Микроорганизмы, экосистемы и климат: факторы формирования рецентных сообществ и реконструкция динамики окружающей среды и экосистем в голоценеНИР

Microorganisms, ecosystems and climate: factors affecting recent assemblages and reconstructions of ecosystems and environment dynamics during the Holocene

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 24 мая 2022 г.-31 декабря 2022 г. Микроорганизмы, экосистемы и климат: факторы формирования рецентных сообществ и реконструкция динамики окружающей среды и экосистем в голоцене
Результаты этапа: За отчетный период работы по проекту проводились по шести основным направлениям: (1) Выявление влияния климатических факторов на рецентные сообщества микроорганизмов. Выбраны и описаны пять модельных сфагновых болот, расположенных вдоль широтного градиента в европейской части России. В каждой экосистеме определены биотопы, где установлены портативные регистраторы температуры и отобраны образцы сфагнума для проведения изучения сообществ микроорганизмов методами метабаркодингового анализа, микроскопирования и культивирования. Сформирована база данных по структуре рецентных сообществ раковинных амеб в тундровых экосистемах вдоль долготного градиента в российской Арктике. (2) Выявление связей между структурой сообществ раковинных амеб и микромицетов с экосистемными функциями сфагновых болот. Показана взаимосвязь видовой структуры сообществ раковинных амеб в фотосинтезирующем слое сфагнума с общим почвенным дыханием в зависимости от влияния температуры, влажности и освещенности по данным полевых экспериментов. Наибольший эффект экспериментальных воздействий отмечен на грядах. Увеличение видового богатства и разнообразия сообществ раковинных амеб коррелировало со снижением общего почвенного дыхания. Анализ поверхностных образцов сфагнума из болот Северного Кавказа показал, что вклад групп факторов в объяснение дисперсии видовой структуры сообществ раковинных амеб уменьшается в ряду мхи > сосудистые растения > абиогенные факторы > географическое положение. Получены образцы для оценки вклада фототрофных микроорганизмов в поглощение углерода торфяниками. (3) Изменение разнообразия и структуры сообществ микроорганизмов вдоль градиентов факторов среды в различных пространственных масштабах. Сформирована база данных по сфагнобионтным и почвообитающим раковинным амебам Восточно-Европейской равнины, Урала, Западной и Средней Сибири, и Дальнего Востока. Выявлены зависимости β-разнообразия и его компонентов от пространственного масштаба исследования и географической широты на материале из Западной Сибири. В формировании γ-разнообразии сообществ раковинных амеб преобладает α-компонента, а вклад β-разнообразия на уровне экосистем выше по сравнению с биотопами и отдельными образцами. β-разнообразие определяется историческими факторами и зависит от пространственного масштаба в северных широтах, в то время как в южных широтах значительный вклад вносят локальные факторы окружающей среды, а влияние пространственного масштаба незначительно. Анализ зависимости сообществ микроорганизмов на морской литорали от факторов среды показал, что разнообразие микромицетов возрастает со снижением уровня освещенности. Анализ влияния факторов среды на структуры сообществ морских псаммофильных инфузорий показал, что средняя ширина экологических ниш данных организмов была минимальной в мае–июне и возрастала в июле–сентябре. Сетевой анализ сосуществования выявил незначительную конкуренцию между видами, так как значения положительных корреляций были выше по сравнению с отрицательными. Кроме того, вклад случайных процессов в формирование сообщества инфузорий был несущественным. Изучение закономерностей изменения структуры сообществ раковинных амеб в поверхностных донных отложениях озера Валдай в зависимости от глубины отбора позволило выделить четыре типа локальных сообществ: литоральные, сублиторальные, донно-склоновые и профундальные. Глубина отбора проб, температура, рН и угол наклона дна в значительной степени объясняют изменчивость видового состава. Рассчитаны экологические оптимумы по глубине для наиболее встречаемых видов. Проведен анализ процессов формирования сообществ раковинных амеб в поверхностных донных отложениях водоемов юго-восточного Китая и роль динамических процессов в разных временных масштабах. В динамике сообществ эпилимниона выделены трехмесячные циклы стабильности. Изучены закономерности формирования структуры сообществ раковинных амеб в урбанизированных экосистемах Москвы и Сямэня. Было обнаружено 116 морфовидов раковинных амеб, населяющих донные осадки прудов, почвы, эпифитные мхи и дупла деревьев. На каждый из биотопов приходится 13–26% общего видового богатства. Видовое разнообразие сообществ раковинных амеб и гетерогенность