Проект: Исследование закономерностей функционирования трофических цепей в меромиктических озерах

Проект: Исследование закономерностей
функционирования трофических цепей в
меромиктических озерах
Руководитель проекта: к.б.н., доцент Задереев Егор Сергеевич
Исполнитель: Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и
научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в
рамках реализации мероприятия № 1.2.2 Проведение научных
исследований научными группами под руководством кандидатов наук
Цель проекта:
Получение новых знаний о функционировании трофических
цепей стратифицированных меромиктических озер и
последующее использование полученных закономерностей и
разработанных математических моделей для анализа
динамики водных экосистем, оценки последствий
антропогенных или других воздействий.
Цель второго этапа выполнения НИР
Продолжение полевых работ, обобщение материалов
биосъемок, полученных на первом этапе работы.
Проведение полевых экспериментов и наблюдений.
Разработка математической модели и ее настройка на
полученные натурные результаты.
Задачи второго этапа:
 Ежесезонный круглогодичный отбор проб микроорганизмов, фито-,
зоопланктона и амфипод в озерах Шира и Шунет. Анализ
вертикального распределения и сезонной динамики компонентов
трофической цепи. Данные и анализ необходимы для уточнения и
верификации разрабатываемых математических моделей.
 Проведение полевых экспериментов in situ по исследованию роли
активных перемещений зоопланктона в переносе вещества между
гидродинамически изолированными зонами водоема. Необходимы для
понимая механизма функционирования цикла биогенных элементов в
озерах, настройки математических моделей.
 Формализация разработанных блок схем трофических цепей в виде
математической модели на основе данных прошлых лет и данных
первого этапа реализации проекта. Математическая модель
необходима для анализа поведения экосистем при внешних
воздействиях и внутренних перестройках.
Команда проекта
Объекты исследования
Меромиктические озера
Шира и Шунет
Озеро Шира
Меромиктические озера
являются перспективными
объектами для исследования
механизмов формирования
вертикальных
неоднородностей живого в
водных экосистемах, а также
функционирования
трофической сети в условиях
стратифицированного
распределения физикохимических факторов среды.
Озеро Шунет
Выполненные работы и
основные результаты
1. В рамках ежесезонного круглогодичного отбора проб
микроорганизмов, фито-, зоопланктона и амфипод в
озерах Шира и Шунет проведены зимний (март, озеро
покрыто льдом) и весенний (конец мая, одна неделя
после схода льда) отборы проб.
Подготовка проруби для
отбора проб (толщина
льда 1 метр)
Все готово для измерений и отбора
проб (март)
Подготовка к отбору проб на озере
Шунет (конец мая)
Физико-химическая стратификация
Меромиктические условия в озере Шира стабилизированы незначительным по
величине градиентом солености в зоне хемоклина. Ежегодное распреснение
поверхностной воды за счет таяния льда и снега поддерживает сохранение
меромиктических условий. Существенная вариация глубины хемоклина на
протяжении последних 5 лет, а также вариабельность уровня воды и солености в
озере не исключает вероятность полного перемешивания озера.
Уровень воды и соленость в озере Шира.
А: уровень воды по метеоданным (жирная линия,
1936–2007); и ранее опубликованным данным
(пунктирная линия)
Б: тонкая линия - соленость рассчитанная на
основании оценок изменения объема озера;
треугольники - ранее опубликованные данные.
Динамика вертикальной стратификации
водной толщи озера Шира. Данные
полученные в рамках реализации проекта
(осень 2010 года, зима-весна 2011 года)
продолжают ряд наблюдений.
Физико-химическая стратификация
Глубина расположения хемоклина в озере Шунет не испытывает
существенных колебаний. Стабильная стратификация поддерживается
выраженным градиентом солености.
Вертикальное распределение солености,
температуры и концентрации кислорода в
озере Шунет в марте и в конце мая 2011
года.
Динамика глубины хемоклина в
озере Шунет.
Фитопланктон и сестон
Динамика общего содержания
органического углерода в составе
сестона в водной толще озера
Шира. Закрашенные области
обозначают летний период.
 Вертикальное распределение
фитопланктона и сестона в озере Шира в
летнее время имеет четко выраженный
глубинный максимум, совпадающий с
глубиной термоклина.
 Общее содержание органического
углерода в сестоне в миксолимнионе
озера Шира закономерно увеличивается
летом и уменьшается осенью и зимой
Фитопланктон и сестон
 Концентрации сестона в миксолимнионе озер Шира и Шунет схожи, что говорит
о близкой продуктивности и схожем трофическом статусе озер.
