Проект: Исследование закономерностей функционирования трофических цепей в меромиктических озерах

Проект: Исследование закономерностей
функционирования трофических цепей в
меромиктических озерах
Руководитель проекта: к.б.н., доцент Задереев Егор Сергеевич
Исполнитель: Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и
научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в
рамках реализации мероприятия № 1.2.2 Проведение научных
исследований научными группами под руководством кандидатов наук
Цель проекта:
Получение новых знаний о функционировании
трофических цепей стратифицированных
меромиктических озер и последующее использование
полученных закономерностей и разработанных
математических моделей для анализа динамики водных
экосистем, оценки последствий антропогенных или других
воздействий.
Цель первого этапа выполнения НИР
Обобщение и анализ данных прошлых лет, планирование
и организация полевых работ, написание аналитического
обзора.
Задачи первого этапа:
 Анализ данных прошлых лет по сезонной динамике и вертикальному
распределению компонентов трофической цепи в выбранных
экосистемах (меромиктические озера Шира и Шунет) и
закономерностям переноса органического вещества. Анализ
необходим для разработки блок схем трофических цепей,
планирования дальнейших экспериментов и отборов проб.
 Разработка блок схем трофических цепей различной сложности для
последующего моделирования. Необходимы для разработки
математических моделей и планирования эксперитментов.
 Разработка системы подводного видеонаблюдения с лазерным
детектором для автоматической регистрации частиц в размерном
диапазоне 0.4 – 2 мм (зоопланктон различных размерных фракций).
Система необходима для анализа вертикальных распределений
зоопланктона. Кроме того, подобная система является разработкой,
которая может быть запатентована и использована для широкого круга
задач в мониторинге водных экосистем.
Команда проекта
Объекты исследования
Меромиктические озера
Шира и Шунет
Озеро Шира
Меромиктические озера
являются наиболее
перспективными для
исследования механизмов
формирования вертикальных
неоднородностей живого в
водных экосистемах, а также
функционирования
трофической сети в условиях
стратифицированного
распределения физикохимических факторов среды.
Озеро Шунет
Выполнен аналитический обзор мировой литературы
посвященной динамике компонентов трофических цепей в
меромиктических озерах
Наиболее исследованной в экосистеме меромиктических озер
является экология микробных сообществ хемоклина.
Данные по вертикальным распределениям фито- и
зоопланктона достаточно редки.
Максимум хлорофилла чаще всего, либо совпадает с пиком
развития бактериальных сообществ в хемоклине, либо
наблюдается в зоне пространственных неоднородностей
температуры (термоклин).
Во многих меромиктических озерах наблюдается схожая
картина глубинного максимума биомассы зоопланктона
Наиболее логичное объяснение подобного поведения связано с
возможностью использования хемогетеротрофной продукции
хемоклина при недостатке оксигенной продукции в водной толще,
Немногочисленные исследования и прямые оценки показывают,
что эффективность ассимиляции продукции микробного
сообщества хемоклина зоопланктоном низка.
В качестве посредника между продукцией хемоклина и
высшими звеньями трофической цепи в меромиктических озерах
могут выступать сообщества инфузорий и флагеллят.
Вопрос о связи между хемоавтротрофной продукцией
хемоклина и трофической цепью оксигенной толщи
меромиктических озер остается отрытым.
Мало исследованной темой остается и роль бентосных
сообществ в функционировании трофических цепей
меромиктическихз озер.
Выполнен анализ данных прошлых лет по сезонной динамике и
вертикальному распределению компонентов трофической цепи в
выбранных экосистемах (меромиктические озера Шира и Шунет) и
закономерностям переноса органического вещества
Озеро Шира
Изоплеты численностей
фототрофных аноксигенных
бактерий в оз. Шунет.
Цифрами обозначены
численности × 106 кл мл-1.
Озеро Шунет
Изоплеты численности пурпурных серных
бактерий в хемоклине оз. Шира в период
2002–2009 гг. Цифрами обозначена
численность × 105 кл мл-1. Стрелками
отмечены заглубления редокс-зоны,
наблюдаемые в зимние периоды
Инфузории и фитофлагелляты
Вертикальное распределение численности пурпурных серных бактерий (PSB), кислорода
(oxygen), сероводорода (hydrogen sulphide), фитофлагеллят (cryptomonas) и инфузорий (ciliates)
в термоклине озера Шунет. Данные 2005 года.
Фитопланктон
Амфиподы
Корреляция
между глубиной
термоклина (the
depth of the
thermocline) и
средней
глубиной
нахождения
популяции G.
lacustris (the
average depth) в
пелагиали озер
Шира и Шунет.
Данные 20052009 гг.
Формирование вертикальных неоднородностей в
распределении фитопланктона в озера Шира с
развитием летней температурной стратификации.
Типичная картина летней
стратификации водной
толщи в озерах Шира и
Шунет. Физико-химические
параметры (температура
(t), соленость (Sal),
концентрация кислорода
(DO), редокс
потенциал(Eh)).
Биологические параметры
(пурпурные серные
бактерии (PSB), синезеленые (Lyngbia) и
зеленые (Dictyosphaerium
spp.) водоросли,
амфиподы Gammarus
lacustris (Gammarus),
фитофлагелляты
(Cryptomonas spp.) и
инфузории (ciliates).
