Лаборатории

ЛАБОРАТОРИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ГИДРОЭКОЛОГИИ

Лаборатория основана в 1995 г.

Заведующий лабораторией: проф. Гладышев Михаил Иванович, д.б.н., чл.-корр. РАН

Сотрудники лаборатории:

Основные направления НИР:

• исследование трофометаболических взаимодействий гидробионтов в водных экосистемах с использованием биофизических, биохимических и молекулярно-генетических методов.

Основные результаты за 2008-2012 гг.:

• Как известно, в природных экосистемах лишь около 10% органического вещества, продуцируемого на предыдущем трофическом уровне, включается в продукцию последующего трофического уровня, тогда как основная часть этого вещества и заключённой в нём энергии сжигается и рассеивается в процессе метаболизма. Однако, среди общего органического вещества, потоки которого в трофических цепях экспериментально измеряются обычно в единицах углерода или в эквивалентах энергии окисления, можно выделить ряд специфических веществ, сжигание которых в общем котле трат на обмен представляется невыгодным с физиолого-биохимической точки зрения. Например, к таким специфическим веществам могут быть отнесены незаменимые полиненасыщенные жирные кислоты семейства w3 (ПНЖК). Среди ПНЖК наибольшее физиологическое значение для всех животных имеют эйкозапентаеновая (20:53, ЭПК) и докозагексаеновая (22:63, ДГК) кислоты, которые играют ключевую роль в регуляции функционирования сердечно-сосудистой системы и в других важнейших физиолого-биохимических процессах. Эти кислоты являются незаменимыми, поскольку большинство животных не способны синтезировать их в достаточных количествах и должны получать с пищей. ЭПК и ДГК синтезируются в основном в водных экосистемах некоторыми группами микроводорослей. Нами была выдвинута гипотеза, согласно которой эффективность передачи по трофической цепи незаменимых ПНЖК должна быть выше, чем общего органического вещества. Подтвердить или опровергнуть гипотезу можно путём сравнения концентраций ПНЖК (ЭПК+ДГК), отнесённых к единице общего углерода (С), в биомассе первичных продуцентов (фитобентоса, фитопланктона) и первичных консументов (зообентоса, зоопланктона). Если гипотеза верна, то отношение (ЭПК+ДГК)/С (мг/г) в биомассе консументов будет достоверно выше, чем в биомассе продуцентов. То есть, при сжигании в процессе метаболизма общего органического вещества, ПНЖК не подвергаются окислению, и их относительная концентрация в биомассе возрастает.

• Для проверки гипотезы были проведены многолетние исследования на р. Енисей и на водохранилище Бугач, расположенном на вторичном притоке Енисея. Отношение (ЭПК+ДГК)/С в биомассе фитоперифитона р. Енисей в период с 2004 по 2008 гг. (рис. 1 а) составило в среднем 8.7 ± 2.2 мг/г, тогда как для гаммарид, личинок ручейников и хирономид средние отношения были 25.5 ± 2.8 мг/г, 29.2 ± 3.5 мг/г и 31.5 ± 4.7 мг/г соответственно. Все различия (рис. 1 а) оказались статистически достоверными по парному критерию Стьюдента: для фитоперифитона с одной стороны и гаммарид, личинок ручейников и хирономид с другой стороны значения t составили 6.84, 5.41 и 5.42 при числе пар 26, 23 и 19 соответственно. В биомассе фитопланктона водохранилища Бугач в 2007-2008 гг. отношение (ЭПК+ДГК)/С составило в среднем 7.8 ± 0.7 мг/г, а в биомассе зоопланктона 21.0 ± 2.1 мг/г (рис. 1 б). Различия были достоверны по парному критерию Стьюдента: t = 6.41 при числе пар 37.

