Альгологические исследования: экологическое и таксономическое разнообразие водорослей, оценка качества воды

Исследования проводятся на базе кафедры ботаники и зоологии,  лаборатории альгологии, биологической станции Старая Пустынь. 

Руководитель: к.б.н., доцент, заведующий кафедрой Воденеева Екатерина Леонидовна. 

Рабочая группа:  

Охапкин Александр Геннадьевич – д.б.н., профессор, профессор кафедры ботаники и зоологии;  

Старцева Наталья Александровна – к.б.н., доцент кафедры ботаники и зоологии;  

Кулизин Павел Владимирович – к.б.н. доцент кафедры ботаники и зоологии, с.н.с. лаборатории альгологии;  

Шарагина Екатерина Михайловна – старший преподаватель кафедры ботаники и зоологии, м.н.с. лаборатории альгологии;  

Бондарев Олег Олегович –  старший преподаватель кафедры ботаники и зоологии;  

Журова Дарья Алексеевна – аспирант кафедры ботаники и зоологии;  

Пичугина Ю.М., Никишин Д.А., Макарова Д.А.- студенты кафедры ботаники и зоологии. 

Описание исследований 

1. Оценка биоразнообразия водорослей

Проведение инвентаризационных исследований разных групп организмов является важным этапом в вопросах сохранения биологического и ландшафтного разнообразия экосистем.  

Изучение таксономического разнообразия водорослей водных объектов Нижегородской области проводится с 1920-х годов (работы Есыревой В.И., Юловой Г.А., Охапкина А.Г.). За этот многолетний период изучена альгофлора реки Волги и ее притоков, волжских водохранилищ (Горьковское и Чебоксарского), озер различного генезиса, включая уникальные для нашего региона, а также водоемов прудового и болотного типа. 

В настоящий момент в водоемах бассейна Средней Волги выявлено около двух тысяч видовых и внутривидовых таксонов водорослей, что определяется уникальным географическим положением региона, входящего в трансконтинентальный бореальный экотон. Молекулярные подходы в идентификации таксонов позволили определить новые и редкие для области виды из таких систематических групп как глаукофитовые, золотистые, диатомовые  и криптофитовые водоросли. 

В водоемах нашего региона также зарегистрированы процессы экспансии чужеродных видов водорослей и их натурализации, что имеет важное социально-экономическое и природоохранное значение, прежде всего, в вопросах сохранения биоразнообразия и генофонда гидробионтов волжских водоемов. В бассейне Чебоксарского водохранилища отмечено 17 видов инвазийных видов водорослей, из них диатомовых – 15 (планктонные морские и солоноватоводные виды), динофитовых и рафидофитовых  – по 1. Часть из этих видов только регистрируется в составе альгофлоры водоемов, другие – уже занимают доминирующие позиции, определяют структуру планктонных альгоценозов в Волге и водоемах ее бассейна. 

2. Оценка качества воды по фитопланктону, «цветение» водоемов и анализ цианотоксинов.  

На основе изучения видового состава и динамики сообществ фитопланктона регулярно проводится оценка экологического состояния и трофического статуса различных водных объектов Нижегородской области. Наряду с традиционно применяемыми для этих целей методами и подходами, был апробирован  экосистемный подход (основан на функциональных группах фитопланктона), который принят Водной Рамочной Директивой Европейского Союза. Он продемонстрировал хорошую чувствительность и информативность для волжских притоков, и после региональной адаптации может быть внедрен в систему мониторинга состояния водных экосистем. 

В перечне научных задач, стоящих перед коллективом, входят оценка и контроль цианобактериального «цветения» в водоемах Волжского бассейна, а также прогноз состояния этого компонента растительного планктона, представляющего собой опасность при водопользовании и проведении гидротехнических мероприятий. Так, выполненный в 2023 году анализ цианобактериального “цветения” двух популярных для рекреационных целей водоемов (озера Лунское (Сормовский район, г. Нижний Новгород) и Великое (с. Пустынь, Арзамасский район)), позволил выявить потенциально опасные виды цианобактерий и определить концентрации микроцистинов в биомассе фитопланктона. Всего было установлено присутствие 7 структурных вариантов микроцистинов, концентрация которых в биомассе водорослей в ряде случаев была значительной, а численность цианобактерий превышала пороговые значения, определенные ВОЗ для безопасного использования водоемов в рекреационных целях. Полученные результаты говорят о необходимости ведения мониторинга цианотоксинов в таких социально значимых водных объектах города и области. 

