Биология внутренних вод, 2019, № 3, стр. 3-10

Моделирование биотического потока энергии в планктонном сообществе экосистемы озерного типа при участии микробиальных организмов

В. В. Бульон *

Зоологический институт Российской академии наук
199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 1, Россия

* E-mail: vboulion@mail.ru

Поступила в редакцию 24.04.2018
После доработки 18.12.2018
Принята к публикации 06.02.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Для экосистемы озерного типа построена масс-балансовая модель биотического потока энергии в планктонном сообществе с участием микробиальных организмов. Входные абиотические параметры модели: географическая широта, средняя глубина, цветность воды и содержание в воде общего фосфора. Модель сконструирована на базе опубликованных данных для Рыбинского водохранилища и озер Монголии. Анализ модели показал, что при подключении микробиальной “петли” к “традиционной” линейной трофической цепи биомасса и продукция метазойного планктона и планктоноядных рыб снижаются почти вдвое. Предполагается, что величина конечной продукции экосистемы (продукции рыб) тесно связана со степенью выраженности микробиальной “петли” на протяжении вегетационного сезона.

Ключевые слова: традиционная пищевая цепь, микробиальная “петля”, биотический поток энергии, биотический баланс водной экосистемы, моделирование

ВВЕДЕНИЕ

Микроорганизмы размером <100 мкм создают на базе линейной пищевой цепи так называемую микробиальную “петлю” или микробиальную пищевую сеть, исследование значения которой в биотическом потоке энергии в водных экосистемах – одно из приоритетных направлений современной гидробиологии. В микробиальную сеть входят фотосинтезирующие и гетеротрофные микроорганизмы: пико- и нанофитопланктон, гетеротрофные бактерии, флагеллаты и инфузории [19, 21, 24, 26].

Фитопланктон прижизненно или, чаще всего, в результате лизиса, фотолиза и разрушения клеток водорослей зоопланктоном теряет часть синтезированных органических веществ в растворенной форме. Потребителями автохтонного и аллохтонного РОВ служат гетеротрофные бактерии. Главная функция бактерий заключается в трансформации РОВ во взвешенное органическое вещество (ВОВ), доступное бактериофагам, а функция бактериофагов – в регенерации биогенных элементов [1214, 16, 28].

За фитопланктон конкурируют представители нехищного мета- и протозойного планктона. Гетеротрофные жгутиконосцы и инфузории – основные потребители бактериопланктона и, одновременно, жертвы коловраток, кладоцер и копепод. Гетеротрофные флагеллаты – объекты охоты не только для метазойного планктона, но и цилиат [18, 22, 23, 25, 27, 29]. Такая многоканальность потока энергии ведет к снижению эффективности еe переноса от первичных продуцентов к многоклеточному зоопланктону и, в конечном счете, к планктоноядным рыбам.

Цель работы – создать масс-балансовую модель биотического потока энергии в экосистеме озерного типа, соединив в ней “классическую” пищевую цепь с микробиальной “петлeй”.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для исследования скорости биотического потока энергии в пищевой сети экосистем озерного типа и влияния на нее факторов среды автором ранее была разработана масс-балансовая модель. В новую модель в формате Excel (рис. 1) были встроены ключевые группы гидробионтов – фитопланктон, бактериопланктон, гетеротрофные флагеллаты, инфузории, нехищный и хищный метазоопланктон, планктоноядные рыбы. Для верификации и калибровки модели было выбрано Рыбинское водохранилище – водоем, наиболее детально исследованный в отношении продукционных характеристик одноклеточных и многоклеточных организмов с разным типом питания [68, 17].

Рис. 1.

Модель биотического потока энергии при участии микробиальной пищевой сети в экосистемах озерного типа (на примере Рыбинского водохранилища). Входные параметры: Lat, Dmean, TP, Pt, DAN. Объяснение см. в тексте.

В качестве входных параметров модели использованы следующие независимые переменные:

1) биотические факторы – скорость оборота биомассы гидробионтов (V), суточное ассимиляционное число Хл. a (DAN) и эффективность роста (E) (табл. 1), коэффициенты распределения продукции гидробионтов между потребителями (DC) (табл. 2);

Таблица 1.  

