Application of stable isotopes for marine zooplankton food web study: focused on jellyfish and euphausiid

Abstract

The carbon and nitrogen stable isotope analysis technique is used to track the energy source provided to consumers in plankton food web research and to identify the trophic level of the organism through the accumulation of stable isotopes in the body. Analysis of feeding activity using stable isotope ratios can estimate the organism that has actually metabolized and assimilated, which has the advantage of finding out more accurate information regardless of the sample collection environment or collection time. The purpose of this thesis is to understand the ecological role of major organisms by identifying their food sources and trophic positions, focusing on organisms that can greatly affect the surrounding ecosystem. It was intended to understand the energy behavior of ecosystem constituents using the stable isotope technique. The moon jellyfish Aurelia coerulea, which occurs in large abundance every year in the Masan Bay, has a huge impact on the surrounding ecosystem and fishing activities. This study quantified the food sources and trophic positions of polyps and medusae of A. coerulea, using the recently reported special stable isotope fractionation factors of the moon jellyfish. The food source of polyps was shown to consist mainly of picoplankton and nanoplankton, whereas medusae highly favored large zooplankton and Sagitta sp. (large carnivorous zooplankton) was found to be an important food source. The trophic position of polyps was 1.9, indicating the herbivores, and that of medusae was 3.6 which was found to be a strong carnivore. In this study, a more realistic and substantial value was calculated by estimating the trophic position of the medusae of A. coerluea by applying the newly proposed calculation method using the carbon stable isotope ratio. This new attempt would be useful in understanding the food web of coastal waters where A. coerluea are infested. The main energy source of the invasive jellyfish Blackfordia virginica, which occurs in large abundance in Lake Sihwa, showed different trends according to time and location: Barnacle larvae and microplankton contributed the most to food in the upstream, while nanoplankton and picoplankton showed high contributions in the middle and downstream. On the other hand, after the increase in water temperature, the main food source of B. virginica was decapod larvae at all stations and Sagitta crassa (a large carnivorous zooplankton) was also found to play a major role in the middle and downstream. Therefore, it is suggested that the feeding diet of B. virginica can be changed according to the change of water temperature and season, indicating that the range of food sources may be quite wide from nanoplankton to large zooplankton. Euphausia pacifica, which inhabits the Yellow Sea Cold Water Mass (YSCWM) in the central Yellow Sea and serves as an important energy source for fish and other organisms, appears to have a more limited diet in summer than other seasons. In the YSCWM, the contribution of plankton with a size of 2.0 ~ 5.0 mm and > 5 mm were 42% and 22%, respectively, indicating that E. pacifica is restricted in its diet to a specific group of organisms. Therefore, the YSCWM is considered to play an important role in the trophic behavior of E. pacifica during summer. Through this study, it was confirmed that stable isotope analysis technique is a useful tool for identifying the feeding activities and energy sources of various organisms in the marine ecosystem. In the future, more accurate and detailed clues can be found in the energy transfer and source of energy between organisms in food web systems in various environments, by applying the method to analyze not only carbon and nitrogen but also stable isotope ratios of individual compounds. |탄소 및 질소 안정동위원소 분석방법은 플랑크톤 먹이망 연구에서 소비자 에게 제공되는 에너지 공급원을 추적하고 체내의 안정동위원소 축적을 통해서 해당 생물의 영양단계를 식별하는데 사용되고 있다. 안정동위원소비를 이용한 섭식 활동의 분석은 실제로 대사하고 동화한 유기체를 추정할 수 있으며, 이 는 시료의 채집 환경이나 채집 시간 등에 구애받지 않고 보다 정확한 정보를 알아 낼 수 있는 장점이 있다. 본 논문의 목적은 주변 생태계에 영향을 크게 미칠 수 있는 생물을 중심 으로 그들의 먹이원과 영양 단계를 파악하여 주요 생물들의 생태학적 역할을 이해하는 데 중점을 두었으며 안정동위소 기법을 사용하여 생태계 구성 생물 들의 에너지 거동을 파악하고자 하였다. 마산만에 서식하는 보름달물해파리 Aurelia coerulea 는 매년 대량 발생하 여 주변 생태계 및 어업활동에 막대한 영향을 미치고 있다. 최근 보고된 보름 달물해파리의 특별한 안정동위원소 분별계수를 사용하여 A. coerulea 의 폴립 과 메두사의 먹이원과 영양단계를 정량화 하였다. 폴립의 먹이원은 주로 피코 플랑크톤과 나노플랑크톤으로 구성되는 것으로 나타난 반면, 메두사는 크기가 큰 동물플랑크톤을 매우 선호하였고 대형 육식성 동물플랑크톤 Sagitta sp. 가 중요한 먹이원의 역할을 하는 것으로 파악되었다. 폴립의 영양단계는 1.9 로 서 초식동물의 영양단계를 나타냈고, 메두사의 영양단계는 3.6 으로 강한 육 식 동물로 판명되었다. 본 연구에서는 새롭게 제안한 탄소안정동위원소비를 사용하는 계산법을 적용하여 보름달물해파리 메두사의 영양단계를 산정함으로 서 보다 현실적이고 실체적인 값을 산출하고자 하였다. 이러한 새로운 시도는 보름달물해파리가 창궐하는 연안 해역의 먹이망을 이해하는데 유용하게 활용 될 수 있을 것이다. 시화호에서 대량 발생을 일으키는 외래 유입 해파리 Blackfordia virginica 의 주요 에너지 공급원은 시기와 장소에 따라 다른 경향을 보여주었다. 상류 는 만각류 유생과 마이크로플랑크톤이 먹이 기여도가 가장 높았으나 중류와 하류에서는 나노플랑크톤 및 피코플랑크톤이 높은 기여도를 나타냈다. 한편 수온 상승 이후 B. virginica 의 주요 먹이원은 모든 정점에서 십각류 유생으 로 나타났으며, 중류와 하류에서는 대형 육식성 동물플랑크톤인 Sagitta crassa 도 주요 먹이원의 역할을 하는 것으로 파악되었다. 따라서 B. virginica 는 수온과 계절의 변화에 따라 섭식하는 diet 가 변화될 수 있음을 시사하며 먹이원의 범위가 nanoplankton 부터 대형 동물플랑크톤까지 상당히 넓을 수 있음을 암시하였다. 황해 중심부에서 생성되는 황해냉수대(Yellow Sea Cold Water Mass) 안에 서 서식하면서 어류 및 기타 유기체에 중요한 에너지 공급원 역할을 하는 Euphausia pacifica 는 다른 계절보다 여름에 선호 먹이원이 제한되는 것으로 나타났다. 냉수대에서는 2.0 ~ 5.0 mm 및 5 mm 이상의 크기를 갖는 플랑크톤 의 기여도가 각각 42 %, 22% 로 나타나 E. pacifica 는 특정한 생물군으로 섭 식이 제한되고 있음을 알 수 있었다. 따라서 Yellow Sea Water Cold Mass 는 여름 동안 E. pacifica 의 영양 거동에 중요한 역할을 하는 것으로 여겨진다. 본 연구를 통해 안정동위원소 분석기술은 해양 생태계 내에서 여러 생물 들의 섭식활동, 에너지 공급원 등을 파악하는 파악하는데 유용한 수단임을 확 인하였다. 향후 유기체가 생성하는 개별 화합물의 안정동위원소비 까지 다양 하게 분석할 수 있는 기술을 적용하면 다양한 환경의 먹이망 시스템에서 유기 체들 간의 에너지 이동과 공급원을 파악하는데 더욱 정확하고 자세한 단서를 찾아낼 수 있을 것이다