Chloropigmenty w osadach dennych jako markery stanu środowiska morskiego
prof. Grażyna Kowalewska

dr Małgorzata Szymczak-Żyła

Pracownia Chemicznych Zanieczyszczeń Morza

Badania pochodnych chlorofilu w osadach dennych prowadzono na świecie od początku XX wieku. Były to badania jakościowe i dotyczyły osadów głębokich. Następnie, wraz z rozwojem technik chromatograficznych (HPLC) zaczęto badać pigmenty i produkty wczesnej diagenezy w kolumnie wody.

Badania chloropigmentów prowadzono w PCZM od początku jej założenia. W 1991 roku dzięki 3- miesięcznemu stypendium British Council, powstała możliwość zanalizowania najnowszych osadów bałtyckich w najlepszym w tamtym czasie ośrodku europejskim i jednym z niewielu na świecie, zajmującym się tą tematyką, na Uniwersytecie w Bristolu - Organic Geochemistry Unit (Wlk.Brytania). Zanalizowanie osadów bałtyckich i fitoplanktonu - zidentyfikowanie nowych pochodnych chlorofilu a doprowadziło do odkrycia w tym akwenie nieznanych wcześniej pochodnych sterylowych.

Następnie, w PCZM opracowano własne metody ilościowego oznaczania chloropigmentów a, b i chlorofili c w osadach z zastosowaniem HPLC.

Badania współczesnych osadów (0-10 cm) na zawartość chloropigmentów prowadzone we współpracy z biologami z IO-PAN, UG i Usz., z zastosowaniem metod opracowanych w PCZM, pozwoliły stwierdzić, że są one dobrymi, uśrednionymi markerami zmian produkcji pierwotnej danego akwenu oraz przeważających tam taksonów roślinnych.

Badania głębokich osadów na zawartość chloropigmentów doprowadziły do odkrycia nierozłożonego chlorofilu w głębokich warstwach osadów. Dały początek nowemu kierunkowi badań nt wplywu klimatu na eutrofizację. Badania te prowadzono we wspólpracy międzynarodowej, w ramach programu EU BASYS.

Prowadzone w dalszych latach badania obejmowały analizę pigmentów w próbkach osadów oraz poszukiwanie zależności między występowaniem poszczególnych pochodnych i różnymi czynnikami środowiskowymi (nasycenie tlenem, temperatura, zasolenie, warunki hydrologiczne, gatunki fitoplanktonu) i zjawiskami (eutrofizacja, powodzie). Równolegle prowadzono też badania laboratoryjne, mające na celu określenie wpływu czynników fizykochemicznych, wybranych organizmów bentosowych oraz mikroorganizmów na proces rozkładu chlorofilu a i powstające w wyniku tego pochodne. Wpływ organizmów zbadano we współpracy z Organic Geochemistry Group na Florida Atlantic University w USA, jednym z najbardziej renomowanych w zakresie porfiryn ośrodków w USA. Badania te prowadziła M. Szymczak-Żyła. Na tej podstawie i w oparciu o wyniki uzyskane w PCZM przygotowała swoją rozprawę doktorską. Praca uzyskała wyróżnienie. Najbardziej liczącym się osiągnięciem tej pracy było udowodnienie, że powszechnie występujące w osadach dennych pochodne, będące wynikiem dalszych etapów diagenezy (pochodne sterylowe i pirofeofityna) powstają w wyniku działania mikroorganizmów, a nie żerowania zooplanktonu, jak dotychczas uważano. Praca została przyjęta do druku w najwyżej ocenianym w naszej dziedzinie czasopiśmie Limnology & Oceanography. Podczas pobytu na Florydzie w ramach stypendium NATO (2 miesiące) porównano też metody analizy chloropigmentow stosowane w PCZM i w OGG. Tym samym udowodniono, że obie metody dają wyniki porównywalne. Wyniki przedstawiono w publikacji zgłoszonej do druku.

W sumie ukazało się drukiem 18 publikacji eksperymentalnych (+2 w druku),

16 komunikatów konferencyjnych i praca doktorska (wyróżniona).

Finansowanie: działalność statutowa IO-PAN, 2 projekty KBN (1993-1994, 1996-1998),

projekt EU BASYS (1996-1999), stypendium British Council, grant NATO (2 miesiące 2004), wymiana bezdewizowa z Wlk.Brytania (2 x w sumie 5 tygodni)

Osoby realizujące temat: G.Kowalewska + 0-1 osoba, od 2001-2007 M.Szymczak-Żyła

Publikacje (wszystkie z 1 wyjątkiem - z listy filadelfijskiej)

1. C.B.Eckardt, G.E.S.Pearce, B.J.Keely, G.Kowalewska, R.P.Jaffé, J.R.Maxwell, 1992. A widespread chlorophyll transformation in the aquatic environment. Org.Geochem. 19, 217-227.

