Influence of the Water Level in the Yenisei River on the Ecosystem of its Anabranch within the City of Krasnoyarsk

Расположенная в черте города Красноярска в 35 км ниже Красноярской ГЭС Абаканская протока р. Енисей является, с одной стороны, важным рекреационным водоемом, а с другой стороны, подвержена нескольким типам антропогенного воздействия (зарегулирование дамбой, поступление ливневых и теплых вод, наличие садкового рыбоводного хозяйства), ухудшающего ее рекреационные свойства из-за чрезмерного зарастания макрофитами и скоплений метафитона нитчатой водоросли рода Spirogyra, ухудшения органолептических и микробиологических показателей воды. Природные климатические факторы способны существенно модифицировать влияние антропогенных факторов, что представляет интерес в плане прогнозирования и принятия решений по ликвидации негативных явлений. Целью работы является оценка влияния режима уровня воды р. Енисей в весенне-летний период на экосистему протоки через сравнение данных в многоводный (2021) и средневодный (2020) годы. Гидрофизические, гидрохимические и гидробиологические измерения проводили с мая по август 2020 и 2021 гг. сверху вниз на станциях левобережья: 1 – выше дамбы (фон), 2 – ниже дамбы, 3 – напротив выпуска теплых вод ТЭЦ, 4 – пляж, ниже рыбоводных садков. В 2021 г. вода в протоку поступала только снизу (к ст. 4 и 3), так как водопропускные трубы в теле плотины были засыпаны. В 2021 г., по сравнению с 2020 г., на зарегулированном участке протоки значительно увеличились численность и биомасса фито- и зоопланктона, возросла первичная продукция планктона, а аналогичные показатели фитоперифитона и зообентоса, напротив, снизились по причине их формирования на свежезалитых грунтах. Метафитон отсутствовал, но в августе спирогира стала доминировать в биомассе фитоперифитона. Концентрации нитрит-иона в воде увеличились в зарегулированной части протоки, а нитрат-иона и общего фосфора – на всех станциях протоки, в том числе и на фоновой, получающей воды из Красноярского водохранилища. Наблюдаемая в 2021 г. «вспышка трофии» в планктоне ст. 3 и 4 обусловлена длительным (полтора месяца) удержанием высокого уровня воды в протоке, позволившим использовать биоте вымываемые из затопленных берегов органические вещества и биогены, и аналогична таковой в экотонных зонах выклинивания подпора водохранилищ. Ежегодное увеличение концентраций минеральных форм азота и общего фосфора на нижних станциях, по сравнению с другими станциями, вероятно, обусловлено эвтрофирующим влиянием садкового рыбоводного хозяйстваLocated within the city of Krasnoyarsk, 35 km downstream of the Krasnoyarsk Hydropower Plant, the Abakanskaya anabranch of the Yenisei River, on the one hand, is an important recreational water body and, on the other hand, is subject to several types of anthropogenic impact (regulation by a dam, inflow of storm and warm waters, fish farming). These impacts worsen its recreational properties due to excessive growth of macrophytes and metaphytic filamentous algae of the genus Spirogyra, causing deterioration of organoleptic and microbiological parameters of water. Natural climatic factors can significantly modify the influence of anthropogenic factors, which is of interest in terms of forecasting and decision-making about the elimination of negative factors. The aim of the present work is to assess the influence of the water level regime of the Yenisei River in the spring–summer period on the anabranch ecosystem by comparing the data for the high-water (2021) and medium-water (2020) years. Hydrophysical, hydrochemical, and hydrobiological measurements were carried out from May to August 2020 and 2021 at locations on the left bank: 1 – upstream of the dam (reference), 2 – downstream of the dam, 3 – opposite the outlet of warm water, 4 – at the beach, downstream of the fish farm. In 2021, water entered the anabranch only from downstream (to locations 4 and 3), since the culverts in the dam body were filled up. In 2021, compared to 2020, the abundance and biomass of phyto- and zooplankton in the regulated section of the anabranch significantly increased, the primary production of plankton increased, but the corresponding parameters of phytoperiphyton and zoobenthos, on the contrary, decreased due to their formation on freshly flooded soils. Metaphyton was absent, but in August, Spirogyra began to dominate in the phytoperiphyton biomass. Nitrite ion concentrations in the water increased in the regulated part of the anabranch, and the nitrate ion and total phosphorus concentrations increased at all locations, including the reference location, receiving water from the Krasnoyarsk Reservoir. The plankton “abundance outbreak” observed in 2021 at locations 3 and 4 was caused by the water level in the anabranch remaining high over a long period (one and a half months), which made it possible for the biota to use organic matter and nutrients washed out from the flooded banks; the outbreak was similar to those occurring in the ecotone zones of inputs to the upper parts of reservoirs. The annual increase in the concentrations of mineral forms of nitrogen and total phosphorus at the lower locations compared with other locations was probably due to the eutrophic influence of fish farmin

