Analysis of Closure Dynamics of an Experimental Biological Life Support System

В ИБФ СО РАН создана экспериментальная модель биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека с высокой степенью замкнутости круговоротных процессов с вовлечением в массообмен растительных отходов и экзометаболитов человека. Для прогноза возможностей дальнейшего повышения степени замкнутости рассматриваемой экспериментальной модели БСЖО построена математическая модель, опирающаяся на кинетические коэффициенты и зависимости, полученные в экспериментальных исследованиях. Процессы массообмена, протекающие в системе БСЖО, представлены в модели как непрерывные динамические процессы и описываются дифференциальными уравнениями, записанными в размерностях массы. Модель описывает основные процессы массообмена, позволяющие исследовать поведение системы, не превращая в то же время ее в сложную для анализа имитационную модель. Верификация модели была проведена по экспериментальным данным, полученным при работе с БСЖО. Ключевой особенностью математической модели является возможность динамического численного расчета коэффициента замыкания системы. Коэффициент замыкания рассматривается здесь как отношение скорости поступления вещества от гетеротрофных организмов к автотрофным к сумме этой скорости и скорости ухода вещества в тупик. Модель замкнутой БСЖО способна указывать пути повышения замкнутости системы путем варьирования параметров модельного счета и его влияния на рассчитываемый коэффициент замыканияAn experimental model of a biological life support system (BLSS) created at the Institute of Biophysics SB RAS has a high level of closure of material cycling with plant wastes and human waste products incorporated into mass exchange. To predict the ways to further increase the level of closure of the BLSS experimental model, a mathematical model based on kinetic coefficients and dependences obtained during experimental research has been constructed. The processes of mass transfer occurring in the BLSS are presented in the model as continuous dynamic processes and are described by differential equations written in the dimensions of mass. The model describes the basic mass transfer processes that make it possible to investigate the behavior of the system without transforming it into an imitation model, which would be too complex to analyze. The verification of the model was conducted using the experimental data obtained in the BLSS experiments. The main distinction of the mathematical model is the possibility of dynamic numerical determination of the system closure coefficient. The closure coefficient is considered here as the ratio of the rate of substance transfer from heterotrophic to autotrophic organisms to the sum of this rate and the rate of the flow of the substance to the dead end. The model of the closed BLSS is able to suggest the ways to increase the degree of the system closure by varying the parameters of the model calculation and its effect on the calculated closure coefficien

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