РАЗРАБОТКА ОСНОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ЭКОСИСТЕМНИР

Development of forecast basis for ecosystem dуnamics

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Разработка основ прогнозирования динамики экосистем
Результаты этапа: Исследования были направлены на выявление влияния природных (I) и антропогенных (II) факторов на компоненты водных экосистем. (I.1) Впервые для Белого моря охарактеризовано пространственное распределение видового состава, обилия, структуры фитопланктона на акватории моря в период снижения биомассы фитопланктона после пика его обилия. Показано, что в результате лимитирования развития диатомовых водорослей недостатком кремния, началось их оседание в ниже лежащие слои, которое зависело от локальных гидрофизических условий. Оседание диатомей на разных участках акватории моря началось в разное время и происходило с разной интенсивностью, что определялось локальными гидрофизическими условиями и, в частности, стабильностью водного столба и протяженностью верхнего перемешиваемого слоя. По сходству структуры фитопланктона выявлено три сообщества, приуроченных к разным глубинам. Фитопланктон фотического слоя всей исследованной акватории формировал одну группу сходства независимо от устойчивости водного столба и генезиса вод. Сообщества промежуточного и глубинного слоев представляли собой стадии трансформации фитопланктона фотического слоя, проявляющуюся в видоспецифичном снижения биомассы отдельных видов с глубиной. (I.2) Проведен анализ пространственного распределения видового состава, биомассы и структуры фитопланктона в приливном эстуарии р. Кемь в летний период 2008 - 2011 гг. Выявлено высокое видовое богатство фитопланктона при уровне биомассы, характерного для олиготрофных вод. Наибольшее число видов приурочено к зоне наибольших градиентов солености, при этом специфический солоноватоводный комплекс планктонных водорослей не выявлен. (I.3) Впервые в Белом море определен таксономический состав фотоавтотрофных пикоэукариот (размер клеток менее 3 мкм) летнего планктона Онежского и Кандалакшского заливов. Метагеномное секвенирование фрагмента V4 гена 18S pРНК выявило представителей таких групп водорослей как Chlorophyta, Haptophyta, Bolidophyceae, Chrysophyceae, Dictyochophyceae, Pelagophyceae, Bacillariophyta. Среди пикоформ преобладали Chlorophyta с наибольшим числом прочтений, относящихся к Micromonas, Ostreococcus и Bathycoccus. (I.4) Оценено пространственное распределение видового, размерного состава и биомассы фитопланктона, концентрации хлорофилла «a», концентрации биогенных элементов в зависимости от гидрофизических условий в Онежском заливе Белого моря в ранне-летний период. Выявлено относительно невысокое обилие фитопланктона при концентрации биогенных элементов, превышающей пороги лимитирования развития планктонных водорослей. Выявлено три сообщества, достоверно различающихся по структуре. Структура сообществ не зависела от устойчивости водного столба - акватория вегетации каждого из сообществ включала как перемешанные в результате приливного воздействия воды, так и стратифицированные воды. Наибольшая суммарная биомасса фитопланктона отмечена у фронтальных зон. Высказано обоснованное предположение, что невысокое обилие ФП при обеспеченности биогенными элементами обусловлено динамичностью гидрофизических условий в заливе, в частности, интенсивным приливным перемешиванием и ветровым воздействием. (I.4) Определен таксономический состав фотоавтотрофных пикоэукариот (размер клеток менее 3 мкм) сезонных льдов Белого моря на основе метагеномного секвенирования фрагмента V4 гена 18S pРНК. Выявлены представители таких групп водорослей как Mamiellophyceae, Prasinophytae, Trebouxiophyceae, Bolidophyceae, Pelagophyceae, Bacillariophyta (Mediophyceae) и Prymnesiophyceae. (I.5) Охарактеризовано состояние планктонного сообщества северо-восточной части Черного моря (Геленджикская бухта) зимой и летом 2016 г. Выявлена зависимость обилия и состава фито- и зоопланктона от циркуляции вод, степени прогрева воды и техногенного