![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
При трансформации морских акваторий в пресноводные (в результате природных процессов или при строительстве гидротехнических сооружений) происходит полная перестройка экологической структуры водоема. На промежуточных этапах водоем может приобретать черты меромиктического, с устойчивой вертикальной стратификацией, резкими физико-химическими градиентами и с экосистемой, отличной от исходной морской и конечной пресноводной. Наиболее известные морские меромиктические водоемы - Черное море и оз. Могильное на о. Кильдин (Баренцево море). Их структура включает несколько слоев: верхний с пониженной соленостью вплоть до полного опреснения, средний аэробный и нижний соленый анаэробный. В зоне контакта аэробной и анаэробной зон находится хемоклин с резкими физико-химическими градиентами. Понимание причин возникновения хемоклина и его динамики важны для прогнозирования экологической ситуации в водоеме и планирования хозяйственной деятельности. Побережье Белого моря – уникальный регион, где в результате продолжающегося постгляциального поднятия морского дна и особенностей рельефа находится множество водоемов, в разной степени изолированных от моря. Малые размеры и устойчивая стратификация беломорских отделяющихся водоемов делают их удобными объектами для изучения и моделирования. Для определения направлений и факторов эволюции водоема при его изоляции от моря впервые предлагается комплексное исследование меромиктических озер на разных стадиях отделения от Белого моря. Построенный из них типологический ряд отражает хронологию трансформации гидрологической системы и экологических сообществ, и, таким образом, позволяет реконструировать эволюцию водоема и прогнозировать дальнейшее развитие. Данный проект включает: 1) исследование физико-географических, геологических и других условий их формирования, 2) организацию гидрологического, гидрохимического и гидробиологического мониторинга, изучение многолетней, сезонной и синоптической изменчивости; 3) выявление типовых черт и особенностей разных водоемов, 4) реконструкцию эволюции водоема при его изоляции от моря. Научная новизна состоит в реконструкции эволюции водоема по типологическому ряду водоемов на разных стадиях трансформации. Для получения комплексной картины будут объединены усилия гидрологов, гидрохимиков, биологов и физиков, что позволит изучить экологическую структуру водоемов как результат взаимодействия биотических и абиотических факторов, эволюционирующих как единое целое. Впервые в истории изучения меромиктических водоемов будет сделана оценка вклада биотических факторов в формирование стратификации водоема. В ходе исследования будут разработаны новые методы отбора и исследования проб воды: 1) оригинальный многошприцевой пробоотборник для тонкого анализа вертикальной структуры сообщества микроорганизмов; 2) определение состава фототрофных организмов с применением спектрофотометрии и спектрофлуориметрии; 3) определение видового состава биоты с применением технологии полногеномного секвенирования. Фундаментальным итогом проекта станет функциональная модель эволюции водоема при его отделении от моря, не имеющая аналогов. Результаты будут использованы для прогнозирования экологических последствий изоляции морских акваторий при строительстве гидротехнических сооружений.
When marine areas transform to freshwater water bodies (as a result of natural processes, or by the construction of hydraulic structures) its ecological structure is completely changes. During the intermediate stages of the sea bay evolution it can acquire signs of meromyxis, with a stable vertical stratification, sharp physical and chemical gradients. It's ecosystem is different from the original marine and final freshwater ones. The most famous maritime meromictic water bodies are the Black Sea and the Lake Mogil'noe on the Kildin island (Barents Sea). They consist of several layers: the top layer of low salinity or completely fresh, middle salt aerobic and lower anaerobic layers. In the interface of anaerobic and aerobic zones chemocline with harsh physico-chemical gradients is situated. To predict the environmental situation in the area, and business planning understanding of the causes of chemocline formation and its dynamics are important. The coast of the White Sea is a unique region, where there are many water bodies partly or completely isolated from the sea as a result of the ongoing postglacial uplift of the seabed. The small size and stable stratification of the swparating bays make them convenient objects for studying and modeling. To determine the trends and factors of evolution comprehensive study of coastal meromictic lakes at different stages of separation from the White Sea is proposed for the first time. Typological series of the lakes describes the history of hydrological transformation, sucsession of ecological communities, and thus allows you to reconstruct the evolution of the reservoir and predict further development. This project includes: 1) investigation of the physico-geographical, geological and other features of the separated aqatoria, 2) organization of hydrological, hydro-chemical and hydro-biological monitoring, and follwing study of long-term, seasonal and synoptic variability; 3) identification of typical features and peculiarities of different separated aqatoria, 4) reconstruction of the evolution of the reservoir when it is isolated from the sea. Scientific novelty: reconstruction of the evolution of the reservoir on the typological series of reservoirs at different stages of transformation. To get a comprehensive view efforts of hydrologists, hydrochemists, biologists and physicists will be combined, which will examine the ecological structure as a result of the interaction of biotic and abiotic factors, evolving as a whole. For the first time in the history of the study of meromictic reservoirs contribution of biotic factors to stratification is assessed. New methods of sampling and analysis of water samples will be developed: 1) original multisyringe sampler for fine analysis of the vertical structure of microbial communities; 2) determination of the composition of phototrophic organisms using spectrophotometry and spectrofluorometry; 3) determination of the species composition of biota using genome-sequencing technologies. The fundamental result of the project will be a functional model of the evolution of the reservoir when it is separated from the sea, which has no analogues. The results will be used to predict the environmental effects of the isolation of sea areas in the construction of hydraulic structures.
База данных, включающая батиметрические карты пяти водоемов, гидрологические профили, сведения о морфологии водоемов, водном балансе, кислородном режиме, гидрохимические данные, данные по планктону, бентосу и микроорганизмам. В первый год работы будет начато составление базы данных, внесены данные за предыдущие годы и новые данные, полученные в ходе полевого сезона. ГИС-кадастр прибрежных водоемов на разных стадиях изоляции от Белого моря. Схемы вертикальной стратификации в разные сезоны с выделением границ и физико-химических особенностей разных водных масс во всех изученных водоемах. Оценка устойчивости стратификации. Описание годовых гидрологических циклов и многолетних трендов. В первый год работы будет выполнен анализ данных, полученных участниками проекта в предыдущие годы. Сконструирован новый многошприцевой пробоотборник для анализа тонкой структуры хемоклина. В первый год работы он будет сконструирован и испытан и, в случае необходимости доработан). Новый метод оценки вклада бактерий с разным пигментным составом при их совместном присутствии. Этот метод будет разработан и апробирован в первый год работы по проекту. Новый метод экспресс-определения доминирующих групп фотосинтезирующих микроорганизмов в слоях с выраженной цветностью. Этот метод будет разработан и апробирован на пробах из разных водных масс беломорских соленых стратифицированных водоемов в первый год работы по проекту. Подтверждение или опровержение гипотезы о сезонной изоляции водоемов, которые в летнее время подвержены приливно-отливным забросам морской воды. Сезонная изоляция может объяснить некоторые особенности водоемов, например – повышенную соленость придонной водной массы и возможность зимней аноксии, которая может служить причиной обеднения сообществ живых организмов. Списки массовых видов планктонных организмов, включая фитопланктон и простейших, оценка таксономической принадлежности и обилия фоторофных бактерий, отдельно для разных водных масс в каждом водоеме. Возможно нахождение видов, новых для Белого моря и для науки. В первый год работы будут получены диаграммы распределения некоторых видов планктона, проанализирована их сезонная динамика за один год, начата работа по полногеномному секвенированию. Карты распределения массовых видов бентоса и полные списки фауны донных беспозвоночных для каждого водоема. Выделены сообщества, соответствующие разным водным массам. Состав сообществ может зависеть не только от характера грунта, солености, температурного режима и гидрохимических особенностей слоя воды, с которым контактируют организмы, но и от предыстории водоема – исходной морской фауны, способа отделения водоема от моря, стадии его эволюции. Полученные данные позволят реконструировать сукцессию при отделении водоема от моря и переходе в состояние пресноводного озера. В первый год работы по проекту будет подробно исследован бентос двух водоемов: озера Кисло-Сладкого и лагуны на Зеленом мысу, составлены карты распределения прибрежного бентоса, изучено распределение бентоса по вертикали. Молекулярно-генетическими методами будет уточнена видовая принадлежность некоторых бентосных и планктонных организмов. Возможно выявление видов-двойников, прежде не отмеченных в Белом море и даже новых для науки. В первый год работы будет выполнено определение видовой принадлежности некоторых брюхоногих моллюсков, многощетинковых червей и инфузорий. Проверена гипотеза об отрицательном влиянии на бентос цветения некоторых видов перидиниевых водорослей в лагуне на Зеленом мысу и положительном влиянии слоя с цветением криптофитовых водорослей Rhodomonas sp. в оз. Кисло-Сладком. Функциональная модель экосистемы для каждого водоема, учитывающая гидрологическое зонирование и сообщества, соответствующие разным водным массам. Схема гидролого-гидрохимической эволюции водоема при его отделении от моря. Схема экологической сукцессии бентоса. Будут выявлены виды-индикаторы разных стадий изоляции. Результаты исследований будут доложены не менее, чем на десяти конференциях, в том числе в первый год работы – не менее, чем на двух. Общее число планируемых докладов – 15, из которых в первый год – 5. Публикации в ведущих высокорейтинговых отечественных и зарубежных журналах: не менее десяти статей в рецензируемых изданиях, в том числе три в изданиях их списка ВАК и индексируемых в Web of Science и Scopus. Новые главы спецкурсов, читаемых на физическом, биологическом и географическом факультетах МГУ имени М.В. Ломоносова.
Для работы над проектом сложился и успешно работает над решением задач междисциплинарного характера коллектив ученых различных специальностей, сотрудников нескольких факультетов МГУ имени М.В. Ломоносова и институтов Академии Наук. Получен целый ряд оригинальных фундаментальных результатов, в рамках выполненных и действующих инициативных проектов РФФИ. За период с 2012 по 2015 гг. было организовано 9 экспедиций по аналогичной тематике, результаты которых доложены на пятнадцати конференциях и опубликовано более трех десятков работ (с частью из них можно познакомиться на сайте Беломорской биостанции в разделах «Комплексные исследования водоемов, отделяющихся от моря» за 2004-2013 гг., 2013 г. и за 2014-2015 гг.). Исследуемые озера стали уникальными объектами, где проводится регулярный гидрологический и гидробиологический мониторинг. Впервые выполнена инвентаризация стратифицированных водоемов на западном побережье Белого моря, проведены измерения температуры, солености, содержания кислорода, концентрации некоторых биогенных элементов, цветности и прозрачности, содержания сероводорода и сульфатов. Впервые проведено подробное исследование пространственной изменчивости гидрологических характеристик – температуры, солености и электропроводности воды, получена связь с морфометрическими особенностями водоемов. В результате подробного исследования зимнего режима стратифицированных озер с помощью высокоточных геодезических измерений определены их высотные отметки и гидрографические характеристики. На основе полученных данных создан ГИС-проект и начата работа над каталогом озер. Ледяной покров и процессы деструкции органических веществ, содержащихся в воде этих озер, приводят к резкому уменьшению содержания кислорода уже на глубине 1 м и возникновению гипоксии в озерах в конце зимнего сезона. Минерализация и солевой состав воды этих озер меняется по вертикали.