2. G.Kowalewska, 1993. Identification of phytoplankton pigments by RP-HPLC with diode-array type detector, Chem.Anal.(Warsaw), 38, 711-718.

3. G.Kowalewska, 1995. A HPLC method of determination of chlorophylls c in samples of the marine environment. Chem.Anal.(Warsaw), 40, 697-704.

4. G.Kowalewska, 1994. Occurrence of chlorins in recent sediments of the southern Baltic Sea. Polskie Archiw. Hydrobiol., 41, 237-249.

5. G.Kowalewska, 1994. Steryl chlorin esters in sediments of the southern Baltic Sea. Neth.J.Aquat.Ecology, 28,149-156.

6. G.Kowalewska, A.Witkowski, B.Toma, 1996. Chlorophylls c in bottom sediments as markers of diatom biomass in the southern Baltic Sea. Oceanologia, 38, 227-249.

7. G.Kowalewska, 1997. Chlorophyll a and its derivatives in recent sediments of the southern Baltic Sea collected in the years 1992-1996. Oceanologia, 39,413-43.

8. G.Kowalewska,B.Winterhalter,J.Konat, 1998. Chlorophyll a and its derivatives in deep Baltic sediments. Oceanologia, 40,65-69.

9. G.Kowalewska, B.Winterhalter, H.M.Talbot, J.R.Maxwell, J.Konat, 1999. Chlorins in sediments of the Gotland Deep (Baltic Sea), Oceanologia, 41, 81-97.

10. G.Kowalewska, 2001. Algal pigments in Baltic sediments as markers of ecosystem and climate changes, Climate Research, 18: 89-96.

11. M.Voss, G. Kowalewska, W. Brenner, 2001. Microfossil and biogeochemical indicators of environmental changes in the Gotland Deep during the last 10,000 years, Baltica, 131-140.

12. G.Kowalewska, 2001. Algal pigments in Baltic sediments as markers of ecosystem and climate changes, Climate Research, 18: 89-96.

13. G.Kowalewska, 2005. Algal pigments in sediments as a measure of eutrophication in the Baltic environment, Quaternary International, 130, 141-151.

14. G.Kowalewska, B.Wawrzyniak-Wydrowska, M.Szymczak-Żyła, 2004. Chlorophylls and their derivatives in sediments of the Odra Estuary as a measure of eutrophication of this area. Mar.Poll.Bull. 49, 148-153.

15. M.Szymczak-Żyła, 2006. Wpływ wybranych czynników środowiskowych w morzu na rozkład chlorofilu a, IO PAN, promotor - G.Kowalewska.

16. M.Szymczak-Zyla, G.Kowalewska, 2007. Chloropigments a in the Gulf of Gdańsk (Baltic Sea) as markers of the state of this environment’, Mar. Poll. Bull., 55, 512-528.

17. G.Kowalewska, M.Szymczak, 2001. Influence of selected abiotic factors on the decomposition of chlorophylls, Oceanologia, 43, 315-328.

18. M.Szymczak-Żyła, B.Wawrzyniak-Wydrowska, G.Kowalewska, 2006. Products of chlorophyll a transformation by selected benthic organisms in the Odra Estuary (southern Baltic Sea). Hydrobiologia (Kluver), 554, 155-164.

19. M.Szymczak-Żyła, G.Kowalewska, J.William Louda, 2008. The influence of microorganisms on chlorophyll a degradation in the marine environment. Limnology & Oceanography, 53 (2), 851-862.

20. M.Szymczak-Żyła, J.W.Louda, G.Kowalewska, Comparison of extraction and HPLC methods for marine sedimentary chloropigment determination, praca złożona w 2007 do J.Liq.Chromatogr. (Taylor & Frances, USA) (w druku).

Szumy morza w pasywnym monitoringu procesów hydrodynamicznych  w morzu
prof. Zygmunt Klusek

Zakład Fizyki Morza

W referacie zostaną przedstawione wybrane aspekty zastosowań metod pasywnych akustyki w obserwacjach procesów dynamicznych w morzach.

