Effects of warming, prey, and predators on the distributions of mixotrophic dinoflagellates in Korean coastal waters and development of an automatic system for cultivating dinoflagellates on a 100-L scale

Abstract

혼합영양성 와편모류는 해양 생태계의 중요한 구성 요소이고, 일차생산자, 먹이, 포식자 및 공생체로써 전지구적인 생물지구화학적 순환에 관여한다. 그들은 때때로 플랑크톤 군집에서 우위를 차지하여 적조 혹은 유해 조류 대번성을 일으킨다. 그러므로 이들의 개체군 동태는 이들의 먹이와 포식자의 개체군 동태와 관련이 깊다. 따라서 혼합영양성 와편모류의 분포를 이해하는 것은 생태적으로도, 상업적으로도 중요하다. 지구 온난화가 지속되면 혼합영양성 와편모류의 분포는 변할 것으로 예상된다. 이들의 분포 변화는 이들의 먹이와 포식자의 분포에 영향을 줄 것이다. 따라서 한 혼합영양성 와편모류의 분포를 예측하기 위해서는 이들의 성장과 사망에 영향을 주는 요소들이 연구되어야 한다. 혼합영양성 와편모류의 분포에 영향을 주는 주요 생태학적 요인으로는 먹이 또는 영양염, 광량, 수온, 염분, 그리고 포식자 등이 있다. 본 연구에서는 생태생리학적 특성이 서로 다른 두 혼합영양성 와편모류 Gymnodinium smaydae와 Biecheleria cincta, 그리고 광영양성 와편모류인 Scrippsiella 종들을 대상으로 온난화, 먹이, 포식자의 영향이 조사되었다. 더불어 혼합영양성 및 종속영양성 와편모류의 생태생리학적 특성을 기반으로 이들을 연속적으로 자동 배양할 수 있는 새로운 시스템을 개발하였다. 제2장에서는 혼합영양성 와편모류 B. cincta와 G. smaydae의 현재 한국 연안에서의 분포를 알아내고 이를 이용하여 온난화 조건에서의 분포 변화 예측을 위해, 2015-2018년 동안 한국 연안의 27개 정점에서 채집한 표층수를 양적 실시간 중합효소 연쇄반응법 (quantitative real-time polymerase chain reaction)을 이용하여 분석하였다. 그리고 현장 관측 결과를 활용하여 현재의 수온에서 2, 4, 6도가 상승할 때의 분포 변화를 예측하였다. 2015-2018년 동안 B. cincta는 27개의 정점 중 13개의 정점에서 검출되었으며, 사계절 내내 출현하였으나 여름에 가장 많은 정점(8개의 정점)에서 출현하였다. 그러나 B. cincta가 가장 높은 농도로 출현한 것은 가을이었고, 수온은 25.1도였다. 반면 G. smaydae는 27개의 정점 중 24개의 정점에서 검출되었으며, 사계절 내내 출현하였으나 여름에 가장 많은 정점(21개의 정점)에서 출현하였다. 또한 G. smaydae가 가장 높은 농도로 출현한 것도 여름이었고, 수온은 23.8도였다. 수온 상승으로 인한 분포 변화를 예측했을 때, B. cincta는 여름에는 2, 4, 6도가 상승했을 때, 가을에는 6도가 상승했을 때 일부 정점에서 생존할 수 없을 것으로 예상되었다. 그러나 G. smaydae는 여름에만 2, 4, 6도 상승했을 때 일부 지점에서 생존할 수 없을 것으로 예상되었다. 결과적으로 B. cincta는 한국 연안에서 G. smaydae보다 출현 분포가 좁았고, G. smaydae에 비해 수온의 변화에 더 취약한 것으로 예측되었다. 제3장에서는 혼합영양성 와편모류 B. cincta와 G. smaydae의 온난화에 대한 영향을 알아보기 위해, 다양한 수온 조건에서의 두 종의 독립영양 및 혼합영양 성장률과 섭식률을 측정하였다. 혼합영양 성장률과 섭식률을 측정하기 위해, B. cincta는 침편모조류 Heterosigma akashiwo를, G. smaydae는 와편모류 Heterocapsa rotundata를 먹이로써 사용하였다. 5-35도의 수온에서 B. cincta와 G. smaydae는 먹이 없이는 모두 성장하지 못했다. 그러나, 먹이가 있을 때, B. cincta는 15-25도의 수온에서, G. smaydae는 10-32도의 수온에서 성장이 가능하였다. 또한 두 종 모두 25도에서 가장 높은 성장률을 보여주었다. 따라서 B. cincta의 생존수온범위는 현장에서 B. cincta가 G. smaydae에 비해 좁은 분포를 가지고, 수온의 변화에 취약한 것을 설명한다. 즉, 제3장의 결과는 제2장의 두 종의 현장 분포 결과를 뒷바침한다. 제4장에서는 혼합영양성 와편모류 G. smaydae의 포식자에 대한 영향을 알아보기 위해, 해양에 흔히 존재하는 종속영양성 원생생물 포식자가 혼합영양성 와편모류인 G. smaydae를 먹는 지에 대해 조사하였다. 실험 결과, Oxyrrhis marina, Gyrodinium dominans, G. moestrupii, 그리고 Pelagostrobilidium sp.가 G. smaydae를 섭식할 수 있었다. 그러나 Polykrikos kofoidii와 Oblea rotunda는 G. smaydae를 섭식하지 못했다. 또한, G. smaydae는 포식자 O. marina와 G. dominans의 성장을 가능하게 했지만, 두 포식자의 성장률은 다른 먹이종을 섭식할 때보다 낮았다. 따라서 O. marina와 G. dominans는 G. smaydae의 효과적인 포식자일 수는 있지만, G. smaydae는 다른 먹이종에 비해 포식자의 높은 성장률을 지원하는 먹이는 아닐 것으로 판단되었다. B. cincta의 포식자는 기존 연구에서 밝혀져있는데, B. cincta는 포식자 O. marina와 Strobilidium sp.의 비교적 높은 성장률을 지원하는 먹이종으로 알려져있다. 따라서 G. smaydae의 개체군 동태는 B. cincta에 비해 포식자 O. marina의 개체군 동태에 적은 영향을 줄 것이다. 제5장에서는 광영양성 와편모류 Scrippsiella spp.의 먹이 가용성에 대한 영향을 알아보기 위해, 15개의 먹이 종류를 투입하여 S. donghaiensis, S. lachrymosa, S. masanensis, S. plana, S. ramonii의 혼합영양성 능력을 조사하였다. 또한, 혼합영양성 와편모류 S. acuminata가 형광으로 표지된 미세입자와 종속영양성 박테리아를 섭식할 수 있는 지 조사하였다. 와편모류 속 Scrippsiella의 종은 바다에서 흔하게 발견되고 때때로 해로운 적조를 일으킨다. Scrippsiella 종의 성장에 영향을 미치는 요인인 빛, 수온, 포식자 등과 관련된 연구는 꾸준히 진행되어 왔으나, 혼합영양성 능력과 먹이의 가용성에 대한 연구는 많지 않았다. 제5장의 실험 결과, 5개의 Scrippsiella 종은 어떠한 잠재적 먹이도 섭식하지 않았으며, 따라서 이는 혼합영양성 능력의 결여를 나타내었다. 그러나 S. acuminata는 형광으로 표지된 미세입자와 종속영양성 박테리아를 모두 섭식하였고, 이로 인해 S. acuminata의 섭식이 가능한 먹이 범위가 확장되었다. 