Dynamics of local phytoplankton communities in the upper-cascade Dnieper reservoirs under present conditions
Authors
,
Shcherbak V.I.,
Davydov O.A.,
Koziychuk E.Sh.
Section:
Ecology, Cenology, Conservation of Algae and their Role in NatureIssue:
Vol. 35 No. 1 (2025)Pages:
30-57DOI:
https://doi.org/10.15407/alg35.01.030Abstract
Important factors, affecting the spatial and temporal dynamics and structure of local phytoplankton communities in the upper-cascade Dnieper reservoirs include global climate change manifesting in abnormally high water temperatures and the unsteady mode of HPP operation, which is registered in abnormally high or low water level in reservoirs. A strong positive correlation has been found between water temperature and Cyanobacteria and Chlorophyta biomass and strong inverse correlation for Bacillariophyta. Two groups of algae have been distinguished, prevailing under different temperatures: 1) Bacillariophyta—Chlorophyta, when the water temperature is close to climatic norm; 2) Cyanobacteria—Chlorophyta, when the water temperature is abnormally high. Besides, the reduction in phytoplankton cell size is observed at cenotic level. The findings of comparative analysis of retrospective and present data show an increase in Cyanobacteria biomass during the recent decades. High cell count and biomass of Cyanobacteria are recorded in the lower part of the Kyiv reservoir distinguished by large shallow-water areas, which quickly get warm, and in the upper part of the Kaniv reservoir, where Cyanobacteria get during the HPP discharge. This phenomenon can be considered as mass effect – presence of species in untypical localities due to high speed of dispersal from other localities. The phytoplankton responded to abnormal fluctuations of water level by increase in the Sorensen species similarity indices between the local communities under the abnormally high and low levels, as compared with the normal level. When the water level is abnormally high, species migration among the local communities becomes more intense, and the mass effect is observed. During the abnormally low water level some algal species from benthos and periphyton migrate to phytoplankton. Besides, during the abnormally high and low levels, as compared with the normal level, the distance decay of similarity slows down, which can also be regarded a manifestation of mass effect.
Keywords:
phytoplankton, Dnieper reservoirs, local communities, abnormal temperatures, unstable mode of hydroelectric power stationFull text
References
Algal blooms. 1968. Ed. A.V. Topachevskiy. Kyiv: Nauk. Dumka. 388 p. [«Цветение» воды. 1968. Под ред. А.В. Топачевского. Киев: Наук. думка. 388 с.]
Barinova S.S., Bilous O.P., Tsarenko P.M. 2019. Algal indication of water bodies in Ukraine: Methods and perspectives. Haifa, Kyiv: Univ. Haifa Publ. 367 p. [Баринова С.С., Белоус Е.П., Царенко П.М. 2019. Альгоиндикация водны объектов Украины: Методы и перспективы. Хайфа, Киев: Изд-во Хайф. ун-та. 367 с.]
Baselga A. 2010. Partitioning the turnover and nestedness components of beta diversity. Glob. Ecol. Biogeogr. 19: 134–143. https://doi.org/10.1111/j.1466-8238.2009.00490.x
Climate data for the city of Kyiv. 2022. Boris Sreznevsky Central Geophysical Observatory. [Кліматичні дані по м. Києву. 2022 р. Центральна геофізична обсерваторія імені Бориса Срезневського]. http://cgo-sreznevskyi.kyiv.ua/uk/diialnist/klimatolohichna/
klimatychni-dani-po-kyievu
Goldenberg Vilar A., Van Dam H., Van Loon E., Vonk J.A., Van Der Geest H.G., Admiraal W. 2014. Eutrophication decreases distance decay of similarity in diatom communities. Freshwat. Biol. 59(7): 1522–1531. https://doi.org/10.1111/fwb.12363
Guiry M.D., Guiry G.M. 2022. AlgaeBase. World-wide electron. publ. Nat. Univ. Ireland, Galway. http://www.algaebase.org
Hydrology and hydrochemistry of the Dnieper River and its reservoirs. 1989. Ed. M.A. Shevchenko. Kyiv: Nauk. Dumka. 216 p. [Гидрология и гидрохимия Днепра и его водохранилищ. 1989. Под ред. М.А. Шевченко. Киев: Наук. думка. 216 с.]
Information on the water level and temperature in the Dnipro River. 2022. Boris Sreznevsky Central Geophysical Observatory. [Інформація щодо рівня та температури р. Дніпро (Канівське вдсх). 2022 р. Центральна геофізична обсерваторія імені Бориса Срезневського]. http://cgo-sreznevskyi.kyiv.ua/uk/diialnist/hidrolohichna?id=152
Kiernan D. 2014. Natural resources biometrics. Geneseo, New York: Open SUNY Textbooks. State Univ. Geneseo. 251 p.
