проект РФФИ  18-05-60125

Крупные озера Арктики в условиях глобальных и региональных изменений окружающей среды и климата

Результаты исследований 

 

В данном проекте проведена комплексная оценка факторов, снижающих ресурсный потенциал поверхностных пресноводных ресурсов Евро-Арктического региона. Исследование проводилось для большого арктического пресноводного озера Имандра и его водосбора.

Озеро Имандра

Данные, собранные в ходе исследования, были организованы в базу данных SQL Server, соответствующую стандартам ANSI / ISO, для хранения и поиска данных. Архитектура базы данных делает ее доступной для широкого круга конечных пользователей и позволяет получать запросы как от небольших приложений на одной машине, так и от крупных приложений с выходом в Интернет со многими одновременными пользователями, что может быть реализовано в ходе реализации проекта.

Оригинальные результаты были получены из кернов глубоких донных отложений, собранных из двух небольших нетронутых озер, расположенных в зоне водосбора озера Имандра.

Отбор «длинных» кернов донных отложений эталонных озер

Донные отложения эталонных озер были использованы для исторической реконструкции тектонических и экосистемных явлений с помощью радиоуглеродного датирования, диатомовых, спорово-пыльцевых и элементного анализа. В настоящее время реконструируются постледниковые изменения окружающей среды в бассейне озера Имандра (до настоящего времени) и закономерности накопления осадков в нынешнем периоде в бассейне озера Имандра. Анализ основных слоев осадочных пород до настоящего времени показал, что на территорию повлияли катастрофические тектонические явления в раннем голоценовом периоде. Химический анализ современных слоев донных отложений оз.Имандра показали повышенные концентрации основных химических элементов-загрязнителей в экосистеме водоема. Сравнение уровней накопленных химических элементов в донных отложениях озера Имандра и соответствующих параметров для отложений двухсот небольших арктических озер показало, что озеро Имандра имеет четкую схему накопления отложений, вероятно, обусловленную большим размером его водосборной площади, геохимическим составом основных структур породы и антропогенной деятельности.

Были получены объективные данные последствия обширного антропогенного воздействия на озеро Имандра за последние сто лет. Верхние слои озерных отложений содержат повышенные уровни Ni, Cu, Co, Zn, Cd, Pb, As, Hg и Cr, концентрации которых в десятки, сотни и тысячи раз превышают концентрации тех же элементов в верхних слоях отложений. озер, не подверженных антропогенной активности.

Вертикальное распределение ряда показателей, включая концентрации металлов в донных отложениях оз.Имандра

По нашим оценкам, за последние 100 лет в осадках озера Имандра скопилось 6500 т Ni, 1200 т Cu, 120 т Co, 230 т Zn, 10 т Cd, 25 т Pb, 10 т As и 2 т Hg. 

Пространственное распределение ртути в поверхностных слоях донных отложений оз.Имандра

Помимо тяжелых металлов, озеро Имандра получает большое количество антропогенного фосфора и азота от горнодобывающей промышленности и муниципальных очистных сооружений. Обширная эвтрофикация озера значительно повлияла на качество воды и биологическое разнообразие. Количество водных видов сократилось, и в настоящее время в водных сообществах преобладают малоценные виды, устойчивые к ухудшению качества воды.

Проведена сезонная оценка динамики основных биотических и абиотических компонентов озера Имандра и водоемов прилегающих территорий Апатитско-Кировского промышленного района. Описаны закономерности миграции макробиогеннов, источниками которых являются предприятия добычи и переработки апатит-нефелиновых руд коммунальные сточные воды, и оценили их влияние на эвтрофикацию озера Имандра. Кроме того, мы описали новые экологические явления, ранее неизвестные для евроарктических озер. В настоящее время в озере Имандра наблюдается регулярное  цветение потенциально токсичных водорослей (HAB) в конце летнего сезона.

Массовое развитие цианобактерий (сине-зеленных водорослей)

HAB сопровождаются массовой гибелью различных водных организмов, включая рыб, и быстрыми обратимыми изменениями концентраций растворенных макробиогеннов. Впервые для арктических озер было проведены исследование сезонной динамики HAB в озере Имандра. Получены уникальные данные, которые впервые будут описаны в научной литературе. Исследование было выполнено с использованием метода мета-кодирования 16S рРНК и технологии секвенирования следующего поколения (NGS). Образцы были отобраны на пике цветения, в фазе затухания, и в конце периода цветения.