Входные биотические параметры модели по [8, 15]

Трофическое звено V, сут-1 E
Фитопланктон Vphp 0.30 Ephp 0.8
Бактериопланктон, ассимилирующий
автохтонное РОВ Vbcp 0.40 Ebcp[aut] 0.44
аллохтонное РОВ Vbcp 0.40 Ebcp[all] 0.22
Флагеллаты Vfla 0.7 Efla 0.25
Инфузории Vinf 0.8 Einf 0.25
Нехищный зоопланктон Vhzo 0.08 Ehzo 0.15
Хищный зоопланктон Vpzo 0.06 Epzo 0.20
Планктоноядные рыбы Vplf 0.0025 Eplf 0.08

Примечание. V – скорость оборота биомассы; E – эффективность роста (эффективность использования водными организмами потребленной энергии на рост). Ассимиляционное число для фитопланктона (DAN) принято равным 40 мг С/мг Хл. a за сутки.

Таблица 2.  

Коэффициенты распределения продукции гидробионтов между потребителями (DC) по [2, 8]

Трофические цепи DC
Фитопланктон:
нехищный зоопланктон DCphp_hzo 0.3
инфузории DCphp_inf 0.6
флагеллаты 1 – DCphp_hzo – DCphp_inf 0.1
Бактериопланктон:
флагеллаты DCbcp_fla 0.8
инфузории DCbcp_inf 0.15
нехищный зоопланктон 1 – DCbcp_fla – DCbcp_inf 0.05
Флагеллаты:
инфузории DCfla_inf 0.5
нехищный зоопланктон 1 – DCfla_inf 0.5
Инфузории:
нехищный зоопланктон DCinf_hzo 0.8
хищный зоопланктон 1 – DCinf_hzo 0.2
Нехищный зоопланктон:
хищный зоопланктон DChzo_pzo 0.6
планктоноядные рыбы 1 – DChzo_pzo 0.4

2) абиотические факторы – географическая широта (Lat, град с.ш.); цветность воды (Pt, град); содержание в воде общего фосфора (TP, мкг/л); средняя глубины водоема (Dmean, м).

Уравнения, используемые в модельном алгоритме:

длительность вегетационного сезона [15]

концентрация Хл. а, мкг/л [1]

$Chl = 0.103T{{P}^{{1.29}}}$

прозрачность воды по диску Секки в среднем за вегетационный сезон, м [20]

Модельный алгоритм

Фитопланктон:

1) биомасса фитопланктона, ккал/м2

${{B}_{{{\text{php}}}}} = {{E}_{{{\text{php}}}}} \cdot G{{P}_{{{\text{php}}}}}/\left( {{{V}_{{{\text{php}}}}} \cdot GS} \right);$

2) валовая продукция фитопланктона, ккал/(м2 · год)

$G{{P}_{{{\text{php}}}}} = {\text{DAN}} \cdot Chl \cdot Sec \cdot GS/100;$

3) биомасса фитопланктона, осевшая на дно, ккал/(м2 · год)

$Sed = 0.1{{B}_{{{\text{php}}}}} \cdot GS/{{D}_{{{\text{mean}}}}},$

линейная скорость седиментации фитопланктона принята за 0.1 м/сут [4];

4) потери энергии фитопланктоном при дыхании, ккал/(м2 · год)

${{R}_{{{\text{php}}}}} = G{{P}_{{{\text{php}}}}}(1{\text{ }}--{{E}_{{{\text{php}}}}}).$

Бактериопланктон:

1) биомасса бактериопланктона, ккал/м2

$\begin{gathered} {{B}_{{{\text{bcp}}}}} = \\ = (Php\_Bcp \cdot {{E}_{{{\text{bcp[aut]}}}}} + DOM \cdot {{E}_{{{\text{bcp[all]}}}}})/({{V}_{{{\text{pсp}}}}} \cdot GS); \\ \end{gathered} $

2) продукция фитопланктона, ассимилированная бактериопланктоном, ккал/(м2 · год)

$Php\_Bcp = (0.2/{{E}_{{{\text{bcp}}}}}{{_{{{\text{[aut}}}}}_{]}}) \cdot {{B}_{{{\text{php}}}}} \cdot {{V}_{{{\text{php}}}}} \cdot GS,$

принято, что 20% чистой продукции фитопланктона включается в бактериальную продукцию;