결론적으로, 혼합영양성 실험이 된 Scrippsiella 종의 총 수 대비 혼합영양성 종의 비율이 100%에서 20-38%로 낮아졌다. 혼합영양성 능력을 가진 S. acuminata는 S. donghaiensis, S. lachrymosa, S. masanensis, S. plana, S. ramonii와는 다른 생태적 지위를 차지할 것이다. 제6장에서는 혼합영양성 종인 G. smaydae와 B. cincta, 그리고 종속영양성 와편모류 G. dominans, P. kofoidii, Noctiluca scintillans의 배양의 자동화 방법과 시스템을 개발하였다. 혼합영양성과 종속영양성 와편모류는 유용한 물질의 생산과 천적에 대한 개체수 조절 능력으로 인해 가치가 있다. 실험에 사용된 종 모두 적조 종을 섭식하여 개체수를 제어할 수 있거나 오메가3, 발광물질 등 유용한 물질을 생산함으로써 유용성이 입증된 종이다. 그러나 그들의 생태생리학적 특성으로 인해 배양이 어려워 연구 및 상업적 응용이 제한되어 왔다. 따라서 유용한 혼합영양성 및 종속영양성 생물을 배양하기 위해서는 공학적인 기술과 함께 생태생리학적 특성을 근본적으로 이해하는 것이 중요하다. 이러한 시스템을 개발하기 위해 예비 실험 또는 문헌 고찰을 통해 최적의 먹이 종을 선택하고, 또한 각 포식자의 성장률 및 섭식율을 조사하였다. 더불어, 먹이와 그 먹이를 섭식하는 포식자의 성장률을 고려하여 먹이 투입 간격과 투입량을 결정하였다. 10리터 규모에서 100리터 규모의 자동화 시스템으로 확장하기 위해 새롭게 개발된 소프트웨어를 도입하였다. 개발된 시스템은 G. smaydae, B. cincta, G. dominans, P. kofoidii, N. scintillans를 자동으로 연속 배양하는 데에 성공하였다. 이렇게 동일한 환경에서 오염없이 생산된 대량의 배양체는 다양한 방면의 응용 연구 및 상업화를 수월하게 할 것이다. 본 학위논문에서는 전반적으로, 현장 관측과 실내 실험을 통해 주요 생태학적 요인인 온난화, 먹이, 그리고 포식자가 혼합영양성 와편모류에게 미치는 영향을 연구하였다. 이 와편모류들은 그 생태학적 요인들에 대해 다르게 반응하였고, 이것은 해양 생태계에서 그들의 분포와 생태학적 지위가 다른 것을 설명할 수 있었다. 게다가, 와편모류의 생태생리학적 특성을 기반으로 자동으로 대량 배양하는 시스템을 개발하여 미래에 다양한 종류의 실험을 가능하게 하였다. 결과적으로, 본 학위논문은 혼합영양성 와편모류의 생태학적 그리고 생리학적 특징을 연구함으로써 해양생태계의 구조와 기능을 더 잘 이해하게 하고, 나아가 연구 및 상업적 목적으로 그들을 활용하는 데에 기여하였다.

Mixotrophic dinoflagellates are one of the major component of marine ecosystems and are involved in global biogeochemical cycles as primary producers, prey, predators, and symbionts. Thus, the population dynamics of these organisms are closely linked to those of their prey and predators. Furthermore, they sometimes dominate in plankton assemblages and cause harmful algal blooms or red tides. Therefore, understanding the distributions of mixotrophic dinoflagellates is both ecologically and commercially important. The distributions of mixotrophic dinoflagellates are expected to change if global warming continues. These distribution changes will also have an impact on the distributions of their prey and predators. Thus, to predict the distribution change of mixotrophic dinoflagellates, the environmental factors affecting their growth and mortality should be investigated. The ecological factors influencing distributions of mixotrophic dinoflagellates include the availability of prey or nutrients, light intensity, water temperature, salinity, and predators. In this thesis, effects of warming, prey, and predators on mixotrophic dinoflagellates with different ecophysiological characteristics, namely, Gymnodinium smaydae and Biecheleria cincta, as well as on the phototrophic dinoflagellates, namely, Scrippsiella spp. were investigated. Furthermore, a new automatic system for cultivation of mixotrophic and heterotrophic dinoflagellates on a 100-L scale was developed using their ecophysiological characteristics. In Chapter 2, to investigate the spatiotemporal distributions of the mixotrophic dinoflagellates B. cincta and G. smaydae in Korean coastal waters and predict their distribution changes under global warming conditions, surface waters collected from 27 stations in Korean coastal waters during 2015–2018 were analyzed using the quantitative real-time polymerase chain reaction method. Through field observations, the presence of B. cincta and G. smaydae at each station was predicted when the temperature increased by 2, 4, and 6℃ compared with the water