Сравнительный анализ скоростей ассимиляции азота и фосфора макроводорослями и морскими травами по данным имитационного моделирования

Е. Ф. Васечкина*, И. П. Науменко, Т. А. Филиппова

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

* e-mail: vasechkina.elena@gmail.com

Аннотация

Рассматриваются ассимиляция и выделение соединений азота и фосфора морскими макроводорослями и травами в процессе синтеза первичной продукции в прибрежной эвфотической зоне. Имитационная модель донного фитоценоза смешанного типа использована для воспроизведения процессов функционирования водных растений в условиях конкуренции за ресурсы между ними и с фитопланктоном. Объектно-ориентированная концепция модели позволяет воспроизвести в расчетной области произвольное пространственное распределение видов растений. Динамика биомассы растений рассчитывается с использованием индивидуум-ориентированного подхода. Скорости протекания физиологических процессов зависят от температуры, освещенности, концентрации биогенных элементов в воде и грунте, а также уровня накопления этих элементов в тканях растения. Эмпирические коэффициенты модели базируются на опубликованных данных лабораторных экспериментов. Получены количественные оценки эффективности накопления биогенных элементов в тканях различных групп растений. Показано, что наибольшим потенциалом биоремедиации обладают бурые и красные макроводоросли, имеющие более грубое строение талломов, а также морские травы. Для прибрежной зоны Крыма это виды цистозиры, филлофоры и морская трава зостера. Донные фитоценозы, в которых эти виды доминируют, поддерживают здоровье морских экосистем прибрежной зоны в условиях повышенной антропогенной нагрузки.

Ключевые слова

донный фитоценоз, фитоценоз, биоремедиация, объектно-ориентированное моделирование, первичная продукция

Благодарности

Работа выполнена в рамках госзадания ФГБУН ФИЦ МГИ по теме № 0555-2021-0005 «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, определяющих функционирование и эволюцию экосистем прибрежных зон Черного и Азовского морей».

Для цитирования

Васечкина Е. Ф., Науменко И. П., Филиппова Т. А. Сравнительный анализ скоростей ассимиляции азота и фосфора макроводорослями и морскими травами по данным имитационного моделирования // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2022. № 3. С. 71–92. doi:10.22449/2413-5577-2022-3-71-92

Vasechkina, E.F., Naumenko, I.P. and Filippova, T.A., 2022. Comparative Analysis of Nitrogen and Phosphorus Assimilation Rates by Macroalgae and Seagrasses according to Simulation Data. Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea, (3), pp. 70–91. doi:10.22449/2413-5577-2022-3-71-92