Zaprezentowane zostaną wyniki badania szumów w środowisku morskim – Bałtyku oraz w badania laboratoryjne dla przybliżenia jednego z ważniejszych rozdziałów akustyki podwodnej łączącego praktycznie wszystkie osiągnięcia zbliżonych dziedzin – hydrodynamiki, teorii propagacji fal akustycznych, odbicia i rozpraszania dźwięku w morzu, itp. Wykażemy jaką rolę w rozwoju zastosowań szumów odegrał postęp technik badań podwodnych, wprowadzenie technik cyfrowych i rozwój teorii metod obróbki sygnałów.

Przedstawimy jak szumy przenoszą informację o zjawiskach zachodzących w środowisku morskim – w niektórych przypadkach trudną do zebrania w inny sposób.

Wykażemy, że we własnościach szumów „zakodowana” jest między innymi informacja o dominujących w badanym akwenie źródłach szumu, ich rozkładzie przestrzennym, profilach prędkości dźwięku, prędkości wiatru, parametrach fal powierzchniowych i wewnętrznych, oraz o lokalizacji i zachowaniach organizmów morskich.

Wykażemy, że szumy akustyczne mogą stanowić alternatywną metodę w pomiarach prędkości wiatru, detekcji i ocenie intensywności i rodzaju opadów atmosferycznych na morzach, detekcji fal wewnętrznych, rozpoznawaniu typu załamujących się fal powierzchniowych oraz oszacowaniu dyssypacji energii falowania czy oceny wymiany gazowej na granicy morze-atmosfera.

Zwrócimy uwagę, że w ostatnich latach pojawiło się nowe źródło szumów, mogące stanowić zagrożenie dla środowiska – hałasy generowane przez wiatrowe generatory energii elektrycznej i przenoszące się do toni wodnej.

Wykażemy, że analiza parametrów środowiska morskiego za pomocą szumów, jako jednej z metod bezkontaktowej diagnostyki oceanu zdobywa coraz większą popularność i znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach związanych z badaniem i zagospodarowaniem Oceanu Światowego..

Krótkie przedstawienie planów badań w tym temacie zakończy wystąpienie.

Rekombinacja i polimorfizm mitochondrialnego DNA w europejskich populacjach omułków Mytilus
dr Artur Burzyński

Zakład Genetyki i Biotechnologii Morskiej

Omułki z rodzaju Mytilus są tradycyjnym obiektem badań genetycznych z uwagi na ich duże znaczenie komercyjne i dobrze rozwinięty przemysł hodowlany. W Europie występują trzy gatunki małży z tego rodzaju z których tylko dwa (M. edulis i M. galloprovincialis) są jadalne. Trzeci gatunek (M. trossulus) nie jest eksploatowany. Ze względu na bliskie pokrewieństwo wszystkie trzy gatunki mogą się ze sobą krzyżować w ograniczonym zakresie tworząc na terenie Europy dwie strefy hybrydyzacji. Stwarza to dobre warunki do badania procesów genetycznych zachodzących w strefach hybrydyzacji.

Do badań populacyjnych rutynowo stosuje się markery genetyczne zlokalizowane w mitochondrialnym DNA ze względu na jego klonalny charakter. Mitochondria u zwierząt dziedziczone są w linii żeńskiej. Do niedawna uważano, że ich DNA nie może rekombinować. U omułków DNA mitochondrialny dziedziczy się w bardziej skomplikowany sposób. Oprócz typowego genomu dziedziczonego w linii żeńskiej (genom żeński) występuje też drugi, dziedziczony w linii męskiej (genom męski). Prowadzi to do heteroplazmii u samców i stanowi o wyjątkowej przydatności omułków jako modelu do badań rekombinacji w mtDNA.

W naszych badaniach wykazaliśmy początkowo obecność mtDNA o mozaikowej strukturze w naturalnych populacjach omułków zasiedlających Bałtyk. Odkryte warianty mtDNA zawierały bardzo silny sygnał rekombinacji. Analiza sekwencji wykazała, że powstały one z typowego genomu żeńskiego, ale zawierają niewielki fragment rejonu kontrolnego pochodzący z genomu męskiego. Dalsze badania przesiewowe pozwoliły odkryć trzy kolejne typy zrekombinowanych genomów mitochondrialnych w europejskich populacjach omułków. Dzięki analizie ich struktury zaproponowano model wyjaśniający generowanie i propagację takich wariantów.

Złożona historia ewolucyjna wariantów mtDNA obecnych u omułka powinna być uwzględniana w badaniach populacyjnych, w przeciwnym razie wyciągane wnioski mogą być błędne.