На побережье Белого моря в результате постгляциального поднятия берега образовалось множество водоемов, в разной степени изолированных от Белого моря. В общей сложности выявлено более двух десятков водоемов, еще сохранивших связь с морем. Рассматривая их как последовательные стадии изоляции можно реконструировать ход гидрологической и экологической эволюции водоема. С этой целью на базе Беломорской биостанции МГУ были организованы комплексные исследования с участием гидрологов, гидробиологов, гидрохимиков и физиков, к которым, кроме участников проекта, были привлечены коллеги из других учреждений, а также студенты и аспиранты нескольких факультетов МГУ. Составлена база данных, собранных с 2010 года, с гидрологическими, гидрохимическими, гидробиологическими, геодезическими и картографическими материалами о 37 водоемах, сформирована ГИС. Проведены натурные обследования 19 водоемов, в том числе найдено 5 новых. По данным многолетнего мониторинга с учетом новых данных, полученных в ходе 16 экспедиционных выездов, описаны особенности их гидрологических циклов, последовательность в типологическом ряду по степени изоляции, отслежены сезонные и многолетние изменения в вертикальной структуре, распределение планктона и состав бентоса. Охарактеризованы основные сообщества донных беспозвоночных 13 водоемов на разных стадиях изоляции, их пространственное распределение в прибрежной зоне и по глубинам. Определены основные закономерности изменений в составе сообществ макрозообентоса на разных этапах изоляции от моря. Для уточнения систематической принадлежности беспозвоночных из изолированных озер к 25 видам были применены молекулярно-генетические методы с использованием митохондриальных и ядерных генов. 24 вида оказались обычными и идентичны обитающим на соседних морских акваториях. В лагуне на Зеленом мысе обнаружена мшанка Bowerbankia caudata, генетически отличающаяся от представителей этого вида из моря; согласно генетическим данным, это новый для окрестностей ББС МГУ вид. Для экспресс-оценки состава автотрофных организмов разработаны новые методы, включая спектрофотометрический метод определения преобладающих пигментов фотосинтеза в экстрактах из проб; метод определения вклада разных форм аноксигенных фоторофных бактерий в общий пул бактериохлорофилла по спектрам флуоресценции; метод определения концентрации хлоросомного бактериохлорофилла по спектрам поглощения клеток зеленых серобактерий в пробах природной воды без экстрагирования пигментов. Изучено вертикальное распределение фототрофов в изучаемых водоемах в разные сезоны, включая зимний. Сконструировано оригинальное устройство для отбора проб воды в условиях резких градиентов с шагом 2,5 см, которое отличается от аналогов большей дробностью, меньшим объемом каждой пробы и иным принципом подачи усилия для раскрывания шприцов. Обнаружена последовательная смена нескольких сообществ микроорганизмов по вертикали в пределах 10-сантиметрового слоя в хемоклине. Выполнен метагеномный анализ эукариотической микробиоты двух меромиктических водоёмов; проанализированы параметры α- и β-разнообразия. Несмотря на схожесть экологических характеристик слоёв одного типа в разных водоёмах, по видовому составу протистов они существенно различаются. Сходство выявлено только у соседних слоев в пределах одного водоема.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Эволюция водоемов морского происхождения при их изоляции от моря |
Результаты этапа: В соответствии с заявленным планом работ на первый год работы по проекту № 16-05-00548 «Эволюция водоемов морского происхождения при их изоляции от моря» в 2016 году была собрана база данных, полученных в результате наблюдений в предыдущие годы. База данных содержит сведения о температуре, солености, содержании кислорода, pH, окислительно-восстановительном потенциале, условиях освещенности, параметрах фотосинтеза, органолептических свойствах воды, распространении сероводорода по вертикали от поверхности до дна и о концентрации биогенных элементов, размерные характеристики водоемов, абсолютные отметки уровня льда и воды. В базу данных внесены материалы 353 съемок, выполненных в 32 водоемах, в разной степени изолированных от моря, и 12 съемок на соседних морских акваториях за период с 2010 по 2016 гг. В том числе 82 станций, выполненных в 2016 году в рамках данного проекта. Наиболее полные ряды данных за 6 лет, охватывающие все сезоны, имеются для лагуны на Зеленом мысе (68 съемок), оз. Кисло-Сладкого (81 съемка), оз. Елового (20 съемок), оз. Нижнего Ершовского (20 съемок) и оз. Трехцветного (51 съемка). По данным мониторинга пяти наиболее исследованных водоемов определены особенности их гидрологических циклов, кислородный режим, уточнена их последовательность в типологическом ряду по степени изоляции от моря. Выявлены изменения в вертикальной структуре после большого заброса морской воды и прослежено ее постепенное восстановление на протяжении нескольких лет. В двух водоемах выявлен тренд к повышению максимальной температуры, наметились изменения в стратификации водоемов и биоте, предположительно, сопряженные с повышением температуры. Определен перечень параметров, необходимых для дальнейшего мониторинга водоемов. Результаты мониторинга доложены на конференциях «Морские исследования и образование» в ИО РАН, Ледовые и термические процессы на водных объектах России» в г. Владимир, «Природные ресурсы и комплексное освоение прибрежных районов Арктической зоны, г. Архангельск, «Природное и культурное наследие Белого моря: перспективы сохранения и развития» в п. Чупа, на IV естественно-научных чтениях им. академ. Ф.П. Саваренского (г. Гороховец) и на семинаре «Междисциплинарные исследования меромиктических водоемов, отделяющихся от Белого моря» в Институте микробиологии РАН, опубликованы в виде главы в монографии «Комплексные исследования Бабьего моря, полу-изолированной беломорской лагуны: геология, гидрология, биота — изменения на фоне трансгрессии берегов» и в сборниках материалов соответствующих конференций. Новый водоем, впервые описанный в 2016 году в ходе выполнения проекта Летом 2016 г. в ходе полевых работ по проекту был обследован новый водоем, частично изолированный от Белого моря –оз. Вонючее (Пулонгское) на южном берегу губы Чупа. Интересная и важная для дальнейших исследований особенность озера Вонючего – соседство красной прослойки с криптофитовыми жгутиконосцами Rhodomonas sp., раположенной в верхней части хемоклина, с зеленым слоем из аноксигенных серобактерийи Chlorobium, что делает его перспективным для изучения трофических отношений между миксотрофными криптофитовыми жгутиконосцами и бактериями, и передачи продукции аноксигенного фотосинтеза в более высокие трофические уровни, в том числе зоопланктону, для которого Rhodomonas является привлекательной пищей. Результаты исследования этого водоема доложены на семинаре «Междисциплинарные исследования меромиктических водоемов, отделяющихся от Белого моря» в Институте микробиологии РАН. Изготовление нового пробоотборника для изучения мелкомасштабного вертикального распределения микроорганизмов в толще воды К полевому сезону 2016 года участником проекта Д.А. Воронова было сконструировано оригинальное устройство для отбора проб воды в условиях резких градиентов с шагом 2,5 см. Пробоотборник состоит из металлической рамы, в которой закреплены 15 шприцов объемом 5 мл таким образом, чтобы отверстия находились на расстоянии 2,5 см друг от друга. Полевые испытания показали, что пробоотборник работает надежно. С его помощью было отобраны 2 серии проб в оз. Нижнем Ершовском и оз. Трехцветном для изучения тонкого распределения микроорганизмов в хемоклине. Мелкомасштабное распределение микроорганизимов в хемоклине В оз. Нижнем Ершовском и оз. Трехцветном в пределах слоя 30 см выявлены различия в распределении простейших и бактерий. Обнаруженные микроорганизмы делятся на три группы: 1) строгие аэробы, обитающие значительно выше границы окислительно-восстановительных условий. Сюда относятся криптофитовые жгутиконосцы Cryptomonas sp., два вида инфузорий (sp.1 и sp.4), зеленые жгутиконосцы и мелкие кокки-цианобактерии, 2) организмы, приуроченные к редокс-границе (эвгленовые жгутиконосцы и инфузории sp.2) и 3) анаэробные организмы (инфузории sp. 3 и зеленые серные бактерии Chlorobium). Зоны обитания этих групп практически не перекрываются, что удалось узнать только благодаря дробному отбору проб с шагом 2,5 см. При традиционном отборе проб насосом организмы, обитающие на расстоянии 10 см друг от друга, оказались бы в одной пробе, что создает иллюзию совместного обитания. Благодаря новому пробоотборнику удалось определить точное положение границы аэробного и анаэробного сообществ микроорганизмов на глубине 2,025 м. Оценка вклада бактерий с разным пигментным составом при их совместном присутствии Разные слои воды в исследуемых озерах - опресненный поверхностный слой, соленый аэробный, окрашенные слои в хемоклине и анаэробная нижняя водная масса - существенно отличаются по спектрам поглощения и флуоресценции фотосинтетических пигментов фототрофных микроорганизмов. Освоен метод определения их примерного состава и количественной оценки обилия по спектрам поглощения проб воды и экстрактов фильтратов. В рамках данного проекта был разработан метод раздельного определения зеленых серных бактерий с зеленой окраской, которые содержат бактериохлорофилл e, и коричневоокрашенных зеленых и серобактерий с бактериохлорофиллом d в смешанной культуре путем разложения спектра испускания флуоресценции: в области 740-770 нм на две гауссианы с максимумами на 765 и 745 нм. На глубинах с максимальной концентрацией зеленых серных бактерий в оз. Трехцветном и Н. Ершовском преобладают присутствует только зеленоокрашенная форма (98,0 ± 2,0) %. В озере Кисло-Сладком на глубине 3 м количество зеленоокрашенных и коричневоокрашенных бактерий было примерно одинаковым – (50,0 ± 4,7) %, а в лагуне на Зеленом мысу и оз. Еловом преобладали коричневоокрашенные (61,0 ± 2,8) % и (61,7 ± 2,5) % соответственно. С увеличением глубины доля коричневоокрашенных зеленых серных бактерий возрастала, поскольку коричневоокрашенным для осуществления процесса фотосинтеза нужно меньше света. Результаты этого исследования доложены на 2 конференциях и опубликованы в журнале «Proceedings of SPIE». Изучение распределения и динамики микроорганизмов Проведены исследования сообщества аноксигенных фототрофных бактерий в толще оз.Кисло-Сладкого. В хемоклине обычно преобладали зеленоокрашенные зеленые серные бактерии. На сезонную цикличность сукцессионных процессов в некоторые зимние периоды накладываются промывки водоема свежей морской водой, что совокупно определяет сукцессию микробного сообщества. Промывка водоема в результате сильного нагона, происшедшего осенью 2011 года, привела к перестройке сообщества аноксигенных фототрофных бактерий, и ее последствия продолжали наблюдаться вплоть до осени 2013 г. Зимой 2013 г. в силу стагнации, подледная вода оказалась мутной, что явилось причиной как доминирования коричневых форм зеленых серных бактерий, так и изменения соотношения видов пурпурных серобактерий в анаэробной толще. Определена продукция аноксигенного фотосинтеза. В сентябре 2012 г. она оставляла не менее 240 мг С м–2 сут–1, в марте–апреле – 0–20 мг С м–2 сут–1, что соответствовало 40 и 69% от оксигенного фотосинтеза в озере. Результаты опубликованы в журнале «Микробиология». Полногеномное секвенирование С целью определения таксономического состава сообществ микроорганизмов из разных слоев стратифицированных водоемов, отделяющихся от Белого моря, был собран материал для полногеномного секвенирования. Из основных слоев в пяти озерах отобраны пробы воды и профильтрованы на фильтрах с диаметром пор 1,5 мкм (Whatman GF/A Glass microfibre filters Cat# 1820-047) для улавливания эукариотических клеток и 0,22 мкм (Millepore, TYPE GSWP) для прокариот. Фильтры были заморожены и переданы в лабораторию молекулярной биологии ББС МГУ для выделения ДНК и последующего анализа в отделе эволюционной биохимии факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ. Анализ изотопного состава кислорода и водорода Исследованы изотопные особенности оз. Трехцветного, которое характеризуется наиболее устойчивой стратификацией, за четырехлетний период с 2012 г. по 2015 г. в зимний и летний периоды. По изотопному профилю в толще воды выделены 3 зоны: 1) 0–1 м – миксолимнион, где значения ?18О и ?D наиболее отрицательные (?18О варьирует от –12 до –11.1‰); 2) 1–3 м – переходная зона с ?18О от –11.1 до –5.5‰; 3) 3.0–7.6 м – монимолимнион с наиболее высокими значениями ?18О от –5.5 до –4.7‰. Здесь же зарегистрированы аномально высокие значения ?D (достигающие в зоне монимолимниона 2446‰), что, возможно, обусловлены попаданием в водоем снизу дейтерированных флюидов глубинных пластовых вод или бактериальным фракционированием путем избирательного поглощения микроорганизмами протия. Результаты опубликованы в журнале «Водные ресурсы». Изотопный анализ для изучения трофических отношений Для оценки степени автономности сообществ в разных слоях стратифицированных водоемов и определения пищевых взаимоотношений между автотрофными микроорганизмами, в том числе аноксигенными фототрофами, и беспозвоночными в соленых меромиктических озерах, отделяющихся от Белого моря, путем сравнения состава стабильных изотопов углерода и азота, в 2016 г. отобраны образцы основных экологических группировок организмов: бентоса (более 20 видов), микропланктона эукариотической и бактериального размерных групп, взвеси, детрита из разных слоев четырех водоемов, а также из морских местообитаний и образцы живых организмов и растительных остатков из прибрежных сухопутных биотопов. Содержание изотопов предполагается определить но изотопном масс-спектрометре в лаборатории почвенной зоологии и общей энтомологии Института проблем экологии и эволюции РАН. Изучение сообществ донных беспозвоночных Охарактеризованы основные сообщества донных беспозвоночных во всех изучаемых водоемах (озера Кисло-Сладкое, Трехцветное, Еловое, Нижнее Ершовское, лагуна на Зеленом мысу), показано их пространственное распределение и основные как в прибрежной зоне, так и по глубинам; и составлены карты сообществ для дальнейшего мониторинга. Разработаны методика и схема отбора проб дальнейшего мониторинга состояния макрозообентоса в изучаемых водоемах и на контрольных (фоновых) станциях. Собраны и переданы для генетического анализа все массовые формы донных беспозвоночных из изучаемых водоемов, а также уникальные для этих местообитаний формы, включая виды с затрудненной видовой идентификацией (новый вид мшанок, трудноразличимые формы асцидий, виды-двойники приапулид и многощетинковых червей). Выбраны основные виды-биоиндикаторы для каждого водоема, для которых помимо традиционных количественных характеристик (плотность поселения, биомасса) начат сбор данных по популяционным параметрам (размерная и возрастная структура популяций). Особое внимание уделяется брюхоногому моллюску Hydrobia ulvae в озере Кисло-Сладком и лагуне на Зеленом мысу, а также бокоплавам Gammarus spp. в ручье, вытекающем из оз. Н. Ершовского. Охарактеризованы основные сообщества фоновых участков, используемых в качестве контрольных по отношению к отделяющимся водоемам. Результаты доложены на конференции в г. Севастополь и опубликованы во 2 томе сборника «Морские биологические исследования: достижения и перспективы». Заложены основные площадки для мониторинга прибрежной растительности изучаемых водоемов. Составлены карты распределения вида-биоиндикатора ужовника обыкновенного Ophioglossum vulgatum L. по данным за три года. Результаты доложены на семинаре «Междисциплинарные исследования меромиктических водоемов, отделяющихся от Белого моря», на конференции «Морские исследования и образование» и опубликованы в сборнике этой конференции. Подготовлена публикация для журнала. Использование материалов проекта в учебном процессе Е.Д.Красновой подготовлена и прочитана лекция о гидрологических особенностях меромиктических водоемов, истории их изучения и экологической структуре для студентов кафедры гидрологии суши географического факультета. Лекции о беломорских водоемах, отделяющихся от моря, прочитаны студентам кафедры биофизики физического факультета МГУ во время учебной полевой практики на Беломорской биостанции МГУ и студентам МФТИ на летней биологической практики на о. Среднем. Продвижение результатов исследований через СМИ и Интернет. На сайте Беломорской биостанции МГУ создан раздел, где выложены полные тексты всех публикаций, связанных с изучением беломорских отделяющихся водоемов «Комплексные исследования водоемов, отделяющихся от моря». Раздел состоит из четырех страниц, на которых в хронологическом порядке выложены публикации, вышедшие до 2004 года, с 2014 по 2013 гг., в 2014-2015 гг. и страница для публикаций, вышедших в отчетном 2016 году и на будущий 2017 гг. (http://wsbs-msu.ru/dict/view.php?ID=298). Сдана в журнал «Наука и жизнь» научно-популярная статья «Как морские заливы превращаются в озера». Семинар "Междисциплинарные исследования меромиктических водоемов, отделяющихся от Белого моря" Для обсуждения хода междисциплинарных исследований водоемов, отделяющихся от моря, в которых принимает участие большой коллектив ученых с разных факультетов МГУ им. Ломоносова и из нескольких академических институтов, организован постоянно действующий семинар, на котором участники исследований рассказывают о результатах своих работ и формулируют новые проблемы. Семинар проходит поочередно в разных институтах, которые участвуют в исследованиях: Институте микробиологии РАН, биологическом, географическом и физическом факультетах МГУ. В 2016 г. состоялось 4 заседания. | ||
