Силкин В.А.¹, Камнев А.Н.^1,2,3, Лифанчук А.В.¹, Стуколова И.В.⁴

Vladimir A. Silkin, Alexander N. Kamnev, Anna V. Lifanchuk, Irina V. Stukolova

¹Институт океанологии имени П.П. Ширшова РАН (Москва,Россия)
²Московский государственный психолого-педагогический университет (Москва, Россия)
³Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (Москва, Россия)
⁴Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН (Москва, Россия)

¹Shirshov Institute of Oceanology RAS (Moscow, Russia)
²Moscow State University of Psychology and Education (Moscow, Russia)
³Lomonosov Moscow State University (Moscow, Russia)
⁴Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis RAS (Moscow, Russia)

УДК 581.1:574.522

Интерес исследователей к макрофитам в семидесятых-восьмидесятых годах прошлого века был связан с необходимостью получения технологически важных продуктов, и к концу прошлого века технологии культивирования нескольких важных видов водорослей были созданы и реализованы на практике. В настоящее время проблема климатических изменений требует новых подходов для поиска способов переноса неорганического углерода из атмосферы на дно океана. Одним из путей секвестрации неорганического углерода представляется создание систем на основе морских макрофитов. Это должно стимулировать исследования природных популяций макрофитов и организации методов их культивирования по новому критерию оптимизации, а именно оптимальному переносу углерода атмосферы на дно океана. В связи с этим становится необходимым по-новому взглянуть на итоги физиологических работ прошлого столетия, связанных с всесторонними исследованиями морских макрофитов, которые, в свою очередь, и могут быть фундаментом для исследований нового этапа, а в итоге более правильного понимания глобальных биогеохимических процессов, происходящих в Мировом океане.

Ключевые слова: биологический углеродный насос; макрофиты; природные популяции макроводорослей; культивирование

Историю исследований макрофитов нельзя описать простой динамикой, она имеет свои взлеты и падения, которые также связаны с непростой динамикой запросов на те или иные продукты из данных водорослей. До середины прошлого века источником макрофитов были естественные их запасы и этот биологический ресурс добывался за счет промысла. В Японии, Китае и юго-восточной Азии макрофиты используются в пищу и до сих пор там после отлива можно видеть на берегу людей, собирающих водоросли. Но в основном макрофиты использовались как источник ценных веществ и, прежде всего, желирующих полисахаридов (агар, альгинаты и др.). Естественно, в таких условиях исследования направлены на поиск оптимальных режимов эксплуатации природных запасов, таких, например, как промысловое поле анфельции в проливе Старка в Японском море (Биология анфельции, 1980).

Но к середине прошлого века стало очевидным, что естественные запасы не удовлетворяют возрастающих потребностей в ценных веществах из макроводорослей. Возникла необходимость в культивировании макрофитов, а организация марикультуры водорослей требует проведения научных исследований более широкого плана, от молекулярно-генетических исследований до создания теории культивирования. Это, в свою очередь, привлекло большее количество исследователей по всему миру, и была создана Международная ассоциация морских водорослей (International Seaweed Association – ISA), которая стала проводить Международные симпозиумы по морским водорослям (International Seaweed Symposium) (рис. 1).

Рис. 1. Страны, проводившие Международные симпозиумы по морским водорослям с середины прошлого века по настоящее время (https://isaseaweed.org)

Fig. 1. Countries that have held International Seaweed Symposium from the middle of the last century to the present (https://isaseaweed.org)

Также был организован Journal of Applied Phycology (https://link.springer.com/journal/10811), который публикует некоторые материалы симпозиума. Данный журнал существует по настоящее время и имеет высокие наукометрические показатели.

Пик интереса и соответственно исследований пришёлся на 70 и 80-е годы прошлого века (Возжинская, Камнев, 1994). Результатом стало создание теории и технологий культивирования (Силкин и др., 1992) и реализация их в промышленных масштабах. В настоящее время культивируют бурые водоросли (рода Saccharina и Undaria) как источник слабожелирующих полисахаридов (ламинарин) и в пищу, а также красные морские водоросли родов Porphyra, Kappaphycus и Eucheuma (каррагенофиты) и виды Gracilaria/Gracilariopsis (агарофиты). Основным местом промышленного производства стали Китай и юго-восточная Азия (Kim et al., 2017). Именно эти регионы стали основными регионами поставки желирующих полисахаридов на мировой рынок.