3. Проблема загрязнения водоемов пластиком. Водоросли пластосферы.

В настоящее время проблема загрязнения водоемов пластиковым мусором имеет глобальное значение. На полимерном субстрате в водной среде образуется сообщество, которое называется пластосферой, представляющая собой биопленку на поверхности фрагмента пластика, состоящую из бактерий, грибов и водорослей. 

В рамках выполнения гранта РНФ в озерах Пустынского заказника был проведен четырехнедельный эксперимент по изучению процессов обрастания разных типов полимеров водорослями. Каждая экспериментальная установка содержала один из 4 типов пластика ­– PET, LDPE, PP и PS, зафиксированных на глубине 30 см и 1 м от поверхности. 

Результаты показали высокую активность водорослей к заселению затопленных материалов. Первичная сукцессия была инициирована потенциально токсичными планктонными цианобактериям или бентосными цианобактериями и подвижными шовными диатомовыми водорослями, более активно она проходила в поверхностных горизонтах. Состав и структура сообществ водорослевого обрастания различались между местообитаниями, что определялось не типом пластика, а локальным сочетанием факторов. Селективность колонизации полимеров была продемонстрирована для отдельных таксонов, например, по отношению к Oedogonium на PP и Nitzschia на LDPE.  

 Активное обрастание пластика, в том числе потенциально токсичными водорослями, указывает на еще один из возможных путей их распространения и должно учитываться при мониторинговых исследованиях.  

4. Подледное развитие водорослей планктона и льда

Замерзающие пресные водоемы представляют значительную долю ландшафта умеренной зоны, а формируемый на них в зимний период ледовый покров можно рассматривать как важный специфический структурный компонент биосферы. В полярных регионах морские льды – это экосистемы с четко определенными путями перемещения вещества и энергии, охватывающими все трофические уровни.  Такой лед – это особая экологическая ниша для заселения ее водорослями (данную группу относят к криофитону), которые способны обеспечивать до 24% общего количества углерода, производимого первичной продукцией. В отличие от морских льдов, роль сезонного льда, покрывающего на 2-4 месяца пресные водоемы, в гидробиологическом режиме этих водных экосистем изучена намного хуже. В настоящее время серьезные изменения климата, прежде всего частые погодные аномалии, способствуют уменьшению периода ледостава и удлинению сроков возможного «цветение» водоемов водорослями.   

Поддержанный в 2025 году проект РНФ “Мониторинг состояния и динамики разнообразия криопланктона и криофитона в условиях изменения климата и усиления антропогенного воздействия (на примере разнотипных водоемов бассейна Средней Волги)” направлен на решение фундаментальных научных проблем экологии и биологии: определение биоразнообразия и структуры фитопланктонных сообществ в экстремальных условиях; оценка адаптационных возможностей водорослей к стрессовым факторам; расширение представлений о функциональной роли фототрофных микроорганизмов в водных экосистемах в зимний период и их индикационном потенциале для выявления глобальных изменений окружающей среды.  

Предварительные результаты свидетельствуют об активном развитии  водорослей  в период ледостава, которое может достигать в подледных горизонтах степени “цветения”. Среди представителей зимнего планктона – разные группы фитофлагеллят (криптофитовые, динофитовые, эвгленовые и зеленые водоросли), а также потенциоанльно токсичные цианобактерии, способные вмерзать в лед в жизнеспособном состоянии.   