Физико-химическая стратификация двух исследуемых озер различается в
первую очередь из-за разницы в средней и максимальных глубинах, а также
различной солености.
Озеро Шира
В озере Шира, более глубоком и менее соленом водоеме, глубина хемоклина
варьирует.
Оксигенная толща озера в летнее время испытывает температурную
стратификацию и разделена на три слоя изолированных хемоклином от
монимолимниона: теплый эпилимнион, металимнион (зона, где падение
температуры превышает 1oC на метр), и оксигенный гиполимнион.
Хемоклин озера, как и многих меромиктических озер, населен бактериальным
сообществом, состоящим из пурпурных серных бактерий и гетеротрофных
бактерий.
Распределение фитопланктона неравномерно, с пиком биомассы в
металимнионе.
Распределение зоопланктона также неравномерно, с пиком биомассы
коловраток и молодых копепод в теплом эпилимнионе и взрослых копепод в
холодном оксигеном гиполимнионе.
Амфиподы, которых можно отнести к высшему трофическому звену в экосистеме
озера, также распределены неравномерно с максимумом численности в
термоклине.
Мы полагаем, что в озере Шира бактериальное сообщество хемоклина не
является существенной частью трофической цепи.
Физико-химическая стратификация двух исследуемых озер различается в
первую очередь из-за разницы в средней и максимальных глубинах, а также
различной солености.
Озеро Шунет
В озере Шунет хемоклин находится на глубине 5 метров и в отличие от озера
Шира его позиция постоянна.
Хемоклин населен сверх плотным бактериальным сообществом, популяцией
фитофлагеллят и сообществом инфузорий.
Вертикальное распределение фито- и зоопланктона однородно.
Амфиподы имеют тенденцию концентрироваться в узком слое шириной 1-2
метра над хемоклином.
Трофические взаимоотношения в озере Шунет частично отличаются от
таковых в озере Шира. Мы предполагаем, что важную роль в трофической
цепи имеют бактериальное сообщество, фитофлагелляты и сообщество
инфузорий населяющие хемоклин.
В целом, несмотря на ряд исследований отдельных биологических звеньев
в этих озерах наши знания о трофических взаимоотношениях, их
интенсивности и потоках вещества и энергии крайне фрагментарны.
Характер взаимоотношений между различными звеньями трофической цепи
в двух озерах, их интенсивность и обоснованность высказанных выше
гипотез и предполагается оценить в рамках реализуемого проекта.
Разработана блок схема трофических цепей в экосистемах озер
Шира и Шунет для последующего моделирования.
Обобщенная блок-схема трофических цепей меромиктических о. Шира и Шунет.
Прямоугольники – динамические переменные блок-схемы. Черные стрелки –
рассматриваемые экосистемные процессы и явления. Белые стрелки - взаимодействия
между компонентами трофической цепи.
Разработана принципиальная схема и экспериментальный
прототип системы подводного видеонаблюдения с лазерным
детектором.
Общий вид разработанной
системы подводного
видеомониторинга с
лазерной детекцией
частиц.
Система подводного видеомониторинга с лазерной
детекцией частиц (а). 1 – цветная видеокамера высокого
разрешения в водонепроницаемом боксе; 2 – лазерные
плоскости; 3 – детектируемые частицы; 4 – поле видимости
видеокамеры; 5 – линейные лазерные модули. б)
прохождение частицы через лазерные плоскости во время
сканирования. в) изменение яркости и цветности во время
трейсирования исследуемых частиц на экране монитора.
Выполнение целевых индикаторов и
показателей Программы
Количество публикации авторов- членов научного коллектива
 Публикации в высокорейтинговых российских и зарубежных журналах – 1
Шатилина Ж.М., Губанов М.В., Задереев Е.С., Павличенко В.В., Аксёнов-Грибанов Д.В.,
Сапожникова Е.А., Протопопова М.В., Бедулина Д.С., Тимофеев М.А. Сравнительное
исследование клеточных механизмов термоустойчивости у представителей популяций
Gammarus lacustris Sars, населяющих солёное озеро Шира (республика Хакасия) и пресный
водоем Прибайкалья // Доклады академии наук, 2010, том 434, № 6, с. 846–849
 Тезисы – 4
Полученные за отчетный период главные результаты: в виде объектов учета единого
реестра результатов научно-технической деятельности (РНТД)
Анализ (обобщение, сбор данных) - соответствует мировому уровню
Оборудование (оснастка, приспособление) - результат превосходит мировой уровень
Участие в работе конференций
 Международная конференция «Проблемы экологии». Чтения памяти профессора Михаила
Михайловича Кожова (Иркутск, Россия)
 16-ый международный симпозиум по амфиподам (Севилья, Испания)
 4-ая международная научная конференция, посвященная памяти профессора Г.Г.
Винберга "СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ГИДРОЭКОЛОГИИ" (Санкт-Петербург, Россия)
 31-й Конгресс Международного Лимнологического Общества (SIL) (Кейптаун, ЮАР)
Страница проекта на сайте
Сибирского федерального университета
Адрес страницы: http://bio.sfu-kras.ru/meromictic
Создана страница проекта включающая:
 Основную информацию о проекте
 Список исполнителей проекта и их резюме
 Видеоматериалы, иллюстрирующие работу по проекту