Лаборатория пресноводных и морских экосистем

И.о. заведующей лаборатории к.б.н. Забелина Светлана Александровна

Лаборатория пресноводных и морских экосистем образована в Институте экологических проблем Севера УрО РАН в 2009 году в результате объединения двух лабораторий: водных экосистем (лаборатория была создана в 1994 году) и экологии моря (создана в 1990 году).

 

Цель деятельности лаборатории

 

Изучение биогеохимических процессов, контролирующих цикл углерода и сопряженных элементов в водных экосистемах субарктики и Арктики в условиях изменяющейся природной среды

 

Основные научные направления лаборатории

1. Комплексные исследования пространственно-временной изменчивости биотических и абиотических компонентов озерных экосистем субарктики и Арктики в условиях изменяющейся природной среды
2. Изучение особенностей речного стока в СЛО и его количественная оценка. Характеристика комплексного воздействия природных и антропогенных факторов на трансформацию элементного состава речного стока и изменение гидробиологических сообществ в зонах смешения рек и прибрежных зон моря.
3. Оценка эмиссии парниковых газов (СН4 и СО2) с поверхности внутренних водоемов субарктики и Арктики
4. Экспериментальное моделирование трансформации компонентов водных экосистем (фото- и биодеградация органического вещества, циклы заморозки и оттаивания поверхностных вод и почв)

 