Публикации по темам исследования:

1. Sharagina E.M., Kulizin P.V., Startseva N.A., Zhurova D.A., Seredneva Ya.V., Khedairia T., Okhapkin A.G., Vodeneeva E.L. Dominant species and functional complexes of phytoplankton in some unique karst lakes of the Middle Volga basin // Limnology and Freshwater Biology. V. 3. № 3. 2024. P. 195–220. https://doi.org/10.31951/2658-3518-2024-A-3-195
2. Vodeneeva E.L., Pichugina Yu.M., Zhurova D., Sharagina E.M., Kulizin P.V., Zhikharev V.S., Okhapkin A.G., Ermakov S.A. Epiplastic Algal Communities on Different Types of Polymers in Fresh Water Bodies: Short Time Experiment in Karst Lakes // Water (Switzerland). № 22. V. 16. 2024. P. 3288. https://doi.org/10.3390/w16223288
3. Kulizin P.V., Vodeneeva E.L., Martynenko N.A., Sharagina E.M., Okhapkin A.G. Alien Algae Species Invasions in Humic Rivers within Weakly Human Impact Basin // Life. № 14. V. 1. P. Article number: 61. 2024. https://doi.org/10.3390/life14010061
4. Zhikharev, V.; Vodeneeva, E.; Kudrin, I.; Gavrilko, D.; Startseva, N.; Kulizin, P.; Erina, O.; Tereshina, M.; Okhapkin, A.; Shurganova, G. The Species Structure of Plankton Communities as a Response to Changes in the Trophic Gradient of the Mouth Areas of Large Tributaries to a Lowland Reservoir. Water 2023, 15, 74. https://doi.org/10.3390/w15010074
5. Molkov, A.; Kapustin, I.; Grechushnikova, M.; Dobrokhotova, D.; Leshchev, G.; Vodeneeva, E.; Sharagina, E.; Kolesnikov, A. Investigation of Water Dynamics Nearby Hydroelectric Power Plant of the Gorky Reservoir on Water Environment: Case Study of 2022 // Water 2023, 15, 3070. https://doi.org/10.3390/w15173070
6. Tereshina, M., Erina, O., Zhikharev, V., Vodeneeva, E., Sokolov, D., Gavrilko, D., Shurganova, G. Nutrients and zooplankton as factors controlling phytoplankton growth in the Cheboksary Reservoir. Hydrobiologia (2023). https://doi.org/10.1007/s10750-023-05367-4 
7. Okhapkin, A.; Sharagina, E.; Kulizin, P.; Startseva, N.; Vodeneeva, E. Phytoplankton Community Structure in Highly-Mineralized Small Gypsum Karst Lake (Russia). Microorganisms 2022, 10, 386. https://doi.org/10.3390/ microorganisms10020386
8. Okhapkin A.G., Vodeneeva E.L., Sharagina E.M., Kulizin P.V. Composition and Structure of Phytoplankton of Lake Svetloyar (Russia) // Inland Water Biology, 2022, Vol. 15, No. 5, pp. 543–554.  DOI: 10.1134/S1995082922050169
9. Воденеева Е.Л., Кулизин П.В. Водоросли национального парка «Смольный» (аннотированный список видов). М. 2022. 60 с. [Флора и фауна национальных парков. Вып. 11].
10. Воденеева Е.Л., Кулизин П.В., Охапкин А.Г. Водоросли Керженского заповедника (аннотированный список видов). – М., 2022. 112 с. [Флора и фауна заповедников. Вып. 146].
11. Romanov R.E., Anisimova O.V., Anishchenko L.N., Efimov D.Y., Kapitonova O.A., Kipriyanova L.M., Konechnaya G.Yu., Kopyrina L.I., Kotovshchikov A.V., Kurganov A.A., Nikolaenko S.A., Shilov M.P., Smirnova E.V., Vodeneeva E.L., Zarubina E.Y., and Zhakova L.V. Noteworthy new records of Charophytes (Charales, Charophyceae) from Russia: revision of species distribution ranges in Eurasia // Ботанический журнал, 2022. Т. 107. № 5. С. 58-69. DOI: 10.31857/S0006813622050076
