Лаборатории

ЛАБОРАТОРИЯ БИОФИЗИКИ ЭКОСИСТЕМ

Лаборатория основана в 1981 г.

Заведующий лабораторией: Дегерменджи Андрей Георгиевич, д.ф.-м.н., академик РАН

Сотрудники лаборатории:

Основная концепция:

Предложен и используется биофизический подход к интеграции теоретических, натурных и экспериментальных знаний о функционировании водных экосистем, в основе которого изучение законов устойчивости и управляемости "идеальных" сообществ, изучение законов действия и динамики лимитирующих факторов, получение экспериментальных кинетических зависимостей. Интеграция достигается в математических моделях, являющихся ядром имитационных систем количественного прогноза состояния экосистем и качества воды водных объектов

Основные направления НИР:

1. Экспериментальное изучение экологических механизмов длительного сосуществования, сукцессии и регуляции видового состава искусственных и естественных сообществ микроорганизмов, гидробионтов и создание новых биофизических методов исследования.

2. Количественный прогноз динамики экосистем и качества воды континентальных водоемов и водотоков.

Задачи исследований:

Разрабатываются: теория подобия и масштабирования водных экосистем; теория формирования и поддержания в надорганизменных системах биотического круговорота вещества высокой степени замкнутости; диалоговые пакеты компьютерных программ для прогноза динамики экосистем и качества воды (включая радиационный компонент) водных объектов; экспериментальные методы дифференциации механизмов плотностной регуляции численности микробных популяций и поиска ПКРФ. Математическое моделирование и прогноз динамики СО2 в бореальных лесах Восточной Сибири в условиях глобального изменения климата.

Основные результаты за 2005-2009 гг.:

• Исследованы видовой состав и пространственно-временная динамика популяций фототрофных серных бактерий в меромиктических озерах Шира и Шунет. На основе ежегодного сезонного мониторинга выявлены основные закономерности формирования стратифицированных популяций фототрофных серных бактерий и их связь с динамикой стратификации вышеуказанных водоемов. Оценены скорости микробных процессов сульфатредукции, оксигенного и аноксигенного фотосинтеза, метаногенеза и метаноокисления в обоих водоемах, тем самым получены количественные оценки, необходимые для прогнозного моделирования.

• Впервые выполнена экспериментальная оценка роли индивидуальных миграций зоопланктона в замыкании цикла биогенных элементов в стратифицированном водоеме на примере озера Шира. Восходящий поток биогенных элементов, генерируемый индивидуальными миграциями зоопланктона, составляет примерно 10% от потока теряемого пелагической системы в результате оседания в аноксигенный гиполимнион.

• С помощью одномерной математической модели выявлена зависимость профилей стратификации оз.Шира от метеорологических условий. Выявленная зависимость является основой как для прогноза изменений экосистемы озера в будущем, так и для реконструкции характера стратификации озера в прошлом при палео-лимнологических исследованиях донных отложений.

• Разработана биологическая суб-модель для одномерной имитационной модели о. Шира. Модель описывает сезонную летнюю динамику основных биохимических компонент (фито- и зоопланктон, бактериальный блок, кислород, сероводород, биогенные элементы) и процессов (рост, смертность, оседание, окисление, разрушение и т.д.) в вертикальном плане исследуемого водоема. С помощью модели проводится теоретический анализ механизмов стратификаций, наблюдаемых в о. Шира.

• Разработан новый метод создания локальных биофизических моделей лесных экосистем. Он основан на разделении рассматриваемого региона на компартменты, однородные по своим структурно-функциональным характеристикам (биоценозы). Каждый из этих компартментов моделируется как целое в его условном центре, однако задается и градиент изменения параметров от центра к границам компартмента. Данный метод имеет дело с реальным биологическим объектом – биоценозом, тогда как традиционные методы создают искусственную градацию.

• Построена математическая модель экосистемы бореальных лесов Восточной Сибири. Проведена верификация модели по всем основным компонентам. Верифицированная модель способна рассчитывать изменения фитомассы древостоя и запасов углерода почвы при возможных будущих изменениях температуры, влажности и освещенности, суточный и годовой баланс эмиссии и стока CO2.