видовой структуры были значительно выше в почвах и донных отложениях прудов. (4) Отбор образцов и проведение предварительного анализа колонок торфяных и озерных отложений, а также погребенных почв в слабо изученных регионах. В результате проведения полевых работ получен новый материал торфяных отложений в зоне смешанных лесов, южной подзоне тайги тундровой зоне Европейской части России. Реконструировано развитие болота Горенки в позднем голоцене, а также процесс естественного восстановления после выработки торфа. Показано, что сохранение пониженного антропогенного воздействия и воздействие благоприятных факторов окружающей среды может привести к восстановлению болота. Нелинейный анализ многолетней динами степени гумификации торфа отложений болота Кривецкий мох (Валдайская возвышенность) и реконструированных значений поверхностной влажности и температуры воздуха в голоцене выявил наличие периодичности около 6000 лет и устойчивые дальние корреляции между переменными типа 1/f. Это свидетельствует о том, что за флуктуацией этих переменных в прошлом, скорее всего, последует аналогичное колебание в будущем, но оно будет усилено степенным законом 1/f. Эти результаты открывают новые возможности для моделирования будущей динамики экосистем и прогнозирования экстремальных явлений. Получены образцы погребенных торфяных почв, относимых к аллерёду, в Дарвинском государственном биосферном заповеднике, осуществлено их литологическое и геоморфологическое описание и подготовка к комплексному палеоэкологическому анализу. (5) Выявление локальной (внутрирегиональной) поливариативности голоценовой динамики болотных экосистем. На массиве данных по многолетней динамике 98 болот в высоких широтах Северной Америки и Евразии реконструированы гидрологические условия по данным ризоподного анализа, начиная с 19 в по настоящее время. Показано, что за этот период 54% торфяников пересыхали, а 32% переувлажнялись, что иллюстрирует сложную экогидрологическую динамику торфяников и их неопределенные реакции на потепление климата. Проведены палеореконструкции динамики болотных экосистем, расположенных в непосредственной близости друг от друга, в южной тайге Восточно-Европейской равнины и средней тайге Западно-Сибирской равнины. (6) Повышение точности и результативности использования ризоподного анализа в палеоэкологических исследованиях. Построена база данных (обучающая выборка) и разработаны новые калибровочные модели, описывающие зависимость между функциональными признаками и видовой структурой сообществ раковинных амеб, с одной стороны, и поверхностной влажностью болот, с другой для торфяных болот в тропиках. Подготовлен к публикации обзор по унификации таксономических признаков раковинных амеб для гармонизации базовой таксономической информации при проведении ризоподного анализа. По результатам работы над проектом в отчетном году было опубликовано 6 статей в международных рецензируемых изданиях, из которых 5 в высокорейтинговых журналах из Q1.
2 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Микроорганизмы, экосистемы и климат: факторы формирования рецентных сообществ и реконструкция динамики окружающей среды и экосистем в голоцене
Результаты этапа: В соответствии с поставленными задачами при выполнении проекта в 2023 году были получены следующие результаты. 1.1. Характеристика сообществ раковинных амеб и микромицетов на основе методов микроскопирования и культивирования, а также результаты предварительного метабаркодингового анализа разнообразия прокариот и эукариот из модельных точек (сфагновых кочек) в ключевых экосистемах, расположенных вдоль широтного градиента. Выявлены особенности многолетней динамики локальной температуры субстратов болотных экосистем вдоль широтного градиента и видовое разнообразие сообществ раковинных амеб и микромицетов. 1.2. Рукопись статьи с описанием долгосрочных и краткосрочных экспериментальных работ, проведенных как в полевых, так и в лабораторных условиях, и демонстрирующих реакцию сообщества микромицетов в регионах с многолетней мерзлотой на изменения температуры, влажности, снегового покрова, мощности слоя вечной мерзлоты, связанных с глобальным потеплением. Составлен список из 1293 видов грибов, отмеченных в Арктике и/или в Антарктиде, собрана информация о методах их выявления и идентификации, созданы карты полярных регионов с локациями исследований. Проанализирован таксономический состав и экологическая роль выявленных грибов, использованные методы и их влияние на результат, эндемичные для полярных регионов виды. 1.3. Характеристика иерархии факторов, определяющих структуру сообществ раковинных амеб в тундровых экосистемах вдоль долготного градиента в российской Арктике: в окрестностях населенных пунктов Рыбачий (69.766917 N, 32.100194 E), Воркута (67.430565 N, 63.843964 E), Амдерма (69.707881 N, 61.896363 E), Апапельгино (69.813611 N, 170.627222 E) а также в дельтах рек Лены (72.288603 N, 126.214939 E), Индигирки (71.146293 N, 149.361901 E). Сообщества раковинных амеб из болот наиболее сильно отличаются от образцов из других растительных сообществ. Основной вклад в формирование видового разнообразия сообществ почвенных раковинных амёб в арктической тундре вносят крупномасштабные географические факторы, вызванные различиями между экорегионами, тогда как дифференциация в пределах растительных сообществ и между ними оказывает меньшее влияние на формирование видового разнообразия и структуры сообществ. 