Рис. 1. Отношение суммарных концентраций эйкозапентаеновой и докозагексаеновой кислот к органическому углероду в биомассе первичных продуцентов и консументов (оси ординат, мг/г) в различные даты отбора проб (ось абсцисс): а – литоральная станция на р. Енисей (55о 58’ с.ш. 92 о 43’ в.д.), белые столбики – фитоперифитон, чёрные – гаммариды, штрихованные – личинки ручейников, серые – личинки хирономид; б – водохранилище Бугач, белые столбики – фитопланктон, чёрные – зоопланктон.

• Таким образом, относительная концентрация длинноцепочечных ПНЖК в биомассе бентосных и планктонных животных, практически не способных к синтезу этих кислот, оказалась в среднем в три раза выше, чем их концентрация в биомассе бентосных и планктонных водорослей, синтезирующих w3 ПНЖК de novo. Обнаруженное увеличение концентраций ПНЖК в биомассе консументов возможно только в том случае, если данные вещества, поступающие исключительно с пищей, подвержены окислению в меньшей степени, чем остальное органическое вещество. Следовательно, впервые получены доказательства, что эффективность переноса по трофической цепи отдельных групп физиологические важных веществ может быть выше, чем эффективность переноса общего органического вещества.

• Определён видовой состав, биомасса и продукция фито- и зообентоса, а также содержание ПНЖК в биомассе бентоса и основного вида промысловой рыбы – хариуса сибирского Thymallus arcticus Pallas. Определялось содержание стабильных изотопов углерода и азота в биомассе организмов различных трофических уровней.

• На основе анализа стабильных изотопов были уточнены трофические позиции основных консументов в экосистеме Енисея (рис. 2).

Рис. 2. Средние значения изотопных соотношений (‰) в биомассе перифитонных (эпилитных) микроводорослей, лисинках ручейников Apatania crymophila, гаммаридах Eulimnogammarus viridis, хариусе сибирском Thymallus arcticus и водном мхе Fontinalis antipyretica из литорали р. Енисей в районе Красноярска, 2008-2011.

• Установлено, что личинки ручейников доминирующего вида Apatania crymophila McLachlan являются консументами первого порядка и их трофическая позиция ТП = 2, то есть соответствует второму трофическому уровню. Для гаммарид Eulimnogammarus viridis Dybowsky определено значение ТП = 2.7, что означает всеядность с большой долей хищничества. Хариус Thymallus arcticus Pallas имел ТП = 4.1, что почти в точности соответствовало четвёртому трофическому уровню

• В настоящее время трассирование трофических сетей методом определения изотопного состава углерода отдельных жирных кислот (CSIA-FA) базируется на двух общепринятых парадигмах: 1) изотопный состав незаменимых полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) консументов в точности повторяет их изотопный состав в пище; 2) вследствие кинетического изотопного эффекта (КИЭ) длинноцепочечные (С20-22) ПНЖК могут быть только легче, но никак не тяжелее своих короткоцепочечных (С18) предшественников. Однако мы обнаружили последовательное уменьшение содержания тяжёлого изотопа углерода во всех без исключения исследованных кислотах (как незаменимых, так и синтезируемых de novo) в трофической цепи «микроводоросли - личинки ручейников - гаммариды - хариус». Кроме того, обнаружено, что зависимость изотопного состава ЖК от степени ненасыщенности / длины цепи у всех исследованных организмов имела параболический характер, с 18:3n-3 в точке минимума (т.е., вопреки КИЭ изотопный состав С20-22 ПНЖК был тяжелее, чем таковой 18:3n-3). Для объяснения полученных результатов выдвинута гипотеза, согласно которой ацетатный пул, из которого поступают атомы C для синтеза ЖК с более длинной цепью (например, 20:5n-3 из 18:3n-3), имеет значительно более высокое содержание 13C по сравнению с исходными ЖК. Кроме того, согласно гипотезе, при передаче по трофической цепи происходит пищеварительное (ассимиляционное) фракционирование ЖК по изотопному составу.

