Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе первого этапа исследований была проведена серия опробований на территории Томского района (Томская область) и района оз. Поянху (Китай) с целью вывления особенностей миграции и трансформации соединений азота под влиянием различных природных и антропогенных факторов. Во время полевых работ были отобраны пробы подземных вод неглубокого залегания (в основном грунтовые воды) и образцы почв в пределах территорий, использующихся для различных видов сельскохозяйственной деятельности. В Томском районе сельскохозяйственная деятельность в основном представлена животноводческими комплексами и мелкими садово-огородническими кооперативами. В районе оз. Поянху наиболее распространенными видами деятельности является выращивание риса, разведение водных животных и растений, выращивание других культур и в меньшей степени животноводство (в основном, птицеводство). Пробы отбирались в период затухания вегетации. Полученные в ходе опробований образцы были направлены в лаборатории для проведений химического и микробиологического анализов. Кроме того, было выполнено определение изотопного состава растворенных в воде нитратов с целью выявления источников поступления соединений азота в подземные воды и определения процессов, контролирующих их миграцию и трансформацию в системе почва-подземные воды. Почвы и породы зоны аэрации были направлены на минералогический анализ, результаты которого будут использованы для учета процессов сорбции при миграции соединений азота. По результатам анализов были созданы базы данных и проведена предварительная камеральная обработка с использованием методов математической статистики. В программе Селектор-С, предназначенной для численного моделирования поведения природных и техногенных систем, была создана трехрезервуарная модель системы «атмосфера – почва – [дополнительный источник азота] – подземные воды». В первом резервуаре вода реагирует с атмосферой. Образующийся раствор поступает во второй резервуар, который представляет собой систему «вода – почва». Кроме того, во второй резервуар, помимо водного раствора, из внешней среды поступает удобрение. Прореагировав с почвой и удобрением, раствор поступает в третий резервуар, представляющий собой систему «вода – порода». Данная модель будет доработана, верифицирована и использована для моделирования влияния различных доз удобрений на состояние природно-антропогенной экосистемы. Помимо прочего на основе данных пробоотборов 2017 г. и предыдущих исследований были оценены риски для здоровья населения Томского района и района оз. Поянху от потребления неглубокозалегающих подземных вод. На данном этапе оценивались неканцерогенные эффекты. Кроме индивидуального риска от воздействия отдельных элементов, присутствующих в составе подземных вод, оценивался также суммарный риск от комплексного влияния всех изученных компонентов химического состава вод с учетом органов и систем человеческого организма, на которые эти компоненты оказывают негативное воздействие. Было выявлено, что наиболее неблагоприятной областью в отношении риска развития неканцерогенных эффектов от потребления подземных вод является устье рр. Сюшуй и Ганьцзян. Этот район неблагополучен в отношении рисков развития неканцерогенных кожных заболеваний, заболеваний иммунной, нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной, кровеносной систем (включая риск повышения уровня метгемоглобина), желудочно-кишечного тракта и слизистых оболочек. Что касается Томского района, здесь существует риск развития неканцерогенных эффектов от потребления грунтовых вод для следующих систем и органов: кровеносная, сердечно-сосудистая системы, слизистые, кожа, иммунная, нервная, эндокринная системы, желудочно-кишечный тракт, печень. Завершающим этапом оценки неканцерогенных эффектов было построение карт распределения рисков по территории исследований. Проекту посвящена статья Куда идет азот? // Газета Национального исследовательского Томского политехнического университета "За кадры". - 1 сентября 2017. - №11 (3461). url-адрес https://za-kadry.tpu.ru/article/941/9625.htm

