КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-77-00040

НазваниеАномальные концентрации токсичных элементов в донных отложениях голоцена: факторы аккумуляции и влияние на озерные экосистемы Урала

РуководительМасленникова Анна Валерьевна, Кандидат геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южно-Уральский федеральный научный центр минералогии и геоэкологии Уральского отделения Российской академии наук, Челябинская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2020 

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-203 - Геохимия осадочных процессов

Ключевые словадонные отложения, токсичные элементы, база данных, озеро, диатомовый анализ, палеолимнология, количественная реконструкция, Урал

Код ГРНТИ38.33.17


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Озера имеют важное экономическое значение, как источники питьевого и технического водоснабжения, поэтому для решения практической задачи эффективного управления озерными экосистемами необходимо изучение причин и последствий аккумуляции в них токсичных элементов. В настоящее время большое значение придается антропогенному воздействию на природные системы. Однако существующие природные механизмы могут вызвать не менее катастрофические глобальные события, особенно в сочетании с бездумным антропогенным воздействием, не базирующемся на научном знании и понимании возможных реакций природных систем на вмешательство. Поэтому в задачи проекта входит установление природных и антропогенных факторов, их значимости и механизмов воздействия на концентрирование потенциально опасных химических элементов в озерах в условиях горнопромышленных комплексов Урала. На основе оценки воздействия токсичных элементов (Cu, Zn, Sn, Se, Te, Tl, Sb, As, Sn, U, Mo, W, Au, Ag) на озерные экосистемы предполагается разработать новые критерии геоэкологических прогнозов применительно к горно-лесным, лесостепным и степным ландшафтно-климатическим зонам. Поставленные задачи будут решаться с помощью междисциплинарных исследований на основе оригинального комплексного подхода, сочетающего минералого-геохимические исследования с классическими палеолимнологическими методами. В работе получит развитие новая база озер Урала, включающая не только данные о диатомовых комплексах, гидрохимических, морфометрических параметрах озер, но и результаты определения содержания микроэлементов в воде, донных и прибрежных отложениях. Новые знания о закономерностях миграции и аккумуляции токсичных элементов, а также причинах трансформаций озер Урала дадут научную базу для эффективного управления озерными экосистемами и ресурсами, и расширят возможности геохимических методов поиска полезных ископаемых. Мультиэлементные физико-химические модели, объясняющие поведение токсичных элементов в различных обстановках озерного седиментогенеза, позволят предсказать и предотвратить риск загрязнения озер Урала потенциально опасными элементами при изменениях естественных или антропогенных факторов. Диатомовые индексы, полученные на основе изучения изменений диатомовых комплексов в ответ на высокие концентрации токсичных элементов для пресных озер и солоноватоводных озер, дадут возможность оценивать интенсивность загрязнения поллютантами озерных экосистем. Количественные реконструкции голоцена в сочетании с физико-химическим моделированием, изучением минералогического состава и форм нахождения данных элементов в донных отложениях, позволят определить причины их аномальных концентраций 2.5-11.5 тыс. л.н. и внесут вклад в понимание естественных механизмов аккумуляции токсичных элементов.

