海洋生态系统模型是否需要显式模拟病毒动态过程？ - 海洋生态模型

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科研进展

厦门大学近海海洋环境科学国家重点

实验室、海洋与地球学院海洋计算生

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物地球化学研究组博士生谢乐及导师，

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近期发表文章,评估动态模拟病毒过程

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对海洋生态系统模型的影响：

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 Xie, Le, Rui Zhang, and Ya-Wei Luo* (2022): Assessment of explicit representation of dynamic viral processes in regional marine ecological models, Viruses, 14, 1448, doi:10.3390/v14071448.

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RESEARCH PROGRESS

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研究背景

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海洋病毒每天感染并杀死10-40%的浮游细菌，将细胞包含的物质释放到环境中，进而被转化成无机营养盐以支持初级生产力；因此，病毒是海洋生态系统中的关键角色之一。但在绝大多数海洋生态模型中，病毒并不是一个显式（Explicitly）模拟的状态变量。虽然模型中细菌的死亡可以认为是隐式（Implicitly）地表达了病毒造成的死亡；但是，这些模型中细菌的比死亡率设置为常数，忽略了病毒本身动态导致细菌比死亡率的变化。虽然一些理论生态模型,探讨了动态模拟病毒导致的细菌比死亡率；但是，尚未有研究在真实动态变化的环境条件下，探讨病毒和其导致的细菌死亡率的动态模拟对海洋生态系统模型的影响。

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研究结果

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本研究以现有的海洋生态模型为基础，增加了一个病毒模块来动态模拟病毒和其导致的细菌死亡率(图1)。模型应用于两个对比强烈的区域：寡营养的夏威夷海洋时间序列观测站（Hawaii Ocean Time-series，HOT）和高生产力的阿拉伯海（Arabian Sea, AS）。通过比较包含和不包含病毒模块的模型（简称为“病毒模型”和“标准模型”）的结果来评估模型的性能。为了使得两个模型的结果具有可比性，通过调试模型参数、使得两个模型中细菌的平均死亡率基本一致；同时采用数值同化优化模型的参数，避免了人为选择参数对模型的影响。

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图1.完整的海洋生态模型结构（a图）与病毒模块（b图）。

病毒模块导致细菌比死亡率率在空间和时间上表现出显著变化(图2)。模型中细菌死亡率基于病毒和细菌的碰撞概率、与病毒和细菌的丰度成正比。由于表层生产力高、病毒丰度高，因此细菌的比死亡率也更高；次表层则细菌的比死亡率更低。因此，病毒模块降低表层细菌丰度、增加次表层细菌丰度（图3）。这个效应，相对来讲在次表层更强。

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图2.模型模拟的病毒感染引起的细菌死亡率

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图3.病毒模型中细菌丰度相对标准模型的变化

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病毒模块可以通过营养级产生级联效应。当病毒模块引起细菌死亡率和丰度的动态变化时，它也改变了营养物质的循环效率，进而改变初级生产力（图4a、b）、影响向深海的碳输出（图4c、d）。

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图4.病毒模块对模型的初级生产力和有机碳输出的影响

对比两个站点，HOT站点营养盐浓度低、生产力较低、生态系统相对稳定，病毒动态过程对模型的影响有限；AS站点受季风影响、营养盐周期性地增加、生态系统不稳定，加入病毒过程使得生态系统对环境变化的响应更强烈。

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本研究首次在空间和时间上动态变化的实际环境条件下，考察病毒过程的显式模拟对海洋生态系统模型的影响。结果初步显示，在生产力较高、物理背景场变化频率高的海域，在生态系统模型中加入动态病毒过程具有必要性。

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研究团队及资助

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罗亚威副教授为论文通讯作者，博士生谢乐为第一作者；厦门大学近海海洋环境国家重点实验室张锐教授为论文共同作者。谢乐同学现为张锐教授和罗亚威副教授共同指导的博士研究生。

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本研究得到了国家自然科学基金(42188102，41890802，42076153)以及近海海洋环境国家重点实验室自主研究课题(MELRI2003)的资助。

论文链接

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https://doi.org/10.3390/v14071448

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