![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Феномен хемоклина как самой продуктивной зоны в меромиктических водоемах еще недостаточно изучен. В прибрежных стратифицированных водоемах, которые образовались путем отделения от Белого моря, с хемоклином обычно ассоциирована вертикальная последовательность слоев с разными микроорганизмами: высокоплотным сообществом аноксигенных фототрофных бактерий в его анаэробной части, сообществом с доминированием миксотрофов в микроаэробной части, и высокой концентрацией фитопланктона и зоопланктона вблизи хемоклина в его аэробной части. Первичная продукция аноксигенного фотосинтеза существенно превышает суммарную первичную продукцию фитопланктона и играет большую роль в обеспечении органическими веществами вышележащего аэробного сообщества. Аноксигенные фототрофные бактерии служат биофильтром, используя сероводород, который поступает из анаэробной зоны. Резкие физико-химические градиенты в хемоклине - температурный градиент, освещенность над хемоклином и афотические условия под ним, перепады окислительно-восстановительного потенциала, которые могут достигать 0,5 вольт на 10-20 см, и различия в реакции среды, определяемой физиологическими процессами микроорганизмов - имеют биогенную природу и при этом тесно связаны с абиотическими внешними факторами. Однако не во всех водоемах этот биологический фильтр хорошо выражен. Среди множества стратифицированных озер и лагун, частично изолированных от Белого моря, мы обнаружили несколько водоемов с нерезким хемоклином, растянутым на один-два метра, без плотных микробных сообществ. Такое отклонение от типовой экологической структуры требует объяснения. Данный проект нацелен на изучение хемоклина - состава микробных сообществ и условий их формирования, на сравнение водоемов с резкими градиентами в хемоклине и без них, а также на разработку новых методов его изучения. Данный проект включает: 1) исследование гидрологических условий формирования хемоклина в водоемах, образовавшихся путем изоляции от моря, 2) изучение распределения аноксигенных фототрофных бактерий в хемоклине озер с выраженным градиентом и определение показателей физиологической активности их фотосинтетического аппарата в разных слоях хемоклина; 3) изучение биологического разнообразия микроорганизмов в хемоклине разных водоемов, в том числе с применением молекулярно-генетического анализа (метагеномики); 4) описание сезонной сукцессии фитопланктона в модельных водоемах с четко выраженным хемоклином; 5) соотнесение распределения бентоса с физико-химическими градиентами в водоемах с разной степенью их выраженности; 6) разработку спектрофотометрического экспресс-метода оценки биомассы криптофитовых водорослей, которые образуют плотную популяцию в хемоклине некоторых озер на ранних стадиях их изоляции от моря, по концентрации фикоэритрина. 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. Научная новизна состоит в уникальной возможности сравнивать между собой серии водоемов сходного происхождения, находящиеся в одной климатической зоне. Тонкие послойные исследования состава микроорганизмов с применением метагеномики производятся впервые в мире. Полученные данные будут актуальны при прогнозировании последствий искусственной изоляции водоемов в случае строительства гидротехнических сооружений на побережье арктических морей. Оценка физиологического состояния фотосинтетического аппарата зеленых серных бактерий в биопленке будет выполнена впервые, она откроет возможность контроля при их культивировании и разработки экспресс-метода для природного мониторинга. Новый метод оценки биомассы криптофитовых водорослей может быть востребован при их культивировании в искусственных условиях и для контроля качества природных вод.