3) аллохтонное РОВ, ассимилированное бактериопланктоном, ккал/(м2 · год)

$DOM = \left( {\left( {Pt/f} \right) \cdot k \cdot {{D}_{{{\text{mean}}}}} \cdot GS} \right) \times 10,$
принято, что константа скорости ассимиляции аллохтонного РОВ (k) составляет 0.0025–0.01 сут–1 [2]. Концентрация в воде аллохтонного РОВ, мг C/л, оценивалась по цветности воды Pt/f, где f = = 4–12 [11];

4) потери энергии бактериопланктоном при дыхании, ккал/(м2 · год)

${{R}_{{{\text{bcp}}}}} = \left( {1--{{E}_{{{\text{bcp[all]}}}}}} \right)DOM + \left( {1--{{E}_{{{\text{bcp[aut]}}}}}} \right)Php\_Bcp.$

Флагеллаты:

1) биомасса флагеллат, ккал/м2

${{B}_{{{\text{fla}}}}} = {{E}_{{{\text{fla}}}}}\left( {Php\_Fla{\text{ }} + {\text{ }}Bcp\_Fla} \right)/\left( {{{V}_{{{\text{fla}}}}} \cdot GS} \right);$

2) продукция фитопланктона, потребленная флагеллатами, ккал/(м2 · год)

$\begin{gathered} Php\_Fla = ({{B}_{{{\text{php}}}}} \cdot {{V}_{{{\text{php}}}}} \cdot GS--Php\_Bcp-- \\ - \,\,Php\_Sed){\text{ }}(1--{\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{php\_hzo}}}}}--{\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{php\_inf}}}}}); \\ \end{gathered} $

3) продукция бактериопланктона, потребленная флагеллатами, ккал/(м2 · год)

$Bcp\_Fla = {{B}_{{{\text{bcp}}}}} \cdot {{V}_{{{\text{bcp}}}}} \cdot GS \cdot {\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{bcp\_fla}}}}};$

4) потери энергии флагеллатами при дыхании и с неусвоенной пищей, ккал/(м2 · год)

$R{{F}_{{{\text{fla}}}}} = \left( {Php\_Fla + Bcp\_Fla} \right)\left( {1--{{E}_{{{\text{fla}}}}}} \right).$

Инфузории:

1) биомасса инфузорий, ккал/м2

$\begin{gathered} {{B}_{{{\text{inf}}}}} = \\ = {{E}_{{{\text{inf}}}}}\left( {Php\_Inf + Bcp\_Inf + Fla\_Inf} \right)/\left( {{{V}_{{{\text{inf}}}}} \cdot GS} \right); \\ \end{gathered} $

2) продукция фитопланктона, потребленная инфузориями, ккал/(м2 · год)

$\begin{gathered} Php\_Inf = \\ = ({{B}_{{{\text{php}}}}} \cdot {{V}_{{{\text{php}}}}} \cdot GS--Php\_Bcp--Php\_Sed){\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{php\_inf}}}}}; \\ \end{gathered} $

3) продукция бактериопланктона, потребленная инфузориями, ккал/(м2 · год)

$Bcp\_Inf = {{B}_{{{\text{bcp}}}}} \cdot {{V}_{{{\text{bcp}}}}} \cdot GS \cdot {\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{bcp\_inf}}}}};$

4) продукция флагеллат, потребленная инфузориями, ккал/(м2 · год)

$Fla\_Inf = {{E}_{{{\text{fla}}}}}\left( {Php\_Fla + Bcp\_Fla} \right);$

5) потери энергии инфузориями при дыхании и с неусвоенной пищей, ккал/(м2 · год)

$R{{F}_{{{\text{inf}}}}} = \left( {Php\_Inf + Bcp\_Inf + Fla\_Inf} \right)\left( {1{\text{ }}--{{E}_{{{\text{inf}}}}}} \right).$

Нехищный метазойный планктон:

1) биомасса нехищного метазойного планктона, ккал/м2

$\begin{gathered} {{B}_{{{\text{hzo}}}}} = {{E}_{{{\text{hzo}}}}}(Php\_Hzo + Bcp\_Hzo + \\ + \,\,Fla\_Hzo + Inf\_Hzo)/({{V}_{{{\text{hzo}}}}} \cdot GS); \\ \end{gathered} $