Важнейшие результаты фундаментальных исследований лаборатории

• Проведена оценка среднемесячных и среднегодовых концентраций и потоков более 50 элементов в растворенной (< 0,45 мкм) фракции для второй по величине реки Европы в Арктике – Печоры. Установлена доля коллоидной составляющей стока (от 3 кДа до 0,45 мкм). Годовой сток растворенного органического углерода (РОУ) составляет 1300±380 тысяч тонн в год или 4,1±1,2 тонн/км2•год. На долю коллоидной фракции приходится 36±11 % от общего растворенного стока РОУ. Подобные характеристики получены для: растворенного неорганического углерода, Cl-, SO42-, PO43-,Ptot, NO2- , NO3-, NН4-, Ntot, и других 52 макро- и микроэлементов. Определены средние концентрации и поток взвешенного вещества. Отмечены особенности сезонной изменчивости и поведение элементов в зависимости от гидрологического сезона.
• Исследованы зоопланктонные сообщества термокарстовых озер Большеземельской тундры. Получены данные о видовом разнообразии и количественных характеристиках зоопланктона водоемов, находящихся на разных стадиях сукцессионного развития. Были выявлены природные физические, ландшафтные и гидрохимические факторы, формирующие численность и разнообразие зоопланктона. Основными факторами, влияющими на структуру и количественное развитие зоопланктона, являлись рН, минерализация, площадь водоемов, а также степень зарастания озер макрофитами. Современные особенности планктонной фауны озер определяются природно-климатическими условиями субарктического региона. Отсутствие значительной антропогенной нагрузки на исследуемые территории свидетельствует о естественном характере процесса эвтрофикации водных экосистем. Полученные данные могут быть использованы для дальнейшего мониторинга водоемов и оценки сукцессионных процессов происходящих в водных экосистемах в условиях меняющегося климата.
• Впервые получены данные по состоянию зоопланктонных сообществ прибрежной экосистемы губы Сухое море. Экосистему Сухого моря можно рассматривать как экотон, переходную зону между пресноводным сообществом р. Северная Двина и морским сообществом Двинского залива Белого моря. Наибольшее количество видов зарегистрировано на границе соприкосновения разных сообществ. Исследованный район характеризуется высокими количественными показателями зоопланктона. Структура, обилие и пространственное распределение зоопланктона в губе Сухое Море обусловлены влиянием сложного комплекса факторов внешней среды – температурой, соленостью, динамикой приливо-отливных явлений, а также мелководностью водоема. Полученные результаты могут быть использованы для дальнейшего мониторинга и рационального промыслового использования прибрежных экосистем региона.
• Изучение влияния субстратов торфа и наземной растительности тундры в условиях мезокосмов на содержание СО2, биогенных веществ и микроэлементов, показали, что единица массы мха и лишайника оказывают большее влияние на содержание РОУ, СО2, биогенных и микроэлементов, чем торф. После добавки мха и лишайника через 8-11 часов pCO2 увеличилось в десять раз, со скоростями 6±2 и 4,23±0,04 ммоль/(кг•час), соответственно. В опытах с торфом увеличение было не выражено. Изменения в наземной растительности, также как и деградация вечной мерзлоты, могут оказывать первичный контроль над балансом углерода и элементного состава водных экосистем криолитозоны при потеплении климат
• Рассчитан общий поток углерода (CO2 + CH4) с поверхности термокарстовых озер Большеземельской тундры (БЗТ), который составил 3,8 (± 0,65) Тг C/ год (99% C-CO2, 1% C-CH4). Установлено, что наибольший вклад в общую эмиссию парниковых газов вносят крупные озера (> 10 000 м²), тогда как вклад просадок и небольших талых прудов (<1000 м²) незначителен (<5% CO2; <20% CH4), в силу их незначительного вклада в общую площадь поверхности озер (<2%). Эмиссия углерода с поверхности термокарстовых озер БЗТ в два раза превышает латеральный экспорт углерода с водосбора реки Печора в Северный Ледовитый океан
• Исследован вклад процессов био- и фотодеструкции растворенного органического вещества (РОВ) в эмиссию СО2 с поверхности водных объектов многолетнемерзлых торфяных болот европейской части России (Большеземельская тундра) в контексте гидрологического континуума: мочажина → ручей → термокарстовое озеро → река Печора. Экспериментально установлено, что вклад аэробной биодеструкции РОВ в толще воды в общий поток СО2 составляет менее 10%, а влияние фотолиза направлено лишь на изменение молекулярной структуры РОУ. В условиях низкой интенсивности процессов биодеградации и фотодеградации РОВ можно предположить, что основными факторами повышенного рСО2 и эмиссии СО2 являются бентосное дыхание и поровое выделение из торфа
• Исследован процесс фотодеструкции растворенного органического вещества (РОВ) в зоне смешения река-море на примере реки Северной Двины. Значимого изменения концентрации РОВ под действием солнечного света не происходит даже спустя 25 суток. Очевидно, что РОВ уже претерпело фототрансформацию в верхнем течении реки и её притоках. Незначительное время пребывания речного РОВ в зоне смешения и комплексное действие биологических и физико-химических факторов сводят к минимуму вклад солнечной радиации в удаление РОУ из раствора. Вывод можно распространить и на крупные сибирские реки, считающиеся основными поставщиками РОВ в СЛО. Вероятно, что процесс фотодеструкции для прибрежных зон арктических морей будет значим в местах впадения малых водотоков, с коротким временем добегания воды до устья.
• Ретроспективный анализ потоков речного экспорта растворенных веществ (углерода, макро- и микрокомпонентов) с континента в устьевую область реки Северной Двины за последние >60 лет, в отличие от других арктических рек мерзлотной зоны, не выявил существенных изменений. Установлено, что латеральные потоки экспорта растворенного органического и неорганического углерода (4,2±0,8 и 4,3±0,2 т/км2/год) значительно (в 1,5-2 раза) превышают таковые в других крупных и средних арктических реках криолитозоны.
• Обобщены данные по содержанию тяжелых металлов в тканях двустворчатых моллюсков и среде их обитания (придонный слой воды и донные отложения) в устьевой области реки Северной Двины. Показано, что для оценки экосистемы по содержанию загрязняющих веществ со сложным градиентом среды необходим комплексный подход, включающий в себя анализ содержания поллютантов в абиотических и биотических компонентах экосистемы, а так же наблюдение за биологическими маркерами.
• Проведена оценка пролонгированного воздействия аварийного разлива топочного мазута (М-100) на морскую прибрежную субарктическую экосистему по концентрации нефтяных углеводородов (УВ) в абиотических и биотических компонентах среды. Относительно низкие уровни УВ через 15 лет после аварии: в донных осадках (от 0,34 до 4,55 мг/кг), в тканях бентосных организмов (от 9,41 до 14,25 мг/кг) и в воде (ниже 1 ПДК), низкие количественные показатели бактерий, утилизирующие углеводороды (мазут) в юго-восточной части Онежского залива Белого моря, указывают на восстановление данной экосистемы
• Разработана новая технология анализа in situ нанокомпонентов озерной воды (более 60 химических элементов включая органический углерод) методом диализных ячеек экспонированных на заданной глубине, позволяющая оценить концентрации, формы нахождения и потенциальную биодоступность тяжелых металлов и микроэлементов по всей толще водного столба озера, включая анаэробную зону
• На примере сезонно-стратифицированных по температуре субарктических озер рассмотрена важность аллохтонных процессов в биогеохимическом цикле углерода. Выбор объектов проведен по принципу контрастности в концентрации растворенного органического углерода (РОУ) и растворенного неорганического углерода (РНУ). Показано, что по степени уязвимости озер к внешним воздействиям и возможным изменениям климата, можно составить ряд: прозрачные воды негумифицированных мелких озёр < прозрачные воды глубоких негумифицированных озер < мелкие гумифицированные озера < глубокие гумифицированные озера

 

Монографии и основные публикации