2 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Эволюция водоемов морского происхождения при их изоляции от моря |
Результаты этапа: 1. Продолжение мониторинга озер. 1.1. Организация комплексных гидрологических, гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических исследований С целью комплексных гидрологических, гидрофизических, гидрохимических и гидробиологических исследований было организовано 5 экспедиционных выездов на Беломорскую биостанцию МГУ (пос. Приморский, Лоухский район, Республика Карелия): с конце января-начале февраля (работы выполнял Д.А. Воронов при сотрудничестве со группой преподавателей и студентов каф. метеорологии географического факультета МГУ и сотрудников Института физики атмосферы РАН им. А. М. Обухова РАН); в марте (участвовали Д.А. Воронов, М.В. Мардашова, С.В. Пацаева, А.В. Харчева, с привлечением студентов каф. общей физики физического факультета МГУ и научной группы из Института микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН); в июле (Д.А. Воронов, М.В. Мардашова, с привлечением к работе учебной группы кафедры физиологии растений во время их полевой практики на ББС МГУ), в конце июля-августе (Е.Д.Краснова, Д.А. Воронов, М.В. Мардашова, С.В. Пацаева, А.Д.Воронова, с привлечением сотрудников лаборатории экологического мониторинга кафедры рационального природопользования географического факультета МГУ), в сентябре (Е.Д.Краснова, Д.А. Воронов, Н.Л.Фролова, с привлечением студентов каф. гидрологии суши географического факультета МГУ и группы из Института микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН). В 2017 году благодаря этому проекту РФФИ Д.А. Воронов и М.В. Мардашова имели возможность непрерывных наблюдений за модельными водоемами до октября, что сделано впервые и дало возможность проследить переход экосистемы водоемов из летнего в осеннее состояние. 1.2. Наблюдения за гидрологической, гидрохимической и гидробиологической структурой Имеющаяся база данных о гидрологической и биологической стратификации беломорских прибрежных стратифицированных водоемов, находящихся на разных стадиях изоляции, составленная на 1 этапе выполнения проекта, пополнена данными по 11 водоемам; в общей сложности выполнено 46 станций. Особое внимание было уделено наблюдениям за гидрологической, гидрохимической и гидробиологической структурой шести модельных водоемов, по которым собран наиболее представительный и долгосрочный материал (лагуна на Зеленом мысе, оз. Кисло-Сладкое, оз. Еловое, Оз. Нижнее Ершовское, оз. Трёхцветное и оз. Большие Хруломены). Лагуна на Зеленом мысе Гидрология. Профили солености в лагуне на Зеленом мысе показывают, что водоем состоит из двух водных масс. Верхняя водная масса распространяется до глубины 2,5 м. Зимой в ней соленость повышается до величин, превышающих наблюдаемую на соседней морской акватории (до 27,1-27,7‰), а в летне-осенний период выравнивается с соседней морской (22-24‰). С глубины 3 м до дна располагается водная масса с однородной соленостью, более высокой, чем в море, и постоянной в течение года. Наблюдения 2017 года проливают свет на феномен повышенной солености нижней водной массы. Они подтверждают наши представления, основанные на наблюдениях предыдущих лет, что повышение солености происходит зимой. Возможны два механизма осолонения воды в озере – либо путем накопления рассола, который образуется при замерзании морской воды, либо за счет заброса очень соленой воды извне. Измерения солености воды по соседству в море показывают, что она никогда не превышала 26,4‰. С учетом возможности временной ледовой изоляции этого водоема, которая была зарегистрирована в прежние годы с помощью логгеров, более вероятным представляется автохтонное осолонение. Против осолонения донной водной массы путем однократного заброса очень соленой воды говорит постепенность осолонения в течение зимы. 18 января соленость верхней водной массы была 27,1‰, 6 февраля, когда поверхностный слой охладился до -1,5-1,6°С, соленость в нем возросла 27,3‰. При этом до глубины 2,5 м в воде было множество мелких ледяных игл. К 18 марта соленость увеличилась еще на 0,4 единицы (до 27,7‰). При этом в придонной воде на глубине 5 м соленость оставалась постоянной – 27,9‰. Зимнее охлаждение воды до отрицательных температур распространялось до глубины 4,5 м, начиная с 5 м температура воды в течение всей зимы оставалась положительной (+1… +1,9°С). Граница положительной и отрицательной температур служила также хемоклином, где окислительные условия сменялись восстановительными. При этом легкий запах сероводорода регистрировался выше этой границы на глубине 3 м в январе и на 4,25 м в феврале и марте. Диффузия сероводорода вверх от зоны, где он образуется, чего мы никогда не наблюдаем летом, может быть связана с отсутствием зимой выраженного слоя из аноксигенных фототрофных бактерий, которые используют сероводород для фотосинтеза и эффективно защищают от этого ядовитого вещества биоту аэробной зоны. В летнее время температура в придонном слое постепенно возрастает. В отличие от поверхностного слоя, который лучше всего прогрелся к концу июля, в придонной воде максимум температуры был достигнут в октябре. Большую часть летне-осеннего сезона стратификация в лагуне была прямой, пока в сентябре не началось охлаждение поверхностного слоя. Изогнутый профиль температуры с погруженным максимумом отмечен только осенью и связан не с избирательным прогревом на глубине, а с охлаждением поверхности. Таким образом, эффект соляного пруда в этом водоеме в 2017 г. не наблюдался. Профили pH отражают общее понижение этого показателя с глубиной. В верхней водной массе он варьирует от 7,7 до 8,9, в нижней – от 6,8 до 7,8. В июле и августе на глубине 2,5-4,5 м отмечено повышение pH на 0,2-0,4 единицы, связанное с потреблением карбонатов при фотосинтезе. В те же сроки на той же глубине зафиксировано повышенное содержание растворенного кислорода до 17-21 мг/л, что составляет 158-180% насыщения. На слой с высоким содержанием кислорода приходится максимум численности мелких зеленых кокков, видовую принадлежность которых можно определить только с использованием молекулярно-генетических методов. Гидробиология. Вертикальное распределение микроорганизмов было изучено в июле 2017 г. Массовые формы автотрофного фитопланктона были распределены по аэробной водной толще, но максимум их численности находится возле хемоклина, через который биогенные элементы диффундируют вверх из богатой ими придонной водной массы. Криптофитовые жгутиконосцы Rhodomonas sp. обитали только в хемоклине, и там же концентрировались хищные динофлагелляты Oxyrhis marina и Dinophysis, которые ими питаются. Инфузории Plagyopila и Holophrya, устойчивые к сероводороду в небольших концентрациях, населяют анаэробную зону, с максимумом в нижней части хемоклина. Наибольшая численность бактерий приходилась на хемоклин, в несколько меньшем числе они распределены по всей анаэробной зоне. Зеленый цвет воды на глубине 4,8-5,0 м обусловлен суммарным обилием мелких зеленых жгутиконосцев и кокков, слабо-розовый слой на 5,1 м и более насыщенный розовый от 5,2 м до 6 м – бактериальной массой, окраску которой в этом водоеме придают коричнево-окрашенные зеленые серные бактерии (Kharcheva et al., 2016). Озеро Кисло-Сладкое Гидрология. В 2017 году в оз. Кисло-Сладком признаков избирательного прогрева погруженных слоев воды также не было. Судя по тому, что температура воды в нем зимой не опускалась ниже -1°С, поступления воды из моря, где вода охлаждалась до -1,5°С, не было – порог был перекрыт ледовым барьером. О том же свидетельствует подъем сероводорода с глубины 4 м, где редокс-интерфейс находился в январе, к 1,5 м в марте. Таким образом, двухгодичная квази-цикличность, которая задается чередованием годов с зимними промывками и с полной изоляцией водоема от моря, продолжает соблюдаться. Соленость воды по всему столбу в течение года была постоянной, за исключением верхнего метрового слоя, подверженного ветровому воздействию, где за счет подмешивания пресной воды из осадков и берегового стока в течение года происходит постепенное опреснение, достигающее наибольшей степени в сентябре. Оно хорошо заметно на профилях солености в сентябре 2016 и 2017 года. В течение года менялось положение границы аэробной и анаэробной зон: в январе она находилась в положении, установившемся предыдущим летом между 3,5 и 4 м, к концу зимы поднялась к 1,5 м, а летом 2017 г. опустилась на прежний уровень. В сентябре в результате заброса морской воды при высоком приливе произошло вихревое поднятие придонной воды, и граница распространения сероводорода поднялась до 2,5 м. На июльских профилях растворенного кислорода в области 1,5-2,5 м есть локальный максимум со значениями до 117-144% насыщения, связанный с деятельностью фитопланктона. Гидробиология. В аэробной зоне оз. Кисло-Сладкого в июле 2017 г. самыми многочисленными были мелкие кокки, среди которых были как цианобактерии, так и зеленые водоросли, а также мелкие зеленые жгутиконосцы. Эти организмы отвечают за выработку избыточного кислорода в соленом слое под пикноклином до уровня, превышающего насыщение. Концентрация кислорода зависит не только от обилия фитопланктона, но и от плотностного градиента, который препятствует конвекции и распространению растворенных веществ за пределы слоя, в котором они образовались. В хемоклине кокки образуют второй пик. Книзу от хемоклина в массе присутствуют бактерии. В самом хемоклине очень высокая численность криптофитовых жгутиконосцев Rhodomonas, характерных для этого водоема (Краснова и др. 2014, Krasnova et al., 2015а), а также нескольких видов инфузорий, включая Euplotes и Plagiopyla. Вплотную к хемоклину в микроаэробной зоне очень высокой численности достигали хищные динофлагелляты Oxyrhis marina с множеством малиновых включений от проглоченных ими клеток родомонасов. Озеро Еловое Батиметрия. В 2017 году была впервые построена карта глубин озера Елового. Гидрология. Стратификация в озере Еловом летом-осенью 2017 года была стабильной. Профили солености с июля по октябрь были одинаковыми, что свидетельствует об отсутствии новых забросов морской воды. Профили температуры в июле и августе демонстрируют прямую стратификацию, а в сентябре и октябре – сочетание обратной в миксолимнионе и пикноклине) и прямой в монимолимнионе. Характер профилей температуры в наиболее теплый период года не несет признаков избирательного прогрева погруженных слоев воды, как это было бы при эффекте соляного пруда, а изгиб осенних профилей связан с остыванием поверхностного слоя воды. Окислительно-восстановительный потенциал в аэробной зоне варьирует между +100 и +400 мВ, редокс-переход всегда находится на одной и той же глубине – 3 м, стабильные восстановительные условия с постоянным отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом на уровне около -300 мВ начинаются с глубины 3,5 м и остаются неизменными до дна. Профили растворенного кислорода и pH свидетельствуют об активном фотосинтезе на глубине 1,5-2 м, где при микроскопировании мы регистрируем большое количество мелких зеленых жгутиконосцев, предположительно Micromonas (для точной идентификации необходимо использовать молекулярно-генетические методы). Обращает на себя внимание постоянство профилей в течение летне-осеннего сезона; жгутиконосцы Micromonas также присутствовали весь сезон. Все это свидетельствует об удивительном постоянстве не только физико-химических, но и биологических характеристик, что необычно как для замкнутых водоемов, так и для открытых акваторий, где за это время сообщество фитопланктона и доминирующие виды успели бы смениться несколько раз. Гидробиология. Микропланктон в оз. Еловом исследовали 2 августа и 15 сентября 2017 г. В августе в поверхностном пресном слое до глубины 1 м было много колоний золотистых водорослей; в сентябре планктон этого слоя был бедным и представлен лишь немногочисленными мелкими кокками. Кокки, вероятно, обладают некоторой резистентностью к сероводороду и в небольшом количестве встречаются в хемоклине и чуть ниже него. На горизонтах 1,5-2,9 м доминировали жгутиконосцы Micromonas, причем в августе их численность возрастала по направлению вниз к редокс-границе, а в сентябре она, наоборот убывала. Сентябрьская депрессия в этом слое, возможно, связана с массовым развитием хищных динофлагеллят Oxyrhis marina, которых не было в августе. Эти хищники были особенно многочисленны возле самого редокс-интерфейса на глубине 2,8-3,0 м. В августе в слое 2,9 м к жгутиконосцам Micromonas добавились еще две массовые формы – мелкие зеленые кокки и миксотрофные жгутиконосцы Euglena sp. Сразу после перехода в анаэробную зону и жгутиконосцы, и кокки, и эвглены исчезают. На глубине 3 м в массе появляются инфузории Euplotes и небольшое количество инфузорий из отряда Plagiopylida, причем Plagiopyla распространяются глубже, чем Euplotes. Переход в анаэробную зону маркируется появлением большого количества бактерий, которые образуют густую суспензию цвета хаки. Это фототрофные аноксигенные бактерии Chlorobium phaeovibrioides, которые в этом водоеме представлены смесью двух форм – коричневой и зеленой, с преобладанием коричневых (Kharcheva et al., 2016). Толщина ярко-окрашенного слоя 10 см. В нижележащем горизонте 3,1 м цвет меняется на коричневый, вода становится менее мутной и чем ближе ко дну, тем она прозрачнее; возле самого дна вода имеет желтый цвет. Численность бактерий, а вместе с ней и количество бактериохлорофиллов зеленых серных бактерий, которое мы регистрируем методами спектрофото- и спектрофлуориметрии, от хемоклина ко дну уменьшается. Озеро Трехцветное Гидрология. Озеро Трехцветное представляет собой меромиктический водоем с миксолимноном до глубины 1,0 м, монимолимнионом от 3 м и двухметровым пикноклином между ними, в пределах которого на глубине 2 м аэробные условия сменяются анаэробными. Сезонные колебания температуры в 2017 г. затрагивали только верхние 3 м, а глубже температура была практически постоянной: 6,1° до 6,8°С. Профили солености в течение всего года были одинаковыми, что говорит о том, что в 2017 году забросов свежей морской воды не было. Граница аэробной и анаэробной зон в начале года, зимой, поднималась к 1,6 м, а летом вернулась к прошлогоднему летнему уровню (между 1,8 и 1,9 м) и сохраняла