Законченные разработки:

• В лаборатории разработана и успешно апробирована на рекреационном водоеме г. Железногорска (Красноярск-26) компьютерная имитационная система для прогноза динамики экосистем и качества воды в слабопроточных водоемах (СИМП).

• Изобретен "Стратификационный батометр высокого разрешения с гидравлическим управлением", получено решение о выдаче патента на это изобретение, авторы Рогозин Д.Ю., Толомеев А.П., дата начала срока действия патента 25.03.2003 (патент в стадии оформления).

Гранты за 2005-2009 гг.:

Гранты РФФИ

• 09-04-98036 Мониторинг и оценка экологических последствий проникновения ихтиофауны в экосистему солоноватого меромиктического водоема

• 09-04-01114 Молекулярно-генетический анализ пространственной и сезонной динамики прокариот в меромиктических озерах России

• 09-05-00915 Оценка значимости фототрофных серных бактерий в трофической структуре меромиктических озер Южной Сибири

• 09-04-98042 Роль фитофлагелят рода Cryptomonas в микробиальной петле меромиктических озер Южной Сибири

• 08-04-00928 Сравнительное исследование биохимических механизмов стресс-адаптации у представителей различных популяций Gammarus lacustris

• 08-04-01232 Негенетические адаптации зоопланктона в стратифицированном озере: механизм возникновения и контроля индивидуальных миграций

• 07-04-96801 Мониторинг и моделирование микробных сообществ цикла серы в меромиктических озерах Южной Сибири

• 07-04-96820 Вертикальное распределение и миграции зоопланктона как механизмы удержания пула биогенных элементов в пелагической системе меромиктических озер

• 05-04-97708 Мониторинг и моделирование круговорота углерода и серы в меромиктических озерах Южной Сибири

• 05-04-48784 Структура и функции микробных сообществ цикла серы в меромиктических озерах России

• 05-04-97702 Математическое моделирование ценоза бореальных лесов Восточной Сибири

• 04-04-48321 Роль внутри- и межпопуляционных химических взаимодействий в регуляции популяционной динамики планктонных ракообразных

Гранты Президента на поддержку молодых российских ученых кандидатов наук

• MK-4315.2004.4 Математическое моделирование ценоза бореальных лесов Восточной Сибири

• MK-1388.2004.4 Роль внутри- и межпопуляционных химических взаимодействий в регуляции популяционной динамики планктонных ракообразных

• МК-1954.2005.4 Микробный цикл серы в бальнеологических озерах Хакасии: структура и функции

Сотрудничество:

• Лаборатория ведет совместные работы с

  • Институтом микробиологии им. Виноградского РАН (Москва),

  • Институтом биологии внутренних вод им. Папанина РАН (п. Борок Ярославской обл.),

  • ИПМ ДВНЦ РАН (г.Владивосток),

  • ИВМ СО РАН,

  • ИЛД СО РАН,

  • с КрасГУ,

  • НГУ,

  • ТГУ,

  • ХГУ,

  • КрасГТУ,

  • с лабораториями управления биосинтезом гетеротрофов,

  • экспериментальной гидробиологии,

  • экологической информатики,

  • аналитической химии,

  • управляемого биосинтеза фототрофов,

  • фотобиологии Института биофизики СО РАН.

• Совместные работы с

  • Университетом Мадрида (Испания),

  • Цюриха (Швейцария),

  • Институтом экологии (Нидерланды).

Связь с ВУЗами:

• Сотрудничество с российскими и зарубежными научными организациями и ВУЗами:

• Институт водных и экологических проблем СО РАН

• Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

• Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН

• Институт вычислительного моделирования СО РАН

• Институт геологии и минералогии СО РАН

• Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН

• Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН

• Сибирский федеральный университет

• Иркутский государственный университет

• Университет Людвига Максимилиана (г. Мюнхен, Германия)

• Центр Изучения Биоразнообразия (Biodiversity Research Center, Academia Sinica), Тайвань

• Институт экологии (Netherlands Institute of Ecology) (Нидерланды)

• Работа со студентами (курсовые, дипломные проекты) и аспирантами ВУЗов г.Красноярска (КрасГУ, КрасГТУ, КрасГСХА, СибГТУ).