В конце прошлого и начале этого веков интерес к макрофитам заметно снизился, многие исследователи перешли в другие области науки.

Морские макрофиты как поглотители и регуляторы углекислоты атмосферы

Основным мотивационным трендом последнего десятилетия для исследователей является проблема изменения климата, которая в первую очередь связана с существенным возрастанием углекислоты в атмосфере. Основным регулятором выступает биологический углеродный насос, обладающий способностью поглощать атмосферный углерод, переводить его в органическую форму и депонировать последнюю на длительный временной интервал порядка столетия. Биологический углеродный насос (БУН) океана поглощает примерно половину от всего усвоенного атмосферного углерода на планете и, следовательно, ему принадлежит важная роль в регуляции климата (Siegel et al., 2023). Обычно в роли основного поглотителя углекислоты в первую очередь рассматривается фитопланктон. Морские макрофиты часто не принимались во внимание, поскольку они обитают лишь в зоне литорали и сублиторали, площадь которых в океане сравнительно невелика. Однако в последнее время появились сообщения, что и этот компонент первичного производства продукции Мирового океана необходимо учитывать при секвестрации атмосферного углерода (Krause-Jensen, Duarte, 2016; Pedersen et al., 2021; Duarte et al., 2022). Это, прежде всего, связано с высокой продуктивностью зарослей морских макрофитов (van der Mheen et al., 2024), намного превосходящей продуктивность фитопланктона в океане. Вторая причина обусловлена высокой скоростью погружения слоевищ и талломов макрофитов, что значительно уменьшает время достижения глубин депонирования углекислоты.

.

Рис. 2. Культивирование ламинарии в Японском море (https://www.kp.ru/daily/26752/3782124/)

Fig. 2. Cultivation of kelp in the Sea of Japan (https://www.kp.ru/daily/26752/3782124/)

Существуют три основных способа усвоения и депонирования атмосферного углерода с помощью макрофитов.

1. Природные популяции макрофитов. Это прикрепленные к субстрату водоросли, а также плавающие, например, такие как саргассум. Наиболее распространенными в природе являются заросли бурых водорослей. Очевидно, что такой тип секвестрации с помощью природных популяций является слабо регулируемым со стороны человека, который выбирает лишь время и место сбора урожая биомассы.
2. Экстенсивное культивирование макрофитов или выращивание в природе. Характерным примером является культивирование ламинарии в природных условиях (рис. 2). В данном случае человек может изменять положение объекта культивирования во времени и пространстве, регулировать продуктивность и выбирать оптимальное время сбора урожая.
3. Культивирование макрофитов в наземных системах, где можно контролировать световые потоки, количество и качество элементов минерального питания. Это интенсивная культура с высокой степенью регулируемости. Здесь необходимо выбирать объект культивирования с высокой продуктивностью, в частности, примером выращивания макрофитов таким образом могут быть служить виды рода Ulva, семейства Cladophoraceae и рода Aegagropila (Афанасьев и др., 2016, 2020, Israel et al., 2023).

Все эти способы секвестрации неорганического углерода с помощью макрофитов требуют соответствующего набора знаний об объекте и технологиях его культивирования. Это касается возрастной структуры популяций, динамики роста в природных условиях, физиологической реакции макрофитов на изменение энергетических и материальных потоков. В настоящее время имеются все основания полагать, что проблема секвестрации неорганического углерода с помощью водных макрофитов станет существенных фактором мотивации, и в ближайшее время интерес исследователей к ним начнет вновь возрастать.