Исходные данные первичной последовательности нуклеотидов были опубликованы в открытом доступе в базе данных GeneBank (NCBI) под регистрационным номером BioProject PRJNA526000 (16S rRNA metabarcoding study of cyanobacterial bloom in eutrophicated arctic lake).

Данные секвенирования будут сопоставлены с гидрохимическими данными и трофическими параметрами и использованы для прогнозирования HAB’s в эвтрофированных арктических озерах

Массовое развитие цианобактерий (сине-зеленных водорослей)

Проанализированы антропогенные факторы, способствующие формированию  HAB’s оз.Имандра. Проведенные гидробиологический и гидрохимический анализы данных, собранных в различных частях озера Имандра, позволили выделить участки с четко выраженными трофическими характеристиками.

информационной среде информации о водном объекте и возможность получения интересующих данных в текстовом, табличном или картографическом виде. Была разработана структура базы гетерогенных данных, охватывающий период с 70-80х гг. прошлого века по настоящее время, и представленных в различных формах и форматах. Реализована возможность объединения различных данных, касающихся одного водного объект, что позволяет не только упорядочить огромный массив разнородных данных, но и использовать его для анализа, в том числе и ГИС-методами. Наличие этой информации позволяет строить карты, на которых отображаются различные параметры для одного объекта. База данных создана с использованием свободнораспространяемого программного продукта Microsoft SQL Server Management Studio Express. В рамках данного проекта ведется работа по ее оптимизации, наполнению и интегрированию в QGIS (Quantum GIS) - свободную кроссплатформенную геоинформационную систему. Для этого был разработан модуль расширений для импорта данных в электронные карты QGIS, позволяющий использовать формат XLSX. Предложенная методика существенно упрощает процесс экспорта данных вследствие  отсутствия необходимости преобразования исходной атрибутивной информации в простой текст с разделителями; пользователь может импортировать данные непосредственно в нужный слой электронной карты без необходимости создавать промежуточные слои с последующим объединением данных  (Модуль импорта данных об уровне загрязнения водоема. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2019612504). На основе сформированных баз данных, ведется построение тематических карт для формирования Экологического атласа оз.Имандра, как элемента управления ресурсами водоема.

Пространственное распределение общего азота в водах оз.Имандра.)

На примере оз.Имандра проведен анализ причин снижения ресурсного потенциала поверхностных вод европейской части арктического региона. Показано, что существующие линейные экономические модели в условиях Арктики не обеспечивают устойчивого развития региона, ведут к деградации природных систем. Выходом могут стать новые подходы и принципы природопользования, основанные на природоподобных методах циркулярной экономики, накопленных знаниях в области экологии и биомиметики.

Цикл углерода при синтезе биодизеля микроводорослями и его использовании

Рассмотрены возможности реализации общемирового тренда повторного использования сточных вод в условиях АЗРФ. В контексте циркулярной экономики с циклическим использованием продукта, когда экономическое развитие сбалансировано с экологической устойчивостью, сточные воды являются широкодоступным и ценным ресурсом, обеспечивающим устойчивость водопользования. Базисом этих подходов являются природоподобные биомиметические технологии, повторяющие принципы функционирования биологических систем различного уровня, способные перерабатывать низкоконцентрированное сырье с невысокими энерго- и ресурсозатратами, приносящие экономическую выгоду и успешно конкурирующие с традиционными подходами в экономике.

 

ПАВЛОВА А. С., Н. А. КАШУЛИН, Д. Б. ДЕНИСОВ, П. М. ТЕРЕНТЬЕВ, Т. Г. КАШУЛИНА, В. А. ДАУВАЛЬТЕР

Распределение химических элементов между компонентами экосистемы арктического озера Большой Вудъявр (Хибины, Мурманская область)

Сибирский экологический журнал, 3 (2019) 348–366

A. S. Pavlova,  N. A. Kashulin, D. B. Denisov, P. M. Terentev, T. G. Kashulina, and V. A. Dauval’ter

Distribution of Chemical Elements between the Components of the Ecosystem of Arctic Lake Bolshoy Vudyavr (Khibiny, Murmansk Oblast)

Contemporary Problems of Ecology, 2019, Vol. 12, No. 3, pp. 280–297.

2