Глубокий максимум хлорофилла (DCM), также называемый подповерхностным максимумом хлорофилла, [1] [2] представляет собой область под поверхностью воды с максимальной концентрацией хлорофилла . DCM обычно существует на той же глубине, что и нутриклин , область океана, где происходит наибольшее изменение концентрации питательных веществ с глубиной. [3]
DCM присутствует не всегда — иногда на поверхности хлорофилла больше, чем на большей глубине — но это общая черта большинства водных экосистем, особенно в регионах с сильной термической стратификацией . [4] Глубина, толщина, интенсивность, состав и устойчивость DCM сильно различаются. [2] [5]
Распространенным способом определения DCM является использование CTD- розетки, подводного прибора, который измеряет различные параметры воды на определенных глубинах. [4] Местоположение и формирование DCM зависит от множества факторов, таких как потребности в питании резидентных организмов и доступность света. Некоторые организмы приспособились к более низким уровням света за счет увеличения количества клеточного хлорофилла, [6] а другие приспособились путем вертикальной миграции с различными уровнями питательных веществ и света. [7] Видовой состав DCM меняется в зависимости от химии воды, местоположения, сезонности и глубины. [3] [8] Различия в видовом составе DCM существуют не только между океанами и озерами, но и в пределах разных океанов и озер. Поскольку DCM удерживает большую часть первичной продуктивности мира, он играет важную роль в круговороте питательных веществ, [9] потоке энергии и биогеохимических циклах . [10]
DCM часто располагается на глубине десятков метров под поверхностью и не может наблюдаться с помощью традиционных методов спутникового дистанционного зондирования. Оценки первичной продуктивности часто производятся с помощью этих методов дистанционного зондирования в сочетании со статистическими моделями, хотя эти статистические расчеты могут неточно включать производство в DCM. [11] DCM исследуемой области может быть определена на месте с помощью подводного прибора ( розетка CTD с бутылками Нискина) для измерения различных параметров, таких как соленость (включая растворенные питательные вещества), температура, давление и флуоресценция хлорофилла . Собранные образцы воды могут быть использованы для определения количества клеток фитопланктона . Затем эти измерения могут быть преобразованы в концентрации хлорофилла, биомассу фитопланктона и продуктивность фитопланктона. [4] Другой способ оценки первичной продуктивности в DCM — это создание моделирования формирования DCM в регионе путем создания трехмерной модели региона. Это можно сделать, если для этого региона океана имеются достаточные гидродинамические и биогеохимические данные. [11]
С момента его первоначального открытия океанографы выдвигали различные теории, объясняющие образование глубоких максимумов хлорофилла.
Исследования in situ определили, что глубина формирования DCM в первую очередь зависит от уровня затухания света и глубины нутриклина [7] , хотя температурная стратификация также играет свою роль. [10] [11] В озерах толщина слоя DCM в основном контролируется размерами и максимальной глубиной озер [10] .