Таким образом, из вышеизложенного становится очевидным, что в ближайшее время придётся по-новому взглянуть на итоги эколого-физиологических работ прошлого столетия, которые и могут стать фундаментом для исследований нового этапа, а в итоге для более правильного понимания глобальных биогеохимических процессов, происходящих в Мировом океане. Одним из таких итогов эколого-физиологических исследований может служить работа «Возрастная морфофизиология бурых водорослей (на примере представителей фукусовых и ламинариевых). Некоторые взгляды, идеи и итоги прошлого тысячелетия», представленная в данном номере журнала.

Работа выполнена в рамках Государственного задания Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН № FMWE-2023-0001 и при поддержке гранта Российского научного фонда №22-17-00066 (https://rscf.ru/project/22-17-00066/).

Камнев А.Н. является учредителем и главным редактором журнала «Вопросы современной альгологии», Силкин В.А. – заместитель главного редактора, Стуколова И.В. – ответственный секретарь журнала. Остальные авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

Список литературы

1. Афанасьев Д.Ф., Камнев А.Н., Сушкова Е. Г., Штайнхаген С. Экологическая физиология водных фототрофных организмов. Полевой определитель водорослей рода Ulva Черного, Азовского, Каспийского морей и Восточной Балтики. – М.: Издательство «Перо», 2016. 51 с. ISBN 978-5-906883-16-2
2. Афанасьев Д.Ф., Сушкова Е.Г., Камнев А.Н. Морские и солоноватоводные виды водорослей семейства Cladophoraceae и рода Aegagropila Понто-Каспийского бассейна: полевой определитель. – М.: Издательство «Перо», 2020. – 76 с. ISBN 978-5-001508-11-3
3. Биология анфельции. Отв. ред. Кудряшов В.А. – Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1980. – 123 с.
4. Возжинская В.Б., Камнев А.Н. Эколого-биологические основы культивирования и использования морских донных водорослей. – М.: Наука, 1994. – 202 с.
5. Силкин В.А. Золотухина Е.Ю. Бурдин К.С. Биотехнология морских макроводорослей. – М.: Изд-во МГУ, 1992. – 150 с.
6. Duarte C.M., Gattuso J.-P., Hancke K., Gundersen H., Filbee-Dexter K., Pedersen M.F., Middelburg J.J., Burrows M.T., Krumhansl K.A., Wernberg T., Moore P., Pessarrodona A., Ørberg S.B., Pinto I.S., Assis J., Queirós A.M., Smale D.A., Bekkby T., Serrão E.A., Krause-Jensen D. Global estimates of the extent and production of macroalgal forests // Glob. Ecol. Biogeogr. 2022 V.31. P. 1422–1439. https:// doi.org/10.1111/geb.13515
7. Israel Á., Shpigel M. Photosynthetic CO2 uptake by Ulva (Chlorophyta) as a potential contribution to global warming containment // J. of App. Phycology. 2023. V.35. P. 1987–1994. https://doi.org/10.1007/s10811-023-02929-w
8. Kim J.K., Yarish C., Hwang E.K., Park M., Kim Y. Seaweed aquaculture: cultivation technologies, challenges and its ecosystem services // Algae. 2017. V.32(1). P. 1–13. https://doi.org/10.4490/algae.2017.32.3.3
9. Krause-Jensen D., Duarte C. Substantial role of macroalgae in marine carbon sequestration // Nat. Geosci. 2016. V.9. P. 737–742. https://doi.org/10.1038/NGEO2790
10. Pedersen M., Filbee-Dexter K., Frisk N., Sarossy Z., Wernberg T. Carbon sequestration potential increased by incomplete anaerobic decomposition of kelp detritus // Mar. Ecol. Prog. Ser. 2021. V. 660. P. 53–67. https://doi.org/10.3354/meps13613
11. Siegel D.A., DeVries T., Cetinić I., Bisson K.M. Quantifying the ocean’s biological pump and its carbon cycle impacts on global scales // Ann. Rev. Mar. Sci. 2023. V.15. P. 329–356. https://doi.org/10.1146/annurev-marine-040722-115226
12. van der Mheen M., Wernberg T., Pattiaratchi C., Pessarrodona A., Janekovic I., Simpkins T., Hovey R., Filbee-Dexter K. Substantial kelp detritus exported beyond the continental shelf by dense shelf water transport // Sci. Rep. 2024. V.14(1). ID 839. DOI: 10.1038/s41598-023-51003-5

Статья поступила в редакцию 01.11.2023
Статья поступила после доработки 12.12.2023
Статья принята к публикации 26.12.2023

Об авторах

Силкин Владимир Арсентьевич − Silkin Vladimir A.