загрязнения. (I.6) Оценена внутрипопуляционная изменчивость объемов клеток диатомовой водоросли Attheya ussurensis при акклимации к гипо- и гиперосмотическому стрессу. (II.1) Изучены пигментный состав и активность фотосинтетического аппарата у штаммов зеленой микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii, подвергшихся индуцированному мутагенезу. У мутантных штаммов содержание хлорофилла «b» было в несколько раз ниже такового у дикого типа. У мутантных штаммов выявлено уменьшение квантового выхода электронного транспорта в ФС2, индекса производительности, а также увеличение квантовой эффективности рассеивания энергии, снижение коэффициента максимальной утилизации световой энергии. Показана перспективность использования пигментных мутантов при биотестировании водных экосистем на наличие мутагенов. (II.2) Исследовали инактивацию бактерий санитарно-показательной группы фотодезинфектантами метиленовым голубым или профлавином в концентрациях 0.1–5 мг/л. Показано, что в концентрации 0.1–0.5 мг/л препараты стимулируют либо слабо сдерживают развитие бактерий, подавление бактерий эффективно происходит при концентрации препаратов 1–2 мг/л. При концентрации метиленового голубого 5 мг/л у Escherichia coli и Bacillus subtilis в 100 раз подавлялась способность к образованию колоний. При воздействии профлавина (5 мг/л) эффективность инактивации увеличивалась у E. coli в 10 раз, у B. Subtilis - в 15 раз. Рекомендовано использование исследованных препаратов для улучшения гигиенического качества вод рекреационных прудов или бассейнов в низких концентрациях (до 2 мг/л), а также для глубокой санитарной обработки в концентрации выше 2 мг/л. (II.3) Выявлены закономерности воздействия таких тяжелых металлов как медь и кадмий на рост зеленой водоросли Scenedesmus quadricauda в зависимости от плотности популяции, стадии ее развития и уровня pH среды. (II.4) Оценено содержание тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd, Pb, Mn, Fe) в восьми видах морских водорослей и морской траве Zostera marina, отобранных на побережье Белого моря, а также в восьми видах макрофитов, отмытой с них эпифитовзвеси и в воде реки Москвы. Выявлена видовая специфичность макрофитов в накоплении тяжелых металлов. Показано, что накопление тяжелых металлов эпифитовзвесью в 3-12 раз выше их накопления в макрофитах.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Разработка основ прогнозирования динамики экосистем
Результаты этапа: Исследования были направлены на выявление влияния природных (I) и антропогенных (II) факторов на компоненты водных экосистем. I. Продолжение исследований, направленных на выявление влияния природных факторов на компоненты водных экосистем. (I.1) Впервые для Белого моря Впервые методом метагеномного секвенирования области V4 гена 18S рРНК во льду Кандалакшского залива Белого моря оценен таксономический состав фотосинтезирующих пикоэукариот. Выявлено присутствие таксонов, относящихся к трем супергруппам водорослей: Chloroplastida (Chlorophyta), Stramenopiles и Haptophyta. Всего обнаружено 16 родов, относящихся к 8-ми классам водорослей: Mamiellophyceae, Palmophyllophyceae, Pyramimonadophyceae, Trebouxiophyceae, Bolidophyceae, Pelagophyceae, Mediophyceae и Coccolithophyceae. Среди Chlorophyta по числу прочтений преобладали водоросли класса Mamiellophyceae, представленные родами Micromonas, Ostreococcus, Mantoniella, Bathycoccus и Crustomastix. Проведенный филогенетический анализ показал скрытое разнообразие морфотипов Micromonas и Mantoniella. Так во льду были встречены 3 филотипа рода Micromonas – арктический филотип клады Е2, широко распространенный филотип клады С, а также новый филотип Micromonas, ранее не регистрируемый ни в одним из районов Мирового океана, названный нами филотипом клады F. По числу прочтений среди Micromonas льдов Белого моря преобладал Micromonas клады Е2. Ранее Micromonas Е2 был выявлен во льдах Канадской Арктики (Comeau et al., 2013). Кроме того, это филотип доминирует в арктическом планктоне (Romari, Vaulot, 2004; Lovejoy et al., 2007, Sørensen et al., 