Zbawicka M, Burzyński A, Wenne R. 2007 Complete sequences of mitochondrial genomes from the Baltic mussel Mytilus trossulus. Gene 406: 191-198

Burzyński A. 2007. Two Events Are Responsible for an Insertion in a Paternally Inherited Mitochondrial Genome of the Mussel Mytilus galloprovincialis. Genetics, 175: 959–962

Burzyński A, Zbawicka M, Skibinski DOF, Wenne R. 2006. Doubly Uniparental Inheritance is Associated with High Polymorphism for Rearranged and Recombinant Control Region Haplotypes in Baltic Mytilus trossulus. Genetics, 174: 1081–1094

Kijewski T, Zbawicka M, Väinölä R, Wenne R. 2006. Introgression and mitochondrial DNA heteroplasmy in the Baltic populations of mussels Mytilus trossulus and M. edulis. Marine Biology, 149 (6): 1371-1385.

Śmietanka B, Zbawicka M, Wołowicz M, Wenne R. 2004. Mitochondrial DNA lineages in the European populations of mussels Mytilus. Marine Biology, 146 (1): 79 - 92.

Burzyński A, Zbawicka M, Skibinski D.O.F, Wenne R. 2003. Evidence for recombination of mtDNA in the marine mussel Mytilus trossulus from the Baltic. Molecular Biology and Evolution, 20(3): 388-392.

Wzajemne oddziaływanie morza i atmosfery: pomiary strumieni istotnych dla  klimatu
doc. Jacek Piskozub

Zakład Dynamiki Morza

Pracownia Wzajemnego Oddziaływania Morza i Atmosfery przez szereg lat dokonywała pomiarów pionowych strumieni aerozolu na otwartym morzu na Bałtyku i Morzach Nordyckich. Pomiary te, unikatowe w skali światowej, a zapoczątkowane i kierowane przed dr Tomasza Petelskiego przeprowadzane były kilkoma metodami (m. in. metodą fotograficznej oceny pokrycia powierzchni morza pianą, metodą suchej depozycji) w tym jako pierwsi na świecie metodą gradientową. Są one istotnym wkładem do badań nad funkcją produkcji aerozolu morskiego, której wartości szacowane były jeszcze kilka lat temu z rozrzutem około czterech rzędów wielkości. Dokładniejsze oszacowanie strumieni aerozolu jest istotne dla badań klimatologicznych, gdyż aerozol morski jest głównym źródłem jąder kondensacji chmur nad morzami, a od stosunki ilości cząstek aerozolu morskiego do aerozoli antropogenicznych zależy jak duży wpływ na klimat planety mają zmiany emisji aerozoli zależne od człowieka.

Nasze wyniki opublikowane w ostatnich latach w serii artykułów w Journal of Geophysical Research umożliwiają zawężenie zarówno zakresu wielkości funkcji produkcji aerozolu jak i jej zależności od prędkości wiatru. Nasza polemika z Edgarem L. Andreasem, która ukazała się w roku 2007 w tym czasopiśmie pozwoliła na uzyskanie konsensusu co do przewagi metody gradientowej nad metodami alternatywnymi i na dalsze zawężenie prawdopodobnego zakresu wartości funkcji produkcji aerozolu (obecnie jest on mniejszy niż jeden rząd wielkości).

W roku 2007 zakupiono anemometr ultradźwiękowy a obecnie trwa procedura nabycia licznika kondensacyjnego cząstek aerozolu. Oba te przyrządy łącznie pozwolą na bezpośredni pomiar strumieni aerozolu metodą korelacji wirów (eddy correlation). Pierwsze próby tego typu pomiarów odbyły się latem 2007 na Morzu Norweskim przy pomocy naszego anemometru i wypożyczonego licznika kondensacyjnego. Jest to standardowa metoda pomiarów strumieni skalarnych, niestety wymagająca odjęcia ruchów statku, co w przypadku R/V Oceanii nie jest na razie problemem do końca rozwiązanym. Być może uda się ominąć ten problem stosując alternatywną metodę dyssypacji inercyjnej, która jak ostatnio wykazano pozwala na pomiar strumieni bez konieczności uwzględniania ruchów platformy pomiarowej.

