Primary production and primary producers in the ocean

Primary production and primary producers in the ocean (해양 일차생산 및 일차생산자)

일차생산성 (Primary production) • Amount of energy formed by autotrophs • 독립영양생물 (Autotrophs)이 무기물을 유기 물로 전환시키는 정도 (g. C/m 2/yr) • 독립영양생물 (autotrophs) = 일차생산자 (Primary producer) • Food chain의 바탕이 됨 – Ecosystem의 생산성에 가장 중요한 역할

Food chain in ocean

Biomass pyramid in ocean • Major primary producers (주요일차생산자 ) – Phytoplankton (식물플랑크톤) • Herbivores (primary consumers; 초식동물) – Zooplankton (동물플랑크톤) • Reverse pyramid (역피라미드)를 나타냄

Biomass pyramid

Reverse pyramid

Primary production in the ocean Ecosystem Total plant biomass (109 ton) Gross primary production (109 ton C/yr) Turn-over time (year) Marine (해양) 1 -2 35 - 50 0. 02 – 0. 06 (7 – 22 days) Terrestrial (육상) 600 - 1000 50 - 70 9 – 20 Phytoplankton: 90 – 96 % Seaweeds: 2 – 5 %

*Coastal zone: benthic areas에서 regeneration된 nutrient 이용 가능 *Oceanic area: thermocline 때문에 euphotic zone으로 올라올 수 없음

Coastal upwelling – Southern Hemisphere (연안용승- 남반구)

Anti-clockwise Clockwise Ekman pumping - 북반구

Marine Primary producer (분류군별) • 원핵생물계 (Kingdom Monera) – Cyanophyta (남조류, Blue-green algae): 2000종 (해양에 약 10 %): Predominance in tropical areas (열대지방에 우점) – Purple and green bacteria – Chemosynthetic bacteria • 원생생물계 (Kingdom Protista) – – - Pyrrophyta (와편모조류, Dinoflagellates): 12600종 (93 %) Chrysophyta (규조류, Diatoms): 15000종 (50 %) Rhodophyta (홍조류, Red algae): 4000종 (98 %) Phaeophyta (갈조류, Brown algae): 1500종 (99 %) Chlorophyta (녹조류, Green algae): 15000종 (13 %) • 식물계 (Kingdom Plantae) - 선태류, 양치식물, 겉씨식물: 40000종 (0 %) - 속씨식물: 250000종 (0. 08 %): seagrass 60여종 (all monocots)

Marine primary producer • Microalgae (소형조류): 단세포 (남조류, 와편모조 류, 규조류) – 1) Benthic micro-algae (저서미세조류) – 2) Phytoplankton (식물플랑크톤) • Macro-algae [대형조류, seaweeds (해조류)]: 다세 포 – Green, red and brown algae – 녹조류, 홍조류, 갈조류 • Marine angiosperms (해양현화식물) – Seagrass (잘피)

Phytoplankton

Phytoplankton • Phytoplankton (식물플랑크톤) – 해양에서 가장 중요한 일차생산자 – Phytoplankton은 빛이 있는 모든 지역에 분포: including under ice in polar areas – 해양 일차생산의 약 95% 를 차지 – tiny, single-cell algae drifting about with water motion ( 작은 단세포로 물에 떠다님) – Provide a major, direct food source for animals in water column and in the sediments (수층과 저서동물 의 주요한 직접적인 먹이 원)

Phytoplankton • Phytoplankton (식물플랑크톤) – 모든 수심에서 발견되지는 않음 – Compensation depth (보상수심; Gross primary production = respiration) • About 1 % SI (surface irradiance): 약 200 m in ocean – Dominant groups: diatoms and dinoflagellates • Bacterioplankton 제외 – Phytoplankton bloom (대증식): Red, green or brown tides (적조; 녹조; 갈조)

Phytoplankton systematics (분류) • Kingdom Monera – Cyanophyta (blue-green algae): • 2000 species (10 % in marine environment) • Bacterio-plankton • 넓은 의미의 phytoplankton • Kingdom Protista – Euglenophyta (Euglenoids) • 900 (3 %) – Chrysophyta (황갈조식물문): diatoms • 15000 (50 %) – Pyrrophyta (황적조식물문): dinoflagellates • 2000 (90 %) – Cryptophyta (은편모조류) • 200 (50 %)

Phytoplankton size • Standard screen (20 m mesh) – Retained: netplankton (or micro-plankton; 20 – 200 m) – Passed: nanoplakton (2 – 20 m) • Diameter < 2 m: ultra-plankton (picoplankton) – Bacterio-plankton • 수가 많은 것: nanoplankton > netplankton • 전체 생체량이 많은 것: netplankton • 연안에는 큰 size의 phytoplankton이, 대양으로 갈 수록 작은 size의 phytoplankton이 우세해진다