2.1. Характеристика связи структуры молекулярно-генетического разнообразия эукариот, формирующегося в фотосинтезирующем слое сфагнума в верховом болоте, с общим почвенным дыханием с учетом влияния экспериментально измененных факторов среды – температуры, влажности и освещенности. Эффект затенения выражался прежде всего в увеличении количества грибов и снижении значимости роли альвеолят. На тип Cercozoa, включающий в себя филозных амёб, затенение оказывало стимулирующее воздействие на мочажинах, на грядах же оно могло приводить как к увеличению, так и к уменьшению доли этой группы среди всех представителей микробного сообщества. Другая группа амёб, Lobosa, была изначально слабо представлена на положительных формах микрорельефа и практически элиминировалась при экспериментальном воздействии, в то время как в мочажинах затенение приводило к увеличению относительной численности этой группы. Представители группы Ochrophyta в целом воспринимали затенение как негативный фактор, однако в двух случаях на грядах при затенении их встречаемость, напротив, заметно возросла. На группу Chlorophyta затенение не оказало однозначно негативного влияния. 2.2. Характеристика связи между структурой сообществ раковинных амеб и структурой растительных сообществ по материалам болота «Старосельский мох» Центрально-лесного государственного биосферного заповедника. Характеристика возможных косвенных зависимостей между структурой сообществ микроорганизмов и эмиссией углерода. Число видов сфагнобионтных раковинных амеб положительно скоррелировано с числом видов мхов и негативно с числом видов трав. Более интенсивное выделение СО2 коррелировало с преобладанием ксерофильных видов раковинных амёб, в то время как метан интенсивнее выделяется в точках, где представлены гидрофилы. Опубликована статья: Tsyganov et al. // Diversity. 2023. Vol. 15. Art. 258. doi: 10.3390/d15020258. 2.3. Описание структуры сообществ раковинных амеб в точках с многолетним мониторингом уровня залегания болотных вод (НП Мещера, Дарвинский заповедник, ЦЛГЗ). Получены оценки экологических предпочтений раковинных амеб в отношении стабильности гидрологического режима по многолетним данным мониторинга, что может повысить точность биоиндикационных и палеоэкологических исследований. 2.4. Характеристика сообществ раковинных амеб и фототрофных микроорганизмов, данные о концентрации хлорофилла в болотных экосистемах, расположенных в пределах Восточной Европы: Владимирская область (национальный парк «Мещера», 55.601186 N, 40.149488 E), Вологодская область (Дарвинский государственный природный биосферный заповедник, 58.526029 N, 37.577279 E), Республика Карелия (государственный природный заповедник «Кивач», 62.314951 N, 34.009384 Е, вдоль русла река Хейняйоки, 61.35792 N, 33.251727 E), окрестности Беломорской биологической станции имени Н.А. Перцова, 58.556127 N, 37.980251 Е), Новгородская область (национальный парк Валдай, 57.991486 N, 33.37309 E), болота Ленинградской (окрестности Сестрорецка, 60.121213 N, 30.011734 E, Старой Ладоги, 60.096937 N, 32.409964 E), Московской области (болото Сима 55.669349 N,36.713546 E), Республики Мордовия (Саровское болото, 54.762202 N, 43.372438 E) и Пензенской области (Безымянное болото, 53.303848 N,45.136327 E). Показано, что на структуру сообществ раковинных амеб большое влияние оказывают уровень залегания болотных вод и кислотность; форма микрорельефа оказалась второстепенным фактором. При этом обнаруженные виды десмидиевых водорослей характерны для исследованных биотопов и регионов. 