Поиск
Исследование закономерностей функционирования трофических цепей в меромиктических озерах  

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.

Видеоматериалы  

  1. Выпуск программы Technology Update от 25 сентября 2010 года на телеканале Russia Today, посвященный исследованиям красноярских ученых. Часть материалов была отснята на озерах Шира и Шунет. Исследования на меромиктических озерах Шира и Шунет, а также некоторых участников проекта (с комментариями выступают Егор Задереев и Денис Рогозин, в кадре также присутствуют Александр Толомеев и Алина Гребенщикова) можно увидеть в течении первых 6 минут программы.
    На сайт Russia Today...

  2. Тестовые испытания погружной системы видеонаблюдения для подсчета численности зоопланктона в водных экосистемах. Развернутый лазерный луч создает горизонтальную лазерную плоскость, при пересечении которой отдельный рачок или любая другая частица кратковременно освещается. Установленная сверху высокочувствительная видеокамера в водозащитном корпусе, фиксирует такие события как яркие вспышки. Анализируя число и размер таких вспышек можно установить численность и размерный состав зоопланктона. В рамках реализации проекта планируется разработать программное обеспечение, которое будет выполнять эту задачу автоматически.
    Смотреть...

  3. Подводные съемки в озере Шунет. По мере погружения камеры в объектив попадают веслоногие рачки Arctodiaptomus salinus и амфиподы Gammarus lacustris. Когда камера приближается к границе между кислородной и безкислородной зонами, становится виден сверхплотный слой пурпурных серных бактерий, концентрация которых в этом озере одна из самых высоких в мире. На видео видно насколько четко в пространстве локализована граница сероводородной зоны и биомасса пурпурных бактерий.
    Смотреть...

  4. 27 сентября 2011 года в арт-клубе НИИ КуДА (Новосибирск) руководитель проекта Егор Задереев прочитал научно-популярную лекцию на тему «Тайны соленых озер».
    Смотреть...

  5. Сюжет в программе «Новое утро» на ТВК о научных исследованиях на соленых озерах Хакасии. О пурпурных серных бактериях, стратификации озер и донных осадках рассказывает участник проекта, кандидат физико-математических наук Денис Рогозин.
    Смотреть...

Выполнение работ по проекту  

Первый этап
 Аннотация результатов выполнения работ по 1-му этапу (0.1Mб, doc)
 Презентация результатов НИР по 1-му этапу (1.5Mб, ppt)

Второй этап
 Аннотация результатов выполнения работ по 2-му этапу (0.1Mб, doc)
 Презентация результатов НИР по 2-му этапу (1.2Mб, ppt)

Третий этап
 Аннотация результатов выполнения работ по 3-му этапу (0.1Mб, doc)
 Презентация результатов НИР по 3-му этапу (2.2Mб, ppt)

Четвертый этап
 Аннотация результатов выполнения работ по 4-му этапу (0.1Mб, doc)
 Презентация результатов НИР по 4-му этапу (1.8Mб, ppt)

Пятый этап
 Аннотация результатов выполнения работ по 5-му этапу (0.1Mб, doc)
 Презентация результатов НИР по 5-му этапу (2.7Mб, ppt)

Команда проекта  

Руководитель


Задереев Егор Сергеевич

Ведущий научный сотрудник Института биофизики СО РАН (Красноярск)
Доцент кафедры биофизики Сибирского федерального университета
Вице-президент Международного общества по исследованию соленых озер (http://isslr.org/)
Кандидат

...

Исполнители


Рогозин Денис Юрьевич

Старший научный сотрудник Института биофизики СО РАН,
профессор кафедры биофизики Сибирского федерального университета
доктор биологических наук

Образование
• Красноярский государственный университет — 1993

...

Толомеев Александр Павлович

Старший научный сотрудник Института биофизики СО РАН
Кандидат биологических наук

Область научных интересов:
Функционирование трофических сетей в водных экосистемах,
Моделирование пространственного распределения и

...

Прокопкин Игорь Геннадьевич

Научный сотрудники Института биофизики СО РАН
Кандидат физико-математических наук

Область научных интересов:
функционирование водных экосистем, теоретические основы биоманипуляции, математическое моделирование

...

Дроботов Антон Владимирович

Аспирант Сибирского федерального университета
Инженер кафедры водных и наземных экосистем, ИФБиБТ СФУ
Инженер лаборатории биофизики экосистем, Институт биофизики СО РАН

Научные интересы:
гидробиология и ихтиология,

...

Зыков Владимир Викторович

Аспирант Института Биофизики СО РАН,
Инженер кафедры биофизики, ИФБиБТ, СФУ,
Лаборант лаборатории Биофизики экосистем, Институт биофизики СО РАН.

Научные интересы:
Микробные сообщества водных экосистем, их структура

...

Лопатина Татьяна Станиславовна

Аспирант Сибирского федерального университета,
Инженер лаборатории биофизики экосистем, Институт биофизики СО РАН.

Научные интересы:
Гидробиология, диапауза ветвистоусых ракообразных: факторы, вызывающие диапаузу,

...

Бородина Ирина Михайловна

Магистрант 2 года обучения института фундаментальной биологии и биотехнологии.
Код и наименование специализированной магистерской программы: 020400,68,03 Магистерская программа Биофизика

Участие в научно-практических

...

Гребенщикова Алина Сергеевна

Магистрант 2-го года обучения ИФБиБТ СФУ

Научные интересы:

Водные экосистемы, экология фототрофных микроорганизмов, биофизика, палеолимнология, хроматография пигментов

Научный руководитель:

Рогозин Денис Юрьевич,

...

Тарновский Максим Олегович

Магистрант 2 курса ИФБиБТ СФУ

Научные интересы:
Водные экосистемы, экология фототрофных микроорганизмов, биофизика, математическое моделирование экосистем, культивирование фототрофных

...

© 2008–2017 Институт фундаментальной биологии и биотехнологии, СФУ