DOI

10.22449/2413-5577-2022-3-71-92

Список литературы

  1. Smith S. V. Marine macrophytes as a global carbon sink // Science. 1981. Vol. 211, iss. 4484. P. 838–840. https://doi.org/10.1126/science.211.4484.838
  2. Charpy-Roubaud C., Sournia A. The comparative estimation of phytoplanktonic, microphytobenthic and macrophytobenthic primary production in the oceans // Marine Microbial Food Webs. 1990. Vol. 4, iss. 1. P. 31–57. URL: https://horizon.documentation.ird.fr/exl-doc/pleins_textes/pleins_textes_5/b_fdi_31-32/34226.pdf (дата обращения: 04.09.2022).
  3. Investigating hypoxia in aquatic environments: diverse approaches to addressing a complex phenomenon / Friedrich J. [et al.] // Biogeosciences. 2014. Vol. 11, № 4. P. 1215–1259. https://doi.org/10.5194/bg-11-1215-2014
  4. Orekhova N. A., Konovalov S. K. Biogeochemistry of oxygen deficiency in nearshore Black Sea regions of Crimea // MEDCOAST 19: Proceedings of the 14th International MEDCOAST Congress on Coastal and Marine Sciences, Engineering, Management & Conservation, 22–26 Oct. 2019, Marmaris, Turkey. Mugla, Turkey : Mediterranean Coastal Foundation, 2019. Vol. 1. P. 297–306.
  5. The role of coastal plant communities for climate change mitigation and adaptation / C. M. Duarte [et al.] // Nature Climate Change. 2013. Vol. 3, iss. 11. P. 961–968. https://doi.org/10.1038/nclimate1970
  6. Environmental factors influencing primary productivity of the forest-forming kelp Laminaria hyperborea in the northeast Atlantic / D. A. Smale [et al.] // Scientific Reports. 2020. Vol. 10, iss. 1. 12161. https://doi.org/10.1038/s41598-020-69238-x
  7. Функциональная морфология морских многоклеточных водорослей / К. М. Хайлов [и др.]. Киев : Наукова думка, 1992. 280 c. URL: https://repository.marine-research.org/bitstream/299011/1464/1/Khajlov_Funktsionalnaya_Morfologiya_1992.pdf (дата обращения: 14.02.2022).
  8. Блинова Е. И., Сабурин М. Ю. Штормовые выбросы макрофитов. Условия формирования и влияние на экологическое состояние моря (на примере Анапской бухты, Черное море) // Труды ВНИРО. 2005. Т. 144. С. 286–293. URL: http://vniro.ru/files/trydi_vniro/Trudy_t_144.pdf (дата обращения: 14.02.2022).
  9. Степаньян О. В. Макрофитобентос Черного и Азовского морей: флористические и экологические аспекты (обзор) // Наука Юга России. 2020. T. 16, № 4. С. 26–38. https://doi.org/10.7868/S25000640200404
  10. 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. Vol. 433. P. 148–156. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2014.05.034
  11. Seaweed aquaculture: cultivation technologies, challenges and its ecosystem services / J. K. Kim [et al.] // Algae. 2017. Vol. 32, № 1. Р. 1–13. https://doi.org/10.4490/algae.2017.32.3.3
  12. Antsulevich A. E. Artificial reefs project for improvement of water quality and environmental enhancement of Neva Bay (St.-Petersburg County region) // Bulletin of Marine Science. 1994. Vol. 55, № 2–3. P. 1189–1192. URL: https://www.ingentaconnect.com/contentone/umrsmas/bullmar/1994/00000055/f0020002/art00074 (дата обращения: 14.02.2022).
  13. Восстановление фитоценозов Cystoseira crinita (Phaeophyta) и динамика роста макрофитов на искусственных рифах / В. И. Капков [и др.] // Вестник Московского университета. Серия 16. Биология. 2005. № 2. С. 30–34. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vosstanovlenie-fitotsenozov-cystoseira-crinita-phaeophyta-i-dinamika-rosta-makrofitov-na-iskusstvennyh-rifah (дата обращения: 14.02.2022).
  14. Marine artificial reefs, a meta-analysis of their design, objectives and effectiveness / B. Vivier [et al.] // Global Ecology and Conservation. 2021. Vol. 27. e01538. https://doi.org/10.1016/j.gecco.2021.e01538
  15. Vasechkina E. Object-based modeling of marine phytoplankton and seaweeds // Journal of Marine Science and Engineering. 2020. Vol. 8, iss. 9. 685. https://doi.org/10.3390/jmse8090685
  16. Васечкина Е. Ф., Филиппова Т. А. Моделирование биохимических процессов в бентосных фитоценозах прибрежной зоны // Морской гидрофизический журнал. 2019. T. 35, № 1. P. 52–69. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-1-52-69
  17. Панкеева Т. В., Миронова Н. В., Новиков Б. А. Картографирование донной растительности бухты Круглая (г. Севастополь, Черное море) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2019. Вып. 3. С. 61–71. https://doi.org/10.22449/2413-5577-2019-3-61-71
  18. Zimmerman R. C., Smith R. D., Alberte R. S. Is growth of eelgrass nitrogen limited? A numerical simulation of the effects of light and nitrogen on the growth dynamics of Zostera marina // Marine Ecology Progress Series. 1987. Vol. 41, iss. 2. P. 167–176. https://doi.org/10.3354/meps041167
  19. Modelling Zostera marina and Ulva spp. in a coastal lagoon / L. Aveytua-Alcázar [et al.] // Ecological Modelling. 2008. Vol. 218, iss. 3–4. P. 354–366. https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2008.07.019
  20. Nitrogen acquisition and resource allocation strategies in temperate seagrass Zostera nigricaulis: Uptake, assimilation and translocation processes / S. Nayar [et al.] // Scientific Reports. 2018. Vol. 8, iss. 1. 17151. https://doi.org/10.1038/s41598-018-35549-3
  21. Brix H., Lyngby J. E. Uptake and translocation of phosphorus in eelgrass (Zostera marina) // Marine Biology. 1985. Vol. 90, iss. 1. P. 111–116. https://doi.org/10.1007/BF00428221
  22. Афанасьев Д. Ф. Запасы некоторых видов макрофитов на российском шельфе Черного моря: современное состояние, многолетняя динамика и анализ причин изменения // Известия ТИНРО. 2008. T. 155. C. 161–168.
  23. Macroalgal blooms in shallow estuaries: Controls and ecophysiological and ecosystem consequences / I. Valiela [et al.] // Limnology and Oceanography. 1997. Vol. 42, iss. 5, part 2. P. 1105–1118. https://doi.org/10.4319/lo.1997.42.5_part_2.1105
  24. 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. https://doi.org/10.4319/lo.1969.14.4.0521
  25. Barrón C., Apostolaki E. T., Duarte C. M. Dissolved organic carbon release by marine macrophytes // Biogeosciences Discussion. 2012. Vol. 9. P. 1529–1555. https://doi.org/10.5194/bgd-9-1529-2012
  26. Release of dissolved and particulate organic matter by marine macroalgae and its biogeochemical implications / S. Chen [et al.] // Algal Research. 2020. Vol. 52. 102096. https://doi.org/10.1016/j.algal.2020.102096
  27. Rate and fate of dissolved organic carbon release by seaweeds: A missing link in the coastal ocean carbon cycle / E. R. Paine [et al.] // Journal of Phycology. 2021. Vol. 57, iss. 5. P. 1375–1391.https://doi.org/10.1111/jpy.13198
  28. Wada S., Hama T. The contribution of macroalgae to the coastal dissolved organic matter pool // Estuarine, Coastal and Shelf Science. 2013. Vol. 129. P. 77–85. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2013.06.007
  29. Bulk Chemical Characteristics of Dissolved Organic Matter in the Ocean / R. Benner [et al.] // Science. 1992. Vol. 255, iss. 5051. P. 1561–1564. https://doi.org/10.1126/science.255.5051.1561
  30. Rao C. K., Indusekhar V. K. Carbon, nitrogen and phosphorus ratios in seawater and seaweeds of Saurashtra, north west coast of India // Indian Journal of Marine Sciences. 1987. Vol. 16, iss. 2. P. 117–121.
  31. 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. https://doi.org/10.4319/lo.1983.28.3.0568

Текст статьи

Русскоязычная версия (PDF)

Англоязычная версия (PDF)