3.1. База данных по сфагнобионтным раковинным амебам Восточной Европы. Закономерности изменения структуры сообществ почвообитающих раковинных амеб в разных масштабах на Дальнем Востоке. Закономерности изменения структуры сообществ сфагнобионтных раковинных амеб в соответствии с типом растительности в Восточной Европе, Западной и Средней Сибири. Показано, что микробные сообщества в северных широтах пространственно однородны и определяются историческими факторами в более крупных масштабах, тогда как в южных регионах преобладает замещение видов как в масштабах биотопов, так и экосистем, и, следовательно, значительное влияние современной растительностью и неоднородности окружающей среды. В целом, наземные микробные сообщества в значительной степени определяются историей формирования региона и зависят от масштаба в северных широтах, а в южных широтах в большей степени зависят от характеристик среды и при незначительном влиянии масштаба исследования. Опубликованы статьи: - Saldaev D.A. et al. // Data. 2023. Vol. 8. Art. 173. doi: 10.3390/data8110173 - Ivanovskii A.A. et al. // Data. 2023. Vol. 8. Art. 172. doi: 10.3390/data8110172 - Загумённая О.Н. и др. // Зоологический журнал. 2023. Т. 102. №1. С.3–21. 3.2. Закономерности изменения структуры сообществ раковинных амеб на градиенте «море-суша» из пяти различных модельных прибрежных регионов, примыкающих к следующих зональным биомам: тундровые – Баренцево море; северотаежные леса – Белое море; широколиственные леса – Черное море; степные – Азовское море; пустынные – Каспийское море (образцы имеются в распоряжении коллектива). Закономерности изменения сообществ микромицетов вдоль трансекты в Белом море (пролив Великая Салма, Кандалакшский залив). Предварительные результаты метабаркодингового анализа разнообразия эукариот в донных осадках Чернореченского эстуария Кандалакшского залива Белого моря в связи с изменением основных факторов среды (характеристик грунта, солености, освещенности). Численность и обилие почвенных раковинных амеб увеличивается вдоль трансект «море-суша», при этом закономерности изменения данных показателей в значительной степени определяются характеристиками биома. Анализ сетей совместной встречаемости интерстициальных инфузорий в Кандалакшском заливе показал высокий уровень положительных корреляций внутри сообщества, что указывало на низкую конкуренцию между видами интерстициальных инфузорий. Кроме того, вклад стохастических процессов в формирование сообщества инфузорий незначителен. По сравнению с более ранними данными по той же экосистеме, полученными в 1980–1990-е годы (по литературным данным) мы отметили, что роль конкурентных факторов снизилась, а сообщества стали более однородными в пространстве и времени. Такое упрощение сообщества вероятно является одним из проявлений реакции всей экосистемы морской литорали на глобальное изменение климата в Арктике. Опубликованы статьи: - Lu X. et al. // Marine Pollution Bulletin. 2023. Vol. 188. Art. 114656. doi: 10.1016/j.marpolbul.2023.114656 - Li X. et al. // Diversity. 2023. Vol. 15. Art. 873. doi: 10.3390/d15070873. 3.3. Характеристика сообществ раковинных амеб из донных отложений озер в подзоне южнотаежных лесов Московской области, в зоне среднетаежной зоны Ленинградской области и в Ладожском озере в соответствии с типом грунта, глубиной и типом водоема. Основные изменения в структуре сообществ были связаны с мелководными биотопами, тогда как глубоководные биотопы были более сходными по видовой структуре. Это может быть связано как с обеденным видовым составом обществ в них, так и с их положением в рельефе дна, что приводит к аккумуляции амеб со всей акватории в результате пассивного переноса раковин из мелководных биотопов. В зависимости от глубины отбора образцов сообщества могут быть классифицированы как литоральные, сублиторальные, склоновые и профундальные. 3.4. Характеристика структуры сообществ раковинных амеб в урабнизированных экосистемах Шэньчжэня с учетом роли пространственной гетерогенности. Результаты исследования свидетельствуют о том, что при региональных исследованиях почвенных микробных эукариот следует учитывать как микро- (т.е. парцеллярную структуру), так и мезомасштабную (т.е. катенарную) неоднородность. Показано, что в метабаркодинговые исследования с использованием региона V9 выявляют большее разнообразие, по сравнению с использованием региона V4 18S рРНК. Продемонстрирована важность миграций микроэукариот между различным средами обитания для поддержания функционирования экосистемы и предоставления экосистемных услуг в городских парках. Опубликованы статьи: - Zhong Y. et al. // Land. 2022. Vol. 11. Art 2255. doi: 10.3390/land11122250 - Li Sh. et al. // iMeta. 