Ожидаемые результаты
1. Ожидается получение новых знаний о естественных факторах и их вкладе в аккумуляцию токсичных элементов в озерах. Новые знания о закономерностях миграции и аккумуляции токсичных элементов, а также причинах трансформаций озер Урала создадут научную базу для эффективного управления озерными экосистемами и ресурсами. Кроме того, будет внесен вклад в одну из проблем фундаментальной науки, касающуюся изучения путей и факторов, влияющих на миграцию химических элементов. Полученные конкретные знания о закономерностях миграции и аккумуляции Cu, Zn, Sn, Tl, Bi, As, Se, Mo, U, Sb, Au, Ag и Pb расширят возможности геохимических методов поиска полезных ископаемых. Новые модели, объясняющие поведение токсичных элементов в различных обстановках озерного седиментогенеза, позволят предсказать и предотвратить риск загрязнения озер Урала потенциально опасными элементами при изменениях естественных или антропогенных факторов. 2. На основе новых данных об изменениях диатомовых сообществ в ответ на загрязнение токсичными элементами для пресных озер с околонейтральным рН и солоноватых озер с щелочным рН будут получены диатомовые индексы, позволяющие оценивать степень техногенного стресса. Данные индексы можно будет использовать не только как инструмент реконструкции развития озерной экосистемы под влиянием техногенной нагрузки, но и для задач экологического мониторинга. 3. Ожидается выполнение количественных палеореконструкций голоцена Среднего и Южного Урала, что позволит не только определить природу и механизм влияния естественных факторов, таких как минерализация, рН, содержание органического вещества в воде на аккумуляцию токсичных элементов в озерах, но и установить причины и тренды трансформаций озерных систем Урала, расположенных в различных ландшафтно-климатических обстановках. Данный результат будет способствовать решению международной научной проблемы определения природы экзогенных факторов и механизмов их воздействия на озера и практической задачи эффективного управления озерными экосистемами и ресурсами. Кроме того, построение количественных палеореконструкций даст возможность внести вклад в решение проблемы палеогеографии и палеоклиматологии, касающейся дефицита количественных палеолетописей голоцена, необходимых для глобальных палеоклиматических реконструкций и будущих долговременных климатических прогнозов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Для выполнения конкретных задач проекта проведены экспедиционные работы по отбору проб воды, прибрежных отложений, коротких колонок донных отложений, включающих индустриальный и доиндустриальный период для 42 озер, расположенных на различном расстоянии от источников техногенного воздействия и характеризующихся разнообразием гидрохимических параметров. Выполнен комплекс аналитических работ, включающий диатомовый анализ, определение основных гидрохимических параметров, концентраций микроэлементов в воде, донных и прибрежных отложениях, анализ содержания органического вещества, карбонатов, основных оксидов, сульфатов и сульфидов в донных осадках озер, а также минералогический анализ отложений озер раннего и среднего голоцена, в которых были обнаружены аномальные концентрации токсичных элементов не связанные с горнопромышленным техногенезом. Все полученные результаты включены в базу данных озер Урала, которая в настоящее время не только хранит информацию о 101 озере, но и позволяет осуществлять комбинированный поиск данных, что необходимо для реализации задач проекта. Получены новые знания о формах нахождения Cd, Cu, Pb, W, Mo, U, Tl, Bi, Sb, и Сr в донных отложениях индустриального и доиндустриального периода четырех пресноводных озер. Сделан вывод, что наибольший экологический риск для изученных озер связан с Cd, Tl и Cu из-за существенной доли их лабильных форм и высоких концентраций этих элементов в воде и донных отложениях изученных озер. С помощью базы данных диатомовых комплексов 71 озера Южного и Среднего Урала получена новая трансферная функция, позволяющая с достаточной степенью надежности реконструировать электропроводность (ЕС) вод озер. С помощью данной функции выполнены количественные реконструкции для трех озер, расположенных в различных физико-географических условиях Южного Урала. Сравнение реконструированных кривых изменения ЕС вод и результатов палинологического анализа позволило определить условия аномального накопления U, Se, Mo и W в отложениях раннего голоцена оз. Сырыткуль. Изучение факторов накопления урана во времени (по колонке донных отложений оз. Сырыткуль, охватывающей более 12 тыс. к.л.н.) показало важнейшую роль ландшафтно-климатических условий, влияющих на особенности выветривания и миграции урана. В зависимости от этого фактора концентрация U в донных отложениях менялась от 89 г/т до 5 г/т. Изучение факторов аккумуляции U в пространстве (по базе данных поверхностных озерных отложений) позволило сделать вывод о существенной роли состава пород водосборов озер. Кроме того установлена взаимосвязь содержания U в воде и донных отложениях и его корреляция с ЕС озерных вод. В ходе реализации проекта в рамках заявленного плана разработана экспресс-методика высокоточного недеструктивного анализа содержаний химических элементов в донных отложениях с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и лазерной абляцией (ЛА-ИСП-МС). Данный метод позволяет выполнять одновременное количественные определение 10 макроэлементов и 49 микроэлементов в различных типах озерных отложений и дает возможность существенно сократить время аналитических процедур для экологических, геохимических, лимнологических и палеолимнологических исследований.

