A study on trophic dynamics of zooplankton and sinking particle in marine environment using nitrogen stable isotope of amino acids

Abstract

해양환경에서 플랑크톤 생태계의 구조적인 변화는 동물플랑크톤의 이용가능한 먹이원 뿐만 아니라, 유광층에서 떨어지는 침강입자들의 조성의 변화를 일으킬 수 있다. 본 학위논문에서는 아미노산의 질소 안정동위원소비를 이용하여 영양 단계를 계산하고, 동물플랑크톤의 먹이 조성 변화에 기반한 영양 단계의 변동에 대해 평가하고자 하였다. 또한, 침강입자로부터 평균 영양 단계를 산출하여 생물 기원 유기물의 조성 변화의 추적 가능성에 대해 알아보고자 하였다. 본 학위논문에서는 동물플랑크톤과 침강입자의 영양단계의 변동에 미치는 요인을 규명하고자 하였다. 영양 단계의 공간적인 변동을 calanoid 요각류인 Calanus hyperboreus에서 확인할 수 있었다. 2018년 8월에 척치해 북부와 동시베리아해 북부에서 C. hyperboreus를 채집하여, 영양 단계의 공간적 변동을 규명하고자 하였다. 척치해 북부에서 채집된 C. hyperboreus는 높은 영양 단계를 가지면서 규조류의 지표 지방산의 함량이 낮았다. 반대로 동시베리아해 북부에서 채집된 C. hyperboreus는 낮은 영양 단계를 가지면서 규조류의 지표 지방산의 함량이 높았다. 이러한 두 해역에서의 차이는 식물플랑크톤 군집의 크기의 차이에서 유래한 것으로 생각된다. 또한 영양 단계의 시간적인 변동을 월동 기간 전과 후의 동물플랑크톤들에서 발견할 수 있었다. Svalbard의 Kongsfjorden에서 2017년 10월과 2018년 4월에 동물플랑크톤을 채집하여, 극야 (polar night) 전과 후의 먹이 섭식 전략의 계절적 변화에 대해 규명하고자 하였다. 두 계절 사이에서 육식성 모악동물인 Parasagitta elegans와 calanoid 요각류인 Calanus spp.의 영양 단계는 일정하게 나타났다. 반면, cyclopoid 요각류인 Oithona similis의 영양 단계는 10월에 2.8이었고 다음해 4월에 2.3으로 감소하여, 이러한 변화는 극야 이후에 algal diet의 이용도가 증가했기 때문으로 생각된다. 극야 전과 후의 동물플랑크톤의 영양 단계의 변화는 극야 동안 생존 전략의 종 특이성에 기인하는 것을 확인하였다. 태평양 북극 해역에서 2017년부터 2018년까지 채집된 침강입자는 계절적인 평균 영양 단계의 변동을 보였다. 여름철 침강입자의 평균 영양 단계는 1.0까지 감소하여, 일차생산자의 기여도가 높은 것으로 추정된다. 반면, 침강입자의 평균 영양 단계는 가을철부터 증가해서 겨울에 1.7-1.8로 유지되며, 이는 조류 기원 물질의 공급이 감소하고 미생물의 영향이 있는 유기물이 우세했기 때문으로 보인다. 이러한 결과는 침강입자의 평균 영양 단계가 태평양 북극해의 플랑크톤 생태계의 변동을 이해함에 있어 도움이 되는 지표가 될 수 있음을 나타낸다. 침강입자의 평균 영양 단계의 계절적 변동은 동해에서 다른 경향을 나타낸다. 동해 울릉분지에서 2017년 7월부터 2018년 3월까지 침강입자를 1000 m 와 2250 m 수심에서 채집하였다. 1000 m에서의 침강입자의 평균 영양 단계는 겨울철 동물플랑크톤의 biomass와 작은 식물플랑크톤들의 기여도가 감소함에 따라 낮아진 반면, 2250 m에서의 침강입자의 평균 영양 단계는 비교적 일정했다. 1000 m에서의 침강입자는 2250 m (1.9 ± 0.2)에 비해 높은 영양 단계의 평균값 (2.3 ± 0.3)를 가졌으며, 침강입자의 기원이 두 수심에서 차이가 있음을 나타냈다. 이 결과는 침강입자의 평균 영양 단계가 플랑크톤 생태계 구조의 계절적인 변화를 반영하고, 수심에 따라서도 달라질 수 있음을 의미한다. 요약하면, 플랑크톤 생태계에서의 영양 단계는 동물플랑크톤의 먹이 조성뿐만 아니라, 침강입자에서의 생물 기원 유기물의 조성을 알 수 있는 유용한 추적 지표임을 확인하였다. 본 학위논문으로부터 얻은 결과들은 해양 플랑크톤 생태계와 생지화학에서의 영양 단계 변동을 이해할 수 있는 과학적 근거로 사용될 수 있을 것이다. |The structural difference in planktonic ecosystem in the marine environment can influence the changes in available diet composition of zooplankton as well as sinking particles exported from epipelagic layer. In this thesis, the trophic position (TP) calculated by nitrogen stable isotope ratios of amino acids was used to assess trophic dynamics of zooplankton based on compositional change of diets. Additionally, the average TP values were estimated to evaluate applicability for tracking biogenic matter composition from sinking particle samples. The purpose of this thesis is to understand the controlling factors of the TPs of zooplankton and sinking particles. The TP variation was found spatially in the calanoid copepod, Calanus hyperboreus. In August 2018, C. hyperboreus species were collected in the northern Chukchi Sea (NCS) and northern-East