Гранты за 2008-2012 гг.:

• РФФИ № 06-05-64294 «Роль эффекта транзитного прохождения синезеленых водорослей через пищеварительные тракты водных животных в цветении воды евтрофных водоемов»

• РФФИ № 07-04-96803-р_енисей «Глобальный экспорт незаменимых полиненасыщенных жирных кислот из водных экосистем в наземные экосистемы»

• РФФИ № 07-04-96825-р_енисей «Изучение характера и механизма взаимоотношений планктоядных рыб и синезеленых водорослей, проходящих через их кишечник»

• РФФИ № 07-05-00076 «Роль пресноводных эвтрофных систем как источника продукции незаменимых биохимических компонентов питания человека»

• РФФИ № 08-05-00095 «Влияние антропогенного загрязнения на продукцию и перенос по трофической цепи речной экосистемы незаменимых полиненасыщенных жирных кислот»

• РФФИ № 08-04-00291 «Влияние биохимического качества сестона на популяционный рост Daphnia»

• РФФИ № 08-04-00324 «Поиск механизмов, определяющих динамику численности акинет синезеленой водоросли Anabaena flos-aquae в донных отложениях водоема»

• РФФИ № 09-04-01748 «Изучение потребления аминокислот некультивируемым бактериопланктоном эвтрофного водохранилища»

• РФФИ № 09-04-01085 «Сравнение спектров питания двух совместно обитающих видов дрейссен (Dreissena polymorpha и Dreissena bugensis) по биохимическим маркерам»

• № 09-05-00607 «Влияние тяжёлых металлов на первичную продукцию перифитонных микроводорослей речной экосистемы»

• № 10-04-00503 «Оценка экспорта незаменимых биохимических компонентов из водных в наземные экосистемы в результате вылета имаго амфибионтных кровососущих насекомых»

• № 11-04-00168 «Вклад пищевых источников и собственного синтеза в концентрацию незаменимых полиненасыщенных жирных кислот в биомассе организмов различных трофических уровней в речной экосистеме»

• № 11-05-00481 «Изучение механизмов, определяющих распределение покоящихся стадий синезеленых водорослей в донных отложениях литорали водоема»

• № 11-05-00246 «Оценка потенциального воздействия изменения климата на таксономическую структуру и биохимический состав зоопланктона тундровых и горных озер»

• Грант Президента РФ для государственной поддержки молодых ученых – кандидатов наук № МК-1167.2007.4 «Некультивируемый бактериопланктон: роль в экосистеме пригородных эвтрофных водохранилищ г. Красноярска» (М.Ю.Трусова, 2007-2008 гг.)

• Грант Президента РФ для государственной поддержки молодых ученых – докторов наук № МД-4114.2008.4 «Сравнительная характеристика различных пресноводных экосистем и гидробионтов, поставляющих незаменимые биохимические компоненты для наземных консументов, включая человека» (Н.Н.Сущик, 2008-2009).

• Премия молодым ученым имени академика В.Е. Соколова (О.Н.Махутова, 2009 г.)

Сотрудничество с российскими и зарубежными научными организациями и ВУЗами 2008-2012 гг.:

• Проведены совместные работы, по результатам которых опубликованы (приняты в печать) статьи со следующими организациями:

• Сибирский федеральный университет (Красноярск)

• НИИ медицинских проблем Севера СО РАМН (Красноярск)

• Институт леса СО РАН (Красноярск)

• Институт биологии внутренних вод РАН (Борок Ярославской области)

• Камчатский НИИ рыбного хозяйства и океанографии (Петропавловск-Камчатский)

• Государственное научно-производственное объединение «НПЦ Национальной Академии наук Беларуси по биоресурсам», Минск

• Московский Государственный университет

• Институт проблем экологии и эволюции РАН (Москва)

• Институт систематики и экологии животных (Новосибирск)

• Институт биологии Коми НЦ Уральского отделения Российской Академии наук, Сыктывкар

• Лимнологический институт СО РАН (Иркутск)

• National Water Research Institute, Burlington, Ontario, Canada

• Northeastern University, Boston, MA, USA

• Old Dominion University, Norfolk, VA, USA

• Southern Illinois University, Carbondale, IL, USA

• Clarion University of Pennsylvania, PA, USA

Основные публикации лаборатории за 2008-2012 гг.