2012 Kilias et al., 2013). Недавно в планктоне Антарктики были выявлены последовательности, практически идентичные таковым Micromonas Е2, и была выдвинута гипотеза о связи арктической и антарктической популяций Micromonas Е2 посредством глубоководных океанических течений (Simmons et al., 2015). Присутствие Micromonas Е2 во льду Белого моря, относящегося к субарктическим морям, свидетельствует о том, что ареал распространения этого филотипа шире, чем предполагалось ранее (Lovejoy et al., 2007 Simmons et al., 2015). Micromonas клады C ранее во льдах Арктики и субарктики не отмечался, но был выявлен в планктоне умеренных, арктических и тропических районов (Foulon et al., 2008). Новая для Micromonas клада F выделена нами впервые для вод Мирового океана и льда в частности. Род Mantoniella во льду Белого моря был представлен филотипом Mantoniella squamata, а также представителями еще трех кластеров Mantoniella, включавших только последовательности некультивируемых форм. Это первая регистрация Mantoniella squamata в Белом море. Наличие нескольких филотипов Mantoniella во льду показано нами впервые. Во льдах Арктики присутствие Mantoniella ранее не отмечалось (Comeau et al., 2013 Piwosz et al., 2013 Stecher et al., 2016). Впервые во льду выявлено присутствие филотипов Minutocellulus polymorphus и Skeletonema marinoi. Обилие пикоавтотрофов во льду. Во льду Кандалакшского залива Белого моря в марте 2013 и 2014 гг оценены концентрация хлорофилла «а» и параметры обилия фотосинтезирующего пикопланктона. Интегральные значения концентрации хлорофилла «а» варьировали от 0,15 дл 4,06 мг /м2. Среднее содержание хлорофилла «а» в каждом керне колебалось от 0,72 до 7,51 мг/м3. Концентрация хлорофилла увеличивалась от поверхностного слоя керна льда к нижнему. Интегральная численность фототрофных пикоэукариот (ФПЭ) варьировала от 11 млн кл/м кв до 364 млн кл/м кв. Интегральная биомасса колебалась в пределах 0,02-0,26 мг С/м кв. По численности и биомассе на всех станциях доминировали цианобактерии, вклад пикоэукариот в суммарную численность и биомассу составил 0,01-14,5% и 2-27%, соответственно. (I.2) Впервые для Белого моря оценен с использованием метагеномного подхода таксономический состав фотоавтотрофных пикоэукариот летнего планктона. Исследования проведены в Онежском заливе Белого моря в третьей декаде июня 2015 г и включали, помимо метагеномного анализа, учет численности и биомассы пикофитопланктона. Температура и соленость поверхностного слоя, степень устойчивости водного столба существенно варьировали по акватории залива. Между водами с разной структурой располагались приливные фронтальные зоны. Как в стратифицированных, так и в перемешанных водах наибольшие значения численности и биомассы пикофитопланктона и фототрофных пикоэукариот были приурочены к слою 0–5 м. По акватории залива средние (на слой 0–5 м) значения численности и биомассы пикофитопланктона изменялась в пределах 0,54–34,99 ×105 кл/л и 14–948,7 мкг С/м3, соответственно. Численность ФПЭ была на 1–2 порядка меньше, чем пикоцианобактерий. Благодаря бóльшим клеточным размерам ФПЭ по сравнению с цианобактериями их вклад в суммарную биомассу пикофитопланктона был существенно выше вклада в суммарную численность, и на ряде станций ФПЭ доминировали по биомассе. Значения численности и биомассы фототрофных пикоэукариот изменялась в пределах 0–36,8 ×104 кл/л и 0–117 мкг С/м3, соответственно. Учитывая, что содержание биогенных элементов в период исследования превышало пороги лимитирования развития планктонных водорослей, высказано предположение, что к факторам, определявшим пространственную изменчивость количественных характеристик пикофитопланктона в целом и фототрофных пикоэукариот в частности, возможно, следует отнести структуру и динамику вод, а также различия в экологических нишах отдельных представителей этой группы. Впервые оценен таксономический состав фотосинтезирующих пикоэукариот летнего планктона Онежского залива Белого моря. Метагеномное секвенирование области V4 гена 18S рРНК выявило присутствие таксонов фотосинтезирующих