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Во время второго года реализации проекта были завершены полевые исследования, в частности поведены опробования, приуроченные к началу сельскохозяйственного сезона в заявленных районах исследования, а также проведен дополнительный пробоотбор на территории Томского района в осенний период для дополнения данных по одной из точек опробования и проверки ранее полученных результатов. Комплексные геохимические исследования включали в себя отбор проб подземных вод и почв с двух глубин. Были завершены аналитические работы, включающие в себя общий химический анализ проб подземных вод, определение содержания соединений азота, Nобщ и Сорг в почвах и породах зоны аэрации, микробиологический анализ подземных вод и почв, анализ δ18O-NO3- и δ15N-NO3-. С учетом данных о геохимических условиях, составе почв и пород зоны аэрации, а также особенностях антропогенной нагрузки в пределах изучаемых территорий в программе GEOCHEQ_M была создана модель сорбции иона аммония на монтмориллоните, для того чтобы понять насколько сильно сорбция на глинистых минералах может повлиять на процессы, происходящие с азотом в системе почва-подземные воды. В модель также был включен дополнительный источник азота – органическое удобрение. Численная модель показала, что монтмориллонит способен эффективно сорбировать ион аммония, поступающий с удобрениями, как в закрытой, так и в открытой системе. Основным результатом исследований стало описание поведения соединений азота в системе почва-подземные воды в пределах агроландшафтов климатических зон субтропического и умеренного климата, испытывающих на себе антропогенную нагрузку различной степени. Было выяснено, что азот поступает в почву в виде органических соединений. Внесение органики происходит в весенне-летний период, в начале сельскохозяйственного сезона. Это справедливо для обоих районов исследования. Однако дальнейшее поведение соединений азота в изучаемых районах под влиянием природных и антропогенных факторов становится различным. В районе оз. Поянху ниже по разрезу усиливаются процессы нитрификации, после чего нитрат мигрирует в грунтовые воды, где под влиянием денитрифицирующих организмов происходит трансформация нитратов в газообразный азот. В некоторых случаях процесс нитрификации продолжается в водоносном горизонте, возможно это связано с поступлением сточных вод, путь миграции которых короче по сравнению с органическим веществом удобрений. Очевидно также, что часть органического вещества поступает непосредственно в водоносный горизонт и минерализуется с образованием углекислоты. Исключение составляет район, расположенный в устье р. Ганьцзян, где для верхней части разреза характерны восстановительные условия (Eh порядка -100 мВ), здесь нитрификация вряд ли играет существенную роль. Таким образом, в водоносный горизонт поступает органическое вещество, которое минерализуется с образованиеv CO2 и снижением Eh. Аммонификация органического вещества протекает, вероятно, непосредственно и водоносном горизонте, что подтверждается относительно высокими концентрациями Cорг и Nорг. Микробиологический состав почв Томского района указывает на то, что несмотря на развитие сельскохозяйственной деятельности, природные процессы обогащение почвы соединениями азота играют большую роль, а внесение удобрений в течении сельскохозяйственного сезона не оказывает значительного влияния на естественный цикл азота. Вероятно, азот минерализуется с участием аммонифицирующих микроорганизмов и активно потребляется растениями в верхнем почвенном горизонте в течении сельскохозяйственного сезона, таким образом потери азота минимизируются, поддерживая концентрации соединений азота в подземных водах на достаточно низком уровне. Низкая активность микроорганизмов в начале лета обеспечивает поступление не окисленных органических соединений непосредственно в водоносный горизонт, минерализация же органики ведет к накоплению растворенной углекислоты. В течении лета с повышением температуры активность микробиологических процессов усиливается. Данные о микробиологическом и химическом составе почв и подземных вод, а также стабильность нитрат-иона в грунтовых водах в осенний период, несмотря на низкие значения Eh, указывают на то, что нитрификация протекает в почвенном горизонте и к концу сельскохозяйственного сезона азот попадает в грунтовые воды уже в виде нитратов, в то время как в начале лета он поступает в виде органических соединений, которые переходят в ион аммония непосредственно в водоносном горизонте. Повышение концентрации соединений азота в грунтовых водах п. Аникино и формирование там восстановительной обстановки в летний период вероятно связано не столько с внесением удобрений, сколько с поступлением сточных вод, в виду отсутствия систем их очистки. Исходя из