Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В 2021–2022 годах, на первом этапе проекта, согласно заявленному плану, были проведены экспедиционные работы на выделенных ключевых участках, расположенных на профиле распространения многолетней мерзлоты. В ходе выполнения полевых работ были отобраны образцы донных отложений термокарстовых озер, озерной и поровой воды, выполнена первичная пробоподготовка отобранных образцов. Проведена камеральная пробоподготовка и первичные анализы полевых образцов, разделение истинно-растворенной и коллоидной фракций РОУ, макро- и микроэлементов в озерных и поровых водах озер Западной Сибири с применением методов ультрафильтрационного центрифугирования и постановки in situ экспериментов. Рассчитаны плотность донных отложений, концентрации углерода, азота и ртути в донных отложениях, на основании чего получены данные по их запасам и скоростям накопления в донных отложениях изученных термокарстовых озерах с возможность экстраполирования полученных результатов на большую территорию Западной Сибири. Изучено содержание коллоидной и истинно-растворенной фракции микроэлементов в озерных водах меридионального профиля Западной Сибири. Получены первичные результаты по спектрофотометрическим характеристикам озерных вод (SUVA254). Проведена логико-интерпретационная и экспертная обработка полученных материалов. На первом этапе выполнения проекта в летний период были выполнены экспедиционные работы на ключевых участках, расположенных в различных зонах распространения ММП Западной Сибири. В ходе выполнения полевых работ были получены образцы донных отложений, озерной и поровой воды термокарстовых озер. Лабораторно-аналитические работы включали в себя определение сухой объемной плотности отложений, определение содержания общего органического углерода, определение содержания общего азота, определение содержания общей ртути, расчет соотношения C:N, определение скоростей осадконакопления в донных отложениях (работы планируется продолжить на втором этапе проекта), отбор и анализ озерной и поровой воды донных отложений включающие в себя температурные, потенциометрические, кондуктометрические измерения и определение элементного состава. Представленные в отчете материалы опубликованы или оформлены в виде рукописей в журналы, входящие в международные базы научного цитирования. Отложения исследованных озер характеризовались чрезвычайно высоким абсолютным содержанием воды. Отмечалось уменьшение абсолютного содержания воды в кернах донных отложений, отобранных в озерах с юга на север (от 75 % в спорадической до 46 % в зоне сплошной мерзлоты) и, соответственно, увеличение плотности осадков (от 0,33 г см–3 в спорадической до 0,8 г см–3 в сплошной криолитозоне). На вертикальных профилях OC выделяются две части керна: верхняя «органическая» (мощность от 10 до 38 см) и нижняя «минеральная» (мощность данного слоя варьировала от 3 до 20 см в зависимости от экологического контекста). Концентрация ОС, TN и THg в исследованных озерных отложениях варьировала в зависимости от криолитозоны и биомов. Наблюдалось снижение общей концентрации ОС в озерах от северной тайги (спорадическая мерзлота) к тундровой зоне (сплошная мерзлота). В зоне спорадической криолитозоны концентрация ОС варьировала от 47 ± 8 % в органической части до 10 ± 11 % в минеральной части при средней концентрации ОС 36 ± 19 %. Лесотундровая зона прерывистой многолетней мерзлоты характеризовалась средней концентрацией ОС 29 ± 19 %. Наименьшая концентрация OC наблюдалась в зоне тундры и составляла 16 ± 9 % Концентрация общей ртути в донных отложениях увеличивалась от зоны спорадической мерзлоты 167 ± 82 нг/г до зоны прерывистой мерзлоты (лесотундровая зона) 377 ± 131 нг/г затем следовало резкое уменьшение концентрации ртути в донных отложениях озер тундровой зоны до значений 99 ± 40 нг/г. Отмечено снижение концентрации TN в донных отложениях к северу с локальным максимумом в зоне прерывистой многолетней мерзлоты. Соотношение C:N, качественно отражающее степень разложения органического вещества в озерных отложениях, не демонстрировало каких-либо систематических изменений в зависимости от широты и колебалось от 14 до 57 (в среднем 26 ± 9). В пределах репрезентативной глубины 0–30 см донные отложения озер, расположенных в зоне спорадической мерзлоты, содержали в среднем 16,3 ± 0,5 кг С/м2. При продвижении на север наблюдается увеличение запасов ОС в озерных отложениях до 20,4 ± 0,4 кг С/м2 в зоне прерывистой мерзлоты. В зоне сплошной мерзлоты запасы ОС достигали 24,2 ± 0,8 кг С/м2. Аналогичная пространственная закономерность увеличения запасов в северном направлении наблюдалась для TN в озерных