доктор биологических наук
заведующий лабораторией Экологии ФГБУН «Институт океанологии им.П.П.Ширшова РАН», Москва, Россия (Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow, Russia)

Камнев Александр Николаевич − Kamnev Alexander N.

доктор биологических наук, кандидат педагогических наук
ведущий научный сотрудник, Институт океанологии имени П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия (Shirshov Institute of Oceanology RAS, Russia, Moscow); Московский государственный психолого-педагогический университет, Москва, Россия (Moscow State University of Psychology and Education, Russia, Moscow); Московский государственный университете имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия (Lomonosov Moscow State University, Russia, Moscow), факультет почвоведения

dr.kamnev@mail.ru

Лифанчук Анна Викторовна − Lifanchuk Anna V.

кандидат биологических наук
научный сотрудник, Институт океанологии им.П.П.Ширшова РАН, Москва, Россия (Shirshov Institute of Oceanology RAS, Russia, Moscow)

Стуколова Ирина Владимировна − Stukolova Irina V.

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, Москва, Россия (Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis RAS, Russia, Moscow)

Корреспондентский адрес: Россия, 117997, Москва, Нахимовский проспект, дом 36, ИО РАН. Телефон (499) 124-61-49.

ССЫЛКА НА СТАТЬЮ:

Силкин В.А., Камнев А.Н., Лифанчук А.В., Стуколова И.В. Биологический углеродный насос океана и макрофиты // Вопросы современной альгологии. 2023. № 3 (33). С. 1–6. URL: http://algology.ru/2094

DOI - https://doi.org/10.33624/2311-0147-2023-3(33)-1-6

EDN – FKICAV

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@algology.ru

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

.

The biological carbon pump and seaweeds

Vladimir A. Silkin¹, Alexander N. Kamnev^1,2,3, Anna V. Lifanchuk¹, Irina V. Stukolova⁴

¹Shirshov Institute of Oceanology RAS (Moscow, Russia)
²Moscow State University of Psychology and Education (Moscow, Russia)
³Lomonosov Moscow State University (Moscow, Russia)
⁴Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis RAS (Moscow, Russia)

The interest of researchers in macrophytes in the seventies and eighties of the last century was associated with the need to obtain technologically important products, and by the end of the last century, technologies for cultivating several important species of algae were created and put into practice. Currently, the problem of climate change requires new approaches to find ways to transfer inorganic carbon from the atmosphere to the ocean floor. One of the ways to sequester inorganic carbon seems to be the creation of systems based on marine macrophytes. This should stimulate research into natural populations of macrophytes and the organization of cultivation methods according to a new optimization criterion, namely the optimal transfer of atmospheric carbon to the ocean floor.