1. Hellweger F.L., Kravchuk E.S., Novotny V., Gladyshev M.I. Agent-based modeling of the complex life cycle of a cyanobacterium (Anabaena) in a shallow reservoir // Limnol. Oceanogr. – 2008. – 53. – P. 1227–1241.

2. Kolmakov V.I., Anishchenko O.V., Ivanova E.A., Gladyshev M.I., Sushchik N.N. Estimation of periphytic microalgae gross primary production with DCMU-fluorescence method in Yenisei River (Siberia, Russia) // J. Appl. Phycol. – 2008. – 20. – P. 289–297.

3. Gladyshev M.I., Sushchik N.N., Anishchenko O.V., Makhutova O.N., Kalachova G.S., Gribovskaya I.V. Benefit-risk ratio of food fish intake as the source of essential fatty acids vs. heavy metals: A case study of Siberian grayling from the Yenisei River // Food Chemistry. – 2009. – 115. – P. 545–550.

4. Gladyshev M.I., Sushchik N.N., Makhutova O.N., Kalachova G.S. Content of essential polyunsaturated fatty acids in three canned fish species // Int. J. Food Sci. Nutrition. – 2009. – 60. – P. 224-230.

5. Gladyshev M.I., Arts M.T., Sushchik N.N. 2009. Preliminary estimates of the export of omega-3 highly unsaturated fatty acids (EPA+DHA) from aquatic to terrestrial ecosystems. In: Arts M.T., Kainz M. and Brett M.T. (eds). Lipids in aquatic ecosystems. Springer, New York, pp.179-209.

6. Marshall H.G., Gladyshev M.I. 2009. Neuston in aquatic ecosystems. In: Likens G.E (Ed.) Encyclopedia of Inland Waters. Elsevier, Oxford, pp. 97-102.

7. Гладышев М.И., Крылов А.В., Сущик Н.Н., Малин М.И., Махутова О.Н., Чалова И.В., Калачёва Г.С. Перенос незаменимых полиненасыщенных жирных кислот из водной экосистемы в наземную через трофическую пару рыбы - птицы // Доклады АН. – 2010. – 431, №4. – С.563-565.

8. Дубовская О.П., Котов А.А., Коровчинский Н.М., Смирнов Н.Н., Синёв А.Ю. Зоопланктон озёр отрогов плато Путорана и прилегающих территорий (север Красноярского края) // Сиб. Экол. Журн. – 2010. – № 4. – С.571-608.

9. Терещенко C.Ю., Прахин Е.И., Новицкий И.А., Цхай В.Б., Гладышев М.И., Сущик Н.Н., Калачева Г.С., Шакина Н.А., Исаков И.В., Горбачева Н.Н. Концентрации витамина D, общего IgE, цитокинов и спектр жирных кислот в пуповинной крови у новорожденных от матерей с наличием в анамнезе клинических проявлений атопического дерматита // Journal of Siberian Federal University. Biology.– 2010.– 3.– P. 407-417.

10. Anishchenko O.V., Gladyshev M.I., Kravchuk E.S., Ivanova E.A., Gribovskaya I.V., Sushchik N.N. Seasonal variations of metal concentrations in periphyton and taxonomic composition of the algal community at a Yenisei River littoral site. // Cent. Eur. J. Biol. - 2010.- 5.- P. 125–134.

11. Gladyshev M.I., Sushchik N.N., Makhutova O.N., Dubovskaya O.P., Kravchuk E.S., Kalachova G.S., Khromechek E.B. Correlations between fatty acid composition of seston and zooplankton and effects of environmental parameters in a eutrophic Siberian reservoir // Limnologica. - 2010. - 40. P. 343–357.

12. Sushchik N.N., Gladyshev M.I., Ivanova E.A., Kravchuk E.S. Seasonal distribution and fatty acid composition of littoral microalgae in the Yenisei River // J. Appl. Phycol. – 2010.– 22 – P. 11–24.