temperature at each station during 2015–2018. During the period from 2015 to 2018, B. cincta was detected at 13 stations and was present throughout all four seasons. B. cincta was detected at the highest number of stations (8 stations) in summer. However, its highest abundance was found in autumn at a water temperature of 25.1℃. During the experimental period, G. smaydae was detected at 24 stations and was present throughout all four seasons. Although it was present during all four seasons, it was detected at the highest number of stations (21 stations) in summer. Moreover, its highest abundance was found in summer at a water temperature of 23.8℃. Under ocean warming conditions, B. cincta was expected to not survive at some stations when the temperature increased by 2, 4, and 6℃ in summer and when it increased by 6℃ in autumn. However, G. smaydae was expected to not survive at some stations only in summer when the temperature increased by 2, 4, and 6℃. B. cincta had a narrow distribution in Korean coastal waters and was expected to be more vulnerable to temperature changes compared with G. smaydae. In Chapter 3, to investigate warming effects on two mixotrophic dinoflagellates B. cincta and G. smaydae, their autotrophic and mixotrophic growth and ingestion rates at temperatures of 5–35℃ were determined. To measure their mixotrophic growth and ingestion rates, B. cincta and G. smaydae were provided with the raphidophyte Heterosigma akashiwo and the dinoflagellate Heterocapsa rotundata, respectively, as prey. At temperatures of 5–35℃, B. cincta and G. smaydae did not grow autotrophically. However, B. cincta and G. smaydae grew mixotrophically at temperaures of 15–25 and 10–32℃, respectively. Furthermore, their highest mixotrophic growth rates were found at 25℃. The narrow survival range of water temperature of B. cincta compared with that of G. smaydae can explain the narrower distribution and vulnerability of the former to temperature changes in the field. Thus, the results of Chapter 3 support the field observations of the two species in Chapter 2. In Chapter 4, to investigate effects of predators on G. smaydae, whether common heterotrophic protists can feed on G. smaydae was explored and the growth and ingestion rates of certain predators feeding on G. smaydae were determined. Oxyrrhis marina, Gyrodinium dominans, G. moestrupii, and Pelagostrobilidium sp. fed on G. smaydae but Polykrikos kofoidii and Oblea rotunda did not feed on this dinoflagellate. G. smaydae supported the positive growth rates of O. marina and G. dominans, but the growth rates of both predators were lower than those feeding on other prey species. Therefore, O. marina and G. dominans may be effective predators of G. smaydae, but G. smaydae may not be the preferred prey for supporting the high growth of the predators compared with other prey species, as inferred from a literature survey. However, B. cincta was a prey species that supported the relatively high growth rates of O. marina and Strobilidium sp. according to previous studies. Therefore, the population dynamics of G. smaydae may have less impact on that of the predator O. marina compared with that of B. cincta. In Chapter 5, to investigate effects of prey availability on the phototrophic Scrippsiella species, the mixotrophic ability of S. donghaiensis, S. lachrymosa, S. masanensis, S. plana, and S. ramonii after adding 15 potential prey items was