Разработка базы данных по водорослям Евро-Арктического региона

УДК 004.652:561.26

Д. Б. Денисов, А. Л. Косова

Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского НЦ РАН

РАЗРАБОТКА БАЗЫ ДАННЫХ ПО ВОДОРОСЛЯМ ЕВРО-АРКТИЧЕСКОГО РЕГИОНА

Аннотация

Обсуждается разработка базы данных по водорослям Евро-Арктического региона (БД ВЕАР), созданной на основе программного комплекса СУБД MS Access. Основу базы составляют материалы по диатомовым водорослям, включая комплексы донных отложений и современные сообщества, а также информация о других группах водорослей (зеленые, красные, золотистые и др.) и цианопрокариот. Функциональной особенностью БД ВЕАР является удобство работы пользователя в привычной программной среде MS Office с разнородными альгологическими данными, которые включают не только таксономические списки, но и их экологические характеристики и численные показатели. Представлена структура, возможности, перспективы дальнейшего развития и проблемы, сопровождающие работу над СУБД. Показана значимость БД ВЕАР для проведения экологических исследований в области оценки качества пресноводных ресурсов региона.

Ключевые слова:

водоросли, арктический регион, базы данных, диатомеи, пресноводные ресурсы

D. B. Denisov, A. L. Kosova

THE EURO-ARCTIC ALGAE DATABASE CREATION

Abstract

The creation of the algae database of the Euro-Arctic region (DB AEAR) on the MS Access database system, is discussed. The database is based on the material of diatoms including sediment complexes and modern communities, as well as other groups of algae and cyanoprokaryotes. The structure, possibilities, prospects of the further development and the problems met in the DBMS treatment are presented. A functional feature of the DB AEAR is the convenience of use in the habitual MS Office software environment with heterogeneous algological data including taxonomic lists as well as ecological characteristics and numerical values. DB AEAR database is important for environmental studies and assessment of the quality of freshwater resources in the region.

Keywords:

algae, Arctic region, databases, diatoms, freshwater resources Введение

Исследования пресноводных водорослей Евро-Арктического региона ведутся с начала XIX века. За этот период накоплен значительный объем данных по диатомовым водорослям (ископаемым и современным) из водоемов различных ландшафтов, а также информация о других группах водорослей и цианобактерий, представленных в планктоне, перифитоне и бентосе. На современном этапе, в ИППЭС КНЦ РАН проводятся многолетние комплексные исследования альгоценозов и палеоэкологические реконструкции с применением диатомового анализа, направленные на оценку различных долговременных процессов, происходящих в субарктических водоемах, таких, как преобразование экосистем в связи с промышленным загрязнением,

климатические изменения, а также изучение исторической динамики различных параметров водной среды на основе диатомовых моделей. Получена уникальная палеоэкологическая информация о состоянии и развитии гидроэкосистем, уточнены и дополнены списки таксонов диатомовых водорослей разнотипных водоемов, описаны экологические характеристики многих видов, имеющих значение в биоиндикационном подходе. Создана уникальная аннотированная коллекция диатомовых водорослей, включающая описания древних и современных, морских и пресноводных диатомей (Каган, Денисов, 2002, 2011; Каган, 2012), накоплен значительный объем данных по диатомовым водорослям из разнотипных водных объектов. Коллекция диатомовых водорослей, как специализированная коллекция, входит в состав Гербария ИППЭС КНЦ РАН — INEP (Боровичев, Исаева, 2015; https://www.inep-new.com/gerbarij-i-kollekcii). При исследовании разнотипных водоемов Евро-Арктического региона различающихся по морфологии, ландшафтно-географическому положению и степени антропогенной трансформации, учитывая большое количество видов водорослей и цианопрокариот, принадлежащих к различным таксономическим группам, динамичность структуры их сообществ, накапливается огромный массив информации, требующий систематизированного хранения и удобного доступа, и обработки. В этой связи актуальной задачей представляется создания систем систематизации, хранения и обработки накопленной информации. Для реализации этой задачи нами была разработана экологическая база данных, содержащая информацию о водорослях Евро-Арктического региона (в первую очередь, диатомовых), их видовом составе, количественных характеристиках, местах и сроках их нахождения, получившая название «Водоросли Евро-Арктического региона» (БД ВЕАР).