Oprócz pomiarów strumieni aerozolu pracownia nasza prowadzi pomiary strumieni ciepła, jednak niebezpośrednią metodą, wykorzystującą jedynie dane meteorologiczne. Metoda korelacji wirów umożliwia bezpośredni pomiar także tych istotnych klimatycznie strumieni przy zastosowaniu szybkiego termometru i miernika koncentracji pary wodnej. Podobnie mierniki koncentracji gazów istotnych klimatycznie, w połączeniu z danymi a anemometru pozwalają na pomiar ich pionowych strumieni. Pracownia ma plany nabycia miernika koncentracji CO₂ i pary wodnej w celu rozpoczęcie pomiarów także tych strumieni.

Kierownik pracowni, doc. dr hab. Jacek Piskozub jest przedstawicielem Polski w akcji COST 735 „Tools for Assessing Global Air–Sea Fluxes of Climate and Air Pollution Relevant Gases”, do której celów należy ulepszenie parametryzacji strumieni gazów i aerozolu poprzez powierzchnię morza. W związku z tym zaproszony został do wygłoszeni referatu o parametryzacji strumieni aerozolu i gazów na sympozjum „k conundrum” specjalnie temu zagadnieniu poświęconym, zorganizowanym wspólnie przez COST 735, SOLAS (Surface Ocean Lower Atmspere Study) oraz WCRP (World Climate Research Programme) w Norwich w dniach 6-7 lutego b.r.

Modelowanie ekosystemu: dynamika procesów hydrodynamicznych i biologicznych w Południowym Bałtyku
doc. Lidia Dzierzbicka-Głowacka

Robert Osiński, Jaromir Jakacki, Andrzej Jankowski *, Karol Kuliński **

* Zakład Dynamiki Morza

** Zakład Chemii i Biochemii Morza

Instytut Oceanologii, Polska Akademia Nauk

Kluczową rolę w przemianach środowiska odgrywają ekosystemy morskie, a zwłaszcza zachodzące w nich procesy produkcji biologicznej. Kontrola tej produkcji wymaga nie tylko znajomości mechanizmów hydrodynamicznych i biologicznych wpływających na nią, jak również zależności funkcyjnych zachodzących między procesami fizjologicznymi organizmów morskich a parametrami środowiska morskiego. Złożoność tych procesów i ich wzajemnych powiązań sprawia, iż ich rozpoznanie uwzględniające aktualny stan badań wymaga stosowania nowoczesnych technik badawczych – modelowania matematycznego i symulacji komputerowych przebiegu zjawisk. Modele matematyczne posiadają, co się wydaje oczywiste, ograniczenia wynikające ze stanu wiedzy o poszczególnych procesach, o metodach parametryzacji ich wzajemnych powiązań oraz o możliwościach prawidłowej ich realizacji w modelach. Powszechne jednak stosowanie modeli matematycznych i symulacji komputerowych, jako nowych metod badania praw rządzących światem przyrody, dotyczy przede wszystkim zagadnień będących na styku kilku dyscyplin, czego przykładem są badania oceanograficzne.

Ogólny model ekosystemu opisywany jest zbiorem równań, z których każde jest równaniem dyfuzji turbulentnej ze składnikiem adwekcyjnym. Równanie to opisuje szybkość zmian stężenia badanych substancji w czasie i w przestrzeni z uwzględnieniem funkcji źródła i strat:

Postać funkcji F_S określa się na podstawie znajomości procesów biologicznych i chemicznych, zachodzących w środowisku morskim i ich wzajemnych związków. Natomiast składowe wektora prędkości przepływu u, v i w oraz rozkłady temperatury T i zasolenia S, które są danymi wejściowymi do modelu ekosystemu określa się na podstawie modelu hydrodynamicznego. Do opisu pola przepływów w realnych zbiornikach wodnych ze swobodną granicą wykorzystuje się równania ruchu turbulentnego oraz równania ciągłości. Obliczenia pola gęstości wykonuje się na podstawie równań transportu ciepła i soli z wybranej, określonej zazwyczaj empirycznie, funkcji stanu oraz odpowiedniej parametryzacji procesów wymiany masy i ciepła.