положение весь год. Содержание кислорода в миксолимнионе в безледный период было близко к насыщению. В марте растворенный кислород присутствовал только на глубине 1 м, а выше, подо льдом, и глубже 1 м наблюдалась аноксия. В анаэробной водной массе (монимолимнионе) окислительно-восстановительный потенциал в течение всего года был около -400 mV, среди изучаемых водоемов это рекордная величина, близкие значения зарегистрированы только в оз. Большие Хрусломены. Необычными для водоемов такого типа были профили pH: между нижней границей зоны ветрового перемешивания и ярко окрашенным в зеленый цвет слоем с высокоплотным сообществом зеленых серных бактерий, которое маркирует хемоклин, зарегистрировано локальное небольшое снижение показателя pH, наибольшее смещение pH на 0,1 единицы отмечено в июле. В слое с густой суспензией фототрофных бактерий pH всегда чуть смещен в щелочную сторону как результат активного фотосинтеза этих микроорганизмов. Гидробиология. В июле, в период наибольшего развития фитопланктона самыми массовыми формами в оз. Трёхцветном были мелкие кокки с красной флуоресценцией, что характеризует их как водоросли из отдела зеленых, зеленые жгутиконосцы в двух вариантах: более крупные зеленые и относительно мелкие, а также криптофитовые жгутиконосцы. Область их распространения ограничена аэробной зоной. В толще миксолимниона встречались также колонии золотистых водорослей и инфузории. В зоне хемоклина, кроме зеленых бактерий, которые формируют здесь густую суспензию, в небольшом количестве встречаются вышеуказанные фитопланктонные организмы. Бактерии распространены по всей анаэробной зоне до дна. Феномен питания ветвистоусых раков аноксигенными фототрофными бактериями. В июле 2017 г. мы застали момент массового развития пресноводных ракообразных Bosmiuna longirostris в узком слое на глубине 1,7 м, где они достигали необычайно высокой численности. В пробе объемом 50 мл мы насчитали 467 особей. Эти рачки питаются фитопланктоном, их пищеварительная система была наполнена зеленым содержимым с красной флуоресценцией. В слое с босминами фитопланктон практически отсутствовал: он был выеден рачками. Важно, что при этом на 10 см выше и ниже фитопланктон был богатым и многочисленным. Ветвистоусые рачки способны к активному передвижению, однако в меромиктическом водоеме они, возможно, не могут перемещаться по вертикали из-за градиента плотности, доступные ими пищевые ресурсы также ограничены узким слоем плотности, к которой они приспособились. Для понимания структуры экосистемы этого водоема важно, что ракообразные концентрировались в нижней части зоны фитопланктона вблизи хемоклина, где содержание кислорода находится на нижнем пороге возможностей аэробных организмов. Данному факту возможны разные объяснения. Концентрирование рачков в узком слое воды может быть связано с обилием пищевых ресурсов вблизи хемоклина, через который происходит миграция биогенов из богатого ими монимолимниона вверх, что стимулирует размножение одноклеточных водорослей. Возможно также, что рачки собрались там, где они недоступны для более крупных хищников, в данном водоеме это могут быть только рыбы колюшки. В любом случае выигрыш превышает риск гипоксии. «Провал» численности в зоне обитания босмин выявлен также у инфузорий. В пищеварительной системе рачков B. longirostris мы увидели содержимое зеленого цвета с красной флуореценцией, характерное для фотосинтезирующих организмов с хлорофиллом а. Мы сняли спектры поглощения света с ацетоновых экстрактов пробы воды из слоя обитания этих ракообразных, из слоя с зелеными серобактериями и из ацетоновой вытяжки отфильтрованных рачков. Судя по спектрам, в воде из зоны обитания рачков фотосинтезирующих организмов практически не было. В спектре экстракта из рачков есть две отчетливые полосы: 1) широкая полоса в синей области, которая напоминает соответствующую полосу поглощения каротиноидов, суммированную с хлорофиллами а и в; 2) узкий невысокий пик поглощения света с максимумом на 655 нм, соответствующий пику поглощения бактериохлорофилла зеленых серных бактерий с глубины 2 м. У ацетоновых экстрактов хлорофиллов а и в длинноволновой пик поглощения приходится на другие длины волн - 663 и 645 нм соответственно. Из этого следует, что, во-первых, в зоне обитания рачков действительно очень мало фитопланктона, во-вторых, внутри рачков есть остатки фитопланктона, и в-третьих, кроме фитопланктона в них есть заметное количество бактериохлорофилла. Таким образом, мы впервые показали, что ветвистоусые рачки могут питаться аноксигенными фототрофными бактериями. Потребляют ли они бактерий, напрямую отфильтровывая из воды, или вместе с какими-то другими организмами, которые содержат бактерий внутри, например – инфузорий, пока не ясно. Однако, судя по высоте пика поглощения бактериохлорофилла, бактерии составляют заметную часть пищевого комка. Озеро Нижнее Ершовское Гидрология. Зимние профили температуры и солености в оз. Нижнем Ершовском за январь и март 2017 г. практически совпали, что говорит об отсутствии каких-либо внешний возмущений, в том числе забросов воды из моря. От января к марту существенно уменьшилось содержание кислорода в верхнем метровом слое, что связано с ледовой изоляцией. В летнее время до глубины 2 м водоем хорошо перемешивается, и лишь в небольшом донном углублении возникают застойные явления и связанная с ними аноксия. Только в этом углублении сохраняется солоноватая вода, оставшаяся с момента предыдущего заброса. Наибольшая соленость в придонном слое зарегистрирована в январе и была такой же, как до ледостава. В течение года придонная соленость постепенно уменьшалась – происходило ее «вымывание» пресной водой, протекающей через озеро. К концу сентября 2017 г. остаточная соленость в донной яме, расположенной возле порога, который отделяет это озеро от моря, составляла всего 1,3 ‰. Граница аэробной и анаэробной зон в течение года постепенно опускалась с 1,25 м в марте, к 2,1 м в июле и до 2,35 м в сентябре. Показатель pH в поверхностном пресном слое почти всегда был около нейтрального, за исключением конца сентября, когда он сдвинулся в сторону более высоких значений, характерных для морских вод. Нейтральная реакция среды нехарактерна для пресных водоемов этого региона, чаще она сдвинута в кислую сторону. Нейтральная pH может служить индикатором водоемов, контактирующих с морской водой. На границе аэробной и анаэробной зон наблюдался локальный сдвиг pH в щелочную сторону, который приходится на слой с высокоплотным сообществом зеленых серных бактерий и связан с активным потреблением карбонатов в ходе осуществляемого ими фотосинтеза. Профили содержания кислорода демонстрируют возникновение заморных условий в конце зимы, и постепенное насыщение вод кислородом в течение лета, в результате чего редокс-граница постепенно опускалась. Озеро Большие Хрусломены Озеро Большие Хрусломены - самое глубокое из всех известных нам отделенных от моря водоемов, его максимальная глубина - 20 м. В нем отчетливо выражена меромиксия: глубже 4,5 м вода не затрагивается ни ветровым перемешиванием, ни приливами. Парадокс этого озера в том, что устойчивая меромиксия сочетается с ежедневными забросами морской воды на высокой фазе прилива. Судя по характеристикам известных нам водоемов на разных стадиях изоляции от моря, стабильная меромиксия возникает тогда, когда порог, отделяющий водоем от моря, перекрывает путь приливам. Ближайший аналог озера Б. Хрусломены, оз. Трёхцветное, поднято над уровнем моря настолько, что заплески из моря возможны только при редких крайне высоких приливах, совпавших с нагонами. По причине регулярных приливов меромиктическое оз. Б. Хрусломены не вписывается в общую линейку водоемов, отделившихся от моря естественным путем. Они и не должны вписываться, поскольку этот водоем изолирован искусственно. История. В 2017 году нам удалось найти свидетельство искусственного отделения и выяснить год, когда это произошло – в 1897-й. Вот выдержка из книги краеведа из Ковды А.И. Патракова «Беломорье», изданная в 2005 году: «Когда в 1890-х годах стали ставить лесозавод, не оказалось воды для паровой машины, воды требовалось много... Было предложено забутить проходы в заливах Малые и Большие Хрусломены... За зиму навозили на лошадях и оленях камни и отделили залив Малые Хрусломены от Больших каменной преградой... Бурная весна 1897 года переполнила искусственное озеро водой, да ещё родники открылись на дне бывшего залива, лесозавод получил прекрасный водоём... Второй водоём не доделали... Полные воды заполняли озеро солёной водой Большие Хрусломены, и вода в нём до сих пор подсоленная». С тех пор минуло сто двадцать лет. В котловине озера сформировались восстановительные условия с окислительно-восстановительным потенциалом ниже минус 400 мВ. Гидрология. В 2017 году этот водоем был впервые исследован зимой. Зимний профиль солености был таким же, как и в летнее время, что типично для меромиктических водоемов. В поверхностном слое 1,5 м, соленость которого год от года меняется, в 2017 году в течение года она постепенно уменьшалась от 6,6‰ в марте до 5,9‰ в сентябре. В придонной водной массе соленость постоянная 23,8-24‰. Температура в придонном слое в марте 2017 года была 8,4°С, к сентябрю она повысилась до 9,6°С. Интересно, что придонная вода в этом водоеме теплее, чем в другом меромиктическом водоеме – Трехцветном. За все годы наблюдений в оз. Б. Хрусломены она варьировала в диапазоне 6,5-9,8°С, тогда как в монимолимнионе оз. Трехцветного 5-7,5°С. Положение границы сероводородной зоны, как и в других водоемах, зимой было выше, чем в летне-осенний период (март – 3 м, июль – 4,2 м, сентябрь – 4,25 м). Однако бактериальный слой находился на том же уровне, как и летом, из чего следует, что глубина обитания аноксигенных фототрофов зависит не от границы распространения сероводорода, а от других факторов. Гидрохимия. В марте 2017 г. содержание растворенного в воде кислорода подо льдом было почти вдвое меньше, чем это бывает летом возле поверхности, когда оно соответствует уровню насыщения. Под скачком плотности воды в летнее время концентрация кислорода превышала насыщение. Зарегистрированный максимум – 122% насыщения (11 мг/л). В соленом слое под пикноклином кислород образуется за счет деятельности фитопланктона. Однако самый густонаселенный слой с массовым развитием криптофитовых водорослей Rhodomonas всегда находился в анаэробной и микроаэробной зоне. Эти жгутиконосцы – миксотрофы, способные переключаться с фотосинтеза на гетеротрофный тип питания, и обладают резистентностью к сероводороду. Встает вопрос о том, какой тип обмена веществ работает у этих микроорганизмов в хемоклине, и какую роль они играют в экосистеме водоема. Мы планируем предпринять некоторые шаги для решения этого вопроса в будущем. В марте и сентябре 2017 г. совместно с сотрудниками Института микробиологии им. Виноградского была выполнена количественная оценка микробных процессов образования и окисления метана, продукции сероводорода и ассимиляции углекислоты в водной толще и донных осадках оз. Б. Хрусломены в подледный период и в конце вегетационного сезона. Исследовано вертикальное распределение метана и физико-химические параметры: общая щелочность, содержание сульфата и хлора. С помощью радиоизотопного метода определены количественные характеристики микробных процессов: продукции метана в аэробной и анаэробной зоне, потребления метана (с учетом перехода углерода метана в СО2, биомассу и внеклеточное растворенное органическое вещество), и сульфатредукции. Максимум сульфатредукции приходится в этом водоеме на хемоклин, тогда как в других водоемах существует еще и второй пик – в донном осадке. Выявлен очень высокий уровень автотрофного метаногенеза в монимолимнионе оз. Б. Хрусломены. Определен вклад микробных процессов в ассимиляцию углекислоты; сделана оценка интенсивности первичной продукции. Определено вертикальное распределение разных групп бактерий, выявлены различия в составе сообществ миксолиниона, монимолимиона, хемоклина и донных осадков. Загадочным феноменом оказался слой прозрачной воды ярко-лимонного цвета на глубине 9 м в сентябре 2016 г. и 18 м в марте-сентябре 2017 г. Пробы из него обладают неожиданной устойчивостью к окислению при контакте с кислородом воздуха: если в пробах с других горизонтов в результате окисления сульфидов сразу появляются кристаллы серы, то здесь они не образуются. Для растворов полисульфидов характерно поглощение света в ультрафиолетовой области. В пробе с глубины 18 м кривая поглощения в этой области похожа на аналогичную для спектра полисульфидов. Пик поглощения, характерный для бактериохлорофилла, в пробе с глубины 18 м прослеживается, но очень низкий, тогда как в синей и ультрафиолетовой области он несоизмеримо выше. Мы предполагаем, что цвет и свойства воды на большой глубине обусловлены полисульфидами, что требует проверки и планируется изучить в следующем году. Выяснение природы этого слоя важно для понимания функциональной структуры водоема, так как полисульфиды могут быть побочным продуктом деятельности бактерий и служить субстратом для микроорганизмов, осуществляющих окисление восстановленных форм серы (Visscher, Van Gemerdon, 1988). Гидробиология. Вертикальное распределение микроорганизмов в оз. Большие Хрусломены было исследовано в июле и в сентябре 2017 г. В июле 2017 г. в опресненном поверхностном слое массовыми формами были цианобактерии в форме кокков, которых мы не определяли, и бесцветные жгутиконосцы, под скачком плотности – те же кокки и легко опознаваемые колониальные цианобактерии Merismopedia, к которым добавились неидентифицированные кокки из отдела зеленых водорослей, и несколько видов инфузорий. Над границей аэробной и анаэробной зон узким слоем обитали хищные динофлагелляты Oxyrhis marina, здесь же наибольшей численности достигали зеленые кокки. Вдоль самого редокс-интерфейса лежал пласт криптофитовых жгутиконосцев и здесь же концентрировались инфузории Prorodon и Euplotes. Под этим интерфейсом, в зоне аноксигенных фототрофов, появляются инфузории Plagiopyla, а ниже встречаются только бактерии. В сентябре 2017 г. в аэробной зоне оз. Большие Хрусломены сине-зеленые водоросли были гораздо более многочисленны, чем в июле, наблюдалось их цветение. В заметном количестве они встречались по всей толще водоема, включая анаэробную зону, куда, по всей видимости, опускались отмирающие клетки. Возле самой поверхности было много зеленых кокков и бесцветных жгутиконосцев. По всей аэробной толще встречались не определенные нами криптомонады, диатомовые водоросли и мелкие зеленые жгутиконосцы, последние особенно многочисленными были возле хемоклина. Из инфузорий возле поверхности были сконцентрированы сувойки, в толще аэробного слоя – Euplotes, которые в этом и других изучаемых водоемах обычно приурочены к хемоклину. Максимум концентрации бактерий приходился на 4,25 м, они были распространены по всей анаэробной зоне, но по направлению ко дну густота суспензии снижалась. Сообщество хемоклина составляли красные криптофитовые жгутиконосцы Rhodomonas sp., хищые динофлагелляты Oxyrhis marina, а также инфузории Prorodon и Plagiopyla. Хищник и жертва, Oxyrhis и Rhodomonas, сосуществовали в одном и том же слое, хотя в других водоемах хищники Oxyrhis обычно концентрировались чуть выше родомонасов. Инфузории Prorodon и Plagiopyla соблюдали характерную последовательность: максимум численности первых был чуть выше, чем у вторых. Обобщенная схема распределения микроорганизмов нам представляется такой. Вся аэробная зона представляет собой единое сообщество, в котором доминируют цианобактерии, к которым примешиваются одноклеточные зеленые водоросли а, в некоторые сезоны – диатомовые и криптофитовые. Второе сообщество приурочено к хемоклину, и в нем есть вертикальная микрозональность. Сверху вниз друг друга сменяют динофлагелляты Oxyrhis, криптомонады Rhodomonas, инфузории Prorodon и Plagiopyla. По красным включениям в клетках Oxyrhis и Prorodon с характерной ярко-оранжевой флуоресценцией можно понять, что эти инфузории активно питаются родомонасами; в клетках Plagiopyla включения этих криптофитовых редки. При сравнении вертикальной структуры водоема в сентябре 2016 и 2017 гг. обнаружены небольшие различия в положении границы анаэробной зоны, которая в 2017 году оказалась на 20 см выше, чем в 2016-м, криптофитовых жгутиконосцев стало меньше, и соответствующий слой не имел столь яркой окраски, как в предыдущие годы. Зато, в отличие от предыдущих лет, кроме криптофитовых в этом слое массовыми были зеленые кокки. В анаэробной части хемоклина аноксигенные фототрофные бактерии достигли большей концентрации. 