2) продукция фитопланктона, потребленная нехищным метазойным планктоном, ккал/(м2 · год)

$\begin{gathered} Php\_Hzo = ({{B}_{{{\text{php}}}}} \cdot {{V}_{{{\text{php}}}}} \cdot GS-- \\ - \,\,Php\_Bcp--Php\_Sed){\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{php\_hzo}}}}}; \\ \end{gathered} $

3) продукция бактериопланктона, потребленная нехищным метазойным планктоном, ккал/(м2 · год)

$\begin{gathered} Bcp\_Hzo = \\ = {{B}_{{{\text{bcp}}}}} \cdot {{V}_{{{\text{bcp}}}}} \cdot GS(1{\text{ }}--{\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{bcp\_fla}}}}}--{\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{bcp\_inf}}}}}); \\ \end{gathered} $

4) продукция флагеллат, потребленная нехищным метазойным планктоном, ккал/(м2 · год)

$Fla\_Hzo\, = \,{{E}_{{{\text{fla}}}}}\left( {Php\_Fla + Bcp\_Fla} \right)\left( {{\text{ }}1--{\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{fla\_inf}}}}}} \right);$

5) продукция инфузорий, потребленная нехищным метазойным планктоном, ккал/(м2 · год)

$\begin{gathered} Inf\_Hzo = \\ = {{E}_{{{\text{inf}}}}}\left( {Php\_Inf + Bcp\_Inf + Fla\_Inf} \right){\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{inf\_hzo}}}}}{\text{;}} \\ \end{gathered} $

6) потери энергии нехищным метазойным планктоном при дыхании и с неусвоенной пищей, ккал/(м2 · год)

$\begin{gathered} R{{F}_{{{\text{hzo}}}}} = (Php\_Hzo + Bcp\_Hzo + Fla\_Hzo + \\ + \,\,Inf\_Hzo){\text{ }}(1--{{E}_{{{\text{hzo}}}}}). \\ \end{gathered} $

Хищный метазойный планктон:

1) биомасса хищного метазойного планктона, ккал/м2

${{B}_{{{\text{pzo}}}}} = {{E}_{{{\text{pzo}}}}}(Hzo\_Pzo + Inf\_Pzo)/({{V}_{{{\text{pzo}}}}} \cdot GS);$

2) продукция нехищного метазойного планктона, потребленная хищным метазойным планктоном, ккал/(м2 · год)

$\begin{gathered} Hzo\_Pzo = {{E}_{{{\text{hzo}}}}}(Php\_Hzo + Bcp\_Hzo + \\ + \,\,Fla\_Hzo){\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{hzo\_pzo}}}}}; \\ \end{gathered} $

3) продукция инфузорий, потребленная нехищным метазойным планктоном, ккал/(м2 · год)

$\begin{gathered} Inf\_Pzo = {{E}_{{{\text{inf}}}}}\left( {Php\_Inf + Bcp\_Inf + Fla\_Inf} \right) \times \\ \times \,\,\left( {1--{\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{inf\_hzo}}}}}} \right); \\ \end{gathered} $

4) потери энергии хищным метазойным планктоном при дыхании и с неусвоенной пищей, ккал/(м2 · год)

$R{{F}_{{{\text{pzo}}}}} = \left( {Inf\_Pzo + Hzo\_Pzo} \right)\left( {1--{{E}_{{{\text{pzo}}}}}} \right).$

Планктоноядные рыбы:

1) биомасса планктоноядных рыб, ккал/м2

${{B}_{{{\text{plf}}}}} = {{E}_{{{\text{plf}}}}}(Hzo\_Plf + Pzo\_Plf)/({{V}_{{{\text{plf}}}}} \cdot GS);$

2) продукция нехищного метазойного планктона, потребленная планктоноядными рыбами, ккал/(м2 · год)

$\begin{gathered} Hzo\_Plf = {{E}_{{{\text{hzo}}}}}(Php\_Hzo + Bcp\_Hzo + Fla\_Hzo) \times \\ \times \,\,(1--{\text{D}}{{{\text{C}}}_{{{\text{hzo\_pzo}}}}}); \\ \end{gathered} $

3) продукция хищного метазойного планктона, потребленная планктоноядными рыбами, ккал/(м2 · год)

