Имитационное моделирование донного фитоценоза в прибрежной зоне Крыма

Е. Ф. Васечкина✉, Т. А. Филиппова

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: vasechkina.elena@gmail.com

Аннотация

Цель. Имитационное моделирование продукционных процессов в донном фитоценозе, характерном для каменистых грунтов Крымского побережья Черного моря, – цель данной работы. В результате определяются количественные характеристики поглощения макроводорослями основных биогенных элементов (фосфатов, аммония, нитратов) и выделения кислорода и растворенных органических соединений.

Методы и результаты. Исследование проводилось с помощью балансовой имитационной модели функционирования макроводорослей и их взаимодействия с окружающей средой. Эмпирические параметры модели определялись по опубликованным данным лабораторных экспериментов. Донный фитоценоз в модели представлен семью видами водорослей – цистозира, церамиум, филлофора, ульва, полисифония, энтероморфа и кладофора. Основными результатами моделирования являются оценки годовых объемов выделенных и поглощенных веществ, сезонной динамики биомассы макроводорослей, реакции донного фитоценоза на изменяющиеся условия среды. На скорость протекания продукционных процессов в модели оказывают влияние как внешние (температура воды, инсоляция, концентрация биогенных элементов в воде), так и внутренние факторы (внутриклеточные резервы азота и фосфора, видоспецифичные параметры, определяющие эффективность усвоения питательных веществ тканями водорослей). Согласно результатам имитационных экспериментов, величина отношения азота к фосфору в тканях водорослей существенно больше, чем в морской воде, она изменяется в интервале 30–60 у разных видов и в зависимости от температуры воды, освещенности и концентрации биогенных элементов в воде.

Выводы. В период интенсивного роста макроводорослей (с апреля по сентябрь) скорость поглощения неорганических соединений азота и фосфора из среды может увеличиваться в полтора и более раз по сравнению с зимним периодом. Наибольший вклад в очищение воды от биогенных соединений вносят зеленые водоросли – ульва, кладофора и энтероморфа. При резком падении концентрации в воде питательных веществ наилучшие адаптационные возможности (быстрое восстановление внутренних резервов, минимальное снижение скорости роста) показала кладофора.

Ключевые слова

морская экосистема, макроводоросли, фитобентос, фотосинтез, метаболические процессы

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме No 0827-2018-0004 «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, определяющих функционирование и эволюцию экосистем прибрежных зон Черного и Азовского морей» и частично при поддержке гранта РФФИ No 18-05-80028.

Для цитирования

Васечкина Е. Ф., Филиппова Т. А. Имитационное моделирование донного фитоценоза в прибрежной зоне Крыма // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, No 3. С. 342–359. EDN NKQHDO. doi:10.22449/0233-7584-2020-3-342-359

Vasechkina, E.F. and Filippova, T.A., 2020. Simulation of Bottom Phytocenosis in the Crimean Coastal Zone. Physical Oceanography, [e-journal] 27(3), pp. 317-334. doi:10.22449/1573-160X-2020-3-317-334

