Проект выполняется в рамках Федеральной целевой программы «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.
Актуальность и научная значимость проекта
Актуальность и научная значимость проекта связана с необходимостью понимания механизмов формирования вертикальных неоднородностей в распределении различных организмов в водных экосистемах, и влияния этих неоднородностей на функционирование трофических цепей.
Актуальность с практической точки зрения связана с созданием устройств и приборов для исследования вертикальных неоднородностей в распределении биологических объектов, моделей для анализа состояния и прогноза динамик водных экосистем.
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.
Решаемые задачи
Исследовать механизмы формирования вертикального распределения гидробионтов в стратифицированных меромиктических озерах Шира и Шунет.
Получить точное представление о структуре трофических цепей в двух меромиктических озерах и выполнить оценку потоков вещества и энергии в исследуемых трофических цепях.
Оценить роль микробной петли в функционировании трофических цепей меромиктических озер.
Создать математические модели гидрофизических и биологических процессов; использовать полученные закономерности и разработанные математические модели для прогноза и управления качеством воды, анализа последствий антропогенных и других воздействия.
Создать и апробировать методы анализа неоднородного распределения гидробионтов в водных экосистемах, с целью последующей коммерциализации методик.
Общая информация о меромиктических озерах
Наиболее перспективными для исследования механизмов формирования вертикальных неоднородностей живого в водных экосистемах, а также функционирования трофической сети в условиях стратифицированного распределения физико-химических факторов среды являются меромиктические озера. Меромиктические озера являются уникальными типом озер, в которых практически отсутствует циркуляция воды между слоями различной минерализации.
 |
Более минерализованная и плотная вода придонного слоя на долгие годы исключена из газового обмена, что приводит к формированию аноксигенных условий. На границе между перемешиваемой и неперемешиваемой частями озера (хемоклин) наблюдается резкий скачок физико-химических свойств среды (солености, концентрации кислорода, концентрации биогенных элементов и др.). Однако хемоклин является не единственной градиентной зоной в меромиктических озерах. Если водоем достаточно глубокий, то очень часто в таком озере в летнее время может наблюдаться и температурная стратификация. При этом зона резкого падения температуры (термоклин), может располагаться существенно выше хемоклина. Таким образом, в глубоком меромиктическом озере благодаря стратифицированному распределению температуры и солености могут формироваться несколько гидродинамически изолированных зон обитания. Эти зоны обитания создают условия для пространственного разделения биологических компонент. Необходимо отметить, что в подобных экосистемах структура трофических цепей может существенно отличаться от таковой в классических озерных экосистемах (фитопланктон-зоопланктон-рыбы). Во-первых, очень часто в меромиктических соленых озерах отсутствует третий трофический уровень — рыбы. Во-вторых, аноксигенные условия благоприятствуют развитию аноксигенных микробиальных сообществ. Таким образом, в этих озерах большой вклад в баланс продукции органического вещества могут вносить фототрофные серные бактерии хемоклина.
Необходимо отметить, что в целом меромиктические озера являются мало исследованными водными объектами. Безусловно, подобные водные объекты встречаются не очень часто. В то же время они представляют уникальную возможность решать заявленные в проекте задачи на природных водоемах.
Объекты исследования: озера Шира и Шунет
В качестве объектов исследования предлагаются два меромиктических водоема различающихся по степени соленостной стратификации и стабильности.
Озеро Шира, крупный водоем (площадь озера
36 км2, максимальная глубина 24 метра), в котором хемоклин (границы между оксигенной и аноксигенной толщами воды) в зависимости от времени года и погодных условий может располагаться на различной глубине (в диапазоне от глубины 11 метров до глубины 16 метров). Озеро меромиктическое, однако, градиент солености не высокий. Вариабельная глубина хемоклина приводит к тому, что микробиальное сообщество хемоклина слабо развито. С другой стороны относительно глубокий окисгенный слой в летнее время стратифицируется и создает дополнительные ниши для развития различных организмов (Degermendzhy et al. 2010).
Озеро Шунет более мелкий водоем (площадь озера
0.5 км2, максимальная глубина 6 метров) в котором градиент солености выражен очень сильно (соленость водной толщи над хемоклином
17-20 г/л, соленость под хемоклином достигает 66 г/л). В результате хемоклин располагается на постоянной глубине (5 метров), что приводит к развитию очень высокой биомассы микроорганизмов, а также фитофлаггелят и инфузорий в этой зоне. Таким образом, в озере Шунет сообщество хемоклина может играть существенную роль в общем балансе продукции органического вещества. С другой стороны озеро Шунет является более мелким и оксигенная толща не испытывает постоянной температурной стратификации. В то же время оба озера населены практически одними и теми же видами микроорганизмов, видами фито- и зоопланктона, амфиподами (Degermendzhy et al. 2010).
В результате для сравнительного исследования и анализа мы имеем две экосистемы, различающиеся по степени стратификации, но сходные с точки зрения видового и функционального разнообразия.
Материально-техническая база для выполнения проекта
Коллектив располагает уникальным набором гидробиологического и аналитического оборудования, в том числе приобретенного в рамках реализации программы развития Сибирского федерального университета, включая:
- Изотопный масс-спектрометр Delta V Plus (Thermo Electron Corporation, Великобритания, 2008) для анализа трофических взаимоотношений в озерах и оценки передачи аноксигенной продукции по трофической цепи.
- Комплект оборудования для молекулярно-биологических исследований (BioRad, США, 2007) для идентификации некультивируемых видов микроорганизмов, цианобактерий и фитопланктона.
- Коллектив также имеет люминесцентные микроскопы Микмед (ЛОМО, Россия, 1999) и Zeiss Axioscop (Германия, 2001) c Image System для микроскопических исследований и подсчета численности организмов пробах.
- Созданный в ИБФ СО РАН оригинальный многошприцевой пробоотборник для тонкослойного отбора проб воды из градиентных зон стратифицированных водоемов (патент РФ № 2244282); Оборудование для определения численности микроорганизмов методом FISH: люминесцентный микроскоп Carl Zeiss FL 40 (Zeiss, Германия) с наборами светофильтров для работы с флуорохромами DAPI, Cy-3, Cy-5, и аутофлуоресценцией пигментов фотосинтезирующих микроорганизмов;
- Для анализа пигментов в спектрах поглощения: двухлучевой спектрофотометр UVIKON 380 (Италия);
- Систему количественного и качественного анализа планктона FlowCam (FluidImaging, USA) для экспрессного анализа проб фито и зоопланктона в том числе в экспериментах по исследованию трофических взаимодействий;
- Для мониторинга вертикального распределения физико-химических параметров озер: погружной датчик освещенности Li-193SA (LiCor, США), погружной многоканальный зонд YSI 6600 (YSI, USA), оснащенный, датчиками глубины, температуры, кислорода, хлорофилла «а», солености, pH и eH;
- Оборудование для измерения скоростей течений и оценки численности и распределений зоопланктона — доплеровские акустические профилографы WorkHorse Sentinel 1200 и 600 (RDI Equipment, США).
- Для исследования трофических взаимодействий имеются разработанные системы контролируемого культивирования микробиологических объектов, фито- и зоопланктона.
 |
Проведение полевых работ будет осуществляться на базе научно-исследовательского стационара на озере Шира, где имеется оборудованное лабораторное помещение и вся необходимая техника (моторная, резиновые лодки, вездеход) и гидробиологическое оборудование для отбора из озер всех видов проб.