$Pzo\_Plf = {{E}_{{{\text{pzo}}}}}\left( {Inf\_Pzo + Hzo\_Pzo} \right);$

4) потери энергии планктоноядными рыбами при дыхании и с неусвоенной пищей, ккал/(м2 · год)

$R{{F}_{{{\text{plf}}}}} = \left( {Hzo\_Plf + Pzo\_Plf} \right)\left( {1--{{E}_{{{\text{plf}}}}}} \right).$

Биотические параметры V, DAN, E и DC, заданные как x-переменные, выведены на связанные с моделью панели, аналогичные табл. 1 и табл. 2. Результаты анализа модели даются в табличной форме и включают в себя значения энергетических потоков, текущих по трофическим цепям по типу “жертва–хищник” (табл. 3), и биотический баланс водоема, т.е. биомассу и продукцию ключевых групп гидробионтов (табл. 4).

Таблица 3.  

Распределение биотического потока энергии между компонентами трофической сети в экосистеме Рыбинского водохранилища (результаты моделирования)

Трофические цепи Поток, ккал/(м2 ∙ год) Трофические цепи Поток, ккал/(м2 ∙ год)
Фитопланктон:   Инфузории:  
бактериопланктон 516 нехищный зоопланктон 80–93
нехищный зоопланктон 166 хищный зоопланктон 20–24
инфузории 331 Флагеллаты:  
флагеллаты 55 нехищный зоопланктон 32–61
седименты 68 инфузории 32–61
Бактериопланктон:   Нехищный зоопланктон:  
инфузории 38–82 хищный зоопланктон 26–31
флагеллаты 203–436 планктоноядные рыбы 17–21
нехищный зоопланктон 13–27 Хищный зоопланктон:  
Аллохтонное РОВ: бактериопланктон 120–1440 планктоноядные рыбы 9.2–11

Примечание. Абиотические параметры: Lat = 58.4° с.ш., Dmean = 5.6 м, TP = 40 мкг/л, Pt = 50°.

Таблица 4.  

Результаты моделирования при наличии и отсутствии протозойного планктона в Рыбинском водохранилище

Трофическое звено B, ккал/м2 P, ккал/(м2 ∙ год) V, год–1 P/Pphp, %
  Наличие протозойного планктона
Фитопланктон 18 1136 62 100
Бактериопланктон 3.1–6.6 254–544 82 22–48
Флагеллаты 0.45–0.85 65–123 144 5.7–11
Инфузории 0.61–0.72 100–119 165 8.8–10
Нехищный зоопланктон 2.6–3.2 44–52 16 3.8–4.6
Хищный зоопланктон 0.75–0.89 9.2–11 12 0.81–1.0
Планктоноядные рыбы 4.1–5.0 2.1–2.6 0.52 0.19–0.23
  Отсутствие протозойного планктона
Фитопланктон 18 1136 62 100
Бактериопланктон 3.1–6.6 254–544 82 22–48
Нехищный зоопланктон 7.3–10 121–164 16 11–14
Хищный зоопланктон 1.2–1.6 14–20 12 1.3–1.7
Планктоноядные рыбы 10–13 5.0–6.8 0.52 0.44–0.60

Примечание. B – биомасса; P – продукция; V – скорость оборота биомассы (P/B); P/Pphp – отношение продукции гидробионтов к продукции фитопланктона. Абиотические параметры, как в табл. 3.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для Рыбинского водохранилища Lat = 58.4° с.ш., TP ~ 40 мкг/л, Pt ~50°, DAN ~ 40 мг С/мг хлорофилла a за сутки [5, 9]. На основании этих входных факторов модель прогнозирует GS = 206 сут, Chl = 12 мкг/л и Sec = 1.4 м, а с учетом последних – чистую продукцию фитопланктона Pphp = = 1420 ккал/(м2 ∙ год). Значения спрогнозированных параметров практически совпадают с данными натурных наблюдений [8, 9].

Полевые исследования на Рыбинском водохранилище [8] показали, что суммарная биомасса планктона (~30 ккал/м2 в среднем за вегетационный сезон) складывается из фитопланктона (68%), бактериопланктона (16%), простейших (5%) и многоклеточного зоопланктона (11%). Близкие к этим вклады компонентов планктона в суммарную биомассу получены для Рыбинского водохранилища с помощью модели: 59–70, 12–22, 5–6 и 12–14% соответственно.