Leibold M.A., Hoyoak M., Mouquet N., Amarasekare P., Chase J., Hoopes M., Holt R., Shurin J.B., Law R., Tilman D., Loreau M., Gonzalez A. 2004. The metacommunity concept: a framework for multi-scale community ecology. Ecol. Lett. 7(7): 601–613. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2004.00608.x
Leontieva T., Krot Yu., Usenko O., Konovets I., Kipnis L., Krasyuk Yu. 2024. Criteria for evaluation the production potential of green microalgae (Chlorophyta) for mass cultivation. Hydrobiol. J. 60(2): 57–65. https://doi.org/10.1615/HydrobJ.v60.i2.40
Life in fresh waters of USSR. 1949. Ed. V.I. Zhadin. Moscow, Leningrad: Acad. Nauk. 540 p. [Жизнь пресных вод СССР. 1949. Под ред. В.И. Жадина. М., Л. Изд-во АН СССР. 540 с.]
Minicheva H.H., Harkusha O.P., Kalashnik K.S., Marynets H.V., Sokolov Ye.V. 2024. Reaction of planktonic and benthic algae in the Black Sea to the consequences of the destruction of the Kakhovska reservoir dam on the Dnipro River (Ukraine). Algologia. 34(2): 104–129. [Мінічева Г.Г., Гаркуша О.П., Калашнік К.С., Маринець Г.В., Соколов Є.В. 2024. Реакція водоростей планктону та бентосу Чорного моря на наслідки руйнування греблі Каховського водосховища на р. Дніпро (Україна). Альгологія. 34(2): 104–129]. https://doi.org/10.15407/alg34.02.104
Nezbrytska I.M. 2017. Specifics of Chlorophyta and Cyanoprokaryota representatives functioning under conditions of increase in the aquatic environment temperature. Cand. Sci. Diss. Abstract. Kyiv. 25 p. [Незбрицька І.М. Особливості функціонування представників Chlorophyta та Cyanoprokaryota за умов підвищення температури водного середовища: Автореф. дис. … канд. біол. наук. Київ. 25 с.]
Oksiyuk O.P., Timchenko V.M., Davydov O.A. et al. 1999. State of ecosystem of the Kyiv section of Kaniv Water reservoir and the ways of its regulation. Kyiv. 60 p. [Оксиюк О.П., Тимченко В.М., Давыдов О.А. и др. 1999. Состояние экосистемы Киевского участка Каневского водохранилища и пути его регулирования. Киев. 60 с.]
Osadchyi V.I., Aguilar E., Skrynnyk O.A., Boychuk D.O., Sidenko V.P., Skrynnyk O.Ya. 2018. Daily assymentry of climate change of air temperature in Ukraine. Ukr. Geogr. J. 3(103): 21–30. [Осадчий В.І., Агуілар Е., Скриник О.А. Бойчук Д.О., Сіденко В.П., Скриник О.Я. 2018. Добова асиметрія кліматичних змін температури повітря в Україні. Укр. геогр. журн. 3(103): 21–30] https://doi.org/10.15407/ugz2018.03.021
Rules of operation of the Dnieper cascade reservoirs. 2022. Min. Protect. Nat. Res. Ukraine [Правила експлуатації водосховищ Дніпровського каскаду. 2022. Мін-во захисту довкілля та природ. рес. України]. https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z0704-22#Text
Semenyuk N.Ye., Shcherbak V.I. 2016. Structural and functional organization of phytoepiphyton of the Dnieper reservoirs and factors influencing its development. Rep. 1. Role of some hydrophysical factors. Hydrobiol. J. 52(5): 3–17. https://doi.org/10.1615/HydrobJ.v52.i5.10
Semenyuk N.Ye., Shcherbak V.I., Davydov O.A., Koziychuk E.Sh., Yuryshynets V.I. 2024. Spatial dynamics of planktonic and contour algal metacommunities in lotic and lentic ecosystems. Sci. Issue Ternop. Nat. Ped. Univ. Ser. Biol. 84(2): 40–50. [Семенюк Н.Є., Щербак В.І., Давидов О.А., Козійчук Е.Ш., Юришинець В.І. 2024. Просторова динаміка планктонних і контурних альгометаугруповань лотичних і лентичних екосистем. Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту. Сер. Біол. 84(2): 40–50] https://doi.org/10.25128/2078-2357.24.2.5
Shcherbak V.I. 1987. Phytoplankton production and trophic role in the Kyiv reservoir ecosystem: Cand.Sci.Diss. Abstract. Kyiv. 18 p. [Щербак В.И. 1987. Продукция фитопланктона и его трофическая роль в экосистеме Киевского водохранилища: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Киев. 18 с.]