 Концентрация сестона в монимолимнионе озере Шунет на порядок превышает
таковую в озере Шира. Однако, учитывая различия в размере монимолимниона,
общее количество сестона в водной толще в исследуемых озерах сопоставимо.
Средние концентрации органического углерода в составе сестона в
различных зонах озер Шира и Шунет.
Миксолимнион
Монимолимнион
Концентрация
углерода в сестоне,
мг/л
Шира
Шунет
Эпилимнион
Зима
1.13±0.43
Лето
1.96±0.31
Осень
1.57±0.35
Металимнион
2.819±1,01
2.39±0.98
Зима
1.98±0,23
Лето
1.95±0,18
Осень
1.38±0,28
2.46±0,60
2.09±0,45
38.33±1,51
Зоопланктон
Вертикальное распределение доминирующего в зоопланктоне
озер Шира A.salinus в летнее время имеет два максимума в эпи- и
металимнионе. Соотношение в распределении биомассы
популяции над и под термоклином зависит от размера
металимниона.
Распределение биомассы популяции A.salinus в озере Шира в
летнее время между гидродинамически изолированными зонами.
Год
2007
2008
2009
2011
Месяц
Над термоклинном,
г/м2
Под термоклинном,
г/м2
Июнь
7.09
2.70
Июль
4.42
3.52
Август
5.49
1.60
Июнь
3.41
8.08
Июль
3.13
4.37
Май
3.46
2.37
Июль
6.95
5.04
Август
3.29
3.03
May
5.41
3.38
Размер
металимниона
Минимальный
Максимальный
Средний
Зоопланктон
Средняя за летние
месяцы биомасса
углерода в составе
популяции A.salinus
Средняя за летние
месяцы биомасса
сестона
Соотношение
биомассы
Сестон/Зоо
Озеро Шира
0.45±0.12 г/м2
30.06±6.31 г/м2
66
Озеро Шира
0.20±0.10 г/м2
9.77±0.89 г/м2
49
Сезонная динамика сырой биомассы доминирующего в зоопланктоне озер Шира и Шунет
вида веслоногих ракообразных A.salinus. Закрашенные области обозначают летний период.
2. Проведены полевые эксперименты in situ по
исследованию роли активных перемещений
зоопланктона в переносе вещества между
гидродинамически изолированными зонами водоема.
Разработанная методика экспериментов
не влияет при опускании выделенных
объемов на распределение
фитопланктона и в то же время
препятствует попаданию зоопланктона
внутрь выделенного объема.
Условная биомасса фитопланктона, у.е.
0
5000
10000
15000
Б
Численность A.salinus ,экз.
20000
0
50
100
150
200
250
300
350
0
0
Озеро
Глубина, м
3
Выделенный объем
3
6
6
9
9
11
11
Распределение фитопланктона (А) и зоопланктона (Б)
в озере и в трубе через 4 часа после установки.
Использованные в экспериментах
выделенные объемы.
Полевые эксперименты in situ
Формирующееся в выделенных объемах вертикальное распределение
A.salinus с максимумом в термоклине соответствует вертикальному
распределению зоопланктона в модельной системе с термоклином и
максимумом фитопланктона в гиполимнионе. Однако это распределение
отличается от наблюдаемого в озере Шира многомодального
вертикального распределения A.salinus. Это означает, что на
вертикальное распределение A.salinus в озере действуют другие
неучтенные факторы.
Б
Концетрация A.salinus,экз/л
А
0
50
100
150
200
250
0
0
200
300
400
Озеро
Глубина, м
3
6
100
0
2
4
Коцентрация A.salinus, экз/л
Выделенный
объем
6
8
9
9
11
Примеры вертикальных распределений A.salinus в озере и в выделенных объемах
Полевые эксперименты in situ
Добавка в выделенные объемы крупного представителя бентопланктона вида
G.lacustris оказывает воздействие на вертикальное распределение наиболее
крупных размерно-возрастных стадий A.salinus. В частности, в выделенных
объемах в присутствии амфипод наблюдаются минимальные концентрации
копепод под термоклином. Это подтверждает ранее полученные в лабораторных
условиях данные о наличии конкурентных или хищнических взаимодействий
между этими двумя видами.
Двухфакторный дисперсионный
анализ с повторностями влияния
глубины, присутствия в выделенном
объеме гаммаруса и совместного
действия глубины и гаммаруса на
вертикальное распределение общей
биомассы A.salinus в выделенных
объемах.