DOI

10.22449/0233-7584-2020-3-342-359

Список литературы

  1. Ковардаков С. А., Ковригина М. А., Изместьева Н. П. Донный фитоценоз в акватории до мыса Айя и его вклад в процессы самоочищения // Системы контроля окружающей среды: средства и мониторинг. Севастополь : Морской гидрофизический институт НАН Украины, 2004. С. 250–257.
  2. Chopin T. Aquaculture, Integrated Multi-trophic (IMTA) // Sustainable Food Production / Ed. P. Christou. New-York : Springer, 2013. P. 184–206. doi:10.1007/978-1-4614-5797-8_173
  3. Kim J. K., Kraemer G. P., Yarish C. Field scale evaluation of seaweed aquaculture as a nutrient bioextraction strategy in Long Island Sound and the Bronx River Estuary // Aquaculture. 2014. No. 433. P. 148–156. doi:10.1016/j.aquaculture.2014.05.034
  4. Chopin T. The renewed interest in the cultivation of seaweeds, as the inorganic extractive component of Integrated Multi-Trophic Aquaculture (IMTA) systems, and for the ecosystem services they provide, and novel applications through biorefineryin a circular economy approach. Bulletin of Aquaculture Association of Canada. 2017. No 1. P. 13–18. URL: https://www.researchgate.net/publication/323722247_Bulletin_of_the_Aquaculture_Association_of_Canada_2017-1_Aquaculture_Canada_and_Sea_Farmers_2017_-_Seaweed_Symposium (date of access 08.11.2019).
  5. Latala A. Photosynthesis and respiration of some marine benthic algae from Spitsbergen // Polar Research. 1990. Vol. 8, iss. 2. P. 303–307. https://doi.org/10.3402/polar.v8i2.6822
  6. Taylor R. B., Peek J. T. A., Rees T. A. V. Scaling of ammonium uptake by seaweeds to surface area:volume ratio:geographical variation and the role of uptake by passive diffusion // Marine Ecology Progress Series. 1998. Vol. 169. P. 143–148. doi:10.3354/meps169143
  7. Johansson G., Snoeijs P. Macroalgal photosynthetic responses to light in relation to thallus morphology and depth zonation // Marine Ecology Progress Series. 2002. Vol. 244. P. 63–72. doi:10.3354/meps244063
  8. King R. J., Schramm W. Photosynthetic rates of benthic marine algae in relation to light intensity and seasonal variations // Marine Biology. 1976. Vol. 37. P. 215–222. https://doi.org/10.1007/BF00387606
  9. Nielsen S. L., Sand-Jensen K. Allometric scaling of maximal photosynthetic growth rate to surface/volume ratio // Limnology and Oceanography. 1990. Vol. 35, iss. 1. P. 177–181. https://doi.org/10.4319/lo.1990.35.1.0177
  10. Gordillo F. J. L., Dring M. J., Savidge G. Nitrate and phosphate uptake characteristics of three species of brown algae cultured at low salinity // Marine Ecology Progress Series. 2002. Vol. 234. P. 111–118. doi:10.3354/meps234111
  11. Growth and nutrient bioextraction of Gracilaria chorda, G. vermiculophylla, Ulva prolifera, and U. compressa under hypo- and hyper-osmotic conditions / H. Wu [et al.] // Algae. 2018. Vol. 33, iss. 4. P. 329–340. doi:10.4490/algae.2018.33.11.13
  12. Hein M., Pedersen M. F., Sand-Jensen K. Size-dependent nitrogen uptake in micro- and macroalgae // Marine Ecology Progress Series. 1995. Vol. 118. P. 247–253. doi:10.3354/meps118247
  13. De los Santos C. B., Pérez-Lloréns J. L., Vergara J. J. Photosynthesis and growth in macroalgae: linking functional-form and power-scaling approaches // Marine Ecology Progress Series. 2009. Vol. 377. P. 113–122. doi:/10.3354/meps07844
  14. Seasonal variations in nitrate reductase activity and internal N pools in intertidal brown algae are correlated with ambient nitrate concentrations / E. B. Young [et al.] // Plant Cell & Environment. 2007. Vol. 30, iss. 6. P. 764–774. doi:10.1111/j.1365-3040.2007.01666.x
  15. Васечкина Е. Ф., Филиппова Т. А. Моделирование биохимических процессов в бентосных фитоценозах прибрежной зоны // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 1. С. 52–69. doi:10.22449/0233-7584-2019-1-52-69
  16. Мильчакова Н. А. Состояние макрофитобентоса Карадагского природного заповедника и прилегающих особо охраняемых природных территорий (Крым, Черное море) // Гидробиологические исследования. 2015. C. 506–523. URL: https://repository.marine-research.org/handle/299011/547 (дата обращения: 09.11.2019).