1.3. Решение вопроса о сезонной изоляции отделяющихся от моря водоемов Существует ли сезонная изоляция водоемов за счет появления на пороге, отделяющем водоем от моря, ледового барьера – очень принципиальный вопрос. Его решение необходимо для того, чтобы объяснить причину повышенной солености в гиполимнионе некоторых водоемов (Краснова, Воронов, 2013; Краснова и др., 2013). Одно возможное объяснение - накопление рассола, высвобождающегося при льдообразовании аналогично тому, как это происходит в некоторых озерах высоких широт Арктики (Dugan, Lamoureux, 2011). Другой вариант – поступление более соленой воды извне, например – зимой, когда вода в море характеризуется наибольшей соленостью. К сожалению, в связи с уменьшением финансирования по сравнению с поданной заявкой, нам не удалось приобрести логгеры - датчики непрерывного слежения за температурой и соленостью. Возможность временной ледовой изоляции беломорских прибрежных водоемов, частично изолированных от моря, была показана в ходе совместных исследований с зимним НСО каф. гидрологии суши. Однако для рассчета солевого баланса необходимо также знать и его продолжительность, что, все же, невозможно без установки датчиков на весь ледовый период. 2. Сбор недостающих сведений для построения классификации 2.1. Распределение и сезонная динамика биогенных элементов Сведения о концентрации биогенных элементов в изучаемых озерах мы собираем с 2013 года. В 2013-2014 гг. их определяла Н.М. Кокрятская, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории экоаналитических исследований Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН. Данные 2016-2017 гг. получены в ходе выполнения данного проекта. В полевых условиях были получены данные по содержанию фосфатов, общего фосфора, аммонийного азота и кремния в соответствии с методами, рекомендованными для морской гидрохимии (Руководство, 2003). Содержание биогенных элементов определяли колориметрическим методом: фосфатов - с молибдатом и аскорбиновой кислотой (модифицированный метод Морфи и Райли), аммонийного азота - по реакции с фенолом и гипохлоритом (метод Сэджи-Солорзано), силикатов – в виде молибденовой сини после восстановления кремнемолибдата аскорбиновой кислотой в кислой среде. Поскольку не были выполнены мероприятия по устранению мешающего влияния сероводорода, концентрации всех биогенных элементов, особенно фосфатов, в анаэробных водах следует рассматривать как ориентировочные. Содержание сульфид-ионов определяли йодометрически с предварительной фиксацией ацетатом кадмия. Кремний. Результаты определения растворенного в воде кремния показывают, что в аэробной зоне водах изучаемых озер оно изменялось от 0,02 до 2,9 мг/л; к придонным горизонтам оно закономерно увеличивалось. Соленые воды озера Кисло-Сладкое отличаются однородным содержанием кремния в насыщенных кислородом водах – его концентрации колебались от 1,02 до 1,05 мг/л (в среднем 1,04 мг/л); для другого соленого озера – лагуны на Зелёном мысе, интервал содержания кремния несколько шире – от 0,37 до 1,87 мг/л (в среднем 0,90 мг/л). Поверхностные пресные насыщенные кислородом воды озер Трёхцветное и Нижнее Ершовское, как правило, содержали очень незначительное количество кремния – не более 0,01-0,08 мг/л. В сентябре 2016 г. в пресном миксолимнионе обоих озер содержание кремния было выше – 1,4-1,85 мг/л. Во все годы наблюдений относительно высоким содержанием кремния отличался пресный миксолимнион озера Еловое – в 2013-2016 гг. - до 1,60 мг/л, а в сентябре 2017 г. – 4 мг/л. По мере уменьшения концентрации кислорода содержание кремния во всех случаях увеличивалось и в придонных горизонтах значительно превышало его содержание на поверхности. Для озера Трёхцветное и лагуны на Зелёном мысе характерно наличие локального максимума элемента в хемоклине – слое с резким переходом от аэробных к анаэробным условиям, в 2016 году аналогичный максимум кремния был зарегистрирован в хемоклине оз. Елового. Содержание кремния в придонных горизонтах достигало в озере Трёхцветное 4,07 мг/л, в озере Еловое – 12,03 мг/л, лагуне на Зелёном мысе – 12,39 мг/л, Нижнем Ершовском – 14,58 мг/л. Абсолютный максимум концентрации – до 30-60 мг/л зарегистрирован в озере Кисло-Сладкое в сентябре 2013 года. Низкое содержание кремния в аэробной зоне объясняется активным потреблением его планктоном, особенно диатомовыми водорослями. При их отмирании кремний частично переходит в воду, но большей частью - захоранивается в донных отложениях, что мы наблюдаем в придонных горизонтах всех озер. С чем связан локальный максимум в хемоклине некоторых озер, пока не известно. Минеральный фосфор активно потребляется фитопланктоном в процессе фотосинтеза и переходит в органические формы. Деструкция отмерших клеток планктона вновь приводит к образованию фосфатов. Содержание минерального фосфора в кислородных водах исследуемых озер составляет в среднем 0,032 мг/л, изменяясь в интервале от 0,003 до 0,120 мг Р/л. Можно отметить близкий уровень концентраций фосфатов вне зависимости от солености поверхностных вод. Так для соленых вод озер Кисло-Сладкое и лагуны на Зелёном мысе он составляет в среднем 0,023 (0,003-0,056) и 0,017 (0,009-0,033) мг Р/л соответственно; для пресных вод озер Трёхцветное – 0,018 (0,004-0,038) мг Р/л; Нижнего Ершовского – 0,019 (0,0-,037) мг Р/л и Еловое – 0,026 (0,013-0,039) мг Р/л. В нижней анаэробной зоне со значительным количеством сероводорода, концентрация фосфатов возрастает, достигая максимума в придонных горизонтах. Самым высоким содержанием фосфатов во все годы наблюдений характеризовалось оз. Трехцветное, в придонном слое которого зарегистрированы значения 50-80 мг/л. Аммонийный азот появляется в водоеме в результате аммонификации органического азота. В его вертикальном распределении во всех пяти озерах отмечено наличие локального максимума концентраций, приуроченного к хемоклину, вследствие активно протекающих здесь процессов деструкции органического вещества при практически полном отсутствии аммония в толще вод. Общие закономерности. Поверхностные воды всех исследуемых озер характеризуются невысокими значениями содержания минерального фосфора, кремния и аммонийного азота, что косвенно указывает на активный фотосинтез, в ходе которого биогенные элементы в фотическом слое используются практически полностью. Локальные максимумы элементов в хемоклине, где расположены плотные сообщества микроорганизмов, обусловлены активной деятельностью разнообразных бактерий, осуществляющих фото-, хемо синтез, а также деструкцию органического вещества в пределах тонкого слоя воды. На окисление этой органики расходуется содержащийся в воде кислород, после полного исчерпания которого в воде появляется сероводород, количества которого стремительно возрастают до десятков мг/л, достигая максимальных значений в придонных горизонтах. Развитие аноксии с сероводородным заражением свидетельствует об отсутствии перемешивания вод. Ниже хемоклина в анаэробных водах происходит накопление биогенных элементов, в силу того, что их поступление с отмершей биомассой превышает расход хемоавтотрофными микроорганизмами. 2.2. Поиск и обследование новых водоемов, которые могут заполнить лакуны в типологическом ряду В 2017 году нам удалось посетить три труднодоступных водоема в районе острова Соностров. Продолжено изучение губы Канда – искусственно изолированной акватории в вершине Кандалакшского залива. 2.2.1. Три водоема в районе острова Соностров Водоемы в районе о. Соностров были обнаружены в 2010 году в ходе совместной экспедиции ББС МГУ и Всемирного фонда дикой природы. Это: 1) озеро-лагуна под местным названием «Вонючка» на острове Тонисоар; 2) лагуна в вершине губы Глубокая; 3) оз. Мероламбина. Исследования физико-химическиъх характеристик тогда были ограничены верхними 4 м в силу отсутствия пробоотборников, позволяющих достигать большей глубины. В 2012 году в ходе совместной экспедиции с кафедрой геоморфологии и палеографии географического факультета МГУ было повторно обследовано оз. Вонючее. В 2017 году в рамках данного проекта на научно-исследовательском судне «Профессор Зенкевич» удалось повторно обследовать все три озера. Были проведены батиметрические, гидрологические, гидрохимические, гидробиологические съёмки озёр по всей толще водоемов. Оз. Вонючка на о. Тонисоар Общие географические сведения. Координаты: 66° 09′ 38″ N, 34° 13′ 37″ E. Озеро расположено на острове Тонисоар, где находится производственная база по выращиванию мидии, и занимает большую часть площади острова. Размеры: 230 м 110 м, глубина: максимальная 10,1 м, средняя 3,9 м, площадь 20100 кв. м. Водоем представляет собой соленую лагуну, которая обменивается водой с морем через порог, обсыхающий во время малой воды. Амплитуда приливных колебаний 0,5–1,0 м. Скорость течения через порог во время отлива 1,8–2,7 км/ч. Поступление пресной воды, в силу островного положения, ограничено осадками и стоками из поселка. В промежутке между 2010 и 2017 гг. мидиевая база прекратила работу, и пресный сток из поселка прекратился. Таким образом, во время обследования в 2017 г. поступление пресной воды в этот водоем было ограничено только осадками. В оз. Вонючка есть популяция морской травы зостеры, отмершие листья которой, вместе с нитчатыми зелеными водорослями формируют на литорали озера плотный мат, всплывающий во время прилива, а во время отлива засыхающий плотной коркой, которая по фактуре напоминает грубый картон. Гидрология. Судя по профилям солености, ветровому перемешиванию подвержен слой до глубины 1–2 м воды, пикноклин приходится в разные годы на глубины 1–2 м или 2–2,5 м, а ниже находится однородная водная масса с соленостью более высокой, чем в прилегающей части моря. Профили температуры в июне 2010 и 2012 гг. практически одинаковы. В сентябре 2017 г. поверхностный слой был охлажден, под пикноклином водная масса была на 3–3,5° теплее, а наиболее прогретым был слой воды на глубине 2–3,5 м. Это напоминает соленый солнечный пруд (solar pond effect) (Srinivasan, 1993). В том же слое зарегистрировано высокое содержание кислорода – до 13 мг/л, что соответствует 122% насыщения, и большое количество фитопланктона, представленного мелкими кокками (Cyanobacteria) и криптофитовыми жгутиконосцами (вероятно, Rhodomonas sp.). Граница аэробной и анаэробной зон в июне 2012 г. располагалась на глубине 9,5 м, в сентябре 2017 г. она оказалась на два метра выше. Это может отражать сезонные различия, связанные с накоплением в придонной водной массе автохтонной органики, образовавшейся за вегетационный сезон, которая стимулирует деятельность бактерий-сульфатредукторов: такого рода динамика описана в других беломорских отделяющихся водоемах (Losyuk et al., 2015). Однако нельзя исключать и межгодовую динамику с негативной для водоема тенденцией к увеличению зоны сероводородного заражения. Для проверки этих гипотез необходимы дальнейшие наблюдения. Гидробиология. Вертикальное распределение планктонных микроорганизмов исследовали в верхних 6 м, которые находятся в аэробной зоне. Самой многочисленной группой по всему шестиметровому слою были мелкие сине-зеленые кокки. Возле поверхности встречалось много колоний золотистых водорослей и динофлагелляты Oxyrhis marina. По всей толще, кроме самой поверхности, были распределены раковинные инфузории Tintinnida. Криптофитовые жгутиконосцы в озере на о. Тонисоар не столь многочисленны, как в аналогичных водоемах возле ББС МГУ и не образуют прослойки с яркой окраской. Не было цветного слоя и в зоне хемоклина, в противоположность аналогичным озерам в окрестностях Беломорской биостанции МГУ (Krasnova et al., 2015a). Интересным представляется, что распределение хищных динофлагеллят Dinophysis, которые питаются клетками криптофитовых и используют их пластиды для симбиотического фотосинтеза, следует распределению криптофитовых. Не исключено, что малочисленность криптофитовых объясняется хищничеством этих динофлагеллят. Dinophysis из пробы, отобранной возле поверхности, в качестве включений содержали не красные пластиды криптофитовых, а мелкозернистую зеленую массу с оранжевой флуорсценцией, характерной для сине-зеленых водорослей. Необычно, что другие хищные динофлагелляты, Oxyrhis marina, в этом водоеме не сопутствуют криптофитовым, а концентрируются возле поверхности. Вершина губы Глубокой Общие географические сведения. Координаты 66° 10′ 00″ N, 34° 09′ 00″ E. В вершине губы Глубокой расположено соленое озеро-лагуна, сообщающееся с морем через широкую, обсыхающую на отливе протоку. Длина водоема 400 м, ширина 120 м, площадь – 33400 кв.м. Глубина максимальная – 9,4, средняя – 4,0. Во время каждого приливного цикла в озеро поступает свежая морская вода, что обуславливает полусуточные приливно-отливные колебания уровня с амплитудой около 1 м, вдвое меньшей по сравнению с прилегающей морской акваторией. В озеро впадает небольшой ручей с расходом 0,03 куб.м/с, который формирует на поверхности вблизи его устья опресненную линзу. Гидрология. В июне 2010 г. до глубины 4,5 м вода в озере была равномерно перемешана, на 4,5–5,5 м находился пикноклин, под которым залегала донная водная масса с высокой соленостью и низкой температурой. В сентябре 2017 г. из-за обильных дождей на поверхности водоема возникла опресненная линза, небольшое опреснение сказывалось до глубины ветрового перемешивания 2 м, а ниже соленость была распределена так же, как в 2010 году. Температура вблизи поверхности была ниже, а термоклин расположился на 1,5 м ниже, чем в июне 2010. В этом водоеме так же, как и в двух других, присутствовал слой чуть более теплой воды на глубине 2–3 м, в котором, однако, повышенное количество фитопланктона не обнаружено. Значения концентрации растворенного кислорода, близкие к насыщению, зарегистрированы до глубины 5 м. Граница аэробных и анаэробных условий находилась между 5,5 и 6 м. Гидробиология. Вся толща водоема была заселена цианобактериями, в сероводородной части их было заметно меньше, чем в аэробной зоне. Возле самой поверхности находился слой с массовым развитием мелких неидентифицированных эвгленовых жгутиконосцев с изменчивой формой клетки, на глубине 1 м - бесцветные жгутиконосцы, на 2,5 м был максимум развития зеленых кокков, на 3 м - мелких зеленых жгутиконосцев, у которых на границе аэробной и анаэробной зон существовал еще один небольшой пик. Это единственный из соностровских водоемов, в котором бактерии сформировали слой с высокой численностью на границе аэробной и анаэробной зон. По данным подсчета бактериальных клеток, общее их число их здесь было на два порядка выше по сравнению с поверхностным и придонным слоями. Однако окрашенного слоя из фотосинтезирующих микроорганизмов не было. Возможно, бактериальный слой в хемоклине этого водоема сформирован тионовыми бактериями - бесцветными бактериями, которые окисляют восстановленные формы серы в ходе хемосинтеза. Оз. Мероламбина Общие географические сведения. Координаты 66° 10′ 00″ N, 34°11′ 00″ E. Озеро Мероламбина – лагуна эстуарного типа, которая образовалась в месте впадения в Белое море бурной реки без названия, вытекающей из озер Нижнее Попово и Среднее Попово. Несколько десятилетий назад по нему проходил путь лесосплава из расположенных выше озер. Ссыльные работники построили систему каналов и шлюзов, которая помогала регулировать уровень воды и количество пропускаемых бревен. От этой системы до наших дней сохранилась валунная плотина, в которую были встроены ворота шлюза, и выровненные берега ручья. Таким образом, нельзя исключать, что режим частичной изоляции этого водоема создан искусственно. Озеро отделено от моря каменистым порогом, через который на высшей фазе прилива в озеро поступает морская вода, а остальное время поток направлен из озера в море. На внутренней части отделяющего порога морская вода, поступающая в озеро во время прилива, сразу опускается ко дну. Величина приливных колебаний 0,3–0,5 м, но при нагонном ветре уровень может подниматься более чем на 1 м. Длина водоема 870 м, ширина 330 м, глубина: наибольшая 8, 7 м, средняя – 4,8 м; площадь – 189500 кв. м. Гидрология. В водоём, в юго-западной его части, впадает река; измеренный расход воды равен 7,7 куб.