более 0,5 стр.; в том числе кратко – актуальность, уровень фундаментальности и научная новизна; ожидаемые результаты и их значимость) The phenomenon of chemocline as the most productive zone in meromictic lakes is still not well understood. In the coastal stratified lakes and lagoons that were formed by separation from the White Sea, the vertical sequence of layers with different microorganisms is usually associated with chemocline: the high-density community of anoxigenic phototrophic bacteria (APB) in its anaerobic part, the community with the predominance of mixotrophs in microaerobic zone, and the high concentration of phytoplankton and zooplankton near chemocline in its aerobic part. Primary production of anoxygenic photosynthesis significantly exceeds the total primary production of phytoplankton and plays an important role in providing organic substances to the overlying aerobic community. The APB serves as a biofilter that catch hydrogen sulphide, which comes from the anaerobic zone. The sharp physico-chemical gradients in chemocline: the temperature gradient, the illumination above the chemocline and the aphotic conditions under it, the redox potential drops, which can reach 0.5 volts per 10-20 cm, and the differences in the pH, determined by the physiological processes of the microorganisms, have a biogenic nature. However, this biological filter is not everywhere well expressed. Among the many stratified lakes and lagoons, partially isolated from the White Sea, we found several with an unsharpened chemocline stretched for one or two meters, without dense microbial communities. This deviation from the typical ecological structure requires an explanation. This project is aimed at studying this anomaly, comparing reservoirs with sharp gradients in chemocline and without them, studying the chemocline phenomenon, including the composition of microbial communities and the conditions for their formation, and also developing new methods for studying it. This project includes: 1) the study of the hydrological conditions for the formation of chemocline in the water bodies formed by isolation from the sea; 2) the study of the distribution of anoxigenic phototrophic bacteria in the chemocline of lakes with a pronounced gradient and the determination of the photosynthetic apparatus physiological activity in different chemocline sublayers; 3) studying the biological diversity of microorganisms in the chemocline of different lakes and lagoons, including those using molecular genetic analysis (metagenomics); 4) a description of the seasonal succession of phytoplankton in model water bodies with a clearly expressed chemocline; 5) correlation of the distribution of benthos with physico-chemical gradients in water bodies with different degrees of expression of these gradients; 6) development of a spectrophotometric express method for estimating by the phycoerythrin concentration of the biomass of cryptophyte algae that form a dense population in the chemocline of some lakes in the early stages of their isolation from the sea. To obtain a comprehensive description, the efforts of hydrologists, hydrochemists, biologists and physicists will be combined, which will make it possible to study the ecological structure of water bodies as a result of the interaction of biotic and abiotic factors. Scientific novelty consists in a unique opportunity to compare within a series of water bodies of similar origin located in the same climatic zone. Thin layer-by-layer studies of the stratification of the composition of microorganisms using metagenomics are made for the first time in the world. The obtained data will be relevant for predicting the consequences of artificial isolation of marine water bodies in the case of construction of hydraulic structures on the coast of the Arctic seas. Evaluation of the physiological state of the photosynthetic apparatus of green sulfur bacteria inside the biofilm will be performed for the first time, it will open the possibility of control during their cultivation and provide an express method for natural monitoring. A new method for estimating the biomass of cryptophyte algae can be useful for their cultivation and for monitoring of natural water quality.
В ходе экспедиционных исследований на побережье Белого и Баренцева морей (шесть водоемов на карельском берегу Белого моря, один водоем в вершине Кандалакшского залива, два водоема в Пирь-губе на Терском берегу, оз.Могильное) будут получены новые данные о характере стратификации в нескольких водоемах, где в предыдущие годы был слабо выражен хемоклин. Новыми данными о водоемах, особенностях хемоклина в них и степени выраженности градиента будет пополнена база данных, составленная в ходе реализации предыдущих проектов. База данных хранится на Беломорской биологической станции МГУ им. М.В. Ломоносова и открыта для использования всех специалистов, которые участвуют в изучении беломорских меромиктических водоемов. Построение схем вертикальной стратификации с выделением границ и физико-химических зон для всех водоемов, обследованных в ходе проекта. Оценка устойчивости стратификации. Новые данные о динамике положения хемоклина и солености разных слоев в оз. Могильном позволят подтвердить или опровергнуть опасения о том, что этот водоем (гидрологический памятник природы федерального ранга) может лишиться меромиксии, что представляет опасность для изолированной популяции кильдинской трески (занесенной в Красную книгу России), у которой это единственное место обитания в мире. Пополнение геоинформационной системы, созданной в ходе выполнения предыдущего проекта, новыми данными о новых водоемах. Для пяти водоемов с резким градиентом в хемоклине и массовым развитием аноксигенных фототрофных бактерий, в бактериальном слое с тонким разрешением около 1 см будут получены спектры поглощения света и спектры флуоресценции при возбуждении светом с разной длиной. Будут собраны пробы фитопланктона с указанием их численности и биомассы на нескольких горизонтах одного модельного водоема (предположительно – оз.Кисло-Сладкого) с двухнедельной периодичностью, отражающие сезонную сукцессию. Начата обработка проб. Отбор и фильтрация проб для метагеномного анализа в хемоклине одного водоема, выделение ДНК, секвенирование. Будет начата биоинформатическая обработка полученных последовательностей. Совместно с учебной студенческой группой кафедры физиологии растений будет начата работа над новым экспресс-методом оценки биомассы криптофитовых водорослей по поглощению света фикоэритрином, с проверкой корреляции количества пигментов, численность и клеток и (или) биомассы в разное время суток и в разные сезоны. Отбор проб из хемоклина двух водоемов с массовым развитием криптофитовых. Испытание разных методов экстракции фикоэритрина, получение спектров поглощения света, определение численности и биомассы в пробах и проверка годности метода экстракции. Для проверки результатов из тех же проб будет экстрагирован хлорофилл и выполнена стандартная процедура определения биомассы по хлорофиллу. Результаты исследований будут доложены не менее, чем на двух конференциях. Общее число планируемых докладов – 5. Подготовка двух публикаций в ведущих высокорейтинговых отечественных и зарубежных журналах: не менее десяти статей в рецензируемых изданиях из списка ВАК и индексируемых в Web of Science и Scopus.