отложениях (0,6 ± 0,02, 0,77 ± 0,02 и 1,01 ± 0,03 кг N/м2 в спорадической, прерывистой и сплошной зонах мерзлоты, соответственно). Запасы общей ртути в донных отложениях показывают тенденцию к увеличению от зоны спорадической мерзлоты (8,8 ± 0,17 мг Hg/м2) до зоны сплошной мерзлоты (17 ± 0,4 мг Hg/м2) с локальным максимумом в зоне лесотундры прерывистой зоны мерзлоты (85 ± 2 мг Hg/м2). Выявлено увеличение запасов ОС в отложениях термокарстовых озер от зоны спорадической криолитозоны (285 ± 8 Тг С или 16,3 ± 0,5 кг С/м2 на площадь термокарстового озера) к зоне сплошной криолитозоны (628 ± 20 Тг С или 24,2 ± 0,8 кг С/м2 на площадь термокарстового озера). Полученные значения площадных запасов ОС в целом выше, чем сообщалось ранее для крупных термокарстовых озер субарктического региона Западной Сибири (14 ± 2 кг С/м2, Audry et al., 2011), термокарстовых озер арктической Аляски (13,4 кг С/м2, Fuchs et al., 2019) и верхних 30 см циркумполярных вечномерзлых грунтов (13 кг С/м2, Mishra et al., 2021). Рассчитанные в нашем исследовании площадные запасы азота сопоставимы с отложениями термокарстовых озер в Арктике Аляски (1,1 кг N/м2, Fuchs et al., 2019). Суммарный запас ОС в термокарстовых озерах криолитозоны Западной Сибири (1,05 млн км2) составил ~ 1,25 Пг С. Это значение согласуется с описанной ранее оценкой запасов ОС в термокарстовых озерах Западной Сибири (0,8–1,6 Пг С, Audry et al., 2011) и в два раза выше, чем в донных отложениях озер Финляндии (площадь акватории 34000 км2), расположенных в зоне распространения торфяников свободных от многолетней мерзлоты (~ 0,6 Пг С, Kortelainen et al., 2004). Недавние оценки общих запасов ОС в почве (0–30 см) в циркумполярной области вечной мерзлоты составляют 217 ± 12 Пг С (Hugelius et al., 2014) и 232 Пг С (Mishra et al., 2021). Таким образом, запасы ОС в отложениях термокарстовых озер Западной Сибири составляют около 0,6 % от общего запаса ОС в торфяниках приполярной криолитозоны. Суммарная скорость накопления ОС в термокарстовых озерах на севере Западной Сибири, оцененная в данном исследовании (7,8 Тг С/год), представляет собой значительную долю накопления ОС в бореальных озерах (20–40  Тг С/год, Heathcote et al., 2015) и составляет 8,9 % от общего уровня захоронения ОС в озерах мира (90 Тг С/год, Mendonça et al., 2017). С учетом имеющихся данных о выбросах С (CO2 + CH4) из термокарстовых озер Западной Сибири (Serikova et al., 2019) отношение выброса С к захоронению в термокарстовых озерах Западной Сибири составляет 2,9, 5,7 и 1,2 для спорадические, прерывистые и сплошные зоны мерзлоты, соответственно. Эти значения согласуются с таковыми для субарктических и арктических озер Швеции (2,4 ± 1,7, Lundin et al., 2015). Учитывая последнее значение эмиссии C из термокарстовых озер Западной Сибири (24 ± 6 Tг C/год, Karlsson et al., 2021), захоронение C в этих озерах представляет собой относительно большую (24–47 %) долю от общих объемов эмиссии углерода с поверхности озер.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На втором этапе проекта, были проведены полевые экспедиционные работы на выделенных ключевых участках, расположенных на профиле распространения многолетней мерзлоты для проведения дополнительного отбора образцов. При проведении биогеохимических анализов полученных образцов донных отложений, озерной и поровой воды. В результате работ по определению содержания коллоидной и истинно-растворенной фракции микроэлементов в поровых и озерных водах при моделировании с помощью программы Visual MINTEQ и базы данных vMinteq. Проведен анализ спектрофотометрических характеристик растворенного органического вещества озерных и поровых вод донных отложений, выявлены особенности пространственного изменения хромофорного органического вещества в поровых водах термокарстовых озер. При изучении вертикальных профилей стабильных изотопов углерода в донных отложениях выявлены особенности процессов разложения органического вещества в озерах различных стадий развития. При моделировании форм химических элементов озерных вод модель предсказала снижение степени комплексообразования РОВ некоторых двухвалентных металлов (Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Zn, Mn) в северных термокарстовых озерах по сравнению с южными районами распространения ММП (зона спорадического распространения многолетней мерзлоты) при увеличении рН и снижением концентрации РОУ в данных озерах. Независимо от размерной фракции наблюдалась достаточно высокая ассоциация всех элементов с РОВ (75–100 %), кроме Rb, Cs, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba (в озерах тундровой зоны, сплошного распространения ММП). В поровых водах модель