Анализ модели показал, что средняя за вегетационный период биомасса простейших (1.1–1.6 ккал/м2) в 2.7–3 раза ниже таковой метазоопланктона (3.3–4.1 ккал/м2). Напротив, суммарная продукция протозоа (138–181 ккал/(м2 ∙ год)) выше суммарной продукции метазойного планктона (27–32 ккал/(м2 ∙ год)) в 4.9–5.7 раза. Следует подчеркнуть, что продукция протозойного и метазойного планктона рассчитывалась как сумма продукций хищников и их жертв за вычетом потребленной хищниками продукции жертв.

Модель прогнозирует, что продукция фитопланктона распределяется между потребителями следующим образом: ~45% используется бактериопланктоном в форме экстрацеллюлярной продукции, ~15% – нехищным метазойным планктоном, ~29% – инфузориями, ~5% – гетеротрофными флагеллатами, оставшаяся часть продукции фитопланктона (~6%) оседает на дно (табл. 3). Подавляющую часть продукции бактерий (~80%) потребляют гетеротрофные флагеллаты, ~15% – инфузории и ~5% – нехищный метазойный планктон.

Нехищный метазойный планктон выедает ~80% продукции инфузорий, оставшуюся часть – хищный метазойный планктон. Продукция гетеротрофных флагеллат распределяется почти поровну между нехищным метазойным планктоном и инфузориями. Хищный метазойный планктон потребляет ~60% продукции нехищного метазойного планктона, оставшуюся часть – планктоноядные рыбы. Вся продукция хищного метазойного планктона входит в рацион планктоноядных рыб.

Из модели следует также, что половину рациона хищного метазойного планктона представляет собой продукция нехищного метазойного планктона, другую половину – продукция цилиат. Рацион нехищного метазоа состоит на 48–57% из фитопланктона, 11–17% рациона составляют гетеротрофные флагеллаты, 27–28% – цилиаты, и только 4–8% – бактериопланктон. Бактериопланктон удовлетворяет 80–90% рациона гетеротрофных флагеллат, фитопланктон – 10–20%. Рацион инфузорий складывается на 70–82% из фитопланктона, на 10–17% из бактериопланктона и на 8–13% из флагеллат. Ассимиляционная активность бактериопланктона обеспечивается на 25–80% продукцией фитопланктона (еe экстрацеллюлярной фракцией) и на 20–75% аллохтонным РОВ, содержание которого по данным модели варьирует от 23 до 70 г С/м2, что соответствует данным Б.А. Скопинцева и А.Г. Бакулиной [11].

Согласно прогнозу, дыхание всего планктона в Рыбинском водохранилище изменяется от 1070 до 2250 ккал/(м2 ∙ год). Дыхание бактериопланктона в сумме с дыханием простейших достигает 60–80% дыхания планктона в целом. Отношение продукции фитопланктон к суммарному дыханию планктона варьирует в границах 0.5–1.0

Модель микробиальной пищевой сети можно без труда преобразовать в “традиционную” линейную трофическую цепь. Для этого надо лишь переформатировать значения DC (табл. 2) таким образом, чтобы перекрыть поток энергии от фитопланктона и бактериопланктона к протозойному планктону и перенаправить его к метазойному планктону. В результате такой операции получаем (табл. 4), что биомасса и продукция нехищного метазойного планктона увеличивается в среднем в 2.9 раза, планктоноядных рыб – 2.5 раза, хищного метазойного планктона – в 1.6 раза.

По данным гидроакустических съемок [3, 10], ихтиомасса в Рыбинском водохранилище колеблется на протяжении многих лет от 4.5 до 14 г/м2. Принимая, что 1 г сырой массы эквивалентен 1 ккал, находим неплохое соответствие с показаниями модели: ~4.3 ккал/м2 – при активном функционировании микробиальной “петли” и ~11 ккал/м2 – при еe редукции (табл. 4). Умножив зарегистрированные при натурных наблюдениях значения ихтиомассы на скорость ее оборота (Vplf ~0.5 год–1), получаем, что продукция планктоноядных рыб варьирует от 2.3 до 7 ккал/(м2 ∙ год), что хорошо согласуется с модельными данными – 2.2–5.5 ккал/(м2 ∙ год) (табл. 4).