DCM формируется вблизи нутриклина и дна фотической зоны. [3] Рост фитопланктона в DCM ограничен как доступностью питательных веществ, так и светом, поэтому либо увеличение поступления питательных веществ, либо увеличение доступности света в DCM может, в свою очередь, увеличить скорость роста фитопланктона. [7]
Расположение и формирование DCM также зависит от сезона. В Средиземном море DCM присутствует летом из-за стратификации воды и редко встречается зимой из-за глубокого перемешивания. [11] DCM может присутствовать на более мелких глубинах зимой и ранней весной из-за ограничения света и более высокой доступности питательных веществ в более мелких регионах из-за перемешивания, а также на более низких глубинах летом и ранней осенью, поскольку питательные вещества в поверхностной воде истощаются первичными продуцентами, а более сильная освещенность позволяет свету проникать на большие глубины. [7] [11]
Вертикальное смешивание ограничивающих питательных веществ через термоклин является ключевым процессом в поддержании максимума хлорофилла в глубинных водах. Это смешивание может быть вызвано рядом процессов, связанных с ветровыми колебаниями, [12] [13] [14] внутренними приливами [15] и вовлечением через углубление поверхностного смешанного слоя. [16] В мелководных сезонно стратифицированных морях процессы пограничного слоя также могут вызывать смешивание ограничивающих питательных веществ через термоклин. [17]
Формирование DCM коррелирует с рядом биологических процессов, [6] влияющих на круговорот питательных веществ для местных гетеротрофных бактерий [9] и состав специализированного фитопланктона. [2] [8] [18] [19]
Факторы ослабления света, как было показано, являются вполне прогнозируемыми относительно глубины DCM, поскольку фитопланктон , присутствующий в регионе, требует достаточного количества солнечного света для роста, [4] что приводит к DCM, который обычно находится в эвфотической зоне . Однако, если популяция фитопланктона адаптировалась к среде с более низкой освещенностью, DCM также может быть расположен в афотической зоне . [7] [20] Высокая концентрация хлорофилла в DCM обусловлена большим количеством фитопланктона, который адаптировался к функционированию в условиях низкой освещенности. [2] [6] [9]
Для адаптации к условиям низкой освещенности некоторые популяции фитопланктона, как было обнаружено, имеют повышенное количество хлорофилла на клетку, [2] [18] [19], что способствует формированию DCM. [3] Вместо увеличения общего количества клеток, сезонное ограничение света или низкие уровни освещенности могут повысить индивидуальное содержание хлорофилла в клетках. [6] [18] По мере увеличения глубины в зоне смешивания фитопланктон должен полагаться на более высокое количество пигментов (хлорофилла) для захвата фототической энергии. Из-за более высокой концентрации хлорофилла в присутствующем фитопланктоне DCM не предсказывает глубину максимума биомассы в том же регионе. [18]
Кроме того, по сравнению с более мелководными областями зоны смешивания, DCM имеет высокую концентрацию питательных веществ и/или более низкие показатели дыхания, выедания и смертности, что дополнительно способствует производству клеток фитопланктона. [21]
Вертикальная миграция или перемещение фитопланктона в толще воды , способствует установлению DCM из-за разнообразия ресурсов, необходимых фитопланктону. В зависимости от таких факторов, как питательные вещества и доступный свет, некоторые виды фитопланктона намеренно перемещаются на разные глубины для удовлетворения своих физиологических потребностей. [7] Механизм, используемый определенным фитопланктоном, таким как определенные виды диатомовых водорослей и цианобактерий , заключается в регулировании собственной плавучести для перемещения через толщу воды. Другие виды, такие как динофлагелляты, используют свои жгутики, чтобы плавать на желаемой глубине. Это намеренное перемещение фитопланктона способствует образованию DCM в областях, где эти виды составляют значительную долю сообщества фитопланктона. Обычно эти виды крупнее по размеру и не встречаются в значительном количестве в регионах с низким содержанием питательных веществ, поэтому эти физиологические аспекты фитопланктона в меньшей степени способствуют образованию DCM в олиготрофных водах. [7]