Материал и методы

Материалом для создания БД ВЕАР первоначально послужили обширные данные из аннотированной экологической коллекции диатомовых водорослей (древних и современных морских и пресноводных), существующей на базе ИППЭС КНЦ РАН. Коллекция была создана Л. Я. Каган (2012). В ней представлено систематизированное описание диатомовых комплексов из донных отложений (ДО) древних и современных разнотипных водных объектов Евро-Арктического региона. В дальнейшем коллекция была пополнена данными исследований диатомей из ДО и современных альгоценозов в период с 2001 по 2017 гг., а с 2006 г. — обширным материалом по видовому составу и структуре водорослей фитопланктона, перифитона и бентоса разнотипных пресноводных экосистем Евро-Арктического региона: Кольский полуостров (озеро Имандра, система реки Паз, горные озера и реки горных массивов Хибин и Чуна-тундры), Архангельская область (бассейн реки Печора, озера и реки Новой Земли), архипелаг Шпицберген и морей — Баренцева, Норвежского, Гренландского и Лаптевых (рис. 1).

Рис. 1. Карта-схема районов сбора материалов для БД ВЕАР с 2001 по 2017 гг.

Результаты исследований таксономического состава и структуры альгоценозов были занесены в разрозненные электронные таблицы MS Excel, в которых происходила их обработка, анализ и экспорт в другие аналитические или графические пакеты программ. В связи с необходимостью биоиндикации качества вод и состояния экосистем, а также палеоэкологической реконструкции исторического развития водоемов, анализировали экологические характеристики выявленных видов в соответствии с обновляемой экологической базой данных, составленной С. С. Бариновой с соавторами (2006-2015 гг.), которая также была представлена в формате электронных таблиц MS Excel. Для продуктивной аналитической работы и максимальной программной совместимости эти материалы в 2010 г. были объединены в единую СУБД на базе MS Access. Основной задачей было упрощение работы с большими массивами данных.

Модель системы функциональных блоков БД ВЕАР

Разрабатываемая БД предполагает хранение и обработку не только информации, посвященной непосредственно водорослям, но и массивов данных, характеризующих условия их обитания, включая тип водного объекта, его географическое положение, гидролого-геохимические особенности, показатели донных отложений, антропогенной нагрузки и пр. Использование этих данных позволит выполнять необходимые аналитические процедуры для адекватной оценки качества вод и состояния экосистем изучаемых водных объектов. Функциональные блоки БД ВЕАР содержат информацию по двум основным направлениям -- диатомовые палеокомплексы ДО и современные сообщества водорослей и цианопрокариот (планктон и перифитон), связанные с данными, характеризующими среду обитания. БД также предполагает наличие аналитического блока с возможностями визуализации полученных результатов (рис. 2).

Рис. 2. Модель системы функциональных блоков БД ВЕАР

Структура и возможности БД ВЕАР

БД представляет собой отдельный функциональный комплекс, позволяющий вводить и редактировать разнородные численные данные и текстовую информацию, выполнять поиск по виду водорослей или объекту исследования (месту обнаружения/станции отбора пробы). По своим возможностям и интерфейсу таблицы на базе MS Access совместимы с другими приложениями MS Office, что значительно упрощает работу с данными, их компоновкой, выбором, анализом и графическим представлением.

К настоящему времени в структуре БД ВЕАР реализовано 5 базовых электронных таблиц, связанных ключевыми полями (рис. 3). Все таблицы нормализованы и содержат информацию строго определенного содержания.

1. Станция отбора проб недорослей

2, Станция отбрра праб донных отложений {для диатоь^Ьвотоанализа) -

Данные по водорослям

Д. Данные по днзтоадечпл донны* отложений -

5. Экилигнч«[:кая бича данных

Рис. 3. Базовые таблицы и их связь в структуре БД ВЕАР

Информация о водорослях, обрабатываемая с помощью БД, представлена двумя крупными блоками. Первый содержит данные о современных пресноводных альгоценозах, включая все группы водорослей и цианопрокариот из различных водных объектов (лотических и лентических). Второй — данные о диатомовых водорослях из донных отложений озер и геологических разрезов четвертичных осадков (рис. 4).

Рис. 4. Общая схема функциональных связей между элементами БД ВЕАР

Специфика второго блока состоит в том, что организация данных происходит с учетом количества слоев отложений, которым соответствует препарат (проба) диатомовых комплексов. То есть одной точке (станции) отбора может принадлежать целый ряд проб, что определяется мощностью изученных отложений. Этим блокам соответствуют таблицы «Станция отбора проб» и «Станция отбора проб донных отложений», где содержится информация об объектах исследования: номер водоема, название водоема, дата отбора, географические координаты, глубина отбора, примечания.