Интеграционные проекты СО РАН

• № 95 Комплексные исследования механизмов стратификации биологических, химических и физических компонент водных экосистем как основа для прогноза и управления качеством воды (Головная организация)

• № 24 Роль микроорганизмов в функционировании живых систем: фундаментальные проблемы и биотехнологические приложения (исполнитель)

• № 34 Создание распределенной информационно-аналитической среды для исследований экологических систем (исполнитель)

• № 50 Модели изменения биосферы на основе баланса углерода (по натурным и спутниковым данным и с учетом вклада бореальных экосистем) (исполнитель)

• № 114 Организация живых систем и геохимическая эволюция гидротерм в зонах современной вулканической деятельности (исполнитель)

Программы фундаментальных исследований Президиума РАН

• Проект №23 «Биологическое разнообразие»

• Проект № 15 «Микробные сообщества стратифицированных озер Южной Сибири: мониторинг и экологический прогноз»

Основные публикации лаборатории за 2005-2009 гг.:

Главы в монографиях зарубежных издательств

• Gubanov V.G., Degermendzhi A.G. Biotic Turnover in Superorganism Systems: Several Principles of Establishment and Sustenance (Theoretical Analysis, Debatable Issues) // In: Biosphere origin and evolution. (Editors: N. Dobretsov, N. Kolchanov, A. Rozanov, G. Zavarzin). Springer. 2008. P. 327-348.

• Degermendzhi A.G. New directions in biophysical ecology // In: Global Climatology and Ecodynamics: Anthropogenic Changes to Planet Earth. (Editors: A.P. Cracknell, V.F. Krapivin, C.A. Varotsos). 2008. Springer. Chapter 14. P. 379-396.

• Degermendzhi A.G., Bartsev S.I., Gubanov V.G., Erokhin D.V., Shevirnogov A.P. Forecast of biosphere dynamics using small-scale models // In: Global Climatology and Ecodynamics: Anthropogenic Changes to Planet Earth. (Editors: A.P. Cracknell, V.F. Krapivin, C.A. Varotsos). Springer. 2008. Chapter 10. Р. 241-300.

• Zadereev E.S. The role of within- torphic level chemical interactions in diapause induction: Basic and Applied Aspects // In: Diapause in Aquatic Invertebrates: Theory and Human Use. Alekseev, DeStasio, Gilbert (eds.). 2007. Springer, P. 197-206.

Статьи в рецензируемых отечественных журналах

• Rogozin D.Yu., Degermendzhy A.G. Hydraulically-operated thin-layer sampler for sampling heterogeneous water columns // Journal of Siberian Federal University. 2008. No. 1. P. 111-117.

• Адамович В.В., Рогозин Д.Ю., Дегерменджи А.Г. Поиск критерия регулирования в непрерывной культуре микроорганизмов // Микробиология. 2005. Т. 74. № 1. С. 5-16.

• Задереев Е.С., Лопатина Т.С. Индукция смены способа размножения у Moina brachiata (Crustacea: Cladocera): действие продуктов жизнедеятельности своего и конкурирующих видов // Сибирский экологический журнал. 2006. № 1. С. 83-88.

• Задереев Е.С., Прокопкин И.Г. Роль диапаузы в сосуществовании видов зоопланктона: модельный анализ. // Доклады АН. 2007. Т. 412, № 6. С. 843-845.

• Каллистова, А.Ю., М.В. Кевбрина, Н.В. Пименов, И.И. Русанов, Д.Ю. Рогозин, Б. Верли, А.Н. Ножевникова. Сульфатредукция и метаногенез в меромиктических озерах Шира и Шунет (Хакасия) // Микробиология, 2006, т. 75, № 6. стр. 828 -835.

