熱帶貧營養鹽海洋之"病毒分流"

引用授權聯絡人: 夏復國 / fkshiah@gate.sinica.edu.tw / (02) 2783-9910 ext.1271

關鍵字: 南海、時間序列、病毒、異營浮游細菌、微生物碳循環

圖1. 海洋食物網中無機營養鹽與顆粒態/溶解態有機物質在不同浮游生物間傳遞路徑示意圖。藍色、棕色、紅色及紫色箭頭線分別代表捕食食物鏈、微生物環、病毒分流與生物幫浦(深海輸出)作用。

水域環境中約10~50 %細菌的死亡源於病毒感染。“病毒分流“假說(viral shunt hypothesis;圖1)認為細菌因病毒感染的數量減少會降低“微生物環“中細菌顆粒碳的向上傳輸;在這個同時,細菌裂解後釋放出的溶菌液(lysate)會刺激現存細菌的生長率。然而在過去將近三十年裡,“病毒分流“現象僅局限於實驗室的觀察或數值模式模擬的結果。本中心夏復國研究員與台灣大學及海洋大學團隊共同合作,分析了南海時間序列研究站(SEATS; 18° N, 116° E)八年的資料,終於解開了為何分流作用無法在自然界被觀察到的這顆謎團。研究成果發表於2022年10月12日刊印的《科學進階》(Science Advances)期刊。

眾所周知,病原性的細菌與病毒有著毀滅人類族群、社會結構乃至文明發展的黑歷史。鼠疫桿菌(黑死病)在中世紀奪走了歐洲約半數的人口;冠狀病毒(COVID-19)造成了人類歷史上致死人數最多(645萬;2022年8月前)的案例。較少為人知的是:占總群聚量95%以上的「非病原性」微生物卻是主導著地球生態系統內物質運作不可或缺的主角。

除了“捕食食物鏈“ (亦即大魚吃小魚,小魚吃蝦米,蝦米吃浮游植物)外,所有生物生活與死亡後產生的溶解態有機碳 (DOC; 其存量與大氣中的CO2相當,約660 Giga-ton)只會被異營性細菌吸收用以繁衍。當細菌被原生動物(鞭/纖毛蟲)捕食,而原生動物再被浮游動物捕食,透過此一“微生物環“途徑,可以將DOC送回“捕食食物鏈“ (圖1)。“病毒分流“假說(viral shunt hypothesis;圖1)認為細菌因病毒感染的數量減少會降低“微生物環“中細菌顆粒碳的向上傳輸;在這個同時,細菌裂解後釋放出的溶菌液(lysate)會刺激現存細菌的生長率。

研究團隊在2010到2017年間,進行並分析了九次南海蹲站調查(每3小時採樣一次;觀察24~ 48小時)的數據。在時空分布上,細菌豐度(圖2A)與病毒豐度(圖2B)極為相似(圖2D),但二者的豐度皆與細菌生長速率(圖2C)呈負相關(圖2E)。研究結果顯示海洋中的浮游細菌長期處於飢餓狀態,稍有”好吃的(labile)”有機物質的供應,細菌的成長(以及被病毒感染裂解)速率反應時間可在數小時之內完成。病毒分流可在數小時內發生並完成而且只能在貧營樣鹽(oligotrophic)的環境下被觀察到。有光層表層水(<50米)的高溫環境極可能會壓抑病毒感染裂解細菌及其分流作用。

關鍵概念

  • 異營浮游細菌是有機碳的分解者,號稱「反生物幫浦」。全球平均約有50%的初級生產力是被細菌所處理掉。水域系統的表層水中,裂解性或溶源性病毒會造成10-50%的細菌死亡率。
  • 病毒的裂解(分流)作用會大量降低細菌在微生物環中的數量,進而降低細菌顆粒態有機碳向上層食階(原生動物)的傳輸;細菌裂解後釋放出的溶菌液(lysate)被現存細菌利用分解會擴大無機營養鹽的再生作用。

更多相關資訊

  • Shiah FK, CC Lai, TY Chen, JH Tai, CY Ko & CW Chang. 2022. Viral shunt in tropical oligotrophic ocean. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.abo2829.

圖2. 南海SEATS測站2010至2017年九個航次調查中(A)細菌豐度,(B)病毒豐度以及(C)細菌生長速率在上層水深100米分布圖,以及(D)細菌豐度vs.病毒豐度與(E)細菌豐度vs.細菌生長速率回歸圖。

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