Другая группа таблиц — «Данные по диатомеям в ДО» и «Данные о водорослевых сообществах» содержит первичные данные: номер водоема, слой ДО, номер рода, номер вида и, при наличии, количественные характеристики. Получение и сортировка данных осуществляется посредством запросов. Они позволяют найти определённые данные среди нескольких таблиц, а также создать или обновить данные.

Ключевым элементом работы БД является ее совместимость с обновляемой экологической БД, разработанной С. С. Бариновой с соавторами (2006) на базе MS Excel, что позволяет получить информацию об экологических характеристиках интересующего пользователя таксона. Эти данные входят в пятую таблицу в структуре БД ВЕАР.

В ходе работы по оформлению и систематизации данных, названия таксонов могут быть приведены в соответствие с международной обновляемой альгологической базой данных Algae Base (Guiry, Guiry, 2017), а также другими источниками номенклатуры. Аналогичным образом пользователем проводится, при необходимости, корректировка экологических характеристик. Процедура внесения изменений требует непосредственного участия пользователя — специалиста-альголога, так как рекордно высокие темпы динамики изменений в современной систематике водорослей в последние годы не позволяют автоматизировать этот процесс.

Путем формирования соответствующих запросов стандартными средствами MS Access, можно получить выборку требуемых данных, например, полный список всех выявленных таксонов водорослей конкретного водоема с их экологическими характеристиками. Например, можно сделать запрос таксономического списка водорослей планктона оз. Имандра, включающий номера станций отбора проб, их названия и дату отбора, тип пробы, видовой состав с экологическими характеристиками и принадлежностью таксона к крупной таксономической категории (отделу). Это позволяет, при необходимости, вывести результаты распределения числа таксонов по крупным таксономическим категориям (например, отделам), а также, при наличии, их численные характеристики (численность и биомасса).

Родам водорослей также присваивается собственный уникальный номер. Это приобретает значение для тех образцов, которые были определены лишь до рода: тогда связь между таблицами в структуре БД ВЕАР осуществляется по этому номеру, и при запросе полного списка видов водного объекта (или станции отбора проб) в результаты входят также и неопределенные до вида и внутривидовых категорий таксоны.

Для данных по диатомовым водорослям донных отложений запросы генерируются, исходя из необходимости представить численное распределение того или иного таксона по слоям отложений различного возраста (рис. 5). Запрос формируется по номеру станции отбора и номеру таксона. Это позволяет выбрать нужные результаты для последующего их графического представления в виде диатомовых диаграмм и их анализа, что необходимо для палеоэкологических исследований и реконструкции исторической динамики изменений в экосистемах водоемов.

Некоторые виды водорослей в БД ВЕАР сопровождаются фотографиями, что позволяет уточнить таксономическую принадлежность и удостовериться в корректности идентификации.

орку ВВЕ

N° места отб № вида слой ДО K0J1- с

a 5010 0-0.5 10

5 5010 1-1.5 В

5 5010 4-4.5 6

5 5010 10-11 17

5 5010 42-43 В

5 5010 43-44 5

5 5010 6-6.5 Э

5 5010 30-31 9

5 5010 20-21 7

5 5010 39-40 В

5 5010 33-34 Э

5 5010 35-36 12

5 5010 14-15 9

5 5010 18-19 Б

5 5010 16-17 В

5 5010 23-24 Б

5 5010 25-26 15

5 5010 26-27 5

5 5010 29-30 Э

5 5010 12-13 7

5 5010 Б ,5-7 5

5 5010 B-B 5 7

5 5010 7,5-8 3

5 5010 3-3,5 Э

5 5010 2-2,5 В

5 5010 2,5-3 11

ж

II Чдпигк; INI 1 1 I  Il H lft*l m ?f.

Рис. 5. Внешний вид результатов поискового запроса в БД ВЕАР Заключение

Разрабатываемая БД ВЕАР представляет собой удобный инструмент для работы с разнородными первичными данными по водорослям региона. Практическая ее значимость заключается в структурированном хранении первичной информации по всем исследованным водоемам. На данный момент, база данных содержит сведения о водорослевых сообществах 93 водоемов (292 точки отбора), о диатомовых комплексах донных отложений 10 озер Мурманской области, водоемов бассейна реки Патсойоки (Паз) на территории России, Норвегии и Финляндии. База данных пополняется по мере получения новой информации, в частности, сопровождается расширением коллекции диатомовых водорослей.