пикоэукариот, относящихся к восьми классам водорослей. Как и во многих районах умеренных и арктических вод (Kilias et al., 2014; Metfies et al., 2016; Zhang et al., 2015), в Онежском заливе среди ФПЭ преобладали Chlorophyta. Наибольшее число прочтений принадлежало видам Bathycoccus prasinos и Ostreococcus tauri, что согласуется с фактом приуроченности наибольшего обилия этих космополитных видов к прибрежным водам (Vaulot et al., 2008; Clayton et al., 2017). В летнем планктоне Онежского залива выявлено пять филотипов рода Micromonas: филотип С (более трети общего числа выявленных ОТЕ Micromonas), D, Е1, Е2 и филотип F, выявленный ранее во льду (Belevich et al., 2017). До видового уровня также идентифицированы диатомеи Skeletonema marinoi и Minidiscus trioculatus. (I.3) Впервые для Белого моря оценено генетическое разнообразие малоизученного класса Bolidophyceae во льду, подледном и летнем планктоне субарктического Белого моря. Культивируемые представители этого класса по своим размерам относятся к пикофракции планктона. Соответственно выявление состава Bolidophyceaе в природных сообществах микроскопическими методами представляет значительные трудности из-за малых размеров клеток. Метагеномное секвенирования области V4 гена 18S рРНК показало, что разнообразие Bolidophyceae Белого моря насчитывает 31 филотип (с учетом двух порогов кластеризации 97 и 93%), включая филотипы, имеющие 100% сходство с Triparma pacifica и Т. strigata. Доля Bolidophyceae в общем числе прочтений, выявленных во фракции планктона <3 мкм, колебалась от 0,3 до 4,8%, что укладывается в пределы этого показателя в разных районах Мирового океана (Ichinomiya et al., 2016). Выявлена приуроченность отдельных филотипов к определенным биотопам (лед или планктон) и стадиям сезонного развития (подледный или летний планктон). Ряд филотипов встречается в разных биотопах и при широком температурном диапазоне. За счет смены генетического состава Bolidophyceae являются постоянным компонентом фотоавтотрофного планктона и ледовых сообществ. (I.4) Оценен таксономический состав диатомовых водорослей льдов пролива Великая Салма Кандалакшского залива Белого моря в марте 2013 г. и 2014 г. - в период, предшествующий весеннему цветению ледовых водорослей. Было выявлено 59 таксонов и групп таксонов диатомовых водорослей. Часть водорослей определена до рода или на уровне более высокого таксономического ранга. Из идентифицированных до вида диатомей 23 таксона являются типично-ледовым, либо лёд входит в число их приоритетных местообитаний. Планктонные диатомеи составляли значительную часть (17 таксонов, 29%) от общего числа идентифицированных до вида диатомей. По числу таксонов преобладали пеннатные формы (Fragilariophyceae и Bacillariophyceae, 48 таксонов). Виды Stenoneis obtuserostrata и Gyrosigma concilians идентифицированы во льдах Белого моря впервые. Выявлена выраженная пространственная мезомасштабная изменчивость состава сообществ ледовых диатомей, которую определяет совокупность факторов, основными из которых являются: условия освещенности, зависящие от толщины льда и снежного покрова, концентрация биогенных элементов, соленость и температура, пористость льда и морфология его нижней поверхности, а также генезис и физическая деформация ледового покрова. Результаты сравнительного анализа выявленного состава диатомей с таковым в молодых льдах арктического моря Бофорта показали, что таксономический состав диатомей достоверно отличается (р=0,01), индекс сходства составил 0.45. Среди общих для обоих районов преобладали таксоны, чьим приоритетным местообитанием является лед - 21 таксон. В число общих для обоих районов также вошли планктонные и бентосные диатомеи. Аналогичный анализ выявил еще меньшее сходство между диатомовыми льда в Белом море и вблизи Северного полюса летом. Индекс сходства составил 0.26. Общими для обоих районов являлись ледовые, планктонные и бентосные диатомеи. (I.5) Впервые пространственная неоднородность распределения обилия пикофитопланктона оценена на значительной акватории Белого моря, включая