Shcherbak V.I. 1989. Phytoplankton of the Dnieper River and its reservoirs. Kyiv reservoir. Kaniv reservoir. In: Vegetation and bacterial population of the Dnieper River and its reservoirs. Kyiv: Nauk. Dumka. Pp. 81–87. [Щербак В.И. 1989. Фитопланктон Днепра и его водохранилищ. Киевское водохранилище. Каневское водохранилище. У кн.: Растительность и бактериальное население Днепра и его водохранилищ. Киев : Наук. думка. С. 81–87]
Shcherbak V.I. 1999. Primary production of algae in the Dnieper and Dnieper reservoirs. Hydrobiol. J. 35(1): 1–13. https://doi.org/10.1615/HydrobJ.v35.i1.10
Shcherbak V.I. 2002. Methods of studying phytoplankton. In: Methodical fundamentals for hydrobiological studies of aquatic ecosystems. Kyiv. Pp. 41–47. [Щербак В.І. 2002. Методи досліджень фітопланктону. У кн.: Методичні основи гідробіологічних досліджень водних екосистем. Київ. С. 41–47]
Shcherbak V.I. 2006. Phytoplankton. In: Methods of hydroecological investigations of surface waters. Kyiv: Logos. Pp. 8–27. [Щербак В.І. 2006. Фітопланктон. У кн.: Методи гідроекологічних досліджень поверхневих вод. Київ: Логос. С. 8–27]
Shcherbak V.I. 2019a. Patterns of water reservoir ecosystems' reaction to climate change. Фітопланктон. In: Biodiversity and bioresource potential of the Dnieper water reservoirs under conditions of climate change and biological invasion. Kyiv: Nauk. Dumka. Pp. 178–190. [Щербак В.І. 2019a. Основні закономірності реакції екосистем водосховищ на зміни клімату. У кн.: Біорізноманіття та біоресурсний потенціал екосистем дніпровських водосховищ в умовах кліматичних змін і розвитку біологічної інвазії. Київ: Наук. думка. С. 178–190]
Shcherbak V.I. 2019b. Response of phytoplankton of the Kyiv reservoir to the increase in summer temperatures. Hydrobiol. J. 55(1): 18–35. https://doi.org/10.1615/HydrobJ.v55.i1.20
Shcherbak V.I., Maystrova N.V. 2001. Phytoplankton of the Kyiv section of the Kaniv reservoir and factors affecting its development. Kyiv. 70 p. [Щербак В.І, Майстрова Н.В. 2001. Фітопланктон київської ділянки Канівського водоймища та чинники, що його визначають. Київ. 70 с.]
Shcherbak V.I., Semenyuk N.Ye. 2004. Effect of hydrological regime upon the phytoplankton structure in the adjacent water bodies of the Kaniv reservoir. In: Science and education '2004: 7th International scientific and practical conference. Dnipropetrovsk. Vol. 56. Biol. Sci. Pp. 77–79. [Щербак В.І., Семенюк Н.Є. 2004. Вплив гідрологічного режиму на структуру фітопланктону придаткових систем Канівського водосховища. У кн.: Наука і освіта '2004: VII Міжнародна науково-практична конференція. Т. 56. Біол. науки. С. 77–79]
Shcherbak V.I., Semenyuk N.Ye., Linchuk M.I. 2019. Winter under the ice water bloom formed by Aphanizomenon gracile Lemmermann. Hydrobiol. J. 55(5): 20–34. https://doi.org/10.1615/HydrobJ.v55.i5.20
Shcherbak V.I., Semenyuk N.Ye., Yakushin V.M. 2022. Phytoplankton structural and functional organisation in a large lowland reservoir under the global climate change (case study of the Kaniv reservoir). Hydrobiol. J. 58(6): 3–27. https://doi.org/10.1615/HydrobJ.v58.i6.10
Shcherbak V.I., Semenyuk N.Ye., Davydov O.A., Larionova D.P. 2023a. Present-day characteristics of phytoplankton, microphytobenthos and phytoepiphyton of the Kaniv reservoir. Report 1: Taxonomic, ecological diversity and spatial patterns. Algologia. 33(3): 147–184. [Щербак В.І., Семенюк Н.Є., Давидов О.А., Ларіонова Д.П. 2023a. Сучасна характеристика фітопланктону, мікрофітобентосу та фітоепіфітону Канівського водосховища. Повідомлення 1: Таксономічне, екологічне різноманіття та просторовий розподіл. Альгологія. 33(3): 147–184]. https://doi.org/10.15407/alg33.03.147