В озерах толщина DCM показывает положительную корреляцию с размерами озер. Однако из-за большого разнообразия озер не существует постоянного фактора для света и температуры, который можно было бы использовать для прогнозирования глубин DCM в различных типах озер. [10]
Состав микроорганизмов , присутствующих в DCM, значительно варьируется в зависимости от географического положения, сезона и глубины. [3] [8]
Виды фитопланктона , присутствующие в DCM, различаются в зависимости от глубины из-за различной вспомогательной пигментации . Некоторые виды фитопланктона имеют вспомогательные пигменты , соединения, которые адаптировали их для сбора световой энергии с определенных длин волн света, [8] даже в областях с низким проникновением света. [2] [9] Для оптимизации сбора световой энергии фитопланктон будет перемещаться на определенные глубины, чтобы получить доступ к различным длинам волн видимого света. [22]
Различия в составе фитопланктона между слоем эпилимниона и DCM постоянны во многих водоемах. DCM имеет тенденцию содержать больше жгутиконосных организмов и криптофитов , [23] [24] тогда как слой эпилимниона имеет тенденцию иметь большее обилие центрических диатомовых водорослей . [25]
В северо-западном Средиземноморье наиболее распространенным фитопланктоном являются кокколитофориды , жгутиконосцы и динофлагелляты . Юго-восточное Средиземноморье имеет схожий состав, где кокколитофориды и монады (нано- и пикопланктон ) составляют большую часть сообщества фитопланктона в DCM. [23]
В Индийском океане наиболее распространенным фитопланктоном, присутствующим в DCM, являются цианобактерии , прохлорофиты , кокколитофориды, динофлагелляты и диатомовые водоросли. [8]
В Северном море динофлагелляты являются основными видами фитопланктона, присутствующими в DCM на уровне пикноклина и ниже . В более мелких частях DCM - выше пикноклина, также присутствуют динофлагелляты, а также нанофлагелляты. [4]
DCM чистой, стратифицированной воды обычно находится под эпилимнионом . [25] Озеро Верхнее является одним из крупнейших в мире пресноводных озер, и летом его DCM колеблется примерно от 20 м до 35 м [25] [26] ниже поверхности. Хотя эпилимнион и DCM являются соседними слоями воды, видовой состав эпилимниона и DCM почти полностью отличается. [25] Эти различия включают присутствие менее центрических диатомовых водорослей, более пеннатных диатомовых водорослей , криптофитов и пиррофитов в DCM по сравнению со слоем эпилимниона. Кроме того, наиболее существенным различием между этими двумя слоями является обилие Cyclotella comta , которая встречается гораздо реже в DCM. [25]
Гораздо больше сообществ DCM имеют жгутики (например, криптофиты и пиррофиты) по сравнению с сообществами эпилимниона. [25] Поскольку жгутиконосцы являются лучшими пловцами, это может объяснить, как они могут находиться на желаемой глубине, DCM. [25] Другим фактором развития DCM является доступность питательных веществ. Было обнаружено, что DCM имел более низкое отношение органического углерода (POC) к фосфору (P), чем эпилимнион. [25] Поскольку фосфор является одним из ограничивающих факторов роста, [27] [28] особенно в озере Верхнее во время стратифицированных периодов, [29] это явление может указывать на то, что фитопланктон в DCM больше обогащен фосфором, чем в эпилимнионе. Более высокая доступность фосфора могла позволить большему количеству фитопланктона предпочесть DCM даже при меньшем количестве света по сравнению с эпилимнионом. [25] С другой стороны, тот факт, что DCM имеет более низкую доступность света, можно использовать для утверждения, что более низкое соотношение POC:P обусловлено ограничением света, а не повышенной концентрацией питательных веществ (P). [25] [30]
В озере Тахо DCM уникален, так как глубина региона намного ниже нормы, и составляет около 90-110 метров ниже поверхности. [21] [20] Обычно DCM находятся близко под термоклином, который находится на глубине около 30-40 метров. [5] [20] Озеро Тахо представляет собой градиент хлорофилла, аналогичный градиенту олиготрофных областей, [21] так что глубина региона зависит от сезонных колебаний. Из-за этих временных сдвигов, особенно между весной и летом, сообщества фитопланктона озера Тахо претерпевают отчетливые изменения. В весенние месяцы DCM совпадает с верхней поверхностью нитраклина, [21] [31] делая воду богатой питательными веществами для диатомовых водорослей Cyclotella striata и золотистых водорослей Dinobryon bavaricum , в которых они процветают. В летние месяцы DCM углубляется, и продуктивность внутри слоя становится почти полностью зависящей от света. [31] Подобно структурам хлорофилла, обнаруженным в океанах, [5] DCM становится невероятно текучим и изменчивым, так что определенные виды фитопланктона (диатомовые водоросли Synedra ulna, Cyclotella comta и зеленые жгутиконосцы ) начинают доминировать, несмотря на то, что они отсутствуют в весенний период продуктивности. [21] [31]