Для работы над проектом сложился и успешно работает над решением задач междисциплинарного характера коллектив ученых различных специальностей, сотрудников физического, биологического и географического факультетов, факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ имени М.В. Ломоносова, Института проблем передачи информации РАН, Института микробиологии РАН, Института экологических проблем Севера УрО РАН (Архангельск), Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН (г. Оренбург), Государственного океанографического института и еще нескольких научно-исследовательских учреждений и вузов. Результативная работа участников проекта отражена в списке совместных публикаций. У коллектива авторов заявки - физиков, биологов, гидрологов, гидрохимиков, картографов имеется хороший научный задел и получен целый ряд оригинальных фундаментальных результатов, в рамках выполненных и действующих инициативных проектов РФФИ. На Беломорской биологической станции у руководителя проекта есть богатый опыт организации научных исследований и исследовательских экспедиций: за период с 2012 по 2018 гг. было организовано 15 экспедиций по аналогичной тематике, результаты которых доложены на многих научных конференциях и опубликовано более полусотни 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., за 2014-2015 гг., 2016-2017 гг. и за 2018 год).
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 15 января 2019 г.-25 декабря 2019 г. | Вклад биологических и абиотических факторов в формирование физико-химических градиентов в прибрежных меромиктических водоемах морского происхождения |
Результаты этапа: Проект нацелен на изучение феномена хемоклина – градиентной зоны, которая возникает в стратифицированных водоемах на границе аэробной и анаэробной зон, состава обитающих в нем микробных сообществ и условий их формирования, выявление главных факторов, которые определяют наличие хемоклина и его особенности, а также на разработку новых методов его изучения. Проведены исследования гидрологических условий формирования хемоклина в водоемах, образовавшихся путем изоляции от моря. Изучено распределение аноксигенных фототрофных бактерий в хемоклине озер с выраженным градиентом и определены показатели физиологической активности их фотосинтетического аппарата в разных слоях хемоклина. Собран материал для оценки биологического разнообразия микроорганизмов в хемоклине разных водоемов, в том числе с применением молекулярно-генетического анализа (метагеномики). Выполнены наблюдения за сезонной сукцессией фитопланктона при формировании хемоклина. Начата отработка спектрофотометрического экспресс-метода оценки биомассы криптофитовых водорослей,при их массовом развитии по поглощения света фикоэритрином. Для получения комплексной картины объединены усилия гидрологов, гидрохимиков, биологов и физиков, что позволило рассмотреть экологическую структуру водоемов как результат взаимодействия биотических и абиотических факторов. | ||
2 | 1 января 2020 г.-26 декабря 2020 г. | Вклад биологических и абиотических факторов в формирование физико-химических градиентов в прибрежных меромиктических водоемах морского происхождения |
Результаты этапа: В 2020 году было продолжено изучение феномена хемоклина – градиентной зоны, которая возникает в стратифицированных водоемах на границе аэробной и анаэробной зон, обитающих в нем сообществ и условий их формирования, взаимоотношений разных компонентов сообщества. Это необходимо для выявления главных факторов, которые определяют наличие хемоклина и его особенности. Для изучения градиентной зоны необходимы особые методы и оборудование, и это также входит в задачи проекта. В 2020 году на основе наблюдений за несколькими водоемами, образовавшимися путем изоляции от моря, которые охватили полный гидрологический цикл от одного ледостава до следующего, отслежена динамика сообществ микроорганизмов, сезонная изменчивость условий их обитания в водоемах, образовавшихся путем изоляции от моря. Комплексные исследования реликтовой лагуны в Восточной Порьей губе на акватории Кандалакшского заповедника позволили оценить изменения гидрологической структуры водоема за 85 лет. Вклад антропогенных факторов в формирование вертикальной стратификации оказался больше, по сравнению с влиянием продолжающегося поднятия берега. В бухте Лобаниха на острове Великом, которая также относится к Кандалакшскому заповеднику, зарегистрирован внезапный замор бентоса в результате сероводородного заражения; отслежена динамика положения хемоклина и скорость восстановления гидрологической структуры. Продолжена работа над новым методом количественного определения аноксигенных фототрофных бактерий в