Theoretical Analysis of the Potential of Silver Carp Hypophthalmichthys Molitrix in the Control of Water Blooming by Different Species of Cyanobacteria

В работе проводится теоретический анализ возможности белого толстолобика (Hypophthalmichthys molitrix) контролировать «цветение» водоемов некоторыми видами цианобактерий. Для решения этой задачи построена имитационная модель, описывающая сообщество цианобактерий в абстрактном водоеме. В качестве моделируемых видов выбраны Anabaena flos-aquae и Microcystis aeruginosa. Модельные расчеты показывают, что интродукция рыб в водоем подавляет развитие Anabaena flos-aquae. «Цветение» воды, формируемое Microcystis aeruginosa, наоборот не сдерживается белым толстолобиком. Одной из причин такой реакции Microcystis aeruginosa на зарыбление водоема белым толстолобиком может быть стимуляция роста этого вида после прохождения через кишечник рыб.Таким образом, возможность белого толстолобика контролировать рост цианобактерий в масштабах целого водоема носит видоспецифичный характер, который необходимо учитывать при планировании мероприятий по ликвидации «цветений».The possibility to use silver carp (Hypophthalmichthys molitrix) in the control of water blooming by cyanobacteria is theoretically analyzed. To attain this goal the dynamic model has been developed, describing communities of two species of cyanobacteria: Anabaena flos-aquae and Microcystis aeruginosa, taking into account direct influence of silver carp on cyanobacteria growth - stimulation of cyanobacteria growth rate and cyanobacteria digestion in fish gut. The calculation results have shown that silver carp influences oppositely the formation of blooming by cyanobacteria species simulated. Reservoir stocking with silver carp inhibits the development of Anabaena flos-aquae species. The development of Microcystis aeruginosa is not constrained by silver carp. Forming blooming outbreaks by this species is possible even with increasing stocking. One of the possible reasons may be the fact that the Microcystis aeruginosa growth is stimulated after passing through fish gut. Therefore, when planning biomanipulations using silver carp it is necessary to take into consideration the relationship between fish and the different species of cyanobacteria. The success of such manipulations depends on what species of cyanobacteria are dominant in the ecosystem in the blooming period

Theoretical Analysis of the Potential of Silver Carp Hypophthalmichthys Molitrix in the Control of Water Blooming by Different Species of Cyanobacteria

В работе проводится теоретический анализ возможности белого толстолобика (Hypophthalmichthys molitrix) контролировать «цветение» водоемов некоторыми видами цианобактерий. Для решения этой задачи построена имитационная модель, описывающая сообщество цианобактерий в абстрактном водоеме. В качестве моделируемых видов выбраны Anabaena flos-aquae и Microcystis aeruginosa. Модельные расчеты показывают, что интродукция рыб в водоем подавляет развитие Anabaena flos-aquae. «Цветение» воды, формируемое Microcystis aeruginosa, наоборот не сдерживается белым толстолобиком. Одной из причин такой реакции Microcystis aeruginosa на зарыбление водоема белым толстолобиком может быть стимуляция роста этого вида после прохождения через кишечник рыб.Таким образом, возможность белого толстолобика контролировать рост цианобактерий в масштабах целого водоема носит видоспецифичный характер, который необходимо учитывать при планировании мероприятий по ликвидации «цветений».The possibility to use silver carp (Hypophthalmichthys molitrix) in the control of water blooming by cyanobacteria is theoretically analyzed. To attain this goal the dynamic model has been developed, describing communities of two species of cyanobacteria: Anabaena flos-aquae and Microcystis aeruginosa, taking into account direct influence of silver carp on cyanobacteria growth - stimulation of cyanobacteria growth rate and cyanobacteria digestion in fish gut. The calculation results have shown that silver carp influences oppositely the formation of blooming by cyanobacteria species simulated. Reservoir stocking with silver carp inhibits the development of Anabaena flos-aquae species. The development of Microcystis aeruginosa is not constrained by silver carp. Forming blooming outbreaks by this species is possible even with increasing stocking. One of the possible reasons may be the fact that the Microcystis aeruginosa growth is stimulated after passing through fish gut. Therefore, when planning biomanipulations using silver carp it is necessary to take into consideration the relationship between fish and the different species of cyanobacteria. The success of such manipulations depends on what species of cyanobacteria are dominant in the ecosystem in the blooming period

Measuring Alloxanthin as a Proxy Approach in a Study of Trophic Relationships between Zooplankton and Cryptophyte Algae in Lake Shira

