Новая модель для микробных сообществ гипорейной зоны
Экологические процессы определяют сезонные изменения в микробных сообществах, обитающих вдоль рек в гипорейной зоне — области смешения грунтовых и поверхностных вод. Хотя эти процессы хорошо изучены для сообществ растений и животных, их влияние на речных микроорганизмов, регулирующих круговорот углерода и доступность питательных веществ в экосистеме, оставалось неизвестным.
Новые технологии и передовые методы статистического моделирования, разработанные в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL), теперь позволяют исследовать эти динамические процессы в микробных сообществах в пространстве и времени.
Гипорейная зона — критически важная экологическая область. Она содержит богатое разнообразие микроорганизмов, которые регулируют доступность углерода и питательных веществ для других организмов вдоль реки. Например, гипорейные микроорганизмы могут удалять избыток питательных веществ из сельскохозяйственных и канализационных стоков. Они также могут выделять углекислый газ в атмосферу, перерабатывая органическое вещество из наземного растительного мусора.
Результаты исследования показывают, что отбор микроорганизмов, преобразующих органическое вещество в CO2, особенно силен в весенние и летние месяцы. По мере смены сезонов происходят изменения: уровень речной воды падает; грунтовые воды просачиваются в гипорейную зону; отбор организмов, метаболизирующих углерод, ослабевает; а численность организмов, участвующих в круговороте нитратов, возрастает. Эти изменения дают концептуальную основу для понимания функционирования экосистемы в связи с изменениями в составе микробных сообществ, живущих в донных отложениях.
Исследователи использовали гипорейную зону реки Колумбия в качестве модельной системы для изучения связи изменений в отборе, действующем на организмы, с наблюдаемыми в крупном масштабе изменениями здоровья экосистемы. Предполагается, что эта концептуальная модель применима к широкому спектру сред и экологических систем.
Результаты помогут понять механизмы, которые приводят к увеличению или уменьшению численности организмов, производящих загрязнители и парниковые газы.
Бактерии, грибы, водоросли и другие микроорганизмы в реках по всему миру преобразуют огромное количество органического углерода в CO2. Однако ученые мало знают о том, как эти организмы меняются в пространстве и времени и какие процессы движут этими изменениями.
В условиях роста глобальных температур и изменения землепользования, влияющего на поступление питательных веществ в речные системы, понимание круговорота углерода и питательных веществ в гипорейной зоне становится все более важным для защиты экосистем и здоровья человека. Цели исследования PNNL — создать механистическую основу для описания текущего состояния таких речных экосистем и разработать средства прогнозирования их изменений в ответ на будущие сценарии изменения окружающей среды.
На полевом участке реки исследователи каждые три недели собирали комплексные данные для описания микроорганизмов и химического состава реки Колумбия и её гипорейной зоны. Они также использовали новые методы статистического моделирования, разработанные в PNNL, для выявления экологических процессов в пространстве и времени. Исследование проводилось с марта по ноябрь 2014 года на участке в центральной части штата Вашингтон, где река Колумбия протекает недалеко от объекта «Хэнфорд» — бывшего комплекса по переработке ядерных материалов.
Работа направлена на включение механистической информации о микробных сообществах в модели земных систем, что поможет лучше прогнозировать скорость круговорота углерода и азота в будущих климатических условиях.