Zaprezentowane obliczenia numeryczne dotyczące zagadnień dynamiki przepływów wykonano na podstawie dwóch modeli hydrodynamicznych. Pierwszy model, to zintegrowany model oceanu i lodu (POP-CICE). POP (Paralel Ocean Program) jest potomkiem modelu typu Brayan – Cox – Semtner, natomiast CICE (Community Ice CodE) jest modelem lodu opartym na kodzie pierwotnie opracowanym przez Hiblera. Drugi, to trójwymiarowy baroklinowy model typu Blumberg – Meller oparty na kodzie POM. Model POPCICE posłużył do analizy pól przepływów dla okresu 40–letniego, ze szczególnym uwzględnieniem zmienności od sezonowej do dekadalnej. Analizowano przepływy i pola temperatury i zasolenia w Basenie Bornholmskim, Rynnie Słupskiej i Basenie Gdańskim. Wybór tych obszarów był podyktowany tym, że są to rejony bardzo istotne dla hydrologii i biologii całego Bałtyku. Mają one decydujący wpływ na transport wód gęstych, natlenionych, pochodzenia wlewowego, powodując wentylację głębokich obszarów Bałtyku.

Natomiast, na podstawie modelu typu B – M, dokonano symulacji sytuacji hydrologicznych związanych z rozpoznaniem zjawisk występujących w polskiej strefie brzegowej Bałtyku. Zastosowano metodę traserów pasywnych do oszacowania i wizualizacji prawdopodobnych „hydrodynamicznie”, scenariuszy przemieszczenia się wód wgłębnych z zachodniego Bałtyku (Głębi Bornholmskiej) poprzez Rynnę Słupską do Basenu Gdańskiego. Rozważono symulacje dla rzeczywistego pola sił wymuszających dla lipca 1980 oraz symulacje z modelowym, jednorodnym przestrzennie polem wiatru o sile 0.1 N m^-2 z kierunku E i W.

Dla określenia dynamiki procesów biologicznych wykorzystano, znacznie bardziej złożony niż stosowane dotychczas, model ekosystemu morskiego 1DCEM – model produkcji biologicznej z wysoko rozwiniętym modułem mezozooplanktonu i prostym modułem {ofiara – drapieżca}. Obliczenia numeryczne zostały wykonane dla punktu na Głębi Gdańskiej dla wybranego roku 1999. Wyznaczono czasowo – pionowe rozkłady koncentracji substancji biogenicznych, biomasy fitoplanktonu, mikrozooplanktonu oraz ryb (śledzia Clupea harengus we wczesnych stadiach rozwoju), jak również określono dynamikę mezozooplanktonu (Pseudocalanus minutus elongatus i Acartia spp.) poprzez wyznaczenie czasowych zmian masy i liczebności, uwzględniając poszczególne stadia rozwoju. Niezbędne zależności między procesami fizjologicznymi wybranych gatunków zooplanktonu a parametrami środowiska w ogólnych modelach ekosystemu również zostały określone.

Na postawie modelu biologicznego zintegrowanego z modułem detrytusu pelagicznego wykonano wstępne obliczenia dla określenia sezonowych zmian cząsteczkowego węgla organicznego POC.

W następnym etapie badań, autorzy zamierzają:

• opracować trójwymiarowy model biologiczny dla Bałtyku, który zostanie zintegrowany z modelem hydrodynamicznym. Model ten będzie mógł być wykorzystywany do prognozowania pojawienia się zagrożeń w rejonie naszego wybrzeża.

• opracować jednowymiarowy biologiczny model w celu wyznaczenia wieloletnich zmian stężenia cząsteczkowego węgla organicznego w Głębi Gdańskiej.

Model matematyczny jest bardzo pomocnym narzędziem, służącym do kontrolowania stanu i bioproduktywności ekosystemu morskiego oraz do prognozowania ekologicznych zmian w Bałtyku.

Pomiary fluktuacji oświetlenia podwodnego – od teorii do praktyki
dr Mirosław Darecki

Zakład Fizyki Morza

Bakteriofagi w procesach rozkładu w środowisku morskim: badania metagenomiczne
dr Borys Wróbel

Zakład Genetyki i Biotechnologii Morskiej

Określenie różnorodności wirusów bakteryjnych w środowisku morskim ma na celu poznanie ich roli w funkcjonowaniu pętli mikrobiologicznych, a także ocenę bioróżnorodności biologicznej Morza Bałtyckiego i innych wód szelfowych Europy. Ponadto, produkty genów o funkcjach przeciwbakteryjnych i przeciwbiofilmowych niesionych przez bakteriofagi mogłyby mieć duże znaczenie biotechnologiczne i terapeutyczne. W przedstawianym projekcie, planujemy poszukiwania genów wirusów bakteryjnych o potencjalnym zastosowaniu biotechnologicznym, w tym kodujących enzymy biorące udział w rozkładzie zewnątrzkomórkowych polimerów (ang. extracellular polymeric substances, EPS). Takie białka mogłyby mieć zastosowanie jako substancje przeciwbiofilmowe.