Бассейн, Онежский и Кандалакшский заливы. В начале лета 92015 Г.) на 47 станциях определены численность и биомасса пикофитопланктона, его вклад в суммарную биомассу фитопланктона, проанализирована зависимость этих параметров гидрофизических условий. Наибольшие значения биомасса пикофитопланктона отмечены в западной части Бассейна (среднее значение 1.89±0.03 мг С/м3). На всей исследованной акватории основной вклад в биомассу пиководорослей давали цианобактерии. Вклад пикофитопланктона в суммарную биомассу фитопланктона в заливах не превышал 8%, тогда как на одной из станций Бассейна вклад пикоформ достигал 40.5%. В пространственном распределении пикофракции планктона проявлялись закономерности, характерные для пространственного распределения нано- и микрофитопланктона, а именно: увеличение обилия у фронтальных зон различного происхождения; низкое обилие в районах, где фотический слой меньше верхнего перемешиваемого слоя. В целом для всей исследованной акватории моря вклад пиководорослей был выше на станциях, где биомасса крупного планктона была невысокой. (I.6) Впервые на основе современных методов люминесцентной микроскопии дана оценка численности и биомассы мелких фотоавтотрофных жгутиковых протистов и их вклада в биомассу осеннего и зимнего фитопланктона Белого моря. Мелкие (3 – 10 мкм) жгутиковые водоросли могут разрушаться при концентрировании и фиксации проб фитопланктона, что приводит к заниженным оценкам их обилия и, соответственно, суммарного обилия фитопланктона. Адекватную оценку численности мелких жгутиковых дают современные методы люминесцентной микроскопии (Caron, 1983). В поверхностном горизонте Кандалакшского залива Белого моря биомасса фотоавтотрофных нанофлагеллят в осенний период колебалась в диапазоне от 8.2 до 23.7 мкг С/л и в среднем составила 15.1 ± 6.4 мкг С/л. Суммарная биомасса фитопланктона варьировала в пределах 8.7 ‒ 27.7 мкг С/л (среднее 16,5±7,4 мкг С/л). Вклад фотоавтотрофных нанофлагеллят в суммарную биомассу фитопланктона составлял 87 ‒ 97%. В феврале в подледной воде биомасса фотоавтотрофных нанофлагеллят изменялась в пределах 2.2 – 6.0 мкг С/л. Среднее значение биомассы фотоавтотрофных жгутиковых протистов (3.7 ± 1.6 мкг С/л) было достоверно (р=0.02) меньше, чем в сентябре. Суммарная биомасса фитопланктона варьировала в пределах 2.2 ‒ 6.1 мкг С/л (среднее 3.9±1.6 мкг С/л). Вклад фотоавтотрофных нанофлагеллят в суммарную биомассу фитопланктона составлял 93 ‒ 98%. Полученные нами оценки биомассы фитопланктона превышают ранее опубликованные данные для соответствующих месяцев, полученные традиционными методами. Суммарная биомасса фитопланктона в сентябре оказалась более чем в 3 раза больше значений, полученных ранее традиционными методами (Конопля, 1974; Сарухан-Бек и др., 1991), а в феврале на порядок больше предыдущих оценок (Ильяш и др., 2012). (I.7) Продолжено изучение видового состава и биомассы планктона в Геленджикской бухте Чёрного моря. Выявлено, что в летний период 2017 г. в фитопланктоне преобладали динофлагелляты , что типично для летнего периода Чёрного моря. Наибольший вклад в суммарную биомассу фитопланктона давали представители родов Protoperidinium, Ceratium, Prorocentrum. Соеди диатомей доминировала Pseudosolenia calcar- avis. Распределение зоопланктона определялось температурным режимом и концентрацией фитопланктона. Максимальные величины биомассы зоопланктона наблюдались в наиболее прогреваемых районах с интенсивным развитием фитопланктона. II. Продолжены работы, направленные на выявление влияния антропогенных факторов на компоненты водных экосистем. (II.1) Изучено воздействия метиленового голубого на бактерии санитарно-показательной группы. На основе природной прудовой воду создавали микрокосмы, содержащие только бактерии и содержащие бактерии и зеленые микроводоросли. Установлено, что при добавлении 0.1–0.5 мг/л метиленового голубого развитие бактерий санитарно-показательной группы и группы сапрофитов сдерживалось незначительно. Подавление бактерий эффективно происходит при концентрации метиленового голубого в среде от 1–2 