БД ВЕАР позволяет решить следующие задачи:

1. Хранение и систематизация данных ранних и современных исследований водорослей;

2. Обеспечение удобного вноса вновь полученных данных пользователям;

3. Оптимизация аналитической работы - интеграция экологических характеристик водорослей, удобный импорт и экспорт данных в среде MS Office;

4. Выполнение элементов сравнительного системного анализа при комплексных экологических исследованиях.

Перспективы дальнейшего развития БД ВЕАР связаны с необходимостью интеграции дополнительной информации, расширяющей возможности системного анализа данных. Так, БД может быть дополнена гидрохимическими данными и результатами анализа содержания химических элементов в ДО. Также назрела необходимость перехода на WEB-интерфейс и тесного взаимодействия с существующими региональными базами данных, в частности CRIS (Мелехин и др., 2013; Давыдов и др., 2017). Важной задачей на будущее является экспорт данных из БД ВЕАР в Global Biodiversity Information Facility (GBIF).

Литература

Баринова С. С., Медведева, Л. А., Анисимова О. В. Биоразнообразие водорослей-индикаторов окружающей среды. Тель-Авив: PiliesStudio, 2006. 498 с.

Боровичев Е. А., Исаева Л. Г. Гербарий Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН / Раздел 6. Гербарии России и ближнего зарубежья // Ботанические коллекции - национальное достояние России: сборник научных статей Всероссийской (с международным участием) научной конференции, посвященной 120-летию Гербария имени И. И. Спрыгина и 100-летию Русского ботанического общества (г. Пенза, 17-19 февраля 2015 г.) / ред. Л. А. Новикова. Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. С. 339-340.

Давыдов Д. А., Мелехин А. В., Константинова Н. А., Боровичев Е. А. Возможности информационной системы «Cryptogamic Russian Information System» // Тезисы докладов Международной научно-практической конференции «Использование современных информационных технологий в ботанических исследованиях» (Апатиты, 28-31 марта 2017). Апатиты, 2017. С. 32-24.

Мелехин А. В., Давыдов Д. А., Шалыгин С. С., Боровичев Е. А. Общедоступная информационная система по Биоразнообразию цианопрокариот и лишайников CRIS (Cryptogamic Russian Information System) // Бюллетень Московского общества испытателей природы. Отдел биологический, 2013. Т. 118. Вып. 6. С. 51-56.

Каган Л. Я. Диатомовые водоросли Евро-Арктического региона: аннотированная коллекция (древние и современные морские и пресноводные). Под ред. Д. Б. Денисова, Н. А. Кашулина. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2012. 209 с.

Каган Л. Я., Денисов Д. Б. Коллекция диатомовых водорослей Евро-Арктического региона // Материалы XII международной научной конференции диатомологов, посвященной 120-летию со дня рождения А. И. Прошкиной-Лавренко (19-24 сентября 2011 г.). М: «Университетская книга», 2011. С. 36-38.

Каган Л. Я., Денисов Д. Б. Исследования диатомей на Кольском полуострове в XX веке // Морфология, экология и биогеография диатомовых водорослей: Сб. тез. VIII школы диатомологов России и стран СНГ/ Под. ред. С.И. Генкала. Борок: Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина, 2002. С.38-39.

Guiry M. D., Guiry G. M. AlgaeBase. World-wide electronic publication, National University of Ireland, Galway, 2017. http://www.algaebase.org.

Сведения об авторах

Денисов Дмитрий Борисович,

Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института проблем промышленной экологии Севера Кольского НЦ РАН, Апатиты; denisow@inep.ksc.ru Косова Анна Львовна,

Ведущий инженер Института проблем промышленной экологии Севера Кольского НЦ РАН, Апатиты

Denisov Dmitry Borisovich,

PhD (Biology), Senior Researcher of the Institute of Industrial Ecology Problems of the North of the Kola Science Centre of RAS, Apatity; denisow@inep.ksc.ru Kosova Anna Lvovna,

Lead engineer of the Institute of Industrial Ecology Problems of the North of the Kola Science Centre of RAS, Apatity