  17. Khailov K. M., Burlakova Z. P. Release of dissolved organic matter by marine seaweeds and distribution of their total organic production to inshore communities // Limnology and Oceanography. 1969. Vol. 14, iss. 4. P. 521–527. doi:10.4319/lo.1969.14.4.0521
  18. Миничева Г. Г., Косенко М. Н., Швец А. В. Фитобентос Большого и Малого филлофорных полей как отражение современного экологического состояния северо-западной части Черного моря // Морський екологічний журнал. 2009. Т. 8, № 4. С. 24–40. URL: http://www.imb.odessa.ua/books/201610/563.pdf (дата обращения: 07.11.2019).
  19. Milchakova N. Marine Plants of the Black sea. An illustrated field guide. Sevastopol : Digit Print, 2011. 144 p. https://doi.org/10.21072/978-966-02-5801-3
  20. Ecological physiology of aquatic phototrophic organisms. The field guide to Ulva species found in the Black, Azov, Caspian Seas and Eastern Baltic / D. F. Afanasyev [et al.]. Moskow : Publishing house “Pero”, 2016. 51 p.
  21. Kesava R. Ch., Indusekhar V. K. Carbon, Nitrogen & Phosphorus Ratios in Seawater & Seaweeds of Saurashta, North West Coast of India // Indian Journal of Marine Sciences. 1987. Vol. 16. P. 117–121. URL: http://nopr.niscair.res.in/bitstream/123456789/38489/1/IJMS%2016(2)%20117-121.pdf (date of access 07.11.2019).
  22. Effects of environmental parameters on net photosynthesis of a free-living brown seaweed, Cystoseira barbata formarepens: determination of optimal photosynthetic culture conditions / D. Baghdadli [et al.] // Journal of Applied Phycology. 1990. Vol. 2. P. 281–287. doi:10.1007/BF02179786
  23. Dangan-Galon F. D., Dumilag R. V., Ganzon-Fortes E. Photosynthesis-irradiance curves of four marine macroalgae from Bolinao, Pangasinan and Calatagan, Batangas, Philippines // Scholarly Journal of Scientific Research and Essay (SJSRE). 2013. Vol. 2, iss. 8. P. 134–138. URL: https://scholarly-journals.com/sjsre/publications/2013/December/Abstract/Floredel%20%20et%20al.htm (date of access: 07.11.2019).
  24. Wallentinus I. Comparisons of nutrient uptake rates for Baltic macroalgae with different thallus morphologies // Marine Biology. 1984. Vol. 80. P. 215–225. doi:10.1007/BF02180189
  25. Rees T. A. V. Safety factors and nutrient uptake by seaweeds // Marine Ecology Progress Series. 2003. Vol. 263. P. 29–42. doi:10.3354/meps263029
  26. Поповичев В. Н., Егоров В. Н. Кинетические закономерности фосфорного обмена черноморской бурой водоросли Cystoseira barbata // Морской экологический журнал. 2009. Т. 8, № 1. C. 55–66. URL: https://repository.marine-research.org/handle/299011/1000 (дата обращения: 10.11.2019).
  27. Runcie J. W., Ritchie R. J., Larkum A. W. D. Uptake kinetics and assimilation of inorganic nitrogen by Catenella nipae and Ulva lactuca // Aquatic Botany. 2003. Vol. 76, iss. 2. P. 155–174. doi:10.1016/S0304-3770(03)00037-8
  28. Оценка гидрохимического режима прибрежных вод Ялтинского залива / Е. Е. Совга [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2014. № 3. С. 48–59.
  29. Изменчивость фотосинтетических параметров фитопланктона в поверхностном слое Черного моря / З. З. Финенко [и др.] // Океанология. 2002. Т. 42, № 1. С. 60–75.
  30. Atkinson M. J., Smith S. V. C: N: P ratios of benthic marine plants // Limnology and Oceanography. 1983. Vol. 28, iss. 3. P. 568–574. doi:10.4319/lo.1983.28.3.0568
  31. Функциональная морфология морских многоклеточных водорослей / К. М. Хайлов [и др.]. Киев : Наукова думка, 1992. 280 с. URL: https://repository.marine-research.org/handle/299011/1464 (дата обращения: 09.11.2019).
  32. Ковардаков С. А., Празукин А. В. Структурно-функциональные характеристики донного фитоценоза бухты Круглой (Севастополь) // Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2012. Вып. 7. С. 138–148. URL: http://irbis-nbuv.gov.ua/cgi-bin/opac/search.exe?I21DBN=LINK&P21DBN=UJRN&Z21ID=&S21REF=10&S21CNR=20&S21STN=1&S21FMT=ASP_meta&C21COM=S&2_S21P03=FILA=&2_S21STR=ecooo_2012_7_18 (дата обращения: 10.11.2019).

Скачать статью в PDF-формате