м/сек. Расход стока из озера через перемычку при низких водах приливно-отливного цикла - 5,45 м3/с. При приливе перемычка затопляется. Расход поступающей при приливе воды в несколько раз превышает расход стока из залива и составляет около 14,7 м3/с. Суммарный расход поверхностного стока в озеро с водосбора - 7,71 м3/с. Таким образом, в балансовом отношении в момент обследования наблюдалось двукратное превышение доли приходной части соленых вод над приходной частью пресных. Соленость воды мористее залива, как при отливе, так и при приливе не превышала 6‰ и в фазу прилива была ниже, чем в фазу отлива, что может быть, связано со сложной структурой и динамикой зоны смешения вод залива с водами впадающих в него рек. С гидрологической точки зрения оз. Мероламбина представляет собой блокированный, стратифицированный микроприливной эстуарий малой реки. Основная часть зоны смешения, определяемая по изменениям солености от 1 до 8‰, расположена в поверхностной водной массе. Согласно классификации Горина-Михайлова (2012), это озеро можно назвать частично блокированным эстуарием лиманного типа. Пресная речная вода в оз. Мероламбина смешивается с соленой, и образуется широкий пикноклин. В июне 2010 г. зона смешения доходила до глубины 1 м, в сентябре 2017 г. – до 3 м. В июне 2010 г. поверхностный слой воды был хорошо прогрет и между 1 и 2 м располагался отчетливый термоклин. В холодном сентябре 2017 г. поверхностный слой был немного холоднее нижележащего, и максимум температуры приходился, как и во многих других стратифицированных озерах беломорского побережья в это время года, на слой под пикноклином — от 3 до 4 м. На той же глубине отмечено некоторое повышение численности мелких клеток Cyanobacteria, которые встречались на всех глубинах, и сдвиг pH в щелочную область. Накопления кислорода, который должен образовываться в результате их фотосинтеза, до величин, превышающих уровень насыщения, здесь не наблюдается, и концентрация кислорода постепенно уменьшается от поверхности ко дну. Однако даже возле дна кислород присутствует: среди известных нам на беломорском побережье, это единственный водоем с резкой плотностной стратификацией и при этом без анаэробной зоны. Еще одна особенность этого водоема – заметное количество взвеси органического происхождения. По всей вероятности, это взмученные со дна фрагменты древесины, захороненной со времен лесосплава. Гидробиология. Хотя по гидробиологическим показателям толща воды представляется перемешанной, в сообществе микроорганизмов выделяется несколько зон с разным видовым составом. Сине-зеленые кокки, хотя и распределены по всему столбу воды, на глубине 3-4 м достигают максимума численности. Мелкие зеленые жгутиконосцы отсутствуют возле поверхности и наиболее многочисленны на глубине 1,5 м. К тому же горизонту приурочены криптофитовые жгутиконосцы и хищничающие на них динофлагелляты Dinophysis. Начиная с глубины 3 м в воде взвешено большое количество фекальных пеллет как свидетельство большой численности ракообразных. В июне 2010 г. в этом озере массовым видом была эстуарная копепода Acartia bifilosa (А.А. Прудковский, личное сообщение). В сентябре 2017 г облов зоопланктона мы не делали, но в пробах объемом 50 мл, отобранных для анализа состава простейших, несмотря на малый объем, также попадались ракообразные. Судя по этим пробам, наибольшей численности они достигали на глубине 3-5 м. В зоне с наибольшей численностью рачков планктон был заметно беднее, чем в других горизонтах. Исключение составляли цианобактерии. Анализ биогенных элементов в соностровских озерах. Гидрохимические исследования показали, что по вертикальной гидрологической структуре исследованные водоёмы близки к озеру-лагуне на Зелёном мысе вблизи ББС МГУ, однако различия морфометрических показателей обусловливают особенности расположения хемоклина и водных масс в водоемах. В формировании гидрологической структуры лагуны Мероламбина заметная роль принадлежит речному стоку, поступление которого, наряду с влиянием приливов, противодействует формированию меромиксии. Озёро «Вонючее» на о. Тонисоар и вершина губы Глубокой характеризуются довольно типичным для меромиктических озёр распределением фосфора. В поверхностных слоях наблюдаются очень низкие концентрации, главным образом, в результате деятельности живых организмов. До 90% составляет органическая форма. При этом практически весь фосфор присутствует в растворённом состоянии. Ниже границы сероводородного слоя происходит резкое увеличение содержания фосфора. Это связано с процессами минерализации и отсутствием организмов-потребителей. Изменяется и распределение форм фосфора. Основная часть представлена минеральной формой. Неожиданным результатом оказалось меньшее содержание фосфора в придонных слоях озера на о. Тонисоар, по сравнению с вершиной г. Глубокой. Возможно, это связано с меньшим притоком аллохтонного вещества (и фосфора в частности) с водосбора озера. Содержание фосфора в водах лагуны Мероламбина на порядок меньше, чем в озерах Еловое, Тонисоар и Глубокое. Максимальные значения составляют 60 мкг/л и наблюдаются в придонном слое. Периодическое перемешивание вод лагуны и хорошая аэрация позволяют микроорганизмам активно потреблять фосфор как в поверхностных, так и в придонных слоях. Содержание минеральных форм фосфора ниже фотического слоя составляет 60-80% валового. При этом в придонном слое до 50% фосфора сорбировано на частицах взвеси. Натурный эксперимент по определению потоков фосфора в системе «придонная вода - донные отложения» (по методу Кузнецова-Романенко) показал, что потоки минерального фосфора направлены из донных отложений в воду. Минимальная величина потока характерна для лагуны Мероламбина (1,6 мг/л в сут.); максимальная (10,5 мг/л в сут.) – отмечена в оз. Тонисоар где, как и в лагуне Глубокая. Развитие аноксии в придонных слоях стратифицированных водоемов создает условия для поступления минерального фосфора из донных отложений в воду и накопление при отсутствии его потребления. Концентрация кремния в соностровских озерах низкая: в оз. «Вонючка» на о. Тонисоар - 0,6-2,2 мг/л; в вершине губы Глубокой - 1,1-2,5 мг/л. Наибольшая концентрация кремния (2,6 мг/л) отмечена в поверхностном слое лагуны Мероламбина, в которую поступает большой объем пресных вод. В целом для всех исследуемых озёр, кроме лагуны Мероламбина, отмечается увеличение концентраций Si в придонных слоях, что связано либо с поступлением подземных вод, обогащенных кремнием, либо с его накоплением после осаждения из вышележащих слоёв. В поверхностном слое, который принимает сток притоков и рассеянный поверхностный сток, концентрация кремния чуть выше, чем в основной толще, с глубиной она постепенно уменьшается, а возле самого дна, в анаэробной зоне, заметно возрастает. В оз. Мероламбина, где нет застойной анаэробной зоны, наименьшая концентрация кремния возле дна (0,1 мг/л). 2.2.2. Губа Канда Общие географические сведения. Координаты 67° 07′ N, 32°12′. В 2016-2017 гг. в зимнее время нами были выполнены исследования в вершине губы Канда (Кандалакшский залив), искусственно отеленной от моря в 1916 г. при строительстве железнодорожной дамбы. Исследования включали определение особенностей вертикальной стратификации и интенсивности микробных процессов (совместно с сотрудниками Института микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Государственного океанографического института и аспирантами физического факультета МГУ). Ранее микробиологические и биогеохимические исследования в губе Канда не проводились. Гидрология и гидрохимия. В морской и кутовой акваториях губы растворённый кислород содержится во всём слое от подлёдного горизонта и до дна, сероводород отсутствовал даже в поверхностном слое осадка. Признаки меромиксии обнаружены в центральной части Федосеевского плёса (южная часть губы Канда). В 2016 г. граница кислородных и анаэробных условий находилась между 10 и 11 м. На глубине 11 м концентрация сероводорода составила 0,42 ммоль/л, а в придонном слое – 1,93 ммоль/л. Общая численность микроорганизмов (ОЧМ) в миксолимнионе Федосеевского плёса (0,45–0,65 млн. клеток/мл) соответствовала значениям, обычным для зимнего сезона в олиго-мезотрофных водоёмах. Локальный максимум ОЧМ приходился на хемоклин (1,65 млн. клеток/мл), что свойственно меромиктическим водоёмам. Сопоставление скорости процесса микробной сульфатредукции с концентрацией сероводорода в придонном водном слое свидетельствует о том, что сероводород в глубинных водах Федосеевского плёса не мог образоваться за один зимний сезон, и плёс является реликтовым водоёмом, сохранившим слой гиполимниона в палеорусле р. Канда после строительства глухой дамбы. В марте 2017 г. в другом донном углублении Федосеевского плеса на глубине 13,0-13,8 м была обнаружена более существенная залежь придонной сероводородной, трактуемой как реликтовая водная масса, сохранившаяся там с момента изоляции – более ста лет. Кроме сероводорода в концентрации 63-65 мг/л, эта водная масса характеризуется повышенным содержанием биогенных элементов (фосфора и кремния) и смещением соотношения основных анионов – карбонатов и сульфатов в сторону карбонатов, что свидетельствует о длительной и глубокой переработке бактериями-сульфатредукторами. В зоне хемоклина выявлено повышенное содержание тяжелых металлов: железа, свинца и кадмия, а нижележащем горизонте - марганца. Микробиология. Спектры поглощения света образцов воды характеризуются монотонным спадом значений оптической плотности с увеличением длины волны, что типично для гуминовых веществ в природных водах и водных почвенных вытяжках. В спектрах поглощения и флуоресценции глубинных слоев воды, полученных при сотрудничестве с кафедрой общей физики физического факультета МГУ, полосы поглощения пигментов и флуоресценции хлорофиллов не были обнаружены, что свидетельствует об отсутствии водорослей и окрашенных пурпурных или зеленых серобактерий в зимнее время по всей толще водоема. ОЧМ в водной толще губы Канда, в том числе Федосеевского плеса, была монотонной, начиная от подледного горизонта и до глубины 10 м (0,15 – 0,25 млн кл./мл). В водных горизонтах 11 м, 12 м и 13 м, где появляется сероводород, ОЧМ заметно возрастала до 0,3 – 0,55 млн. кл./ мл. Сделано предположение, что это связано с развитием тионовых бактерий, окисляющих восстановленные соединения серы в отсутствие света. 3. Построение концептуальной модели гидрологической эволюции водоема На основании имеющихся данных об уже известных водоемах сделано обобщение и предложена типовая экологическая структура. Типовая вертикальная структура включает пять зон с контрастными физико-химическими свойствами: 1) миксолимнион, подверженный ветровому перемешиванию в летнее вре¬мя, в большинстве водоемов он имеет толщину 1 м. В более крупном оз. Б. Хрусломены он доходит до 2 м. Мы называем этот слой «опресненным», имея в виду, что соленость в нем ниже по сравнению с нижележащей водной массой. Нередко он, действительно, практически пресный (0-0,5‰), но чаще он пред¬ставляет собой в разной степени разбавленную морскую воду. В лагуне на Зеленом мысе, например, соленость миксолимниона такая же, как в море (21-24‰), при том, что в основной толще она существенно выше; 2) пикноклин толщиной около 0,5 м с резким градиентом со¬лености. В отличие от пресных меромиктических озер, в изучаемых нами водоемах пикноклин не совпадает с хемоклином (редокс границей), который расположен ниже; 3) между пикноклином и хемоклином располагается соленая вод¬ная масса, в летнее время насыщенная кислородом, а порой пересыщенная им до 200-300%; 4) хемоклин, где аэробные условия сменяются анаэробными, в беломорских прибрежных озерах имеет толщину 0,2-0,5 м. В летнее время в нем формируются ярко окрашенные слои за счет массового развития фототрофных микроорганизмов; 5) анаэробная зона с высоким содержанием сероводорода, метана, органических веществ и биогенных элементов, и афотическими условиями. Сезонные колебания физико-химических параметров здесь минимальны. Каждому из этих слоев соответствует свое планктонное сообщество. Из четырех геохимических барьеров (атмосфера-вода, вода-дно, пикноклин и хемоклин) последний имеет биотическую природу. 4. Исследования мелкомасштабного распределения микроорганизмов Благодаря новому многошприцевому пробоотборнику, сконструированному Д.А. Вороновым в первый год работы по данному проекту, в январе 2017 г. удалось изучить вертикальное распределение инфузорий внутри хемоклина оз. Трехцветного с разрешением 2,5 см. Это первые данные о зимнем распределении эукариот в хемоклине не только этого озера, но и вообще для беломорских водоемов, отделяющихся от моря. В январе 2017 г. сообщество инфузорий был представлено почти чистой монокультурой из одного вида, идентифицированного нами как Paramecium sp. На его долю приходилось 87% суммарной численности инфузорий. Остальные 13% приходятся на другой вид более мелких инфузорий, который мы не определили. Выявлены заметные различия в численности инфузорий по слоям малой размерности. Paramecium sp. населял только верхнюю, светлую часть хемоклина от 1,6 до 1,775 м с микроаэробными условиями. В окрашенной сероводородной зоне он не встречался. Наибольшей численности Paramecium sp. достигали на глубине 1,625 м, где сконцентрировано 40% 75 популяции. Второй вид встречен только в самой верхней части хемоклина. По всей видимости, оба вида – микроаэрофилы, при этом резистентность к сероводороду у неидентифицированного вида инфузорий ниже, чем у Paramecium. С применением шприцевого пробоотборника было также проведено исследование мелкомасштабного распределения зелёных серобактерий спектральными методами – см. следующий раздел. 5. Исследование фототрофных организмов спектральными методами В 2017 году на исследование вертикального распределения фотосинтезирующих организмов, а также их сезонной и межгодовой динамики были направлены спектрофотометрические исследования. Определяющим фактором в распределении фотосинтезирующих организмов в изученных водоёмах были окислительно-восстановительные условия. В верхнем слое, содержащем кислород, происходит оксигенный фотосинтез, осуществляемый при участии хлорофиллов водорослей и цианобактерий, а в нижнем слое, содержащем сероводород, идёт аноксигенный фотосинтез, осуществляемый зелёными серобактериями за счёт бактериохлорофиллов. Этим бактериям, существующим в условиях ограниченной освещённости, свойственно накопление в хлоросомах высоких концентраций бактерихлорофиллов. Зелёные серобактерии накапливаются непосредственно под хемоклином (резким переходом от окислительных к восстановительным условиям), причём их концентрация оказывается столь велика, что делает возможным спектрофотометрические измерения водных образцов. Для спектрофотометрии живущих в окисленном слое водорослей и цианобактерий необходимы концентрирование организмов фильтрацией с последующим экстрагированием пигментов ацетоном или другим растворителем. 