W toku wstępnych badań zostały pobrane próbki osadów dennych i wody przydennej w pięciu punktach. Trzy z tych punktów rozmieszczone są na profilu północ-południe, od ujścia Wisły do punktu powyżej Półwyspu Helskiego (głębokość: ok. 15, 70 i 85 m). Pozostałe dwa punkty znajdują się w Zatoce Puckiej (głębokość: ok. 25 i 35 m). Osady zebrane na wszystkich wybranych punktach poboru charakteryzują się stosunkowo wysokim stężeniem EPS i polisacharydów w pozostałych frakcjach.

Opracowywana metodologia otrzymywania cząstek wirusowych pochodzących z osadów opiera się na ekstrakcji sztuczną wodą morską, wirowaniu i filtracji przez serię filtrów (o średnicy porów 3,0 μm i 0,45 μm), a następnie precypitacji cząstek w obecności glikolu polietylenowego i chlorku sodu. Próbki wody były filtrowane bezpośrednio na filtrach o średnicy porów 0,45 μm i 100 kDa. Oczyszczone i zagęszczone bakteriofagi są analizowane z użyciem mikroskopu elektronowego (dla oceny ich zróżnicowania morfologicznego) oraz mikroskopu fluorescencyjnego po wybarwieniu kwasów nukleinowych barwnikiem SYBR-Gold (dla oceny wydajności procedury filtracji). Wyizolowany z tak otrzymanych cząstek materiał genetyczny (DNA i RNA) jest następnie używany do konstrukcji biblioteki genowo-ekspresyjnej, której częściowe sekwencjonowanie pozwoli określić zróżnicowanie biologiczne populacji bakteriofagów (i sprawdzić poziom zanieczyszczenia materiałem genetycznym organizmów komórkowych). Równolegle prowadzone są poszukiwania potencjalnych gospodarzy dla wyizolowanych wirusów z użyciem kolekcji szczepów bakteryjnych wyizolowanych z przybrzeżnych wód Zatoki Gdańskiej.

Zmiany klimatu Arktyki w świetle obserwacji Prądu Zachodniospitsbergeńskiego
dr Waldemar Walczowski

Zakład Dynamiki Morza

Pracownia Cyrkulacji Oceanicznej

Ocieplenie klimatu obserwowane jest na całej Kuli Ziemskiej. Stąd nazwa – ocieplenie globalne. Arktyka jest jednak miejscem, w którym zmiany są najbardziej widoczne i najszybsze, bowiem skupiają się tu najważniejsze procesy klimatotwórcze. Jednym z takich procesów jest wszechoceaniczna cyrkulacja termohalinowa, której intensywność decyduje o oceanicznym przenoszeniu ciepła z rejonów tropikalnych w polarne. W Arktyce atlantyckiej zamyka się północna pętla tej cyrkulacji - ciepłe wody pochodzenia atlantyckiego w czasie adwekcji na północ ulegają transformacji, recyrkulują na południe, zapadają się, biorąc udział w tworzeniu wód głębinowych. Część wód niesiona Prądem Zachodniospitsbergeńskim dociera przez Cieśninę Frama do Oceanu Arktycznego dostarcza ciepło przyczyniające się do topnienia pokrywy lodu morskiego. W drodze na północ, wody te ochładzając się podgrzewają atmosferę, uczestnicząc w kształtowania pogody i klimatu w skali lokalnej i globalnej.

Od roku 1988 każdego lata Instytut Oceanologii PAN bada z pokładu R.V Oceania Prąd Zachodniospitsbergeński. Od roku 2000 rejon pomiędzy Norwegią a Cieśniną Frama pokrywany jest siatką 200 punktów pomiarowych na stałych przekrojach. Powstała w ten sposób znacząca baza danych i ciągi czasowe pozwalająca na analizę zmienności właściwości i transportu Wody Atlantyckiej. Zebrane wyniki pozwoliły na wysnucie koncepcji dotyczących struktury Prądu Zachodniospitsbergeńskiego, prędkości propagacji sygnału w poszczególnych gałęziach, zmienności transportu. Zaobserwowano koincydencję pomiędzy zasięgiem stałej pokrywy lodowej na północny zachód od Spitsbergenu i temperaturą Wód Atlantyckich.