SS
degr.o
f
freed
om
MS
F
p
Глубина
9066
5
1813
44,
2
0,000*
Гаммарус
0
1
0
0
1
Глубина*
гаммарус
572
5
114
2,8
0,025*
ошибка
2459
60
41
Полевые эксперименты in situ
 Рассчитаны вертикальные потоки биогенных элементов (углерод - C, азот - N,
фосфор - P) в составе биомассы мигрирующей части популяции рачков
A.salinus.
 Восходящий поток - 0.338 гС сут-1м-2, 0.063 гN сут-1м-2, 0.005 гР сут-1м-2.
 Нисходящий поток - 0.232 гС сут-1м-2, 0.053 гN сут-1м-2, 0.005 гР сут-1м-2.
 Полученные данные показывают, что восходящие и нисходящие потоки
биогенных элементов в составе зоопланктона в целом являются
сбалансированными для озера Шира.
Температура начального и конечного слоев миграций, средняя дальность перемещений и
процент мигрировавших рачков популяции A.salinus в «выделенных объемах» в озере
Шира в десяти независимых экспериментах.
Температура
начального
слоя,°C
Температура
конечно
слоя,°C
Средняя дальность
перемещения
% мигрировавших
(биомасса)
Восходящие миграции
Средние
5.1±0.6
18.2± 1.6
5.6 ±1.2
45± 11
6.7±1.1
28± 9
Нисходящие миграции
Средние
20.0±1.0
6.9±1.6
3. Формализованы разработанные блок схемы
трофических цепей в виде математической модели на
основе данных прошлых лет и данных первого этапа
реализации проекта.
Разработана математическая
модель на основе литературных и
современных представлений о виде
и функционировании экосистем
меромиктических водоемов.
Структура модели на текущий
момент включает 23 модельные
переменные, около 60
биохимических процессов и около
150 модельных параметров.
Выполнено покомпонентное
математическое описание
следующих процессов и
взаимодействий в трофической цепи
водоема:
 Фитопланктон и цианобактерии
 Зоопланктон
 Амфиподы
 Бактерии серного цикла
 Криптомонас
 Детрит
 Биогенные элементы
 Кислород и сероводород
Выполнение целевых индикаторов и
показателей Программы
Количество публикации авторов- членов научного коллектива
 Учебные пособия – 1
Современные аппаратура и методы исследования биологических
систем / под ред. Э.Дж.Сински и Т.Г. Воловой. – Красноярск:
Сибирский федеральный университет, Институт биофизики СО РАН
2011 – 480 с.
 Тезисы – 4
Полученные за отчетный период главные результаты: в виде
объектов учета единого реестра результатов научно-технической
деятельности (РНТД)
 Анализ (обобщение, сбор данных) - соответствует мировому уровню
 Обеспечение (математическое, программное, методическое,
информационное) - соответствует мировому уровню
 Закономерность (зависимость) - соответствует мировому уровню
Выполнение целевых индикаторов и
показателей Программы
Внедрение результатов проекта в образовательную деятельность
 Защищенные дипломные работы и проекты – 3
Бородина Ирина, Тарновский Максим, Гребенщикова Алина
 Учебные пособия – 1
Современные аппаратура и методы исследования биологических систем
/ под ред. Э.Дж.Сински и Т.Г. Воловой. – Красноярск: Сибирский
федеральный университет, Институт биофизики СО РАН 2011 – 480 с.
 Курс практических занятий - 1
 Лабораторный практикум - 1
Выполнение целевых индикаторов и
показателей Программы
Участие в работе конференций
 11-ая международная конференция по исследованию
соленых озер (Аргентина, 9-14 мая)
 2-ой международный научный семинар и
молодежная школа-конференция «Биотехнология
новых материалов и окружающая среда» (Красноярск,
2-7 июня)
Награждение за результаты исследований
 Бородина Ирина за первое место в постерной сессии на
Семинаре с международным участием «Биотехнология новых
материалов и окружающая среда» и молодежной научной школе
 Тарновский Максим за второе место на постерной сессии на
семинаре с международным участием «Биотехнология новых
материалов и окружающая среда» и молодежной научной школе
 Гребенщикова Алина за третье место на постерной сессии
на семинаре с международным участием «Биотехнология новых
материалов и окружающая среда» и молодежной научной школе
Страница проекта на сайте
Сибирского федерального университета
Адрес страницы: http://bio.sfu-kras.ru/meromictic
Создана страница проекта включающая:
 Основную информацию о проекте
 Список исполнителей проекта и их резюме
 Видеоматериалы, иллюстрирующие работу по проекту
 Полезные ссылки и материалы в сети