5.1. Методика спектрофотометрических исследований Пробы воды получали с помощью погружного насоса, дающего удовлетворительную точность при шаге по вертикали 10 см, а также с помощью сконструированного нами пробоотборника, который позволяет получать пробы с шагом 2,5 см. На спектрофотометре исследовали как интактные образцы воды, так и ацетоновые вытяжки пигментов. Для этого образцы фильтровали через фильтры диаметром 47 мм: или стекловолоконные 1,5 мкм фильтры (Whatman GF/A), или полимерные 0,2 мкм «ядерные» фильтры (Дубна). Фильтрат экстрагировали 80%-м ацетоном в течение трёх-пяти часов в темноте с двухминутной обработкой ультразвуком в ультразвуковой ванне при (40 кГц, 30-50 вт). Спектры поглощения получали на спектрофотометре Hitachi 220 с 10 мм кварцевой кюветой на длинах волн от 350 до 910 нм и на спектрофотометре Unico в кварцевых кюветах с длиной оптического пути 10 см. Тип пигмента определяли сравнением полученных спектров с известными из литературы (Frigaard NU, Larsen KL, Cox RP. 1996. Spectrochromatography of photosynthetic pigments as a fingerprinting technique for microbial phototrophs. FEMS Microbiology Ecology 20 (2), p. 69-77). Спектры водных образцов сравнивали по поглощению (absorbance) света данной длины волны при прохождении его через 10 мм кювету. Для сравнения ацетоновых вытяжек результаты пересчитывали с учётом объёма профильтрованной воды: например, при экстрагировании фильтрата, полученного из 200 мл воды в 2 мл ацетона значения поглощения делили на 200:2=100. 5.2. Распределение фототрофов в хемоклине Лагуна на Зеленом мысе В лагуне на Зеленом мысе в октябре 2017 г. максимальное поглощение пигментов фотосинтеза в пробах из-под хемоклина примерно в 50 раз превышало поглощение в пробе из аэробного слоя с глубины 300 см. На глубине 300 см в красной области наблюдается небольшой пик поглощения на длине волны 663 нм, характерный для хлорофилла a водорослей и цианобактерий; в остальных пробах красный максимум поглощения находится на 654 мкм, что соответствует бактериохлорофиллам c или d. Отметим, что в лагуне на Зелёном мысе над хемоклином располагается довольно протяжённая зона, характеризующаяся хотя и положительными значениями окислительно-восстановительного потенциала, но незначительными концентрациями растворённого кислорода, что позволяет зелёным серобактериям в большом количестве мигрировать сюда. Распределение пигментов фотосинтеза во времени и пространстве (и, следовательно, фотосинтезирующих организмов) в исследуемых водоёмах определяется как сезонными факторами (освещённость, температура), так и процессами сукцессии. В случае изолированных водоёмов, таких, как оз. Трёхцветное и Еловое, приливно-отливные движения воды в море на распределение и динамику не влияют. Приливы и отливы не влияют (по крайней мере явно) и на распределение фотосинтезирующих организмов в связанной с морем лагуне на Зелёном мысе, вероятно, в силу регулярности их воздействия здесь. В оз. Кисло-Сладком и Нижнем Ершовском, в которые время от времени проникают сизигийные приливы, их хаотическое влияние на гидрологическую структуру водоёма и соответственно на распределение и динамику очевидно. Оз. Еловое В октябре 2017 г. в оз. Еловом максимальное поглощение пигментов фотосинтеза в пробах из хемоклина на два порядка превышало поглощение в поверхностном слое. В пробах с глубин с глубин 0 м и 2 м выражен пик поглощения на длине волны 663 нм, характерный для хлорофилла a водорослей и цианобактерий; в пробах с глубин с глубины 2,9 м-3,1 м выражен пик поглощения на длине волны 654 нм, свойственный бактериохлорофиллам d и e зелёных серобактерий (детальнее о соотношении этих хлорофиллов в озере Еловом см. раздел 5.4). Оз. Трехцветное В июле 2017 г. в оз. Трехцветном была отобрана линейка шприцов, охватывающая слой 1,7-2 м с шагом 2,5 см. Этот диапазон глубин включает хемоклин с наиболее резкими физико-химическими градиентами от микроаэробной зоны на 1,7-1,75 м до резко восстановительных условий на 2 м. На глубине 1,9 м находился мутно-зеленый слой с зелеными серными бактериями. Из каждого шприца были сделаны ацетоновые вытяжки и сняты спектры поглощения света. Вертикальный профиль поглощения света указывает на то, что наибольшее количество бактерий сосредоточено в слое толщиной менее 5 см на глубине 1,875-1,9 м. Граница распространения бактерий размытая. Верхний предел бактериального слоя находится на глубине 1,75 м. Ниже слоя с густой клеточной суспензией начиная с глубины 1,925 м количество бактерий плавно уменьшается. Максимальное поглощение пигментами фотосинтеза под редокс-переходом более чем в 300 раз превышало поглощение у поверхности воды. На глубине 50 см в красной области наблюдался небольшой пик поглощения на длине волны 663 нм, характерный для хлорофилла a водорослей и цианобактерий; в пробах из нижней части хемоклина (192,5 см и 700 см) пик поглощения света в красной области приходится на 654 мкм, что соответствует бактериохлорофиллам c или d, тогда как в пробе с глубины 170 см красный пик поглощения расположен на промежуточной частоте - 657мкм и указывает на присутствие здесь смеси водорослей (и/или цианобактерий) и зелёных серобактерий. Подчеркнём, что миграция последних в аэробную зону возможна за счёт наличия у них газовых вакуолей, регулирующих плавучесть. Постоянство количественных характеристик зеленых серных бактерий в оз. Трёхцветном Зелёные серобактерии оз. Трёхцветного образуют весьма устойчивое сообщество. Спектрофотометрические исследования показали, что высота характерных пиков на спектрах интактных проб или ацетоновых экстрактов изменяется максимум в полтора-два раза, да и эти вариации, учитывая значительное колебание плотности бактерий по вертикали, скорее всего, могут быть объяснены недостаточной точностью отбора проб по глубине (часть проб была получена с помощью погружного насоса, который не может дать такой точности, как шприцевой пробоотборник). Кроме того, более выраженные отличия спектров интактных проб от ацетоновых экстрактов могут объясняться рассеянием света на частицах серы, быстро выпадающей в пробах под влиянием кислорода воздуха. В отличие от временной динамики, вертикальное распределение зелёных серобактерий показывает значительную изменчивость с глубиной. Основная масса бактерий концентрируется вблизи хемоклина с постепенным снижением численности с глубиной. Небольшое количество бактерий обнаруживается над хемоклином вблизи от него. Сероводород появлялся на глубине 180 см, незначительное количество серобактерий наблюдалось выше верхней границы его распространения. Обратите внимание на то, что на расстоянии между слоями 2,5 см оптическая плотность может изменяться почти вдвое. Нижнее Ершовское как образец нестабильности бактериального слоя Озеро Нижнее Ершовское, в отличие от Трёхцветного, отличается гидрологической неустойчивостью. В это пресное озеро примерно раз в два года при сочетании нагонного ветра и высоких приливов попадает морская вода, которая остаётся на дне озера в ямах на глубине двух и более метров. Здесь быстро формируется сообщество с зелёными серобактериями, чему способствует снижение содержания кислорода в верхних слоях воды в зимнее время, вплоть до замора. Однако в течение примерно года большая часть соли вымывается из озера и сообщество зелёных серобактерий опускается в самые глубокие слои, или даже исчезает. Осенью 2014 и 2016 гг. численность зелёных серобактерий была максимальной, затем через промежуточные значения (см. спектры от января 2017 г.) она снижалась. Летом 2015 г. из-за большого количества осадков и увеличения объема пресного стока, пресная вода полностью вытеснила остатки морской, и вместе с ней исчезли серные бактерии. В сентябре 2017 г. бактериальный слой на исчез, а сместился ниже: хотя на глубине 2,2 м зелёных серобактерий практически не было, на максимальной для данного места глубине 2,5 м они присутствовали в больших количествах. Разница между оз. Трёхцветным, где градиент солёности устойчив, и Нижним Ершовским, где на той же и даже большей глубине солёная вода довольно быстро замещается пресной. 5.3. Метод разделения вкладов двух типов бактерий разложением спектра флуоресценции Для проб воды, отобранных в марте 2017 г. с различной глубины четырех модельных водоемов: озера Трехцветное, Нижнее Ершовское, Большие Хрусломены и Лагуна на Зеленом мысе проведено их сравнение спектров флуоресценции со спектрами монокультур, выделенным из тех же водоемов ранее. Флуоресценция Бхл в клетках зеленых серобактерий имеет две перекрывающиеся полосы испускания: в области 740-770 нм (Бхл d и e) и при 815 нм (Бхл a). Длина волны максимума первой полосы зависит от соотношения концентраций зеленоокрашенных и коричневоокрашенных форм бактерий, содержащих разные типы Бхл. Предложен метод разделения вкладов двух типов бактерий, заключающийся в разложении спектра флуоресценции Бхл на три кривые гауссовой формы (испускание Бхл e, d и a), параметры которых определены из спектров монокультур. Отношение площадей индивидуальных компонентов соответствуют свечению Бхл каждой формы бактерий. Данным методом впервые определено процентное соотношение двух форм бактерий для четырех отделяющихся водоемов. В оз. Трехцветном такое разложение спектров выявило наличие только зеленоокрашенных ЗСБ. В Лагуне на Зеленом мысе на глубине 4,5- 6,0 м присутствует преимущественно коричневоокрашенная форма. В оз. Нижнем Ершовском зафиксировано наличие зеленоокрашенного типа. В оз. Б. Хрусломены ЗСБ присутствуют обе формы, но преобладает коричневоокрашенная (Табл. 2). В типологическом ряду водоемов на разных стадиях изоляции от моря, начальная фаза, представленная лагуной на Зеленом мысе, куда во время прилива дважды в день поступает морская вода из Кислой губы, характеризуется присутствием коричневоокрашенной формы зеленых серных бактерий. Озеро Большие Хрусломены представляет следующий этап, в нем еще есть приливно-отливные явления, но уже сформировалась устойчивая меромиксия, и в нем коричневая форма смешана с зеленой, но преобладает коричневая. Озера Нижнее Ершовское и Трехцветное – самые продвинутые на пути отделения от моря, и в них серобактерии представлены исключительно зелено-окрашенной формой. Присутствие в хемоклине конкретного водоема той или иной формы ЗСБ, возможно, зависит от солености. На глубине редокс-перехода, возле которого располагается слой с наибольшей плотностью клеточной суспензии, в лагуне на Зеленом мысе соленость в марте 2017 г. составляла 27,7‰, в оз. Б. Хрусломены - 12‰, в оз. Трёхцветном – 0,7‰ и в оз. Нижнем Ершовском – 0,1‰. 5.4. Еще один вариант разделения: разложение спектров поглощения света В ходе спектрофотометрических исследований нами были сделаны методические находки, которые мы предполагаем развить и применить в дальнейшем. Определение соотношения коричневоокрашенных и зелёноокрашенных бактерий, возможно и по спектрам поглощения. В этом разделе мы рассмотрим ещё один вариант анализа спектров, полученных из природных водоёмов. Известно, что анализ спектров пигментов из природных водоёмов, которые обычно представляют комбинацию спектров обитающих там фотосинтезирующих организмов, невозможен без анализа чистых культур этих организмов (Намсараев, 2009). Этот анализ включает в себя не только спектрофотометрические, но и хроматографические исследования, что позволяет знать соотношение пигментов и их спектры у конкретных видов. Так как в коротковолновой области в вытяжках пигментов велико поглощение, обусловленное каротиноидами, в анализе обычно принято использовать только длинноволновую (красную) часть спектра, определяемую хлорофиллами (бактериохлорофиллами) разных типов. На основе лабораторных измерений составляют формулы, позволяющие по поглощению на заданных длинах волн определить концентрацию хлорофилла или бактериохлорофилла. Ещё одна характерная особенность принятых методов заключается в разложении суммарного спектра поглощения на гауссианы, связанных с конкретными пиками конкретных пигментов (см., например, Ku1pper et al., 2007). Поскольку нам известны спектры поглощения чистых лабораторных культур зелёных и коричневых бактерий, задачу определения соотношения этих бактерий в природе можно свести к поиску такой комбинации их спектров, которая наилучшим образом имитирует спектр природной смешанной популяции. Сопоставление спектров флуоресценции чистых культур со спектрами из водоёмов указывает на то, что в оз. Трёхцветном преобладают зелёные бактерии с характерным пиком поглощения бактериохлорофилла d в коротковолновой области 428 нм, в лагуне на Зелёном мысе – коричневые с характерным пиком бактериохлорофилла e около 470 нм, а в оз. Еловом содержится смесь зелёных и коричневых бактерий. Мы попытались вручную подобрать пересчетные коэффициенты для частных спектрограмм, чтобы при их суммировании получилось максимальное приближение к спектру смеси. Наибольшее подобие было достигнуто при множителе 0,8 для спектрограммы пробы с зелено-окрашенными бактериями из оз. Трехцветного и 0,2 для пробы с коричнево-окрашенными бактериями из оз. Елового. Разумеется, полученную нами подгонку не следует считать доказательством того, что в Еловом обитает популяция, составленная на 80% из зелёных и на 20% из коричневых бактерий – для таких расчётов нужны откалиброванные по численности бактерий спектры, что нами пока не было проделано. Далее, метод основан на предположении, что спектры бактерий устойчивы по форме, то есть соотношение бактериохлорофиллов и сопутствующих пигментов не меняется в разных условиях. Наконец, в силе остаётся лежащее в основе спектрофотометрии требование выполнимости закона Бугера-Ламберта-Бера, согласно которому оптическая плотность (absorbance) линейно зависит от концентрации вещества. При выполнении этих условий, имея откалиброванные спектры чистых культур зелёных и коричневых бактерий, можно точно количественно охарактеризовать любую их смесь бактерий, то есть получить не только соотношение бактерий в смеси, но и точные цифры их численности. По цвету проба из Елового занимает промежуточное положение между пробами из оз. Трёхцветного и лагуны на Зелёном мысе. В этом можно убедиться с помощью инструмента «пипетка» программы Adobe Photoshop, которая для данных фотографий в системе RGB (red-green-blue) даёт для синего канала значения около 0 (что неудивительно, учитывая, что клетки сильнее всего поглощают синие лучи), а по красному и зелёному каналам приблизительно показывает для Трёхцветного R=100, G=140 (отношение R/G=0,71); для оз. Елового R=115, G=135 (отношение R/G=0,85); для лагуны на Зелёном мысе R=160, G=115 (отношение R/G=1,39). Если взять эти отношения яркостей каналов для оз. Трёхцветного и лагуны на Зелёном мысе с множителями 0,8 и 0,2, просуммировав их получаем: 0,71*0,8+1,39*0,2≈0,85, что соответствует отношению цветовых каналов для Елового. Таким образом, и этим методом мы получили, что цвет воды в оз. Еловом можно сымитировать смешением 80% цвета из оз. Трёхцветного и 20% цвета лагуна на Зелёном мысе. Разумеется, что метод, основанный на компьютерной программе для обработки цвета в его восприятии человеком, не может считаться спектроскопическим, но совпадение двух разных подходов представляется примечательным. 