Trophic variability of fish during winter season in marginal seas of Northeast Asia

Abstract

Aquatic resources occupy an important position as a food source in Korea. However, recent observations have been made that the quantity and quality are changing due to changes in the environment. The primary production and species composition in winter season is distinguished from other three seasons due to the low temperature and strong wind. However, the fish food web structure during this period has been relatively less researched. The marine food web could be classified into microbial food web and metazoan food web, and these could be identified by comparing trophic positions of each consumers. Bulk stable isotopes and compound-specific isotopes were analyzed to investigate the trophic dynamics of fishes with higher resolution. The fishes and potential diet sources were collected in the East Sea, Yellow Sea, South Sea, and East China Sea in February 2020. This study was conducted 1) to determine the trophic dynamics of four species of fish known to have recently changed catches; 2) to investigate the fish food web structure in winter season, which has not been relatively studied; and 3) to understand the flow of materials and energy in the marine ecosystems around marginal seas of Northeast Asia, which have different environmental characteristics, respectively. The bulk stable isotope indicated the different environmental conditions and food web structures in the four seas. Furthermore, the contribution of potential diet source to fish differed not only in water depth but also in the seas. The trophic level of chub mackerel (Scomber japonicus) was higher in the East Sea (4.2) than in the South Sea (3.5). The East Sea had a highest distribution of microplankton (Pico-; 0.2~2 μm) and lowest production than other three seas. Therefore, the material and energy from the primary producer to the consumer might have gone through more stages of trophic transfer. These results indicate that fish may be affected by fluctuation in the basial food sources. Despite the different environmental conditions and food web structure, the trophic dynamics in winter season depended on same baseline carbon and nitrogen source (microalgae). The fluctuation on basial food web by climate change could have a cascading effect on zooplankton and fish. Also, the productivity is low in winter season, and fish food web mainly depends on microplankton as a diet source. The decline in the diversity of edible carbon and nitrogen sources indicates that any changes that occurs in the ocean can be hazardous of marine ecosystems. | 수산자원은 우리나라의 식량원으로서 중요한 위치에 있다. 하지만, 최근 환경 변화에 따라 이들의 양과 질이 변하고 있다는 관측결과가 나오고 있다. 겨울철의 1차 생산량과 종 조성은 낮은 수온과 강한 바람으로 인해 다른 3개의 계절과는 구분되는 특성을 보인다. 하지만, 겨울철 어류가 속한 먹이망의 구조는 다른 계절에 비해 연구가 거의 진행되지 않은 실정이다. 해양의 먹이망은 미생물을 통해 물질과 에너지가 전달되는 microbial food web과 후생동물을 통해 물질과 에너지가 전달되는 metazoan food web으로 구분된다. 이들의 기여도는 소비자의 아미노산 질소 안정동위원소비를 사용한 영양단계 비교를 사용하여 확인할 수 있다. 더 높은 해상도로 어류의 영양동태 (trophic dynamics)를 규명하기 위하여 생물 전체 조직 (Bulk)과 아미노산 (CSIA)의 안정동위원소비를 분석하였다. 2020년 2월 우리나라 동해, 서해, 남해, 동중국해에서 어류와 이들의 잠재적 먹이생물을 채집하였다. 이 연구는 1) 최근 어획량이 변화하고 있는 것으로 알려진 4종의 수산자원의 영양동태를 규명하고; 2) 상대적으로 연구된 사례가 적은 겨울철의 어류 먹이망 구조를 조사하고; 3) 서로 다른 환경적 특성을 나타내는 동아시아 주변의 연근해 해양 생태계에서 물질과 에너지의 흐름을 이해하고자 하였다. Bulk 안정동위원소비는 4개의 해역에서 서로 다른 환경적 조건과 먹이망 구조를 나타내었다. 게다가, 어류에 기여하는 잠재적 먹이생물의 기여도는 수심 뿐 아니라 해역에 따라서도 달라졌다. Scomber japonicus의 영양단계는 남해 (3.5)보다 동해 (4.2)에서 더 높았다. 동해는 다른 해역에 비해 극미소플랑크톤(Pico-; 0.2~2 μm)의 분포가 더 높고 생산량이 낮은 지역이다. 따라서 일차생산자에서 소비자까지 물질과 에너지의 전달은 더 많은 영양전이 (trophic transfer)를 거쳤을 것이라 판단하였다. 이 결과는 어류가 기저 먹이원의 차이에 영향을 받을 수 있다는 것을 나타낸다. 환경적 조건과 먹이망 구조의 차이에도 불구하고, 겨울철 영양동태는 같은 탄소 및 질소원 (미세조류)에 의존한다는 것을 확인하였다. 기후 변화에 의한 기초 먹이망의 변동은 동물플랑크톤과 어류에 연쇄적인 영향을 미칠 수 있다. 또한 겨울철의 생산성과 종다양성은 낮고, 어류 먹이망은 대부분 미세조류에 의존하게 된다. 섭식 가능한 탄소와 질소원의 감소는 해양 환경에서 일어는 어떠한 변화라도 생태계에 치명적일 수 있음을 시사한다.