 

Публикации

1. Масленникова А.В. Electric Conductivity Transfer Function and Holocene Quantitative Reconstructions Based on Southern and Middle Urals Lakes Diatom Dataset Journal of Paleolimnology, - (год публикации - 2019)

2. Масленникова А.В., Артемьев Д.А., Штенберг М.В., Филиппова К.А., Удачин В.Н. Express multi-element determination in lake sediments by laser ablation mass-spectrometry (LA-ICP-MS) Limnology and oceanography: methods, - (год публикации - 2019)

3. Масленникова А.В., Удачин В.Н., Анфилогов В.Н. Обстановки накопления аномальных концентраций урана в донных отложениях голоцена озера Сырыткуль (Южный Урал) Доклады Академии наук (англ. версия: DOKLADY EARTH SCIENCES), - (год публикации - 2019)

4. Масленникова А.В., Гулаков В.О. База данных "Комплексная база данных озер Урала (LaDa)/Complex Urals lakes database (LaDa)" -, 2018621834 (год публикации - )

5. - Сделаем озера чище газета "Наука Урала", Год: 2018 Месяц: ноябрь Номер выпуска: 22 Абсолютный номер: 1184 (год публикации - )

6. - Опасность на дне Ученые изучают токсичные элементы, накопившиеся в озерах Российская газета, 28.11.2018 Российская газета - Экономика УРФО №7731 (268) (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В августе 2019 года выполнены экспедиционные работы по отбору дополнительных образцов воды и донных отложений озер, необходимых для уточнения ранее полученных выводов и завершения работ по проекту. Кроме того, изучены новые озера, расположенные вблизи рудопроявлений урана. Завершены аналитические работы, включающие гидрохимический анализ, определение содержания общего фосфора в воде, определение содержания токсичных элементов в прибрежных и донных отложениях, в поверхностной и придонной воде, а также диатомовый анализ. Результаты комплексного анализа включены в базу озер Урала (LaDa), которая в настоящее время насчитывает 108 озер. На основе сравнения данных анализа 206 образцов воды озер Среднего и Южного Урала с нормативами предельно допустимых концентраций токсичных элементов (V, Fe, Mn, Ni, Co, Cr, Cu, Zn, Сd, As, Mo, W, Pb) в водах водных объектов рыбохозяйственного значения и расчета индекса суммарного загрязнения, установлено наличие загрязнения для всех изученных озер. Оеределено, что наибольший вклад в индекс суммарного загрязнения для пресных озер вносят Fe, Cu и Mn, а для соленых озер Fe, Cu и V. Наибольшее загрязнение выявлено для кислых озер импактной зоны Карабашского медеплавильного завода (Fe, Cu, Zn, Mn), озер близ г. Екатеринбурга (Fe>(Cu,Mn)), соленых озер к югу от Челябинска ((Fe,V)>Cu). На основе расчетов оценки потенциального риска и биодоступности Zn и Cu в вычислительной системе Bio-met, определена высокая степень экологического риска для Zn, в воде озер, расположенных вблизи Карабашского медеплавильного комбината. В результате анализа доиндустриальных озерных отложений Южного и Среднего Урала определены фоновые концентрации V, Mn, Ni, Co, Cr, Cu, Zn, As, Mo, Sn, Sb, Tl, Bi, W, Pb и U и установлено повышенное фоновое содержание Ni, U и Cu в донных отложениях озер изученной территории. На основе статистической обработки данных, сделаны выводы о значимой связи содержания Ni, V, Cr, и Co в донных отложениях c наличием массивов ультраосновных пород на водосборе озер, U, Mo — с гранитоидами. Установлено, что концентрации Cu в донных отложениях озер, расположенных вблизи рудопроявлений и месторождений меди, в 2-16 раз выше фоновых значений. С помощью дисперсионного анализа определено значимое повышение концентраций Bi, Pb, Tl, Cu, Zn, Cd и As в донных отложениях индустриального периода. Сделан вывод, что содержания Ni, W, Cr, Co, Mn, U и Mo в донных отложениях изученной территории, в настоящее время, так же как и в доиндустриальном периоде, определяются, главным образом, естественными причинами. Установлена отрицательная взаимосвязь содержаний, индексов загрязнения Cu, Mo, Tl, Bi, Pb, Zn, Cd и As с расстоянием до ближайшего медеплавильного комбината. Результаты расчета специальных геохимических индексов показали, что максимальное загрязнение характерно для донных отложений озер импактной зоны (<20 км) Карабашского медеплавильного комбината. Согласно данным диатомового анализа определено, что ответом на техногенное воздействие является возрастание количества мелких бентосных диатомей, повышение разнообразия ацидофильных видов, появление Achnanthidium minutissimum. Однако, установлено что ответ диатомовых сообществ на техногенное воздействие маскируется их реакцией на антропогенную эвтрофикацию. Это связано с тем, что, согласно результатам многомерного анализа данных, главными факторами, на которые реагируют диатомовые сообщества в изученной выборке озер, являются электропроводность (показатель солености воды) и содержание общего фосфора, а не содержание токсичных элементов. В 2019-2020 году завершены работы по публикации трех статей, написанных в предыдущий период, отправлена в журнал еще одна статья (WoS, Scopus) и принято очное участие (доклад) в международной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и на сопредельных территориях» (г. Белгород).