В целом, фитопланктонное сообщество между эпилимнионом и DCM в озере Тахо отличается по размеру. Оба региона изобилуют диатомовыми водорослями; мелкие диатомовые водоросли (объем клеток = 30,5 мкм³), такие как Cyclotella stelligera, Synedra radians, составляют большинство в эпилимнионе, в то время как более крупные диатомовые водоросли (объем клеток = 416,3 мкм³), такие как C.ocellata, Stephanodiscus alpinus, Fragilaria crotonensis, доминируют в DCM. [21]
Озера региона Анд Северной Патагонии можно разделить на более крупные и более глубокие озера и более мелкие мелкие озера. Хотя эти озера находятся в одном регионе, они демонстрируют разные условия, что приводит к разному составу видов DCM . Большие глубокие озера являются ультраолиготрофными, поскольку они очень прозрачны и содержат мало DOC и питательных веществ. [32] В отличие от однородного термического профиля более мелких озер, более глубокие озера подвергаются сильной термической стратификации в конце весны и летом. Два типа озер также различаются по коэффициенту ослабления света : он ниже в прозрачных более глубоких озерах, что означает, что больше света может проникнуть. [32]
Таким образом, основное различие между двумя типами озер, которое, как было обнаружено, вносит вклад в сообщество DCM, заключается в легком климате. Было обнаружено, что мелкие озера содержат большую концентрацию растворенных желтых частиц, чем более глубокие озера. В результате, для более глубоких озер максимальные длины волн поглощения были в основном на красном конце спектра, тогда как мелкие озера демонстрировали зеленые и синие длины волн поглощения в дополнение к красным. [32]
В районе DCM крупных глубоких озер доминировали миксотрофные инфузории Ophrydium naumanni . Их фототрофные способности обусловлены их эндосимбиотическими водорослями Chlorella , которые являются сильными конкурентами в условиях плохой освещенности. [32] Кроме того, инфузории могут подвергаться фаготрофии, чтобы получать другие необходимые элементы. В более мелких озерах было обнаружено отсутствие O. naumanni , вероятно, из-за более высокого уровня конкуренции с фитопланктоном и интенсивности турбулентности. [32]
DCM играет важную экологическую роль в размещении большей части первичной продукции в мире и в круговороте питательных веществ. В олиготрофных водах, таких как Северное и Средиземное моря, DCM является местом, где более половины общей первичной продукции происходит из-за роста фитопланктона. [4] [11] Высокая скорость первичной продукции в DCM облегчает круговорот питательных веществ на более высоких трофических уровнях в смешанном слое. DCM формируется на той же глубине, что и нуриклин, [3] поэтому фитопланктон в DCM может получать доступ к питательным веществам, поступающим из глубин океана. Затем фитопланктон в DCM может циклически подниматься вверх по водной толще, обеспечивая питательными веществами гетеротрофов в смешанном слое. [7] [9]
Поскольку среда DCM играет фундаментальную роль в первичной продуктивности, ее можно связать со многими аспектами взаимодействия водных хищников и жертв, потоками энергии и биомассы, а также биогеохимическими циклами. [10] Значительный экспорт органического материала из водной толщи происходит из-за DCM, поскольку гетеротрофы потребляют фитопланктон в DCM, а фекалии травоядных опускаются в глубокие слои океана. [8] DCM является важным источником пищи для вторичных производителей , поскольку имеет относительно высокую концентрацию первичных производителей в одном регионе водной толщи. Это облегчает и ускоряет поиск и потребление фитопланктона травоядными, что, в свою очередь, увеличивает скорость перемещения энергии по трофическим уровням . [11]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )