Проект: Исследование закономерностей функционирования трофических цепей в меромиктических озерах Исполнитель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» Руководитель проекта: к.б.н., доцент Задереев Егор Сергеевич Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на гг., в рамках реализации мероприятия 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. Задачи пятого этапа выполнения НИР математическое моделирование с целью оценки вклада пространственных неоднородностей в динамику переноса вещества и энергии по звеньям трофической цепи. математическое моделирование для оценки влияния климатических изменений и антропогенных загрязнений (эвтрофикация) на структуру трофической цепи и эффективность переноса вещества в трофической цепи.

Команда проекта

Объекты исследования Меромиктические озера Шира и Шунет Меромиктические озера являются перспективными объектами для исследования механизмов формирования вертикальных неоднородностей живого в водных экосистемах, а также функционирования трофической сети в условиях стратифицированного распределения физико- химических факторов среды. Озеро Шира Озеро Шунет

Выполненные работы и основные результаты

1. Выполнена оценка вклада пространственных неоднородностей в динамику переноса вещества и энергии по звеньям трофической цепи Основной механизм, через который неоднородности распределения зоопланктона и амфипод в водной толще оказывают на динамику нижележащих компонент в трофической цепи, заключается в первую очередь в усилении выедания в местах повышенной плотности биомассы зоопланктона и амфипод. Таким образом, отсутствие стратифицированного распределения по вертикали хищников приводит к увеличению суммарной летней биомассы всех фитопланктонных групп и более позднему летнему доминированию цианобактерий в экосистеме. Вертикальные профили биомассы зеленых водорослей и цианобактерий в разные даты летнего сезона. Левый столбец – расчеты при стандартных условиях. Правый столбец – расчеты без неоднородностей распределения зоопланктона и амфипод.

2. Выполнена оценка влияния климатических изменений и антропогенных загрязнений (эвтрофикация) на структуру трофической цепи и эффективность переноса вещества в трофической цепи С использованием методов математического моделирования, с использованием метода Морриса показано, что: 1. среди климатических факторов сила ветра и облачность в течение лета являются наиболее важными и во многом определяющими состояние экосистемы. В первую очередь изменения этих факторов проявляются на динамике компонент миксолимниона – фито, зоопланктона и амфипод. 2. состояние экосистемы более чувствительно к антропогенной нагрузке в виде источника аллохтонной органики в глубине водной толще, чем к загрязнению водоема биогенными элементами, поступающими с атмосферными осадками. 3. Самыми важными «стартовыми» факторами являются биомасса высшего трофического звена экосистемы – зоопланктона старшей возрастной группы и суммарная концентрация мертвого органического вещества, которую можно считать обобщенной мерой интенсивности трофических процессов, протекавших в озере до начала летнего сезона. Изменение биомассы зоопланктона старшей возрастной группы влияет на компоненты трофической цепи миксолимниона, а изменение суммарной концентрации мертвого органического вещества влияет на бактериальный блок экосистемы.

Анализ на чувствительность Метод Морриса Morris, M. D. (1991) Factorial sampling plans for preliminary computational experiments. Technometrics 33(2), 161–174. Пакет программ Симлаб (2011) для анализа на чувствительность Joint Research Centre of the European Commission. Downloadable for free at: Входные факторы: Климатические: Скорость ветра Температура воздуха Облачность Биотические: Весенние биомассы видов Концентрации и дополнительный поток биогенных элементов (N, P) Выходные параметры: Глубина термоклина и хемоклина Биомассы видов Сезонная динамика видов Вертикальное распределение видов

Cyano- bacteria Green algae Ratio green/ cyano Zoo old Zoo young Gammaru s Detritus Purple bacteria Sulfat reducing bacteria H2S amount 1dCloud dWind nGammnDet flowOrgC onc flowOrgP os nDet 2dWinddCloud nBlue nZooOld dWind flowOrgC onc flowOrgP os nDet flowOrgPo s 3nZooOldnN flowOrgPo s dCloud flowOrgPo s dWind flowOrgC onc 4nBlue flowOrgP os dCloud flowOrgP os nDet dTemp nZooOldnDet nZooOld 5nN flowP nDetnN flowP dWinddCloud dWind 6nDet flowOrgC onc flowOrgPo s flowNdCloud flowPdCloud 7nGrennP nGrennN flowOrgC onc nN nZooOld nGren flowP 8nP nGren nZooOldnP flowOrgP os flowPnPnNnP 9dTemp nZooOldnDet nGren dTemp nGren nBlue nN 10flowPnDet dTemp flowP nBluenP dTempnP nGren 11flowN nBluenP dTemp nGren nZooOld nGamm nGren flowP nBlue 12nGamm dTempnN nBlue nZooYoun g dTemp flowN nGamm dTemp 13 flowOrgC onc flowN nGamm flowNnDet flowN nZooYoun g dTemp nGamm 14 flowOrgP os nGamm flowN nBluenP nBlue nGamm flowN 15 nZooYoun g nGammnN nZooYoun g nN nZooYoun g МиксолимнионМонимолимнион Более влиятель-ные Менее влиятель- ные Анализ модели на чувствительность

Ветер dVetr18 ОблачностьdObl26 Весенняя концентрация старого зоо nZooOld31 Весенняя концентрация детритаnDet32 Глубина сточной трубыflowOrgPos34 Концентрация в сточной трубе flowOrgConc38 Весенняя концентрация азотаnN50 Весенняя концентрация фосфораnP59 Поступление фосфора flowP60 Весенняя концентрация зеленых водорослей nGren62 Весенняя концентрация цианобактерий nBlue73 Температура dTemp76 Поступление азота flowN90 Весенняя концентрация амфипод nGamm91 Весенняя концентрация молодого зоо nZooYoung100 Анализ чувствительности Более влиятель- ные Менее влиятель- ные - Климатические факторы - Биотические факторы - Антропогенные факторы

2. Выполнена оценка влияния климатических изменений и антропогенных загрязнений (эвтрофикация) на структуру трофической цепи и эффективность переноса вещества в трофической цепи: Механизм влияния климатических факторов заключается в том, что при изменениях ветровой обстановки или условий облачности происходят выразительные трансформации глубины термоклина и температурного поля в водной толще, через которое воздействие далее передается на компоненты трофической цепи. Изменение условий облачности дополнительно трансформирует световое поле в водной толще экосистемы.