 

Публикации

1. Масленникова А.В., Филиппова К.А., Блинов И.А, Удачин В.Н., Дерягин В.В. Диатомовые танатоценозы как отражение изменения экологического состояния озер Южного Урала Водные ресурсы, - (год публикации - 2020)

2. Гулаков В.О., Масленникова А.В. Использование геоинформационных систем в работе над оценкой экологического состояния озер Материалы VIII Международной научной конференции (Белгород, 22-25 октября 2019 г.): Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и на сопредельных территориях./ под ред. М.А. Польшиной. Белгород: ИД «Белгород» НИУ «БелГУ», С. 276—280 (год публикации - 2019)

3. Масленникова А.В. Оценка природной и антропогенной трансформации озер Южного Урала с помощью диатомового анализа Материалы VIII Международной научной конференции (Белгород, 22-25 октября 2019 г.): Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и на сопредельных территориях./ под ред. М.А. Польшиной. Белгород: ИД «Белгород» НИУ «БелГУ», С. 232-238 (год публикации - 2019)


Возможность практического использования результатов
Полученные данные относительно влияния пород водосборов и ландшафтно-климатической обстановки на концентрацию токсичных элементов в озерах позволят более точно оценивать экологический риск, связанный с горно-промышленным техногенезом в зависимости от естественных факторов. Установленная связь содержания ряда токсичных элементов с их рудопроявлениями позволяет использовать озерные отложения при поиске полезных ископаемых. Комплексы диатомовых водорослей – биоиндикаторов различных видов антропогенной трансформации, определенные в ходе выполнения проекта, можно использовать не только как инструмент реконструкции развития озерной экосистемы под влиянием антропогенной нагрузки, но и для задач экологического мониторинга. База данных озер Урала, содержащая в настоящий момент комплексную информацию о 108 озерах, является важным инструментом для определения степени загрязнения озер, фоновых концентраций токсичных элементов, а также архивирует информацию необходимую для оценки динамики состояния озер.