Une analyse pluriannuelle révèle une saisonnalité coordonnée des stocks et de la composition du réseau trophique planctonique dans la mer Baltique proprement dite.

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11865 (2023) Citer cet article

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Le domaine planctonique, des bactéries au zooplancton, constitue la base des réseaux trophiques aquatiques pélagiques. Cependant, les niveaux trophiques multiples sont rarement inclus dans les études de séries chronologiques, ce qui entrave une compréhension globale de l'influence de la dynamique saisonnière et des interactions entre espèces sur la structure du réseau trophique et les cycles biogéochimiques. Ici, nous avons étudié la composition des communautés planctoniques, en nous concentrant sur le bactério-, le phyto- et le grand mésozooplancton, et la corrélation entre les facteurs biotiques et abiotiques à la station de l'Observatoire microbien Linnaeus (LMO) dans la mer Baltique de 2011 à 2018. Les structures des communautés planctoniques ont montré une dynamique prononcée. changements avec des modèles récurrents. En résumant les parties du réseau trophique microbien planctonique étudiées ici au carbone total, une image apparaît avec une contribution constante du phytoplancton > 39 %, tandis que le bactérioplancton et le grand mésozooplancton ont contribué respectivement à environ 30 % et ~ 7 %, au cours de l'été. Les cyanophycées, les actinobactéries, les bactéroïdes et les protéobactéries constituaient des groupes importants parmi les procaryotes. Il est important de noter que les Dinophyceae, et non les Bacillariophyceae, ont dominé la floraison printanière autotrophe, tandis que les Litostomatea (ciliés) et les Appendiculaires ont contribué de manière significative aux entités consommatrices, ainsi que le mésozooplancton, les Copepoda et les Cladocera, plus traditionnellement observés. Nos découvertes sur la saisonnalité de la composition du plancton et des stocks de carbone soulignent l'importance des analyses de séries chronologiques de la structure du réseau trophique pour caractériser la régulation des cycles biogéochimiques et contraindre de manière appropriée les modèles d'écosystème.

La mer Baltique est l'un des plus grands systèmes saumâtres du monde1. Elle offre de multiples services socio-économiques, comme la pêche, la navigation de plaisance, la baignade et la jouissance globale du paysage marin2. La mer Baltique a été et est toujours fortement influencée par de multiples facteurs de stress anthropiques et par la surexploitation des services écosystémiques avec de graves effets sur l'écosystème, par exemple l'eutrophisation et la pollution3,4. La production de communautés planctoniques est transférée vers des niveaux trophiques supérieurs. Cependant, les mécanismes régulant l’efficacité du transfert ne sont pas encore bien définis et peuvent en outre être affectés par des facteurs de stress anthropiques5. En tant que telle, la mer Baltique peut mettre en lumière la manière dont les services écosystémiques, par exemple les fruits de mer sauvages/d'élevage, l'élimination des nutriments et des polluants et le tourisme, sont affectés par les facteurs de stress anthropiques et ainsi offrir une vision élargie de la gestion écosystémique pour garantir une utilisation durable des ressources. la mer Baltique.

Les producteurs et consommateurs primaires comme les communautés de bactério-, de phyto- et de zooplancton constituent la base des réseaux alimentaires pélagiques, avec les champignons et les archées, et leur activité métabolique a des impacts majeurs sur le cycle élémentaire global6,7,8,9,10,11,12. ,13. Le flux total d’énergie et de matière vers les niveaux trophiques supérieurs du réseau alimentaire dépend fortement de la structure et du fonctionnement de la communauté microbienne, puisque les micro-organismes hétérotrophes recyclent les nutriments et dissipent l’énergie produite par les producteurs primaires14,15,16. Les organismes à la base du réseau trophique aquatique produisent de la biomasse et des composés importants pour les niveaux trophiques supérieurs de l’ensemble du réseau trophique. Par exemple, le plancton hétérotrophe et autotrophe joue un rôle clé dans la synthèse, par exemple, des vitamines universellement nécessaires aux organismes supérieurs17. De plus, les poissons affectent les communautés planctoniques, soit directement par prédation, soit indirectement par le lâcher des prédateurs18,19. Par conséquent, les études régionales à long terme sur la dynamique saisonnière des paramètres environnementaux et du bactérioplancton, du phytoplancton et du zooplancton ont le potentiel de fournir de nouvelles connaissances sur la structure et le fonctionnement du réseau trophique.

Le bactérioplancton joue un rôle central dans le réseau trophique aquatique, attribuable à ses abondances élevées, à son nombre élevé d'espèces, à ses propriétés fonctionnelles et à ses nombreuses interactions avec d'autres micro-organismes ainsi qu'à des niveaux trophiques plus élevés. Dans les écosystèmes aquatiques, les principaux producteurs primaires sont le phytoplancton20,21, qui ne représente que 0,2 % de la biomasse mondiale des producteurs primaires, mais représente 50 % de la production nette, par exemple21,22. Le phytoplancton, à son tour, est brouté par le zooplancton et on estime que le zooplancton peut consommer quotidiennement 10 à 40 % de la production primaire par le pâturage, en fonction de la productivité de l'écosystème23. Il est important de noter que même de petits changements dans les structures des communautés ou de leur taille et dans la production peuvent avoir des effets complexes et à grande échelle sur l'ensemble de l'écosystème, y compris la production de poisson4,24,25. Néanmoins, relativement peu d’études incluent plusieurs niveaux trophiques dans le domaine planctonique et couvrent rarement les estimations de la biomasse totale ainsi que les mesures de la composition des communautés et des paramètres abiotiques8,26,27,28,29,30,31,32.

