ИСТИНА

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).