5.5. Влияние на спектры растворённых в воде примесей При проведении спектрофотометрических исследований взвешенных в воде клеток калибровку спектрофотометра, как правило, проводят с помощью образца дистиллированной воды. Однако в опреснённых водоёмах вода зачастую окрашена за счёт гуминовых веществ, которые при низкой концентрации клеток могут значительно искажать спектр пропускания. На спектре поглощения образца воды из. Оз. Трехцветного с глубины 1,7 см отчётливо виден только длинноволновый максимум поглощения бактериохлорофилла. Красной линией изображён спектр воды, полученной фильтрацией пробы через бактериальный фильтр с порами 0,2 мкм, который отражает высокое содержание гуминовых веществ (озеро расположено в болотистой местности). Зелёной линией изображён спектр, полученный вычитанием из спектра образца спектра фильтрата: коротковолновый пик стал отчётливо различимым, что позволяет оценить длину волны на максимуме поглощения. В пробах из оз. Нижнего Ершовского из спектров придонных чуть солоноватых проб (на глубинах 2,4м – 0,6‰, 2,5м – 5,4‰) мы вычитали в качестве фона спектр «пустой» пресной пробы (0‰) с глубины 2,2м. 5.6. Эффективность оксигенного фотосинтеза Совместно с кафедрой биофизики физического факультета МГУ мы проводим изучение световых реакций фотосинтеза фитопланктона с использованием метода быстрых индукционных кривых, регистрируемых в миллисекундном временном интервале. В пяти модельных водоемах были получены вертикальные профили распределения параметров флуоресценции фитопланктона. Наибольшее обилие фитопланктона и высокое функциональное состояние фотосинтетического аппарата водорослей зарегистрированы в узком слое у верхней границы хемоклина. Оно сопоставимо с аналогичными характеристиками культур водорослей, выращиваемых в оптимальных условиях. При этом, в случае доминирования криптофитовых водорослей (Rhodomonas sp. и Cryptomonas sp.) значения квантового выхода фотохимии ФС2 (FV/FM), доли активных РЦ (ABS/RC) и квантовый выход электронного транспорта в ФС2 (φEo) были выше, чем при доминировании зеленых и эвгленовых водорослей. В 2017 г. в исследуемых водоемах пик по параметрам F0 и FV/FM, характерный для зоны хемоклина, не был обнаружен. Вероятно, это было вызвано тем, что пик цветения фитопланктона в зоне хемоклина из-за позднего наступления лета пришелся на более поздний период. Совместно с преподавателями и студентами учебной группой кафедры физиологии растений выполнена серия экспериментов по отработке метода тонкослойной хроматографии (ТСХ) для разделения пигментов фотосинтезирующих организмов четырех меромиктических озер. Выделены пигменты микроорганизмов с предварительным подбором разделительной смеси. В водных и ацетоновых экстрактах, разделенных хроматографически, сняты спектры поглощения. Обнаружены различия в пигментном составе культур зеленых серных бактерий с зеленой и коричневой окраской. У коричневоокрашенных на хроматограмме было обнаружено пятно, которое по величине отношения расстояния, пройденного пятном, к расстоянию, пройденному растворителем (Rf) можно идентифицировать как соответствующее ксантофиллам, тогда как у зеленоокрашенных бактерий этого пятна нет. При сравнении хроматограмм красного слоя воды из о. Кисло-Сладкое и Лагуны на Зеленом мысе с массовым развитием криптофитовых эгутиконосцев Rhodomonas sp. были выявлены пигменты, не характерные для данного организма. В частности, хлорофилл b, который входит в фотосинтетический аппарат зеленых водорослей, эвгленовых или цианобактерий. Также, на хроматограмме красного слоя воды с Зеленого мыса было обнаружено пятно бактериохлорофилла, свидетельствующее о совместном обитании Rhodomonas и зеленых серных бактерий. Методика разделения пигментов из сообществ со сложным составом микроорганизмов требует дальнейшей доработки, но уже сейчас понятно, что это перспективный метод экспресс-анализа таксономического состава фототрофов. 6. Исследование донной фауны В 2017 г. собрана воедино база данных проб бентоса, собранных в 2014-2017 гг. Лагуна на Зеленом мысе В лагуне на Зеленом мысе за три года исследований (2015-2017) собраны 14 качественных проб в летний период, и пробы с 49 количественных дночерпательных станций летом и 22 станций зимой. В целом сообщество макрозообентоса напоминает типичную беломорскую литоральную фауну. При сходном наборе видов основу биомассы помимо M. balthica составляют Mytilus edulis и Mya arenaria. Массосое развитие в этой лагуне получают также улитки Hydrobia ulvae. Уже на этом этапе отделения водоемов фауна содержит больше литоральных эврибионтов (Hydrobia ulvae,Macoma balthica, Mya arenaria, Mytilus edulis, Arenicola marina,Tubificoides benedeni, хирономид и т.д.) и меньше сублиторальных стеногалинных форм (по-прежнему отмечаются Pholoe minuta, Asterias rubens, асцидии), нежели окружающие хорошо промывающиеся лагуны Кислой губы, хотя в целом фауны схожи. В лагуне на Зеленом мысе и других аналогичных морских лагунах отмечаются наивысшие плотности макрозообентоса (до 100 тыс. экз./м2), в среднем около 10 тыс. экз./м2. Максимумы плотности и биомассы расположены в диапазоне глубин 1-2,5 м, что отличиает их от водоемов с опресненным верхним слоем, где они приходятся на поверхностный пресный слой. Озеро Кисло-Сладкое В озере Кисло-Сладком за четыре года исследований (2014-2017) суммарно собраны 19 качественных проб в летний период, и пробы с 90 количественных дночерпательных станций летом и 46 станций зимой. Кисло-Сладкое озеро в большей степени изолировано, нежели водоемы лагунного типа, в нем уже отсутствуют регулярные приливные колебания; перемешивание происходит лишь периодически во время сизигийных приливов в сочетании с нагонными ветрами, когда в озеро поступает холодная морская вода. Видовое разнообразие в этом водоеме снижено по сравнению с морской литоралью, отмечается 10-15 видов за съемку. Среднее значение численности существенно меньше, нежели на морской литорали, и составляет около 3 тыс. экз./м2. Биомассы бентоса здесь в среднем составляют 20-60 г/м2. Главное отличие бентоса оз. Кисло-Сладкого от лагун с промывным режимом - исчезновение двустворчатых моллюсков. Аналогичные изменения были зарегистрированы в баренцевоморской Кислой губе, искусственно отделенной при строительстве Кислогубской приливной электростанции. Существенно снижено разнообразие полихет. Доминантом по биомассе стал брюхоногий моллюск H. ulvae, больший вес получили личинки хирономид Ch. salinarius и олигохеты Tubificoides benedeni. Это сообщество напоминает эврибионтный биотоп детритофагов заиленных участков прибрежных лагун с замедленной гидродинамикой. В мелководных участках озера развиваются водные насекомые и личинки (жуки, хирономиды и другие двукрылые). Озеро Еловое В озере Еловом собраны 8 качественных проб и 30 количественных в летний период за два года исследований. В этом водоеме верхний слой водной толщи сильно распреснен, и на долю соленого аэробного слоя приходится лишь небольшой процент донной поверхности. Фауна в основном состоит из личинок насекомых, от морской фауны остаются лишь эвригалинные формы – бокоплав Gammarus duebeni и хирономида Ch. salinarius. По функциональному обилию доминантной формой является хирономида Psedochironomus gr. prasinatus. Биомасса бентоса здесь варьирует в пределах 10-40 г/м2, что соответствует минимальным значениям и характерно для пресноводных и меромиктических водоемов. Максимумы численности и биомассы приурочены к верхнему полуметру. Озеро Трёхцветное В Трехцветном озере за два года собрано 10 качественных и 38 количественных проб в летнее время и 6 количественных проб зимой. Меромиктическое озеро Трехцветное обладает пресным верхним двухметровым слоем, соответственно, макрофауна является типично пресноводной: преобладают хирономиды, в особенности Ch. plumosus. Мощный соленый слой этого озера лишен кислорода и донной фауны. Биомасса бентоса в аэробной зоне оз. Трехцветного варьирует в пределах 10-40 г/м2, что соответствует минимальным значениям и характерно для пресноводных и меромиктических водоемов. Максимумы численности и биомассы приурочены к верхнему полуметру. Пресные озера Также обследованы пресноводные водоемы окрестностей ББС МГУ для сравнения с меромиктическими стадиями отделения. В Верхнем Ершовском озере собраны две количественные дночерпательные пробы зимой 2015 г. Также две пробы взяты в Водопроводном озере зимой 2015 г. В озере Круглом три дночерпательные пробы обследованы летом 2017 г. В Верхнем озере обследованы 6 качественных и три количественных пробы летом и одну зимой в 2015 г. Перечисленные пресные водоемы по фауне в целом похожи на меромиктические, однако в них еще больше возрастает разнообразие насекомых (стрекозы, жуки, клопы, двукрылые) и больший вклад в биомассу вносят двустворчатые моллюски пресноводного происхождения. Численность бентоса в пресных водоемах сильно варьирует (1300-9000 экз./м2.Биомасса бентоса варьирует в пределах 10-40 г/м2, что соответствует обычному уровню для пресных и меромиктических водоемов. Виды и надвидовые таксоны бентоса, отмеченные в оз. Верхнем, в порядке убывания частоты встречаемости: Оз. Большие Хрусломены Озеро Большие Хрусломены детально обследовано летом 2017 г. Взяты 13 количественных и три качественные пробы. Поверхностный слой в этом водоеме сильно опреснен, на долю соленого аэробного слоя приходится лишь небольшой процент донной поверхности. Фауна здесь в основном состоит из личинок насекомых, от морской фауны остаются лишь эвригалинные формы – бокоплав Gammarus duebeni и хирономида Ch. salinarius. По биомассе преобладает Ch. salinarius. Аэробный слой приходится на критическую соленость, и разнообразие в водоеме снижено до минимального (6-10 видов/съемка). Соностровские водоемы Три водоема вблизи острова Сонострова обследованы летом 2017 г. в оз. Вонючка на острове Тонисоар взято 12 количественных проб, в оз. Мероламбина - 10 количественных и три качественных, в губе Глубокой 11 количественных дночерпательных проб. В трех соностровских соленых озерах, регулярно заливаемых приливами, донная фауна близка к типичной беломорской. В целом ее можно охарактеризовать как сообщество Macoma balthica – Pontonema vulgare, широко распространенных на морской литорали. В озере Мероламбина высокой встречаемостью обладают арктические полихеты Micronephtys minuta, что указывает на сходство с ковшовыми губами. Большее развитие в этом озере, в сравнении с морской литоралью, получают улитки Hydrobia ulvae. Видовое разнообразие в этих водоемах наибольшее среди исследованных – от 23 до 34 видов за одну съемку. Биомасса бентоса в этих трех озерах несколько ниже (50-170 г/м2), чем на с морской литорали открытых лагун (200-300 г/м2). Максимум плотности и биомассы расположен в диапазоне глубин 1-2,5 м, в отличие от водоемов с опресненным верхним слоем. 7. Применение молекулярно-генетических методов для идентификации организмов 7.1. Идентификация бентосных животных Собраны образцы 5 видов беспозвоночных, которые по внешним, морофологическим или экологическим признакам вызывают сомнения в определении и могут оказаться другими видами, чем те, которые обитают на соседних морских акваториях. В числе таких видов двустворчатый моллюск Hydrobia ulvae, приапулиды Prispulus caudatus и два вида мшанок. Необычные для района мшанки обнаружены на каменистой протоке двух водоемов, сообщающихся с морем – озера Кисло-Сладкого и соленой лагуны на Зеленом Мысу. Это нетипичный представитель Electra cructulenta var. balthica (Cheilosromatida: Membraniporoidea), ранее не отмеченный в ближайших окрестностях ББС МГУ, и мшанка, которая по классическим определителям идентифицируется как обычная для региона Bowerbankia caudata (=Amathia gracilis) (Ctenostomatida: Vesiculariidae), по месту обитания и фенотипически отличная от других известных популяций. Для установления их систематического положения были использованы молекулярно-генетические методы. Молекулярная часть работы и анализ полученных последовательностей биоинформатическими средствами выполнены в рамках студенческой практики факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ по молекулярной биологии. Секвенированы три гена: митохондриальный ген цитохромоксидазной субъединицы 1 (CO1), 16S рРНК и 3 фрагмента ядерных генов 18S рРНК. Анализ последовательностей трех генов дает одинаковую картину. Electra crustulenta var. balthica с порогов двух отделяющихся водоемов идентичны между собой, и их нуклеотидные последовательности совпадают с образцами E. crustulenta из генбанка. B. caudata из проток отделяющихся водоемов полностью идентичны между собой, но при этом отличаются от всех представителей рода из типичного морского местообитания и имеющихся в генбанке последовательностей этого вида. Bowerbankia caudata с этих порогов отличаются от всех прочих мшанок этого рода не менее чем на видовом уровне. Согласно генетическим данным, это новый для окрестностей ББС МГУ вид. Материалы по другим беспозвоночным еще находятся в работе. 7.2. Метагеномые исследования планктонных микроорганизмов Для идентификации микроорганизмов двух озер - Кисло-Сладкого и лагуны на Зеленом мысе - был применен метагеномный подход. Пробы с разных глубин этих водоемов были пропущены через фильтры с диаметром пор 0,2 и 1,5 мкм. Фильтры 0,2 мкм предназначены для улавливания бактерий, 1,5 мкм - эукариотических организмов. Из фильтрата выделена ДНК и на секвенаторе ILLUMINA по технологии NGS выполнено секвенирование гена 18S РНК. Из полученных ридов собраны последовательности для сравнения с последовательностями, выложенными в генбанке, и сделана первичная идентификация. Полученные данные требуют дальнейшей биоинформатической обработки. | ||
3 | 1 января 2018 г.-15 декабря 2018 г. | Эволюция водоемов морского происхождения при их изоляции от моря |
Результаты этапа: На побережье Белого моря в результате постгляциального поднятия берега образовалось множество водоемов, в разной степени изолированных от Белого моря. В общей сложности выявлено более двух десятков водоемов, еще сохранивших связь с морем. Рассматривая их как последовательные стадии изоляции можно реконструировать ход гидрологической и экологической эволюции водоема. С этой целью на базе Беломорской биостанции МГУ были организованы комплексные исследования с участием гидрологов, гидробиологов, гидрохимиков и физиков, к которым, кроме участников проекта, были привлечены коллеги из других учреждений, а также студенты и аспиранты нескольких факультетов МГУ. Составлена база данных, собранных с 2010 года, с гидрологическими, гидрохимическими, гидробиологическими, геодезическими и картографическими материалами о 37 водоемах, сформирована ГИС. Проведены натурные обследования 19 водоемов, в том числе найдено 5 новых. По данным многолетнего мониторинга с учетом новых данных, полученных в ходе 16 экспедиционных выездов, описаны особенности их гидрологических циклов, последовательность в типологическом ряду по степени изоляции, отслежены сезонные и многолетние изменения в вертикальной структуре, распределение планктона и состав бентоса. Охарактеризованы основные сообщества донных беспозвоночных 13 водоемов на разных стадиях изоляции, их пространственное распределение в прибрежной зоне и по глубинам. Определены основные закономерности изменений в составе сообществ макрозообентоса на разных этапах изоляции от моря. Для уточнения систематической принадлежности беспозвоночных из изолированных озер к 25 видам были применены молекулярно-генетические методы с использованием митохондриальных и ядерных генов. 24 вида оказались обычными и идентичны обитающим на соседних морских акваториях. В лагуне на Зеленом мысе обнаружена мшанка Bowerbankia caudata, генетически отличающаяся от представителей этого вида из моря; согласно генетическим данным, это новый для окрестностей ББС МГУ вид. Для экспресс-оценки состава автотрофных организмов разработаны новые методы, включая спектрофотометрический метод определения преобладающих пигментов фотосинтеза в экстрактах из проб; метод определения вклада разных форм аноксигенных фоторофных бактерий в общий пул бактериохлорофилла по спектрам флуоресценции; метод определения концентрации хлоросомного бактериохлорофилла по спектрам поглощения клеток зеленых серобактерий в пробах природной воды без экстрагирования пигментов. Изучено вертикальное распределение фототрофов в изучаемых водоемах в разные сезоны, включая зимний. Сконструировано оригинальное устройство для отбора проб воды в условиях резких градиентов с шагом 2,5 см, которое отличается от аналогов большей дробностью, меньшим объемом каждой пробы и иным принципом подачи усилия для раскрывания шприцов. Обнаружена последовательная смена нескольких сообществ микроорганизмов по вертикали в пределах 10-сантиметрового слоя в хемоклине. Выполнен метагеномный анализ эукариотической микробиоты двух меромиктических водоёмов; проанализированы параметры α- и β-разнообразия. Несмотря на схожесть экологических характеристик слоёв одного типа в разных водоёмах, по видовому составу протистов они существенно различаются. Сходство выявлено только у соседних слоев в пределах одного водоема. |
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".