хемоклине озер с выраженным градиентом с применением спектральных методов. Выполнены наблюдения за сезонной сукцессией фитопланктона в соленом водоеме с постоянным хемоклином. Впервые проведены исследования зоопланктона в отделяющихся водоемах на разных стадиях изоляции от моря. Обнаружено несколько видов планктонных организмов, которые концентрируются в хемоклине в условиях дефицита кислорода. Обнаружен новый для науки феномен - постоянно существующее скопление личинок многощетинковых червей в микроаэробной части хемоклина. Собран материал для идентификации этих личинок, в том числе, с применением молекулярно-генетических методов. Для получения комплексной картины объединены усилия гидрологов, гидрохимиков, зоологов, микробиологов, физиков, благодаря чему экологическая структура водоемов представляется результатом взаимодействия биотических и абиотических факторов. | ||
3 | 1 января 2021 г.-28 декабря 2021 г. | Вклад биологических и абиотических факторов в формирование физико-химических градиентов в прибрежных меромиктических водоемах морского происхождения |
Результаты этапа: С целью изучения феномена хемоклина (градиентной зоны между верхней аэробной и придонной анаэробной зонами) в прибрежных стратифицированных водоемах, образовавшихся путем отделения от моря, выполнены экспедиционные исследования, которыми охвачено 17 водоемов на побережье Белого и Баренцева морей, из них в восьми проводился регулярный мониторинг. Найдено два новых меромиктических прибрежных водоема. Среди факторов, определяющих гидрологическую структуру отделившихся от моря водоемов, есть связанные с изменением климата. В частности, в реликтовом оз. Могильное негативный тренд к сокращению пресного слоя и рост солености в нем связаны с уменьшением суммы твердых осадков и увеличением летней температуры. Подъем границы распространения сероводорода и увеличение его количества вызваны другой причиной - уменьшением проницаемости фильтрующей дамбы. На беломорском побережье важную роль играет также прогрессирующий подъем берега, последствия которого изучены на примере системы лагун на Терском берегу путем сравнения современного состояния с описанным предшественниками в 1930-е годы. За прошедшее время во всех лагунах уменьшились межгодовые вариации придонной солености. В кутовой лагуне возросла соленость придонного слоя, на два порядка возросла концентрация минерального фосфора, установилась стабильная страфикация, соответствующая меромиктическому водоему. Появилась аноксийная зона с высоким содержанием сероводорода, которая занимает треть глубины водоема. С помощью логгеров, которые регистрируют давление и температуру воды, мы установили, что прилив в лагунах теперь начинается при уровне моря на 30 см выше, чем в 1930-х годах. Мы также выяснили, что cероводородное заражение не является обязательным следствием изоляции водоема от моря: на Терском берегу в полуизолированных водоемах стратификация нередко отсутствует. Формированию вертикальной стратификации там препятствуют забросы воды из открытого моря, тогда как в шхерных районах Карельского берега прибрежные лагуны защищены от штормовых заплесков и соседствуют с мелководьями, где происходит смешение морской воды с пресным стоком, за счет чего уменьшается соленость и плотность поверхностного слоя морской воды, поступающего в отделяющиеся водоемы. Однако сероводородное заражение может возникать и в водоемах, не изолированных от моря. В ходе экспедиционных работ по данному проекту в бухте Биофильтров был обнаружен подводный меромиктический водоем, образовавшийся за счет особенностей донного рельефа. В этой бухте описано новое для науки планктонное сообщество, связанное с высокопродуктивной зоной хемоклина. Оно включает аноксигенных фототрофных бактерий, гетеротрофных динофлагеллят с клептопластидами криптофитовых водорослей и агрегацию личинок многощетинковых червей Polydora cf. ciliata, обитающих в условиях гипоксии. На дне этой бухты в зоне контакта с хемоклином обнаружено кольцевое поселение взрослых полихет этого вида. Таким образом, хемоклин определяет существование отдельного донного сообщества. Зарегистрировано сезонное появление аноксии в ковшовой губе Лобаниха без предшествовавшего цветения фитопланктона, начат мониторинг реколонизации бентоса. В первый год после замора заселение бентоса началось с иммиграции подвижных форм с мелководных участков дна. В одном из модельных водоемов отслежено восстановление хемоклина после полной его промывки морской водой и после периода полной зимней аноксии. Для восстановления хемоклина решающим фактором оказались биологические процессы: цветение фитопланктона, его отмирание и активизация