규조류 (돌말류, Diatoms) • • 온대 , 고위도 지역에서 가장 우점하는 phytoplankton 백악기 (약 1억년 전)부터 바다에 많이 분포 Unicellular Cell size: from about 2 µm to 1000 µm – 크기가 상대적으로 크므로 많은 양의 nutrients를 요구 • 일부 종은 긴 chains 을 형성 • 모든 종은 external skeleton (frustule; 규조각)을 가짐 – 한 쌍으로 구성 (silica 성분) – Silica가 cell dry weight의 40 -50%를 차지 – 생장을 위해 Dissolved silicon (Si (OH)4) 을 흡수 • Two types of diatoms: the pennate (우상류) and centric forms (중심류) – Pennate diatoms are mostly benthic – Centric diatoms: more common in the plankton

Centric diatom (중심류) (planktonic) Pennate diatom (우상류) (benthic)

규조류 (Diatoms)

규조류 (Diatoms) • Planktonic diatoms는 locomotor structures를 가지 지 않음 (dinoflagellates는 운동성) • 독립적으로 움직일 수 없음 • Phytoplankton은 lighted surface water 에 위치해야 광합성을 할 수 있다 – 가라앉지 않기 위한 다양한 mechanisms 이 발달 • Small size • 부피에 대한 표면적의 비를 크게 함 • Colony or chain formation 도 표면적을 증가시키고 천천히 가라 앉게 함 • Ionic regulation: 체내 ion concentration을 seawater 보다 낮게 조 절 – Living cells의 sinking rates: 0 to 30 m day-1 – Dead cells: sinking speed가 living cell 보다 2배 정도 빠름 – 자연에서는 surface water 의 turbulence (난류)도 phytoplankton이 surface에 머물러 충분한 빛을 받을 수 있게 하는데 중요한 역할을 함 • cf. 바람 부는 날 흙탕물

규조류 (Diatoms) • Reproduction (생식) – – – Usual method: a simple asexual division 두 개의 frustules가 나누어짐 A new inner valve of the frustule을 생성 두 개의 daughter cells 중 하나는 size가 작아짐 Cell 이 a certain critical minimal size에 도달하면 sexual reproduction (유성생식)을 하게 됨 • Skeleton이 없고 절반의 genetic material 을 가진 cell을 생성 (배 우자; gametes): meiosis (생식세포분열)을 통해 4개의 gametes 생 성 • 두 개의 gametes이 합해져 하나의 zygote를 형성 (auxospore; 증 대포자) • Normal shape and size의 frustule을 생성 • Size 가 줄어들었을 때에 만 sexual reproduction을 하는 것은 아 님 – 환경이 좋지 않을 경우 resting spores를 생성 (with a hard shell) • 바닥으로 가라앉아 환경이 좋아질 때까지 휴면

Diatom asexual reproduction

Meiosis

Benthic diatoms

Dinoflagellates (와편모조류) • The second most abundant phytoplankton group (diatoms이 가장 abundant) • 두 개의 flagella (편모)를 가짐 • 대부분 단일 개체로 존재: A few species form chains • 일반적으로 diatoms보다 개체 size가 작음 – Inorganic nutrients가 풍부한 곳에는 diatoms, 부족한 곳에 는 dinoflagellates가 주로 분포 – 열대 및 아열대의 영양염이 부족한 환경에 가장 풍부한 식 물플랑크톤 (the most numerous of the phytoplankton in nutrient-poor tropical and subtropical waters) • 온대 해역에는 diatoms이 우점

Dinoflagellates (와편모조류) • 일부만 strictly autotrophic – About 50% of the dinos are strict heterotrophs (종속영양생물) • No chlorophyll • feeding on phytoplankton and small zooplankton – 일부는 mixotrophic (혼합영양; autotrophic + heterotrophic) – 일부는 parasitic and symbiotic

와편모조류 Dinos possess two flagella: motile

Dinoflagellates (와편모조류) • Red tides (적조)를 주로 일으키는 phytoplankton – Dinoflagellates 는 급속히 reproduction 할 수 있는 능력 이 있음 – 따라서 단시간 내에 개체 수를 급격하게 증가시킬 수 있 음 – 세포수가 200, 000 - 500, 000 cells l-1 에 도달하면 물색 변 화를 감지할 수 있음 – 108 cells l-1 이상으로 늘어나면 red tide – Essential nutrients 가 고갈되면, the bloom will decay • The bacterial decomposition of large amounts of organic materials: 산소를 고갈시킴

Dinoflagellates (와편모조류) • 일부 적조생물은 neurotoxin (saxitoxin)을 생성 – 10, 000 times more deadly than cyanide • Dinos가 saxitoxin을 cell 속에 축적, 일부가 물로 released 됨: 동물이나 사람에 해를 줌 – Dino 속의 saxitoxin이 일부 zooplankton이나 shellfish로 들어감 (feeding에 의해) – Saxitoxin이 shellfish (패류)에게는 해를 주지 않고 오래 동 안 고농도로 축적될 수 있음 – Saxitoxin을 함유한 zooplankton이나 shellfish를 먹은 fish, seabird, 사람이 죽을 수 있다 – Cooking에 의해 shellfish 속의 neurotoxin이 파괴되지 않 음 • • 중독된 사람의 약 25%가 치사 Paralytic shellfish poisoning (PSP): 마비성 조개독소 Amnesic shellfish poison (ASP): 기억상실성 조개독소 Oyster, mussels

Red tide (적조)

Red tide (적조)