Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Уже в первый год исследований по проекту РНФ № 22-17-00035 «Экология и эволюция водных экосистем в условиях климатических флуктуаций и техногенной нагрузки» получены новые данные по уникальному составу разнообразных соленых озер, которые позволят обосновать наличие разнообразной и непрерывной эволюции в системе вода-порода-органическое вещество-биота. Отдельными яркими звеньями такой эволюции выступают содовые озера, генезис которых остается спорным и в наше время. Для того, чтобы разобраться в этом вопросе был проанализирован широкий спектр химических элементов в воде, гидробионтах, донных осадках и горных породах; определен состав газов; установлен минеральный состав донных осадков озер и горных пород их прибрежья, проведен анализ соотношения величин изотопов углерода углекислого газа и метана, углерода и азота гидробионтов, а также растворенных и осажденных в осадки карбонатов; проанализирован изотопный состав воды, а также серы сульфат-, сульфид ионов и элементной серы. Дополнительно были получены данные по изотопным соотношениям брома, хлора и стронция. Анализ геологической обстановки района локализации озер позволил прийти к следующему выводу. В близких геолого-геохимических условиях могут формироваться разные типы озер хлоридные, сульфатные, содовые и их подтипы. Анализ распределения металлов и металлоидов в кислотных вытяжках горных пород прибрежья хлоридных и содовых I и III подтипа озер показал, что в них наибольшими содержаниями выделяются Na, P, Al, Zn, Mn, Cr, Ba, As, Th, U. Горные породы прибрежья сульфатных и содовых озер II подтипа отличаются более высоким содержанием S, K, Mg, Li, Sc, Fe, Cu, Ge, Br, Sr, Mo, Sb, Ba. Результаты анализа воды обнаружили, что все типы и подтипы озер отличаются минерализацией, рН, содержанием макро-, микро- и биогенных компонентов. При этом в отличие от сульфатных и хлоридных озер в содовых озерах с ростом солености накапливаются карбонат и гидрокарбонат-ионы, одновременно растет рН. Отсюда по-разному концентрируются металлы и металлоиды. Вода содовых озер отличается относительно высоким содержанием: Na, F, Si, As, U, Th, REE, Mo, B, Al, Sc, Ti, Cr, Fe и др. В сульфатных озерах накапливаются в больших количествах S, Li, Mn, Cu, Cs а в хлоридных концентрируются Ca и Mg, а среди микроэлементов – Sr и Ba. Анализ биогенных веществ показал, что в составе растворенного органического вещества доминируют алканы, эфиры, стероиды, терпены. Среди предельных углеводородов в значимых количествах присутствуют н-алканы с числом атомов углерода от С15 до С23. В целом содовых озерах выше содержание растворенного органического вещества, различных форм азота и фосфора, гумусовых кислот, значение перманганатной окисляемости и химического потребления кислорода, чем в хлоридных и сульфатных озерах. Содовые озера отличаются также и более высокими концентрациями широкого ряда химических элементов (Na, Ca, Sc, V, Fe, As, U, Th, Pb Li, P, K, B, Be, Cu, Mg, Co и др.) в донных осадках, наибольшее содержание которых сконцентрировано в содовых озерах II подтипа. В донных осадках сульфатных озер по сравнению с другими типами озер накапливаются в больших количествах S, Si, Mn, Ni, Fe, Sr, Zr, Mo, Ba, Th, а хлоридных – Br, Rb, Cr и Al. Помимо химического состава был изучен минеральный состав кернов донных осадков и по нескольким образцам проведена датировка выделенных слоев по Pb-210 и Cs-137. В результате была установлена скорость накопления осадков, которая варьировала от 0,83 до 2,22 мм/год. Анализ донных осадков показал, что основными минералами по всему керну осадков являются кварц, натриевые и калиевые полевые шпаты, глинистые минералы, которые часто характеризуются обратным трендом накопления к обломочному материалу, также часто наблюдается наличие доломита и кальцита, реже пирита, ангидрита, галита, тенардита и нахколита. Анализ значений изотопных соотношений углерода в газах (метан и углекислый газ) донных осадков показал, что они имеют исключительно биогенное происхождение. Отсюда растворенные в воде и осажденные в донные осадки карбонаты в большей степени обогащены легким углеродом. На хемогенный генезис карбонатов донных осадков указывает близкие изотопные соотношения с углеродом HCO3-+CO32-. По гидроизотопным данным установлено, что хлоридные озера в большей степени подвержены испарению, чем сульфатные и содовые. Еще один вопрос, возникающий при определении природы разного состава озер, это относительно низкие концентрации сульфат-ионов в одних озерах и, напротив, высокие в других. Ответом на этот вопрос является количественный и изотопный составы различных форм серы, которые позволили выделить два основных процесса, контролирующих поведение серы в озерах. Впервые был выполнен анализ изотопов хлора, брома, стронция. Получены первые результаты, свидетельствующие о разном источнике поступления этих элементов в озера. В озерах установлено видовое разнообразие и даны количественные характеристики гидробионтов по трофическим группам: продуценты (фитопланктон, макрофиты) и консументы (зоопланктон, зообентос). Определено содержание хлорофилла а и первичная продукция фитопланктона. Дана характеристика трофической сети консументов. Также выполнен анализ жирных кислот различных видов гидробионтов, который позволил прийти к выводу, что каждая группа гидробионтов в озерах различного типа характеризуется различиями в количественном соотношении жирных кислот. По изотопным соотношения азота и углерода гидробионтов выявлена информация о переносе органического вещества от первичных продуцентов к консументам.