результатов анализа изотопного состава нитратов, растворенных в подземных водах, было сделано предположение о том, что определяющую роль в загрязнении подземных вод Томского района соединениями азота играет не столько сельскохозяйственная деятельность, сколько сопутствующие ей факторы – распространение мелких частных хозяйств, где отсутствуют системы очистки бытовых стоков. На основе приведенных выше данных о миграции и трансформации соединений азота в пределах агроландшафтов района оз. Поянху и Томского района выявлено два основных фактора, влияющих на цикл азота. Первый обусловлен особенностями ведения сельскохозяйственной деятельности, а именно высокой ее интенсивностью в районе оз. Поянху, что безусловно вызывает намного более серьезную нагрузку на экосистему по сравнению с Томским районом. Второй связан с комплексом природных особенностей, в число которых входит разный уровень обеспеченности почв соединениями азота и резко отличная длительность сельскохозяйственного сезона, связанная с климатическими факторами, это обуславливает различный уровень активности микроорганизмов в пределах изучаемых территорий. Так невысокая обеспеченность почв Томского района минеральными соединения азота повышает активность азотфиксирующих микроорганизмов, которые при этом усваивают азот воздуха и переводят его в доступную для растений форму, в то время как в районе оз. Поянху достаточно высокая обеспеченность почв минеральными соединениями азота и интенсивное внесение удобрений ингибируют фиксацию азота воздуха, что оказывает влияние на естественный цикл азота. Относительно низкие температуры в Томском районе, обуславливают малую длительность сельскохозяйственного сезона (что несомненно уменьшает нагрузку на экосистему) и низкую активность микроорганизмов, участвующих в цикле азота, особенно в начале сельскохозяйственного сезона. Это обеспечивает попадание не окисленной органики непосредственно в водоносный горизонт, формирование восстановительных условий в верхней части разреза и смещение баланса форм азота в сторону восстановленных в начале лета. В течении сельскохозяйственного сезона баланс смещается в сторону нитратов в виду повышения активности нитрифицирующих микроорганизмов. В районе оз. Поянху баланс форм азота всегда смещен в сторону нитратов (за исключением отдельных территорий, где под действием природных факторов формируется восстановительная обстановка), что вероятно обусловлена высокой активностью микроорганизмов в течении всего года. Следует отметить важную роль глинистых минералов в предотвращении миграции органических соединений и аммония из почвенного горизонта в подземные воды в пределах обоих районов. Дополнительно к изучению цикла азота в пределах агроландшафтов Томского района были проведены предварительные исследования на участках олиготрофного торфяного болота (Шегарский район Томской области), куда поступают сточные воды близлежащих населенных пунктов, с целью дальнейшего выяснения экологической емкости болотных систем по отношению к соединениям азота и их способности создавать геохимические барьеры для миграции этих соединений. На данном этапе было выяснено, что максимальные концентрации нитрит-иона накапливаются в результате возникновения окислительно-восстановительного барьера на глубине 1,25-1,75 м торфяной залежи (выводы сделаны на основе исследований фонового участка Васюганского болота). Во время второго года реализации проекта была завершена работа по оценке неканцерогенных эффектов у населения от потребления подземных вод Томского района, а именно построены карты распределения коэффициентов и индексов опасности по его территории. В рамках процедуры оценки потенциальных рисков от потребления подземных вод были рассчитаны канцерогенные риски от потребления подземных вод Томского района и района оз. Поянху и построены карты их распределения. Исследования показали схожую природу канцерогенных рисков: в обоих районах они вызваны повышенными концентрациями As и Pb, а в районе оз. Поянху также Be. Совместно эти элементы оказывают влияние на дыхательную систему, почки и мочевую систему. Наиболее неблагоприятные участки в отношении потенциальных рисков развития канцерогенных эффектов в районе оз. Поянху локализованы в низовьях рр. Ганьцзян и Сюшуй, а в Томском районе повышенные канцерогенные риски выявлены в точках, расположенных в п. Мирный, с. Поросино, п. Просторный, с. Зоркальцево, с. Коларово, однако в этом районе загрязнение носит точечный характер.