Теплее Холоднее Тепло Холодно Теплее Холоднее Влияние ветра на температурную стратификацию Стандартное лето Тихое летоВетреное лето В эпилимнионе На глубине 10 м Температура, o CГлубина термоклина, m

Цианобактерии Зеленые водоросли Влияние ветра на сезонную динамику и стратификация фитопланктона Соотношение зеленые/цианобактерии Биомасса (g DW) под м 2 Средняя глубина максимума биомассы фито

Фитопланктон Зоопланктон Влияние ветра на сезонную динамику биомассы (g DW m 2 ) фито- и зоопланктона

Ветер Мелкий и теплый эпилимнион, глубокий и холодный гиполимнион Начало лета Рост зоо за счет более теплых температур Конец лета Холодный и темный гиполимнион Теплый, лимитирующий рост эпилимнион Пики фито расположены глубже Глубокий и холодный эпилимнион, теплый гиполимнион Начало лета Подавленное развитие фито и зоо из-за более холодных температур Конец лета Теплый, оптимальный для зеленых водорослей гиполимнион Пико фито расположены выше Мало фито- и зоопланктона Мало цианобактерий, но много зеленых водорослей и зоопланктона - +

Влияние облачности на поверхностную освещенность 15 May 31 August

Холоднее Теплее Тепло Холодно Теплее Холоднее Влияние облачности на температурную стратификацию Стандартное лето Облачное летоЯсное лето В эпилимнионе на глубине 10 м Температура, o C Глубина термоклина, m

Цианобактерии Зеленые Влияние облачности на сезонную динамику биомассы и вертикального положения фитопланктона Соотношение зеленые/цианобактерии Биомасса (g DW m 2) Средняя глубина максимума биомассы

ФитопланктонЗоопланктон Влияние облачности на сезонную динамику биомассы (g DW m 2 ) фито- и зоопланктона

Облачность Глубокий и теплый эпилимнион, теплый гиполимнион Больше света Начало лета Повышенное развитие зеленых Конец лета Быстрый спад зеленых, развитие цианобактерий, упадок зоо Мелкий и холодный эпилимнион, холодный гиполинион, меньше света Начало лета Медленное развитие фито и зоо из-за темного и холодного эпи Конец лета Зеленые чуть подрастают, но в целом и фито и зоо подавлены Много фито- с доминированием цианобактерий, мало зоопланктона Мало фито- и зоопланктона - +

2. Выполнена оценка влияния климатических изменений и антропогенных загрязнений (эвтрофикация) на структуру трофической цепи и эффективность переноса вещества в трофической цепи: Показано, что в широком диапазоне исследованных концентраций органического вещества в водной толще (связанных как с антропогенным загрязнением, так и с функционированием экосистемы) меромиктия водной толщи озера Шира не будет нарушена. То есть при данных уровнях воды озера и солености меромиктическое состояние озера является устойчивым.

Влияние весенней концентрации детрита (g DW m 2 ) на глубину хемоклина Наблюдаемые в озере вариации глубины хемоклина

Наблюдаемые в озере глубины хемоклина Влияние точечного стока биогенного вещества на глубину хемоклина

Выполнение целевых индикаторов и показателей Программы Публикации в высокорейтинговых российских и зарубежных журналах за время выполнения этапа - 1 Задереев Е.С., Толомеев А.П., Дроботов А.В Несинхронные вертикальные миграции зоопланктона в стратифицированных озерах // Сибирский экологический журнал. Т. 5, 4, с. 597–605

Выполнение целевых индикаторов и показателей Программы Защита диссертаций Представлены к защите две диссертации на соискание степени кандидата наук. Дроботов А.В. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА И НЕ СИНХРОННЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ МИГРАЦИИ ЗООПЛАНКТОНА В СТРАТИФИЦИРОВАННОМ ОЗЕРЕ Лопатина Т.С. РОЛЬ ДИАПАУЗЫ В МЕХАНИЗМЕ СОСУЩЕСТВОВАНИЯ КОНКУРИРУЮЩИХ ВИДОВ ВЕТВИСТОУСЫХ РАКООБРАЗНЫХ (CLADOCERA: CRUSTACEA)

Выполнение целевых индикаторов и показателей Программы Участие в работе конференций 3-ий Европейский симпозиум по большим озерам (8-12 октября 2012 г., Констанц, Германия) Полученные за отчетный период главные результаты: в виде объектов учета единого реестра результатов научно-технической деятельности (РНТД) Анализ(обобщение, сбор данных) результат превосходит мировой уровень Обеспечение (математическое, программное, методическое, информационное) результат превосходит мировой уровень Решение (математическое, техническое, организационное) результат превосходит мировой уровень

Страница проекта на сайте Сибирского федерального университета Адрес страницы: Создана страница проекта включающая: Основную информацию о проекте Список исполнителей проекта и их резюме Видеоматериалы, иллюстрирующие работу по проекту Аннотации и презентации результатов выполнения работ по этапам Полезные ссылки и материалы в сети