Shcherbak V.I., Semenyuk N.Ye., Davydov O.A., Larionova D.P. 2023b. Present-day characteristics of phytoplankton, microphytobenthos and phytoepiphyton of the Kaniv reservoir. Report 2: Abiotic variables, quantitative diversity, dominant species complex, trophic state, water quality. Algologia. 33(4): 247–277. [Щербак В.І., Семенюк Н.Є., Давидов О.А., Ларіонова Д.П. 2023b. Сучасна характеристика фітопланктону, мікрофітобентосу та фітоепіфітону Канівського водосховища. Повідомлення 2: Абіотичні чинники, кількісне різноманіття, домінуючий комплекс, трофність та оцінка якості водного середовища. Альгологія. 33(4): 247–277]. https://doi.org/10.15407/alg33.04.247
Shcherbak V.I., Semenyuk N.Ye., Maystrova N.V. 2024. Characteristics of Cyanobacteria at different stages of existence of the Kyiv reservoir. Hydrobiol. J. 60(1): 3–27. https://doi.org/10.1615/HydrobJ.v60.i1.10
Sørensen T. 1948. A method of establishing groups of equal amplitude in plant sociology based on similarity of species content and its application to analyses of the vegetation of Danish commons. Kong. Danske Videnskab. Selskab Biol. Skrift. 5(4): 1–46.
Talling J.F. 1962. Freshwater algae. In: Physiology and biochemistry of algae. New York: Acad. Press. Pp. 743–757.
Tilman D., Kiesling R., Sterner R., Kilham S., Johnson F. 1986. Green, blue-green and diatom algae: taxonomic differences in competitive ability for phosphorus, silicon and nitrogen. Arch. Hydrobiol. 106(4): 473–485. https://doi.org/10.1127/archiv-hydrobiol/106/1986/473
Timchenko V.M., Lynnyk P.M., Kholodko O.P., Beliaev V.V., Vandyuk N.S., Gulyaeva O.O., Zhezherya V.A. 2013. Abiotic components of the Kyiv reservoir ecosystem. Kyiv: Logos. 59 p. [Тімченко В.М., Линник П.М., Холодько О.П., Беляєв В.В., Вандюк Н.С., Гуляєва О.О., Жежеря В.А. 2013. Абіотичні компоненти екосистеми Київського водосховища. Київ: Логос. 59 с.]
Topachevskyi O.V., Oksiyuk O.P. 1960. Diatoms - Bacillariophyta. In: Identification manual of the freshwater algae of Ukrainian RSR. Issue 9. Kyiv: Nauk. Dumka. 411 p. [Топачевський О.В., Оксіюк О.П. 1960. Діатомові водорості - Bacillariophyta. У кн.: Визначник прісноводних водоростей Української РСР. Вип. 9. Київ: Наук. думка. 411 с.]
Wetzel C.E., Bicudo D. de C., Ector L., Lobo E.A., Soininen J., Landeiro V.L., Bini L.M. 2012. Distance decay of similarity in neotropical diatom communities. PLoS ONE. 7(9): e45071. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0045071 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23028767 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3441607
Yuryshynets V.I., Semenyuk N.Ye., Shcherbak V.I., Davydov O.A., Koziychuk E.Sh., Shelyuk Yu.S. 2024. Some issues and challenges of applying metacommunity theory in complex studies of phytoplankton, phytobenthos and phytoperiphyton of continental aquatic ecosystems. Ukr. J. Nat. Sci. 9: 56–73. [Юришинець В.І., Семенюк Н.Є., Щербак В.І., Давидов О.А., Козійчук Е.Ш., Шелюк Ю.С. 2024. Деякі актуальні проблеми застосування теорії метаугруповань при комплексному вивченні фітопланктону, мікрофітобентосу, фітоперифітону континентальних водних екосистем. Укр. журн. природ. наук. 9: 56–73]
Zadorozhna G.M., Shcherbak V.I. 2017. Effect of solar radiation and water temperature on development of phytoplankton in the Kaniv reservoir. Hydrobiol. J. 53(1): 18–27. https://doi.org/10.1615/HydrobJ.v53.i1.20