W okresie lato 2003–2006 zaobserwowano gwałtowny wzrost temperatury i zasolenia Prądu Zachodniospitsbergeńskiego, w roku 2007 nastąpił spadek wartości obu parametrów. W roku 2005 w zachodniej gałęzi Prądu Zachodniospitsbergeńskiego zaobserwowano wielkie wiry mezoskalowe, przenoszące znaczne anomalie ciepła. Również w roku 2006 w rejonie zachodniego Spitsbergenu zanotowano wielką anomalię ciepła. Zmierzone latem 2006 w jądrze prądu Zachodniospitsbergeńskiego wartości temperatury i zasolenia były rekordowe, nigdy dotychczas nie obserwowane. Konsekwencją napływu ciepłych wód była zmian klimatu oceanu w rejonie Prądu Zachodniospitsbergeńskiego. W latach 2004-2006 na głębokości 100 m izoterma 5ºC przesunęła się na północ o ponad 250 km. Ciepła Woda Atlantycka wpłynęła na szelf i do fiordów Zachodniego Spitsbergenu. Miało to znaczący wpływ na pogodę Spitsbergenu. Zimy 2005-2006 i 2006-2007 należały najcieplejszych kiedykolwiek obserwowanych, niektóre fiordy nie zamarzły.

W roku 2007 powierzchnia pokrywy lodowej Oceanu Arktycznego dramatycznie spadła. Przyczyny tak gwałtownego topnienia są wciąż dyskutowane. Badania IOPAN wskazują, że jedną z istotnych przyczyn tego zjawiska mogła być adwekcja ciepłych anomalii; jedna obserwowana w roku 2006 anomalia była w stanie stopić 130000 km² lodu o grubości 1 m.

Spadek zasolenia i temperatury Prądu Zachodniospitsbergeńskiego w roku 2007 nie był dla nas zaskoczeniem, bowiem przewidzieliśmy to na podstawie analizy sytuacji hydrologicznej w roku poprzednim. Spadek ten nie oznacza jednak końca okresu ocieplenia Arktyki. Wody Atlantyckie obserwowane na południu, w strefie zasilania Mórz Nordyckich nadal zachowują wysoką temperaturę. Uruchomione nieliniowe mechanizmy topnienia lodów mogą więc doprowadzić do zaniknięcia letniej pokrywy lodowej Oceanu Arktycznego w skali czasowej kilkunastu lat. Jednak w chwili obecnej nie da się na podstawie badań in situ prognozować zmian z tak dużym wyprzedzeniem, a różnice pomiędzy realizacjami poszczególnych modeli numerycznych są znaczne.

Czy ocieplenie Arktyki wpływa na zmiany bioróżnorodności fauny dennej?
mgr Monika Kędra

Zakład Ekologii Morza

Akumulacja osadów dennych oraz odkładanie materii organicznej w północnozachodnim Morzu Barentsa
dr Agata Zaborska

Zakład Chemii i Biochemii Morza

Ekosystemy polarne uważane są za szczególnie wrażliwe na zmiany czynników środowiskowych, związanych ze zmianą klimatu. Oczekuje się, że intensywna redukcja powierzchni pokrywy lodowej i silny wpływ mas wody pochodzenia atlantyckiego, spowodują zmiany w strukturze i funkcjonowaniu ekosystemów arktycznych. To z kolei będzie miało wpływ na obieg węgla i substancji odżywczych.

Niewiele wiadomo o współczesnych osadach dennych Morza Barentsa. Badania z zakresu akumulacji osadów dennych, dynamiki procesów sedymentacyjnych przyczynią się do kompleksowego rozpoznania wpływu zmian klimatycznych na biogeochemię węgla, azotu i fosforu w badanym rejonie. Równie cenne wydają się badania procesów degradacji materiału organicznego oraz określenia ilości zdeponowanej w osadach materii organicznej. Kolejnym ważnym zagadnieniem jest zbadanie udziału materiału osadowego pochodzenia allochtonicznego oraz zdefiniowanie dróg transportu osadów.

Strategicznym zagadnieniem przedstawianych badań było rozpoznanie reżimu sedymentacyjnego w północno-zachodniej części Morza Barentsa w „przededniu” zmian równowagi wywołanych zmianami klimatycznymi. Celem badań było, między innymi, obliczenie tempa akumulacji węgla organicznego w osadach dennych, stopień jego mineralizacji w wierzchnich warstwach osadów oraz stężenie węgla organicznego „odkładanego” w głębszych partiach osadów dennych.

Naukowe znaczenie monitoringu zooplanktonu w Arktyce
dr Sławomir Kwaśniewski

Zakład Ekologii Morza

Skład: Jacek Bełdowski
Strona WWW: Jacek Piskozub