Aegina spp.）。这些发现可能表明我们倾向于采样占据中间营养层级的胶质浮游动物，并排除了通常因网具拖拽而受损的脆弱物种（如片状栉水母）。或者，这些发现可能表明胶质浮游动物之间存在显著的营养重叠。我们的研究强调了胶质消费者在垂直水柱中的多样营养角色和重叠，同时也提供了两种饮食尚不清楚的动物的营养层级估计：A. vanhoeffeni 和 Pantachogon spp.

本研究估计了南加州洋流生态系统中丰富的胶质浮游动物的营养层级，包括之前未描述饮食或营养生态位的深海物种。尽管对多样胶质浮游动物的 TDF 存在较大不确定性，我们表明使用多种同位素方法可以成功限制胶质浮游动物的营养层级，并帮助描述其在空间和时间上的营养生态学特征。