выявила высокий уровень комплексообразования химических элементов с органическим веществом и незначительное снижение степени комплексообразования РОВ некоторых двухвалентных металлов в поровых водах термокарстовых озер имеющих большую площадь водного зеркала по сравнению малым озером имеющим площадь в 400 м2. При изучении оптических свойств были рассчитаны показатели, непосредственно характеризующие РОВ (WAMW, SUVA254, SR, E2:E3, E2:E4, E4:E6), которые дают представление о различных характеристиках РОВ, таких как молекулярная масса, состав и содержание ароматических соединений, используемые для изучения природных вод различных географических регионов. Значения SUVA254 имели локальные максимумы в пределах вертикальных профилей, что может говорить о привносе в донные отложения свежего материалы богатого ароматическим углеродом в процессе криотурбации или волнового перемешивания. Значения SUVA254 в поровой воде варьируют в следующих пределах: 1,9–3,3 л мгC−1 м−1, 3,1–4,5 л мгC−1 м−1, 4,1–4,7 л мгC−1 м−1 и 2,6–3,4 л мгC−1 м−1 в изолированной, спорадической, прерывистой и сплошной зонах распространения ММП. На вертикальных профилях средневзвешенного индекса молекулярной массы (WAMW) наблюдаются локальные максимумы значений в поровых водах озер всех зон распространения ММП в пределах 300–400 Да. Значения WAMW в поровой воде варьируют в следующих пределах: 1572±333 Дa, 2019±311 Дa, 2157±208 Дa и 1630±372 Дa в изолированной, спорадической, прерывистой и сплошной зонах распространения ММП. Таким образом средневзвешенная молекулярная масса органического вещества увеличивается в пределах зон мерзлоты, которые имеют большую толщу торфяной залежь и, соответственно, активное поступление ароматического органического вещества от мерзлых торфяников. Для анализа стабильных изотопов кислорода, водорода и δ13С-DOC поровых вод и 13С и 15N донных отложений, нами были изучены три термокарстовых озера разной стадии развития (разной площади). В проанализированных пробах значения δ18O и δ2H находятся в диапазоне от –10,8 до –11,8 ‰ и от –76,4 до –88,3 ‰, соответственно. Наблюдается различия в обогащении тяжелыми изотопами между озерами разной площади, так наиболее легкий изотопный состав водорода обнаружен для большого озера площадью более 0,5 км2 и составил –88,3±3,4 ‰, что более чем на 8 ‰ отличается от более тяжелого состава характерного для малого и среднего озер (–76,4±3,9 и –72,7±6,5 ‰, соответственно). Значения избытка дейтерия, отражающего отклонение значений изотопов от Глобальной линии метеорных вод (GMWL), показало заметное различие между озерами разной площади, что может говорить о разных процессах кинетического фракционирования изотопного состава, таких как испарение. Различия в изотопном составе кислорода и водорода в поровых водах донных отложений изученных термокарстовых озер, вероятно, являются результатом комбинации нескольких факторов, включающих криофракционирование при замораживании донных отложений в зимний период, поступление летних и зимних атмосферных осадков, а также процессы таяния многолетней мерзлоты. Данные о распределении δ13C-DOC в поровых водах имеют динамику аналогичную с δ13С в донных отложениях и выявили интересную динамику зависимости изотопного состава от стадии развития термокарстового озера. Наиболее тяжелый состав изотопов углерода был обнаружен в малом озере с площадью 400 м2 (–25,7±0,5 ‰), в среднем и большом наблюдаются более легкие изотопные соотношения (–26,8±0,3 и –26,8±0,5 ‰, соответственно). Важным подтверждением зависимости биогеохимических процессов от стадии развития термокарстовых озер явилось распределение изотопов углерода (δ13С) и азота (δ15N) в толще донных отложений. Наиболее тяжелый изотопный состав углерода донных отложений обнаружен в малом озере (–25,6±0,8 ‰), а наиболее легкий состав в среднем и большом озерах (–27,6±0,3 ‰ и –28,4±0,5 ‰, соответственно). Обратная динамика наблюдается для изотопов азота, значения δ15N для малого, среднего и большого озер составили –1,2±0,6 ‰, –0,5±0,6 ‰ и 0,8±0,4 ‰, соответственно. Наименьшее содержание ацетата обнаружено в большом (0,5 км2) озере, средняя концентрация составила 58,6 мкг л–1. В озере средней площади водного зеркала (9000 м2) среднее значение концентрации составило 436,6 мкг л–1, в малом 525,8 мкг л–1. Важно отметить, что результаты подтверждают полученные значения продукции СО2 при инкубации донных отложений. Можно сделать первоначальный вывод, что ферментация ацетата, происходящая в изученных отложениях, богатых органическим углеродом, активнее протекает малых и средних озерах, а в больших озерах данные процессы уже значительно уменьшили источник для метаногенеза.