В “классической” линейной цепи продукция планктоноядных рыб составляет ~0.48% продукции фитопланктона. При подключении к ней микробиальной “петли” отношение продукции рыб к продукции фитопланктона снижается до 0.2%.

Как видно из рис. 2, значения биомассы и продукции ключевых групп планктона для Рыбинского водохранилища, спрогнозированные моделью, хорошо согласуются с показаниями натурных наблюдений [8]. Следует подчеркнуть, что сходство эмпирических и прогнозируемых значений B и P достигается лишь вследствие уменьшения в модельном алгоритме обычно принятых коэффициентов эффективности роста для флагеллат, цилиат (в 1.3 раза) и хищного метазойного планктона (в 1.6 раза). Таким образом, выполненный в данной работе анализ микробиальной трофической сети в водоемах озерного типа (на примере Рыбинского водохранилища) свидетельствует о целесообразности взаимопроверки надежности эмпирических и модельных данных.

Рис. 2.

Сравнение эмпирических и модельных данных по биомассе (а) и продукции (б) фитопланктона (1), бактериопланктона (2), гетеротрофных флагеллат (3), инфузорий (4), нехищного (5) и хищного (6) метазойного планктона в Рыбинском водохранилище. Сплошная линия – линия регрессии, пунктирная – линия симметрии (x = y).

Выводы. Проведен первый опыт моделирования микробиальной трофической сети, в котором использованы данные по структуре и функционированию планктонного сообщества в Рыбинском водохранилище и ряде озер Монголии [6, 8]. Модель построена на балансовом принципе, т.е. при строгом соблюдении закона сохранения энергии. Показано, что микробиальная пищевая сеть и линейная пастбищная цепь внутри экосистемы контактируют в “точке” выедания бактерий и простейших метазойным планктоном. В формировании структуры трофической сети, биомассы и продукции компонентов планктона доминирующую роль играют пищевые ресурсы, т.е. контроль “снизу”. К основным ресурсам, необходимым для развития фитопланктона, относятся биогенные элементы, для роста бактериопланктона – автохтонное и аллохтонноe РОВ. Представленная модель учитывает эти абиотические факторы. По мере накопления знаний о функционировании экосистем и уточнения деталей модель может стать инструментом для реконструкции элементов пищевой сети и экспертной оценки трофического состояния экосистем.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при поддержке гос. задания № АААА-А17-117021310121-0 “Исследования динамики трофических связей, биологического разнообразия и закономерностей круговорота биогенных элементов в экосистемах континентальных водоемов, вызванной антропогенным воздействием и колебаниями климата”.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием животных в качестве объектов.

Список литературы

  1. Бульон В.В. Новый взгляд на парадигму фосфорного контроля в лимнологии // Успехи соврем. биол. 2016. Т. 136. № 3. С. 311–318.

  2. Бульон В.В. Автохтонное и аллохтонное органическое вещество в трофической цепи озерных экосистем // Тр. Зоол. ин-та РАН. 2017. Т. 321. № 2. С. 115–128.

  3. Герасимов Ю.В. Популяционная динамика рыб Рыбинского водохранилища за период его существования: роль естественных и антропогенных факторов // Тр. Всерос. НИИ озер и реч. рыб. хоз-ва. 2015. Т. 156. С. 67–90.

  4. Даценко Ю.С., Пуклаков В.В., Эдельштейн К.К. Анализ влияния абиотических факторов на развитие фитопланктона в малопроточном стратифицированном водохранилище // Тр. Карельск. науч. центра РАН. 2017. № 10. С. 73–85.

  5. Дебольский В.К., Григорьева И.Л., Комиссаров А.Б. и др. Современная гидрохимическая характеристика реки Волга и ее водохранилищ // Вода: химия и экология. 2010. № 11. С. 2–12.

  6. Копылов А.И., Косолапов Д.Б., Романенко А.В. и др. Микробная “петля” в планктонных сообществах озер разного трофического статуса // Журн. общ. биологии. 2007. Т. 68. № 5. С. 350–360.

  7. Копылов А.И., Лазарева В.И., Пырина И.Л. и др. Микробная петля в планктонной трофической сети крупного равнинного водохранилища // Успехи соврем. биол. 2010. Т. 130. № 6. С. 544–556.