13. Tolomeev A.P., Sushchik N.N., Gulati R.D., Makhutova O.N., Kalacheva G.S., Zotina T.A. Feeding spectra of Arctodiaptomus salinus (Calanoida, Copepoda) using fatty acid trophic markers in seston food in two salt lakes in South Siberia (Khakasia, Russia) // Aquat. Ecol. - 2010. - 44. - P.513–530.

14. Whiles M.R., Gladyshev M.I., Sushchik N.N., Makhutova O.N., Kalachova G.S., Peterson S.D., Regester K.J. Fatty acid analyses reveal high degrees of omnivory and dietary plasticity in pond-dwelling tadpoles // Freshwater Biology.- 2010.- 55.- P. 1533–1547.

15. Гладышев М.И., Харитонов А.Ю., Попова О.Н., Сущик Н.Н., Махутова О.Н., Калачёва Г.С. Количественное определение роли стрекоз в переносе незаменимых полиненасыщенных жирных кислот из водных экосистем в наземные // Доклады АН. – 2011. – 438, № 5. – С. 708–710.

16. Gaevsky N.A., Kolmakov V.I., Belykh O.I., Tikhonova I.V., Joung Y., Ahn T.S., Nabatova V.A., Gladkikh A.S. Ecological development and genetic diversity of Microcystis aeruginosa from artificial reservoir in Russia // Journal of Microbiology.- 2011.- 49.- P. 714-720.

17. Gladyshev M.I., Semenchenko V.P., Dubovskaya O.P., Fefilova E.B., Makhutova O.N., Buseva Z.F., Sushchik N.N., Razlutskij V.I., Lepskaya E.V., Baturina M.A., Kalachova G.S., Kononova O.N. Effect of temperature on contents of essential highly unsaturated fatty acids in freshwater zooplankton. // Limnologica. – 2011. – 41. – P. 339-347.

18. Gladyshev M.I., Sushchik N.N., Anishchenko O.V., Makhutova O.N., Kolmakov V.I., Kalachova G.S., Kolmakova A.A., Dubovskaya O.P. Efficiency of transfer of essential polyunsaturated fatty acids versus organic carbon from producers to consumers in a eutrophic reservoir // Oecologia.- 2011.- 165.- P. 521–531.

19. Kalachova G.S., Gladyshev M.I., Sushchik N.N., Makhutova O.N. Water moss as a food item of the zoobenthos in the Yenisei River // Cent. Eur. J. Biol.- 2011.- 6.- P. 236-245.

20. Kravchuk E.S., Ivanova E.A., Gladyshev M.I. Spatial distribution of resting stages (akinetes) of the cyanobacteria Anabaena flos-aquae in sediments and its influence on pelagic populations. // Marine and Freshwater Research.- 2011.- 62.- P. 450–461.

21. Kuchkina A.Y., Gladyshev M.I., Sushchik N.N., Kravchuk E.S., Kalachova G.S. Biodiesel production from sediments of a eutrophic reservoir // Biomass and Bioenergy - 2011.- 35.- P. 2280-2284.

22. Makhutova O.N., Sushchik N.N., Gladyshev M.I., Ageev A.V., Pryanichnikova E.G., Kalachova G.S. Is the fatty acid composition of freshwater zoobenthic invertebrates controlled by phylogenetic or trophic factors? // Lipids.- 2011.- 46.- P. 709–721.

23. Gladyshev M.I., Sushchik N.N., Kalachova G.S., Makhutova O.N. Stable isotope composition of fatty acids in organisms of different trophic levels in the Yenisei River // PLoS ONE. – 2012. –7(3). – e34059. doi:10.1371/journal.pone.0034059.

24. Gladyshev M.I., Lepskaya E.V., Sushchik N.N., Makhutova O.N., Kalachova G.S., Malyshevskaya K.K., Markevich G.N. Comparison of polyunsaturated fatty acids content in filets of anadromous and landlocked sockeye salmon Oncorhynchus nerka // Journal of Food Science.- 2012. - 77, № 12.- P. C1306-C1310.