0.125 kg m−3, compared to the surface density73. Over the sampling time span, 13 sampling occasions had a mixed layer depth between 0 and 1 m, which could be caused by the stabilization time being too short. However, all samplings are presented as this was considered to have limited effects on the interpretation of our results. In addition, STRÅNG data (sunshine duration and PAR) were extracted from the Swedish Meteorological and Hydrological Institute (SMHI) and produced with support from the Swedish Radiation Protection Authority and the Swedish Environmental Agency. Spearman correlations to investigate relationships among biotic and abiotic parameters used the complete dataset with individual samplings. To investigate relationships among bacterio-, phyto- and the large mesozooplankton community composition, Spearman correlations for relative biomasses of bacterio-, phyto- and large mesozooplankton were used and in addition to the five taxonomical groups of large mesozooplankton presented in Fig. 1. Litostomatea (principally Mesodinium rubrum) is a mixotroph74,75 but was here considered a predator in the analysis. The output from the analysis was visualized using the “circlize” package76 in combination with the “ComplexHeatmap” package77. ‘Other zooplankton’ included specimens from the classes Thecostraca, Bivalvia, Malacostraca, Gastropoda, Clitellata, Ostracoda, Polychaeta, Thaliacea, Oligotrichea as well as specimens of the phyla Chaetognatha, Echinodermata and unidentified. Contribution to the relative biomass was always < 2% for each separate class/phyla included in ‘Other zooplankton’./p> 10 µg L−1 (Fig. 1f; Fig. S1f.). Phytoplankton biomass displayed a similar pattern compared to Chl a, with a spring bloom in April (days 91–120), reaching ~ 250 mg C m−3. During late spring, phytoplankton biomass had decreased to around 100 mg C m−3 (Fig. 2c) and a second peak was reached by mid-summer (July, 182–212) at ~ 200 mg C m−3. Subsequently, biomass stabilized around 100 mg C m−3 and decreased to winter values in December-January (25–50 mg C m−3). Phytoplankton were quantified using slightly different analytical methods during 2011–2014 compared to 2015–2018 (see material and methods) indicating that separate analysis of the two time periods is necessary. Biomass did not display a large interannual variability during the two periods 2011–2014 and 2015–2018 when analyzed separately. However, biomass was higher throughout the first period compared to the later (Fig. S4b). This result was probably related to the differences in the analytical procedure for the two time periods. Total biomass of large mesozooplankton displayed a seasonal trend with winter biomass of ~ 1 mg C m−3, followed by a rapid increase in mid-spring (May, days 121–151) peaking during early summer (June, days 152–181)) with large mesozooplankton biomass of ~ 10 mg C m−3 being stable for about a month (Fig. 2e). Towards the end of July (day 212), large mesozooplankton started to decrease and by autumn reached ~ 5 mg C m−3. The biomass of large mesozooplankton displayed low interannual variability, with similar seasonality among the years (Fig. 2e; Fig. S4c)./p> 0.05./p> 39% of the total carbon in the plankton food web. During spring, phytoplankton carbon and its relative contribution was highest (65%), whilst reaching minimal values in winter (39%). During summer and autumn, phytoplankton carbon was at a similar level, considering both amount and relative contribution (Fig. 6; Table S2). Litostomatea (exclusively the ciliate M. rubrum) made a noteworthy contribution to total carbon in the plankton communities, comprising > 20% of the total carbon throughout all seasons. During winter, Litostomatea had the lowest carbon levels, whilst the highest levels were found during summer. For most of the seasons, large mesozooplankton carbon and relative contribution was low (1–3%), except during summer when values peaked (7%). During winter and spring, large mesozooplankton carbon was at its lowest. Autumn large mesozooplankton carbon was two times higher than winter and spring levels (Fig. 6; Table S2)./p> 55% of the community (average per season). Yet, other taxa such as Appendicularia appear to have a significant role in the Baltic Sea in relation to copepods and cladocerans. Small-sized zooplankton were not included in this study, due to the sampling technique, making inferences about them in terms of abundance and biomass in relation to large mesozooplankton impossible. However, other studies have shown that small-sized zooplankton, such as rotifers and small cladocerans, play a critical role, both in terms of biomass and abundance, in the Baltic food web8,10. Furthermore, ciliates (Litostomatea; M. rubrum) also contributed to a large fraction of the carbon pool throughout the year, although some studies suggest that their life-style is dominated by autotrophy74,75, questioning their importance as predators. This suggests that a diverse and dynamic plankton community should be considered when assessing the food web structure, which could help explain the interactions in the planktonic realm./p>