  8. Копылов A.И., Косолапов Д.Б. Микробная “петля” в планктонных сообществах морских и пресноводных экосистем. Ижевск: КнигоГрад, 2011. 332 с.

  9. Минеева Н.М. Первичная продукция в водохранилищах Волги. Ярославль: Принтхаус, 2009. 279 с.

  10. Проект ОДУ в Рыбинском водохранилище на 2014 год // www.yarregion.ru.

  11. Скопинцев Б.А., Бакулина А.Г. Органическое вещество в водах Рыбинского водохранилища // Тр. Ин-та биологии внутр. вод АН СССР. 1966. Вып. 13(16). С. 3–32.

  12. Baines S.B., Pace M.L. The production of dissolved organic matter by phytoplankton and its importance to bacteria: Patterns across marine and freshwater systems // Limnol., Oceanogr. 1991. V. 36. № 6. P. 1078–1090.

  13. Boulion V.V. Structure and function of a microbial “loop” in lake ecosystem plankton // Biologiya Vnutrennikh Vod. 2002. № 2. P. 5–14.

  14. Bratbak G. Carbon flow in an experimental microbial ecosystem // Mar. Ecol. Prog. Ser. 1987. V. 36. P. 267–276.

  15. Häkanson L., Boulion V.V. The lake foodweb – modelling predation and abiotic/biotic interactions. Leiden: Backhuys Publ., 2002. 344 p.

  16. Jahnke R.A., Craven D.B. Quantifying the role of heterotrophic bacteria in the carbon cycle // Limnol., Oceanogr. 1995. V. 40. № 2. P. 436–441.

  17. Kopylov A.I., Maslennikova T.S., Zabotkina E.A. et al. Structural and functional characteristics of planktonic microbial communities of the Rybinsk Reservoir in the impact area of a large industrial center// Inland Water Biol. 2012. V. 5. № 1. P. 36–45.

  18. Nagata T., Takai K., Kawabata K. et al. The trophic transfer via a picoplankon – flagellate – copepods food chain during a picocyanobacterial bloom in Lake Biwa // Arch. Hydrobiol. 1996. V. 137. № 2. P. 145–160.

  19. Nardini E., Kisand V., Letteri T. Microbial Biodiversity and molecular approach. Ispra: JRS, 2010. 49 p.

  20. Nürnberg G.K., Shaw H. Productivity of clear and humic lakes: nutrients, phytoplankton, bacteria // Hydrobiologia. 1998. V. 382. № 1–3. P. 97–112.

  21. Pace M.L. Heterotrophic microbial processes // The trophic cascade in lakes. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1993. P. 252–277.

  22. Pace M.L., McManus G.B., Findlay S.E.G. Plankton community structure the fate of bacterial production in a temperate lake // Limnol., Oceanogr. 1990. V. 35. № 4. P. 795–808.

  23. Pace M.L., Vaque D. The importance of Daphnia in determining mortality rates of protozoans and rotifers in lakes // Limnol., Oceanogr. 1994. V. 39. № 5. P. 985–996.

  24. Pomeroy L.R., Williams P.J., Azam F., Hobbie J.E. The microbial loop // Oceanography. 2007. V. 20. № 2. P. 28–33.

  25. Porter K.G., Paerl H.W., Hodson R.E. et al. Microbial interactions in lake food webs // Complex interactions in lake ecosystems. N.Y.: Springer Verlag, 1988. P. 209–227.

  26. Stockner J.G., Porter K.C. Microbial food web in freshwater planktonic ecosystems // Complex interactions in lake ecosystems. N.Y.: Springer Verlag, 1988. P. 69–83.

  27. Stockner J.G., Shortreed K.S. Algal picoplankton production and contribution to food webs in oligotrophic British Columbia lakes // Hydrobiologia. 1989. V. 173. № 2. P. 151–166.

  28. Stone L., Weisburd R.S.J. Positive feedback in aquatic ecosystems // Trends Ecol. Evol. 1992. V. 7. № 8. P. 263–267.

  29. Vezina A.F., Pace M.L. An inverse model analysis of planktonic food webs in experimental lakes // Can. J. Fish Aquat. Sci. 1994. V. 51. № 9. P. 2034–2044.

Дополнительные материалы отсутствуют.