• Лунина О.Н., Брянцева И.А., Акимов В.Н, Русанов И.И., Рогозин Д.Ю., Баринова Е.А., Пименов Н.В. Сезонные изменения структуры сообщества аноксигенных фототрофных бактерий озера Шунет (Хакасия) // Микробиология. 2007. Т. 76, № 3. С. 416-428.

• Лунина О.Н., Брянцева И.А., Акимов В.Н., Русанов И.И., Баринова Е.А., Лысенко А.М., Рогозин Д.Ю., Пименов Н.В. Сообщество аноксигенных фототрофных бактерий озера Шира (Хакасия). // Микробиология. 2007. Т. 76, № 4. С. 533-544.

• Рогозин Д.Ю, Пименов Н.В., Косолапов Д.Б., Чаньковская Ю.В., Дегерменджи А.Г. Тонкослойные вертикальные распределения пурпурных серных бактерий в зонах хемоклина меромиктических озер Шира и Шунет (Хакасия) // Доклады АН. 2005. Т. 400. № 3. С. 426-429.

• Рогозин Д.Ю., Зыков В.В., Чернецкий М.Ю., Дегерменджи А.Г. Аноксигенные фототрофные бактерии меромиктических озер Южной Сибири в подледный период: пространственные распределения и экологические условия // Доклады АН. 2009. Т. 424, № 5. С. 712-715.

• Саввичев А.С., Русанов И.И., Рогозин Д.Ю., Захарова Е.Е., Лунина О.Н., Юсупов С.К., Пименов Н.В., Дегерменджи А.Г., Иванов М.В. Микробиологические и биогеохимические исследования озер Шира и Шунет (Хакасия) в зимний сезон // Микробиология. 2005. Т. 74. № 4. С. 552-561.

• Толомеев А.П. Концепция «экологической стехиометрии» в водных экосистемах: литературный обзор // Сибирский экологический журнал. 2006. № 1.С.13-19.

• Толомеев А.П., Задереев Е.С., Дегерменджи А.Г. Тонкое стратифицированное распределение Gammarus lacustris Sars (Crustacea: Amphipoda) в пелагиали меромиктического озера Шира (Россия, Хакасия) // Доклады АН. 2006. Т. 411, № 4. С. 549-552.

Статьи в рецензируемых зарубежных журналах

• Tolomeyev A.P., Zadereev Ye.S. An in situ method for the investigation of vertical distributions of zooplankton in lakes: test of a two-compartment enclosure // Aquatic Ecology. 2005. V. 39. No 2. P. 181-188.

• Prokopkin I.G., Gubanov V.G., Gladyshev M.I. Modelling the effect of planktivorous fish removal in a reservoir on the biomass of cyanobacteria // Ecological Modelling. 2006. V. 190. P. 419–431.

• Verschoor A.M., Zadereev E.S., Mooij W.M. Infochemical-mediated trophic interactions between the rotifer Brachionus calyciflorus and its food algae. // Limnol. Oceanogr. 2007. V. 52, No. 5. P. 2109-2119.

• Zadereev E., Lopatina T. The induction of diapause in Moina by species-specific chemical cues. // Aquatic Ecology. 2007. V. 41. No. 2. P. 255-261.

• Zadereev E.S., Tolomeyev A.P. The vertical distribution of zooplankton in brackish meromictic lake with deep-water chlorophyll maximum. // Hydrobiologia. 2007. V. 576, No. 1. P. 69-82.

• Rogozin D.Y., Zykov V.V., Chernetsky M.Y., Degermendzhy A.G., Gulati R.D. Effect of winter conditions on distributions of anoxic phototrophic bacteria in two meromictic lakes in Siberia, Russia // Aquatic Ecology. 2009. V. 43, No. 3. P. 661-672.

• Tatiana I. Lobova, Yuri V. Barkhatov, Ol’ga V. Salamatina, Lyudmila Yu. Popova Multiple antibiotic resistance of heterotrophic bacteria in the littoral zone of Lake Shira as an indicator of human impact on the ecosystem. // Microbiological Research 163 (2008) 152—160