мг/л, санитарное качество воды приближалось к питьевой воде. Данные полезны для расширения знаний по антибактериальным свойствам метиленового голубого и возможного практического использования для улучшения гигиенических показателей водной среды. (II.2) С использованием метода биотестирования на основе бактериальной люминесценции оценена токсичность соединений никеля. Выявлено, токсичность при одном и том же содержании соединений никеля в среде в значительной степени зависит от физико- химических свойств среды, таких как концентрация органических веществ и значений рН. Токсичность оказалась меньше в пробах с рН близким к нейтральному и с более высоким содержанием органических веществ. Полученные закономерности необходимо учитывать при разработке нормативных показателей. (II.3) Проведены сравнения параметров флуоресценции у водорослей хлорелла при действии солей хрома. Определены мишени преимущественного воздействия ионов хрома на реакции фотосинтеза у водоросли хлорелла и выявлены наиболее чувствительные параметры флуоресценции хлорофилла для использования при мониторинге. (II.4) Оценены параметры флуоресценции водорослей в нативных лишайниках. Показано, во влажном состоянии лишайника водоросли достаточно активны и имеют характеристики флуоресценции хлорофилла сходные с таковыми у свободноживущих водорослей. При недостатке влаги и подсушивании лишайников происходит ингибирование фотохимической фазы индукции флуоресценции водорослей и прекращение процесса фотосинтеза. В таком неактивном состоянии водорослей лишайники более устойчивы к факторам среды и к действию загрязнений. (II.4) Оценено содержание тяжелых металлов у разных гидробионтов Белого моря из одного местообитания (12 видов макроводорослей, один вид высших водных растений, 10 видов моллюсков, 6 видов иглокожих, 2 вида ракообразных, 3 вида губок, 5 видов полихет, 3 вида рыб и др.) Для анализа использовали части тела гидробионтов (тела, раковины и крышечки моллюсков, органы рыб. Для ряда гидробионтов (моллюски, звезды), оценки содержания тяжелых металлов получены для различных размерно-возрастных групп. Методом атомно-абсобционной спектрофотометрии определено содержание 6-10 металлов (Cu, Zn, Cd, Pb, Ni, Co, Cr, Sr, Mn, Fe) для всех гидробионтов. Получены оригинальные результаты проведенных исследований. По некоторым результатам работы подготовлен и представлен доклад на научной конференции и статья в сборнике.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Разработка основ прогнозирования динамики экосистем
Результаты этапа: Продолжены исследования по выявлению влияния природных и антропогенных факторов на компоненты водных экосистем. Задачи этапа НИР состояли в оценке состава и обилия фитопланктона с целью выявления зависимости таксономического состава и параметров обилия первичных продуцентов от гидрофизических условий на примере субарктического Белого моря. Выявлена зависимость таксономического состава, параметров обилия фито- и зоопланктона от абиотических и биотических факторов на примере прибрежных вод умеренной зоны (Черное море). В рамках продолжения исследований антропогенных факторов на компоненты водных экосистем выявлены закономерностей формирования устойчивости микроводорослей к токсическому стрессу, получены оценки параметров флуоресценции у пресноводных водорослей при действии солей тяжелых металлов, на основе метода атомно-абсорбционной спектрофотометрии оценено содержание тяжелых металлов в макрофитах реки Москвы и непроточном водоеме. Полученные результаты расширяют современные представления о влиянии природных и антропогенных факторов на компоненты водных экосистем и экосистемные процессы.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Разработка основ прогнозирования динамики экосистем
Результаты этапа:
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Разработка основ прогнозирования динамики экосистем
Результаты этапа:
6 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Разработка основ прогнозирования динамики экосистем
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".