Siberian Sea (NESS) to understand spatial variations of the TP values. C. hyperboreus collected in the NCS occupied higher TP and had a low proportion of diatom-source fatty acids (C20:5(n-3)). In contrast, in the NESS, C. hyperboreus showed lower TP and a larger proportion of diatom-source fatty acids. Differences between NCS and NESS were likely to be due to the variations in the size class of phytoplankton community. The TP variations were also discovered temporally in overwintering zooplankton species. In Kongsfjorden, Svalbard, zooplankton species were collected in October 2017 and April 2018 to understand the differences in feeding activity before and after the polar night. Between two seasons, the TP values of carnivorous chaetognatha, Parasagitta elegans and calanoid copepod, Calanus spp. were consistent. However, the TP values of cyclopoid copepod, Oithona similis were 2.8 in October and decreased to 2.3 in the following April due to the increase of their algal diet availability after polar night. The TP variations of zooplankton before and after the polar night could be different based on species-specific survival strategies during the Arctic winter. The sinking particles of the Pacific Arctic Ocean from 2017 to 2018 showed fluctuating average TP seasonally. In summer, the average TP of sinking particle decreased to 1.0, suggesting large contributions of organic matter derived from primary producers. On the other hand, the average TP of sinking particle increased from autumn and was maintained at 1.7-1.8 during Arctic winter, due to the limited export of algal material and dominant occupancy of microbially modulated organic matter. The result suggested that the average TP of sinking particles can be a useful indicator to understand planktonic community dynamics in the Pacific Arctic Ocean. The seasonal variation of average TP values of sinking particles showed different trends in the East Sea (Japan Sea). Sinking particles were collected from July 2017 to March 2018 at 1000 m and 2250 m in the Ulleung Basin, the East Sea. The average TP values of sinking particles at 1000 m declined due to the reduced zooplankton biomass and small phytoplankton contribution in winter, whereas those at 2250 m were relatively constant. Sinking particles at 1000 m showed larger average TP values (2.3 ± 0.3) compared to those at 2250 m (1.9 ± 0.2), indicating sources of sinking particles were characterized between two sampling depths. The result suggested the average TP of sinking particles can reflect seasonal dynamics of trophic structure in the planktonic ecosystem, and can be different according to water depth. In summary, TP is a useful indicator in planktonic ecosystem to trace dietary composition in zooplankton and biogenic matter composition in sinking particles. The key findings in the thesis can be used for understanding trophic dynamics in marine planktonic ecology and biogeochemistry.