бактериальной сульфатредукции. Отслежена сезонная сукцессия фитопланктона в двух водоемах, выяснилось, что она несинхронна с происходящей в море, а количественные показатели фитопланктона знасительно выше. При наличии хемоклина максимум биомассы фитопланктона приходится на него. Сопоставление измеренных концентраций кислорода и сероводорода возле редокс-интерфейса и рассчитанных по уровнениям диффузии показало, что для химического окисления сероводорода в пограничном слое кислорода недостаточно, и основным механизмом формирования градиента сероводорода служит аноксигенный фотосинтез. С помощью метагеномного анализа было определено, что бактериальные сообщества одних и тех же функциональных зон в разных водоёмах больше похожи между собой, чем разные слои одного водоема. В двух водоемах, находящихся на разных стадиях изоляции, определен таксономический состав прокариот в разных слоях и основные геохимические процессы, которые они осуществляют. Впервые для морских водоемов обнаружено светозависимое окисление метана, выполняемое метанотрофными гаммапротеобактериями в ассоциации с цианобактериями. Также найдено свидетельство консортивных связей между микроорганизмами, вырабатывающими сульфиды, и окисляющими их. Анализ биоразнообразия простейших из двух водоемов с применением высокопроизводительного секвенирования MiSeq (Illumina) показал, что состав сообществ протистов хорошо согласуется с гидрологической структурой, и сообщества всех зон значительно отличаются от сообщества протистов открытой части моря. Из абиотических факторов, потенциально влияющих на положение хемоклина, отдельно был рассмотрен световой режим. На примере шести водоемов показано, что распространение света и граница сероводородной зоны не связаны. В безледный период световой режим в хемоклине определяется обилием фитопланктона и плотностью расположенного в нем бактериального мата. Одним из результатов многолетнего мониторинга беломорских водоемов стало уточнение природы заглубленного максимума температуры. Выяснилось, что он не совпадает со слоем массового развития фитопланктона или бактерий. Его появление связано с сезонным охлаждением поверхностного слоя после общего прогрева водоема. Изучено вертикальное распределение бентоса и зоопланктона и их связь с с физико-химическими градиентами. Устойчивая вертикальная стратификация с тенденцией к меромиксии и постепенное опреснение по мере усиления изоляции водоема от моря создают условия для формирования необычного набора макрофауны и сукцессии. В одном меромиктическом водоеме, который характеризуется высокой концентрацией сероводорода и сильными градиентами в хемоклине, в микроаэробной зоне дна, прилегающей к редокс-границе сверху, обнаружена концентрация живого мейобентоса, зона обитания которого характеризуется круглогодичным постоянством физико-химических свойств среды и высоким содержанием потенциальных пищевых ресурсов. Впервые исследовано вертикальное распределение и состав зоопланктона в разных слоях 13 водоемов на разных стадиях изоляции от моря. Высокопродуктивный слой с аноксигенными фототрофами и цветением одноклеточных водорослей служит для зоопланктона аттрактантом; выявлено несколько видов и форм, которые встречаются только в хемоклине. Одной из задач проекта была разработка экспресс-методов оценки таксономического состава фототрофов с помощью спектрально-оптических методов. Разработаны и апробированы три новых метода количественного анализа бактериохлорофилла d, который содержится в зеленоокрашенных зеленых серных бактериях. Все три метода дают хорошую сходимость результатов. Выяснилось, что градиентность распределения пигментов микроорганизмов определяется функциональным состоянием фотосинтетического аппарата бактерий, которое зависит от внешних условий. Также разработан новый метод количественной оценки криптофитовых водорослей Rhodomonas sp., которые нередко создают в хемоклине слой с гиперцветением, путем спектрофотометрического определения концентрации фикоэритрина и хлорофилла ”а”. Анализ пигментного состава воды из хемоклина нескольких меромиктических водоемов и над ним позволил оценить таксономический состав сообщества фототрофов. В некоторых случаях пигменты бактерий, являющихся строгими анаэробами, и продуктов их деградации выявлялись в аэробной зоне, что указывает на перенос вещества в пищевых цепях из хемоклина в сообщество аэробной зоны. |
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".
№ | Имя | Описание | Имя файла | Размер | Добавлен |
---|---|---|---|---|---|
1. | Статья в газете "Советский физик" | gazeta_Sovetskij_fizik_No2_143_2020_aprel-maj_s._41-44.pdf | 200,8 КБ | 15 июня 2020 [A.A.Zhiltsova] |