Keywords: biological carbon pump; macrophytes; natural populations; cultivation

References

1. Afanasyev D.F., Kamnev A.N., Sushkova E.G., Steinhagen S. Ecological physiology of aquatic phototrophic organisms. The field guide to Ulva species found in the Black, Azov, Caspian Seas and Eastern BalticPero, Moscow, 2016. 51 p. ISBN 978-5-906883-16-2 (In Russ.)
2. Afanasyev D.F., Sushkova E.G., Kamnev A.N. Marine and brackish species of Cladophoraceae and Aegagropila, found in the Ponto-Caspian basin. Pero, Moscow, 2020. 76 p. ISBN 978-5-001508-11-3 (In Russ.)
3. Biologiya anfel'cii [Biology of anfelcia]. Kudryashov V.A. (ed.). Far Eastern Scientific Center of the USSR Academy of Sciences, Vladivostok, 1980. 123 p. (In Russ.)
4. Duarte C.M., Gattuso J.- P., Hancke K., Gundersen H., Filbee- Dexter K., Pedersen M.F., Middelburg J.J., Burrows M.T., Krumhansl K.A., Wernberg T., Moore P., Pessarrodona A., Ørberg S.B., Pinto I.S., Assis J., Queirós A.M., Smale D.A., Bekkby T., Serrão E.A., & Krause-Jensen D. Global estimates of the extent and production of macroalgal forests. Global Ecology and Biogeography. 2022. V. 31. P. 1422–1439. DOI: https://doi.org/10.1111/geb.13515
5. Israel Á., Shpigel M. Photosynthetic CO₂ uptake by Ulva (Chlorophyta) as a potential contribution to global warming containment. Journal of Applied Phycology. 2023. V. 35. P. 1987-1994. DOI: https://doi.org/10.1007/s10811-023-02929-w
6. Kim J.K., Yarish C., Hwang E.K., Park M., Kim Y. Seaweed aquaculture: cultivation technologies, challenges and its ecosystem services. Algae. 2017. V. 32. № 1. P. 1-13. DOI: https://doi.org/10.4490/algae.2017.32.3.3
7. Krause-Jensen D., Duarte C.M. Substantial role of macroalgae in marine carbon sequestration. Nat. Geosci. 2016. V.9. P. 737-742. DOI: https://doi.org/10.1038/NGEO2790
8. Pedersen M., Filbee-Dexter K., Frisk N., Sarossy Z., Wernberg T. Carbon sequestration potential increased by incomplete anaerobic decomposition of kelp detritus. Mar. Ecol. Prog. Ser. 2021. V. 660. P. 53-67. DOI: https://doi.org/10.3354/meps13613
9. Siegel D.A., DeVries T., Cetinić I., Bisson K.M. Quantifying the ocean’s biological pump and its carbon cycle impacts on global scales. Ann. Rev. Mar. Sci. 2023. V. 15. P. 329-356. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-marine-040722-115226
10. Silkin V.A., Zolotukhina E.Yu., Burdin K.S. Biotekhnologiya morskih makrovodoroslej [Biotechnology of marine macroalgae]. Moscow State University Publishing House, Moscow, 1992. 150 p. (In Russ.)
11. van der Mheen M., Wernberg T., Pattiaratchi C., Pessarrodona A., Janekovic I., Simpkins T., Hovey R., Filbee-Dexter K. Substantial kelp detritus exported beyond the continental shelf by dense shelf water transport. Sci Rep. 2024. V. 14. № 839. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-51003-5
12. Voskobojnikov G.M., Kamnev A.N. Ekologo-biologicheskie osnovy kul'tivirovaniya i ispol'zovaniya morskih donnyh vodoroslej [Ecological and biological bases of cultivation and use of marine bottom algae]. Nauka, Moscow, 1994. 202 p. (In Russ.)

Authors

Silkin Vladimir A.

ORCID - https://orcid.org/0000-0003-0603-7229

Shirshov Institute of Oceanology RAS, Russia, Moscow

Kamnev A.N.

ORCID - https://orcid.org/0000-0003-3938-1878

Shirshov Institute of Oceanology RAS, Russia, Moscow;
Moscow State University of Psychology and Education, Russia, Moscow;
Lomonosov Moscow State University, Russia, Moscow,

dr.kamnev@mail.ru

Lifanchuk Anna V.

ORCID - https://orcid.org/0000-0001-9953-7374

Shirshov Institute of Oceanology RAS, Russia, Moscow

Stukolova Irina V.

ORCID – https://orcid.org/0000-0002-8290-5879

Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis RAS, Russia, Moscow

ARTICLE LINK:

Silkin V.A., Kamnev A.N., Lifanchuk A.V., Stukolova I.V. The biological carbon pump and seaweeds. Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2023. № 3 (33). P.1–6. URL: http://algology.ru/2094

DOI - https://doi.org/10.33624/2311-0147-2023-3(33)-1-6

EDN – FKICAV

Dear colleagues! If you want to receive the version of the article in PDF format, write to the editor,please and we send it to you with pleasure for free. 
Address - info@algology.ru

When reprinting a link to the site is required

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147