Влияние климатических изменений на экосистему Балтийского моря и исследование пикофитопланктона
Балтийское море — это уникальная экосистема, которая в последние десятилетия сталкивается с серьезными экологическими вызовами. Климатические изменения, повышение температуры воды и антропогенное воздействие привели к значительным изменениям в экосистеме, включая увеличение гипоксии, что негативно сказывается на биологическом разнообразии и жизнеспособности морских организмов.
Из Калининграда на исследовательском судне «Академик Иоффе» стартовала экспедиция «Профиль Балтики» (под кураторством ученых из БФУ и АО ИО РАН), которая является частью большого федерального проекта «Плавучий университет-2024».
«Плавучий университет» - это научно-образовательная программа для студентов в области морских наук, работающая по принципу “обучение через исследование”. В каждом рейсе несколько научных отрядов: гидрологи, геофизики, химики, геологи, морские биологи и экологи. Экспедиции «Плавучего университета» охватывают Северный Ледовитый, Тихий и Атлантический океаны, а также озеро Байкал. Участники уже успели побывать в Беринговом, Баренцевом, Карском, Охотском, Японском и Балтийском морях. И практически везде были использованы реагенты и наборы «Биолабмикс».
Климатические тенденции и экологические изменения в Балтийском море
Команда «Биолабмикс» смогла проводить в экспедицию исследователей из Калининграда, снабдить их своими наборами для молекулярно-биологических исследований, а также выступить с семинаром прямо накануне выхода рейса. Мы не только передали для исследований наши наборы, но и рассказали принципы их оптимального использования.
Вот как описывает задачи экспедиции руководитель направления морской биологии Елена Евгеньевна Ежова, к.б.н.:
«Среди ключевых климатических тенденций в регионе Балтийского моря наблюдается положительный температурный тренд, который способствует уменьшению частоты Североморских затоков в Балтику. Это приводит к ограниченному обмену водных масс и снижению насыщенности кислородом, что в свою очередь усиливает эвтрофирование — процесс, при котором избыточное количество питательных веществ вызывает избыточный рост фитопланктона.
«Среди ключевых климатических тенденций в регионе Балтийского моря наблюдается положительный температурный тренд, который способствует уменьшению частоты Североморских затоков в Балтику. Это приводит к ограниченному обмену водных масс и снижению насыщенности кислородом, что в свою очередь усиливает эвтрофирование — процесс, при котором избыточное количество питательных веществ вызывает избыточный рост фитопланктона.
Эти изменения приводят к увеличению площадей безжизненных зон на дне моря и часто к гипоксии в нижних слоях воды. Гипоксия, или низкий уровень кислорода, особенно опасна для донных видов и их экосистем, так как ограничивает их способность участвовать в биогеохимических процессах, таких как разложение органического материала и переработка питательных веществ.
Эти экологические изменения оказывают значительное влияние на жизненные циклы и популяции важных коммерческих видов рыб, таких как треска и шпроты. Ухудшение условий воспроизводства и роста приводит к снижению их численности и негативно сказывается на рыболовстве.
Кроме того, сложившиеся условия способствуют массовым токсичным цветениям цианобактерий и внедрению в экосистемы инвазивных видов, что еще больше усугубляет ситуацию. Эти изменения требуют детального изучения как на уровне популяций, так и на уровне экосистем в целом, чтобы понять механизмы адаптации и выработать стратегии сохранения биоразнообразия».
Исследование пикофитопланктона в Балтийском море
Одним из важных аспектов исследования экосистем Балтийского моря является изучение пикофитопланктона — мелкоклеточных фотосинтезирующих организмов, таких как цианобактерии и эукариоты, с размером клеток менее 3 микрометров. Пикофитопланктон играет ключевую роль в морских экосистемах, участвуя в процессах первичной продукции и питательных циклах.
Методы исследования
Для изучения пикофитопланктона применяется ряд методов отбора и анализа проб. Пробы воды отбираются с помощью батометра Нискина из поверхностного горизонта (0-1 м) и фильтруются через фильтры с диаметром пор 20 мкм и 3 мкм для выделения мелкой фракции фитопланктона.
Сергей Щербаков, куратор студенческой группы биологов, приводит подробный ход эксперимента:
Полученный фильтрат, содержащий самую мелкую фракцию фитопланктона центрифугируется для осаждения биомассы. 150 мкл биомассы переносится в пробирки, гомогенизируется, добавляется лизирующий раствор и пробы замораживаются при температуре -70°. Для выделения ДНК используется набор D-Plants для выделения ДНК из растений ("Биолабмикс", Россия), амплификация проводится с праймерами на область V4 гена 18S рРНК: прямой – EuF-V4 и обратный – picoR2. Для амплификации используется набор для проведения ПЦР с Фьюжн ДНК-полимеразой ("Биолабмикс", Россия). Условия амплификации:
- начальная денатурация 94°C – 3 мин;
- 28 циклов: 94°C – 15 с,
- отжиг праймеров 64°C – 15 с,
- элонгация 72°C – 30 с;
- заключительная элонгация 5 мин.
Продукты амплификации отделяются от праймеров препаративным электрофорезом в 1%-ном агарозном гелe c последующим выделением из агарозы с помощью набора N-Gel для выделения ДНК и РНК из агарозного геля ("Биолабмикс", Россия).
Секвенирование ПЦР продуктов осуществляется на базе БФУ им. И. Канта на платформе “Illumina MiSeq” (США). Анализ полученных по результатам секвенирования нуклеотидных последовательностей проводится с использованием алгоритма DADA2 в R. Биоинформационная обработка включает фильтрацию по качеству и длине, объединение прямых и обратных прочтений, учет одинаковых последовательностей, исключение синглетонов, удаление химерных последовательностей и их классификация с использованием метода варианта последовательности ампликона. Для таксономического анализа классификация полученных ASV проводится по базе Protist Ribosomal Reference database.
Заключение
Исследование фитопланктона и его таксономического состава в морях и океанах — важный шаг к пониманию текущих экологических изменений и их влияния на морские экосистемы. Полученные данные помогут разработать более эффективные стратегии управления и сохранения морских ресурсов, а также минимизировать негативные последствия климатических изменений и антропогенного воздействия на водоёмы. Мы рады быть частью глобальных исследований и предоставлять реагенты, которые облегчют ученым выполнение их научных задач!