2023. e103. https://doi.org/10.1002/imt2.103 4.1. Характеристика колонок торфяных отложений в ходе проведения полевых работ в среднетаежной подзоне Европейской России (Государственный природный заповедник "Кивач" на западе и окрестности п. Якша на востоке), лесотундре Западной Сибири (окрестности г. Салехард). Результаты предварительного анализа торфяных колонок, отобранных в 2022 году. Выявлены голоценовые болотные отложения в Государственном природном заповеднике «Кивач», Печоро-Илычский государственном биосферном заповеднике (п. Якша) с ненарушенной стратификацией и хорошей сохранностью палеоэкологических индикаторов для реконструкций динамики климата и экосистем. Показано, что органическое вещество в сезонно талом слое почв (окрестности г. Салехард) может сохранятся в течение более 200 лет. На примере болота Тасинское (НП «Мещера) показана существенная роль пожаров и деятельности человека в формировании болотных экосистем. В ряде случаев торфяники демонстрируют меньшую восприимчивость к горению, чем ландшафт, вероятно, из-за автогенных процессов, которые поддерживают высокий уровень влажности даже во время засухи. Тем не менее, повсеместное высыхание и деградация торфяников, особенно в Европе, вероятно, повысили их уязвимость к возгоранию в последние столетия. Восстановление болотных экосистем может снижать риски возникновения пожаров на торфяниках в условиях меняющегося климата. Опубликованы статьи: -Mazei Y.A. et al. // Diversity. 2023. Vol. 15 № 3. Art. 448. doi: 10.3390/d15030448. - Sim T.G. et al. // Quaternary Science Reviews. 2023. Vol. 305. Art. 108020. doi: 10.1016/j.quascirev.2023.108020. 4.2. Характеристика торфяных почв, относимых к аллерёду, в Дарвинском государственном природном биосферном заповеднике методами радиоуглеродного датирования, спорово-пыльцевого, ботанического, ризоподного анализов. Результатам радиоуглеродного датирования и данными спорово-пыльцевого анализа подтвержден возраст погребенного органогенного горизонта 13.4–12.5 тыс.кал.л.н., что соответствует аллерёду, признаки наступления которого отмечаются во многих озерно-торфяных разрезах северо-запада России. Палинологические данные демонстрируют преобладание сравнительно сурового климата, в котором наблюдалась смена природных комплексов от северо-таёжных лесов к перигляциальным тундрам. 4.3. Результаты предварительного анализ колонок озерных отложений в южнотаежной подзоне (Дарвинский государственный природный биосферный заповедник), среднетаежной подзоне (Ладожское озеро и окрестности) и зоне смешанных лесов (озеро Глубокое, Московская область) методами радиоуглеродного датирования, рентгенофлуоресцентного сканирования, определения зольности донных отложений, спорово-пыльцевого, ботанического, ризоподного, диатомового, кладоцерного и хирономидного анализов. В южнотаежной подзоне интенсивные процессы заболачивания начались в раннем голоцене и проходили в перигляциальных обстановках под воздействием интенсивного выветривания. Общая тенденция развития болотной экосистемы была направлена к снижению поверхностной влажности. В среднетаежной подзоне в донных отложениях крупнейшего пресноводного озера Ладожское выявлены обильные сообщества субфоссильных раковинных. В зоне смешанных лесов показано интенсивное прибрежное заболачивание непроточного оз. Глубокое (Московская обл.) в позднем голоцене на фоне нестабильного уровня водоема. 5.1. Характеристика локальной поливариативности хода сукцессионного процесса заболачивания в северной тайге Европейской России (болото «Водопроводное» в окрестностях Беломорской биологической станции МГУ и торфянмк из окрестностей г. Апатиты) и в зоне смешанных лесов Восточно-Европейской равнины (болото «Верхозимское» в Государственном природном заповеднике «Приволжская лесостепь» и болото «Столбовое» в Мордовском Государственном природном заповеднике) методами радиоуглеродного датирования, определения зольности торфа, спорово-пыльцевого, ботанического, ризоподного анализа торфа. Показано, что болота на Кольском полуострове начала заболачиваться намного раньше болот лесной зоны Восточно-Европейской равнины, что обусловлено климатическими и геоморфологическими условиями. Отмечания широкая поливариативность динамики экосистем, связанная с продолжительностью эвтрофных и мезотрофных стадий, которые были короче в южных болотах. 6.1. Обобщенная база данных (обучающей выборки) и новая калибровочная модель, описывающая зависимость между функциональными признаками и видовой структурой сообществ раковинных амеб, с одной стороны, и поверхностной влажностью болот, с другой для Восточной Европы, Западной и Средней Сибири. Результаты моделирования свидетельствуют о том, что точность предсказания полученных моделей на функциональных признаках, оказалась немного ниже, чем при использовании таксономических признаков. Однако, полученные результаты демонстрируют, что существенное сокращение информации о сообществе (с таксономического до функционального состава), приводит лишь к незначительному сокращению качества калибровочной модели, что позволяет расширить применимость ризоподного анализа. Многочисленные пожары, возможно связанные с деятельностью человека, играли существенную роль в развитии болот и окружающих ландшафтов. Для всех болот отмечено снижение поверхностной влажности в ходе развития.

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".