explored. In addition, whether the mixotrophic dinoflagellate S. acuminata can feed on the fluorescently labeled microspheres (FLM) and heterotrophic bacteria (FLB) was investigated. Scrippsiella species are commonly found in marine ecosystems and sometimes cause harmful red tides. Although research on factors affecting the growth of Scrippsiella species, such as light, water temperature, and predators, has been consistently conducted, more studies are required on the mixotrophic abilities and prey species. The results of Chapter 5 show that the five Scrippsiella species did not feed on any potential prey, indicating a lack of mixotrophy. However, S. acuminata was observed to ingest both FLM and FLB, indicating its expanded prey spectrum. These results lowered the proportion of mixotrophic species relative to the total number of tested Scrippsiella species for mixotrophy from 100 to 29–38%. Owing to its mixotrophic ability, S. acuminata occupies an ecological niche that is distinct from that of S. donghaiensis, S. lachrymosa, S. masanensis, S. plana, and S. ramonii. In Chapter 6, to academically and commercially utilize the cultures of useful mixotrophic and heterotrophic dinoflagellates, new cultivation systems for the mixotrophs G. smaydae and B. cicnta and heterotrophs G. dominans, P. kofoidii, and Noctiluca scintillans on a 10-L or 100-L scale were developed. Mixotrophic and heterotrophic dinoflagellates are valuable owing to their abilities to produce useful materials and control the population of red tide-forming species. All species used in these experiments can controll red tide-forming species or produce valuable substances, such as omega-3 fatty acids and bioluminescent materials. However, their ecological and physiological characteristics make their cultivation challenging, limiting research and commercial applications. Thus, to cultivate useful mixotrophic and heterotrophic organisms, it is important to understand their ecophysiological characteristics with engineering techniques. To develop the systems, the optimal prey species were selected and the growth and ingestion rates of each predator on the optimal prey were explored. In addition, the intervals and amounts of prey addition were investigated using the growth rates of prey and predators. The cultivation system was scaled up from 10- to 100-L with the addition of a newly developed software. Using these systems, G. smaydae, B. cincta, G. dominans, P. kofoidii, and N. scintillans were successfully cultivated. Mass cultures produced in the developed system are free from contamination and thus, can be used for various experiments and commercialization purposes. Overall, in this thesis, I explored effects of warming, prey, and predators on mixotrophic dinoflagellates through field observations and laboratory experiments. These dinoflagellates responded differently to the ecological factors, indicating their different distributions and ecological niches in marine ecosystems. Furthermore, I developed the automatic system for cultivating mixotrophic and heterotrophic dinoflagellates based on their ecophysiological features, thereby enabling diverse experiments. Therefore, by investigating the ecophysiological characteristics of mixotrophic dinoflagellates, this thesis contributes to a better understanding of the structure and function of marine ecosystems and their utilization for research and commercial purposes.