12. Кулизин П.В., Мартыненко Н.А., Гусев Е.С., Капустин Д.А., Воденеева Е.Л., Куликовский М.С. НОВЫЕ ДЛЯ ФЛОРЫ РОССИИ ВИДЫ РОДА CRYPTOMONAS (CRYPTOPHYCEAE) // Inland Water Biology. № 3. 2022. С. 222-232. (Kulizin P. V.,  Martynenko N. A., Gusev E. S., Kapustin D. A., Vodeneeva E. L., and Kulikovskiy M. S. New Species of the Genus Cryptomonas (Cryptophyceae) in the Flora of Russia // Inland Water Biology, 2022, Vol. 15, No. 3, pp. 227–237. DOI: 10.1134/S1995082922030087)
13. Genkal, S.I., Okhapkin, A.G. & Vodeneeva, E.L. Planktonic Centric Diatoms (Bacillariophyta, Coscinodiscaceae) of the Cheboksary Reservoir, Russia. Inland Water Biol 15, 750–759 (2022). https://doi.org/10.1134/S1995082922060037
14. Kulizin, P.V., Gusev, E.S., Vodeneeva, E.L., Okhapkin, A.G. Composition and Morphology of Scaly Golden Algae Left-Bank Volga Tributaries // Inland water biology,  2021, 14(4), стр. 357–367. doi.org/10.1134/S1995082921030093
15. Vodeneeva E.L., Okhapkin A.G., Genkal S.I., Kulizin P.V., Skameykina K.O. Composition, structure and distribution of the phytoplankton of highly mineralized karst lake // Inland water biology, 2020. Vol. 13. № 4. P. 576-584. DOI: 10.1134/S1995082920040136
16. Vodeneyeva Ye. L., Kolomina K. Ye., Sharagina Ye. M., Kulizin P. V., Okhapkin A. G. Water quality assessment of some right-bank tributaries of the Volga river (the Cheboksary reservoir catchment) using phytoplankton functional classification // Hydrobiological Journal, 2020. Vol. 56. Issue 2. pages 50-62  DOI: 10.1615/HydrobJ.v56.i2.50 
17. Воденеева Е.Л., Охапкин А.Г., Кулизин П.В., Старцева Н.А., Шарагина Е.М., Бондарев О.О., Лаврова Т.В. Состав и развитие цианобактерий Чебоксарского водохранилища и его притоков // Теоретическая и прикладная экология. 2020. №1. С. 71-76. doi: 10.25750/1995-4301-2020-1-071-076 
18. Кулизин П. В., Воденеева Е. Л., Охапкин А. Г. Опыт использования функциональной классификации фитопланктона для оценки качества воды некоторых левобережных притоков р. Волги (бассейн Чебоксарского водохранилища) // Принципы экологии. 2020. № 2. С. 48–59. DOI: 10.15393/j1.art.2020.9582 
19. Воденеева Е.Л., Кулизин П.В. Водоросли Мордовского заповедника (аннотированный список видов). – М.: Изд-во: Объединенная дирекция Мордовского государственного природного заповедника имени П.Г.Смидовича и национального парка «Смольный», 2019. 62 с. [Флора и фауна заповедников. Вып. 134]. 

Грантовая поддержка:

Экспедиция Плавучий университет Волжского бассейна, Грант РГО в 2018-2025 гг. договор № 06/2018-Р, договор № 02/2019-Р, договор № 07/2020-Р, договор № 17/2021-Р. 

Программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» ННГУ (№ темы Н-477-99_2021-2023) 

Грант РФФИ. №. 20-04-01005_а. Закономерности формирования состава и видовой структуры альгоценозов азональных водных экосистем (на примере уникальных озер бассейна Чебоксарского водохранилища) (руководитель – д.б.н., проф. Охапкин А.Г.), 2020-2023 гг. 

Грант РНФ. № 23-17-00167.  Исследование влияния плавающих пластиковых объектов и биогенных пленок на распространение поверхностных волн в приложении к проблеме радиолокационного зондирования пластикового мусора в океане (руководитель – д.ф-м.н. Ермаков С.А.), 2023-2025 гг. 

Грант РНФ. № 25-24-00573. Мониторинг состояния и динамики разнообразия криопланктона и криофитона в условиях изменения климата и усиления антропогенного воздействия (на примере разнотипных водоемов бассейна Средней Волги)  (руководитель – к.б.н., доц. Воденеева Е.Л.), 2025-2026 гг.