Криптофитовые водоросли признаны важным трофическим звеном многих водных экосистем, однако остаются недостаточно изученными в плане трофических взаимодействий с другими компонентами экосистем. Они являются более качественной пищей, чем большинство других водорослей, и поэтому могут быть подвержены селективному выеданию со стороны зоопланктона. Следовательно, прямые измерения динамики их концентрации в озерах могут давать очень сильно заниженные показатели продукции. Одним из способов оценки потребления криптофитовых водорослей зоопланктоном служит определение содержания в нем специфического для криптомонад каротиноида аллоксантина. В работе исследовалось содержание аллоксантина в осадочных илах, седиментационных ловушках и зоопланктоне озера Шира с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии. Была показана значимая корреляция между количеством некоторых видов зоопланктона, способных потреблять криптофитовые водоросли, и потоком осаждаемого аллоксантина, зафиксированным в седиментационных ловушках. Результат анализа проб зоопланктона (наибольший вклад в биомассу которого обеспечивал веслоногий рачок Arctodiaptomus salinus (Daday, 1885)) на содержание каротиноидов в течение весенне-летнего сезона показал наличие аллоксантина в количестве до 80 мкг/г, снижающееся к концу сезона, что коррелировало с биомассой криптофитовых водорослей в озере. Каротиноиды, ассоциированные с другими группами водорослей, наблюдались в значительно меньшем количестве. Это демонстрирует высокий уровень селективного потребления веслоногим рачком A.salinus криптофитовых водорослей и может служить подтверждением тесной трофической связи между нимиCryptophyte algae are an important trophic link in many aquatic ecosystems, but they remain insufficiently studied in terms of trophic interactions with other components of ecosystems. They are better quality food than most other algae and, therefore, can be subject to selective grazing by zooplankton; thus, direct measurements of the dynamics of their concentration in lakes may give very low productivity indicators. One way to assess the consumption of cryptophyte algae by zooplankton is to determine the content of alloxanthin, a carotenoid specific for cryptophyte algae, in zooplankton. The present study investigated the alloxanthin content of sedimentary silts, sedimentation traps, and zooplankton of Lake Shira using high performance liquid chromatography. A significant correlation was found between the abundance of some zooplankton species capable of consuming cryptophyte algae and the flux of precipitated alloxanthin recorded in sedimentation traps. Analysis of zooplankton samples (the largest contribution to the biomass of which was made by the copepod Arctodiaptomus salinus (Daday, 1885)) for the content of carotenoids during the spring-summer season showed the presence of alloxanthin amounts reaching 80 μg/g, which decreased by the end of the season, and that correlated with the biomass of cryptophyte algae in the lake. Carotenoids associated with other groups of algae were observed in considerably smaller amounts. Thus, the copepod A. salinus exhibits high selective consumption of cryptophyte algae, which may serve as a confirmation of a close trophic relationship between the

Challenges and opportunities for integrating lake ecosystem modelling approaches

A large number and wide variety of lake ecosystem models have been developed and published during the past four decades. We identify two challenges for making further progress in this field. One such challenge is to avoid developing more models largely following the concept of others (‘reinventing the wheel’). The other challenge is to avoid focusing on only one type of model, while ignoring new and diverse approaches that have become available (‘having tunnel vision’). In this paper, we aim at improving the awareness of existing models and knowledge of concurrent approaches in lake ecosystem modelling, without covering all possible model tools and avenues. First, we present a broad variety of modelling approaches. To illustrate these approaches, we give brief descriptions of rather arbitrarily selected sets of specific models. We deal with static models (steady state and regression models), complex dynamic models (CAEDYM, CE-QUAL-W2, Delft 3D-ECO, LakeMab, LakeWeb, MyLake, PCLake, PROTECH, SALMO), structurally dynamic models and minimal dynamic models. We also discuss a group of approaches that could all be classified as individual based: super-individual models (Piscator, Charisma), physiologically structured models, stage-structured models and trait-based models. We briefly mention genetic algorithms, neural networks, Kalman filters and fuzzy logic. Thereafter, we zoom in, as an in-depth example, on the multi-decadal development and application of the lake ecosystem model PCLake and related models (PCLake Metamodel, Lake Shira Model, IPH-TRIM3D-PCLake). In the discussion, we argue that while the historical development of each approach and model is understandable given its ‘leading principle’, there are many opportunities for combining approaches. We take the point of view that a single ‘right’ approach does not exist and should not be strived for. Instead, multiple modelling approaches, applied concurrently to a given problem, can help develop an integrative view on the functioning of lake ecosystems. We end with a set of specific recommendations that may be of help in the further development of lake ecosystem model