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Во второй год исследований по проекту РНФ № 22-17-00035 «Экология и эволюция водных экосистем в условиях климатических флуктуаций и техногенной нагрузки» получены новые данные по уникальному составу разнообразных природных и природно-техногенных вод, которые позволят обосновать наличие разнообразной и непрерывной эволюции в системе “вода-порода-органическое вещество-газ”. Были проведены экспедиционные исследования на природно-техногенных озерах Кенон и Умыкей, а также на техногенных водоемах Завитинского литиевого, Орловского ниобий-танталового и Этыкинского комплексного редкометального месторождений и водоемах бывших вольфрамовых рудников Антонова гора и Букука и продолжены исследования на природных соленых озерах. Рассмотрен механизм формирования разных типов соленых озер. Наличие в содовых озерах более высоких концентраций многих микроэлементов и значений рН является подтверждением тому, что время взаимодействия с горной породой для них больше, чем хлоридных и сульфатных. О длительном водообмене также свидетельствует наличие связи δ18О-TIC с δ13С-TIC (карбонатов) донных осадков содовых озер и отсутствие таковой в хлоридных и сульфатных, а это значит, что карбонаты первых формируются в условиях относительно стабильного гидрологического режима. Отсюда гидро- и карбонатные ионы, алюмосиликатная и карбонатная фракции донных осадков, бактериальные маты содовых озер в большей степени обогащены тяжелым изотопом кислорода. Близкая картина характерна и для фракционирования изотопов углерода растворенных карбонатов, т.к. многократно повторяющиеся циклы минерализации органики и ее образования обеспечивают накопление тяжелого изотопа углерода не только в карбонатах, но, и в бактериальных матах. Отсюда, изотопный состав углерода по мере накопления в озерах гидро- и карбонатных ионов, а в дальнейшем и осажденных в донные осадки карбонатов постепенно утяжеляется. Анализ распределения в воде и донных отложениях озер содержаний восстановленных и окисленной форм серы и их изотопные соотношения позволил сделать вывод, что сульфат-ионы не накапливаются в большей части озер из-за сульфатредукции. В случае появления дополнительного источника серы изотопный состав серы сульфат-ионов существенно облегчается, а содержания сульфатов увеличиваются вплоть до формирования содовых озер с повышенным их содержанием или озер сульфатного типа. Минеральный, химический и изотопный анализы кернов позволил прийти к выводу, что донные отложения всех соленых озер формировались в течение двух этапов: «мелководного» и «глубокого» озера. По данным 210Pb установлен период смены водности озер и выделены минералы-индикаторы для каждого периода. По исследованным колонкам в осадках обнаружены биомолекулы, продуцированные бактериями, микроводорослями и наземными растениями в различном соотношении. Проведенное исследование также демонстрирует дополнительные приемы для изучения прошлых экологических и климатических изменений. Термодинамические расчеты основных форм миграции ТМ (тяжелые металлы) показали, что в озерах соленость и рН воды ограничивают количество растворенных Меn+, увеличивая долю комплексных их соединений. Исследование связи солености с суммарным коэффициентом накопления элементов в гидробионтах ƩКб в озерах позволило прийти к выводу, что гидробионты аккумулировали в сумме меньше металла с ростом солености и рН воды. Промышленная эксплуатация вольфрамовых месторождений послужила причиной значительной трансформации химического состава вод. В зоне отработки Букукинского и Антоновогорского месторождений наибольшее развитие получили слабокислые и кислые сульфатные и фторидно-сульфатные кальциевые с повышенными минерализацией и содержаниями тяжелых металлов воды. Проведенные исследования позволили выделить группы элементов, в наибольшей степени накапливающихся в водах штольневых стоков и дренирующих их ручьев. Расчет форм миграции элементов в исследованных водах показал доминирование в них простых катионных, сульфатных, фторидных, реже карбонатных, гидроксильных и органических комплексов. Изучение индексов насыщения вод вторичными минералами показало, что в кислых средах достигается равновесие с флюоритом, кварцем, железосодержащими минералами – гётитом, лепидокрокитом, гематитом, магнетитом, а также оксидами – биксбиитом, бирнессита, радиоактивных элементов урана и тория и другими. Слабокислые и околонейтральные воды помимо кварца насыщены относительно глинистых минералов, оксидов и гидроксидов алюминия и железа, алунита и базалюминита, молибдатов свинца, меди и кадмия, а также вторичных фосфатов. Анализ химического состава нитчатых водорослей, отобранных на устьях штолен и в ручье, показал накопление в них P, Ag, Bi, As, Mo на Антоновой Горе и P, Th, Eu, Nb, Bi, W на Букуке. Ранжирование химических элементов на группы по степени их накопления позволило выявить металлы, в наибольшей степени аккумулирующиеся в водорослях. Это Nb, Bi и W, которые были отнесены к группе относительно слабо накапливающихся элементов. Анализ гидрогеохимических данных редкометальных месторождений позволил выявить наличие пресных и солоноватых вод с нейтральной и щелочной обстановкой. При этом с ростом солености вод отмечается смена химического типа с Ca-HCO3 на Ca-SO4, также меняется рН вод, накапливаются многие литофильные элементы, снижаются концентрации акватированных ионов, но увеличиваются содержания их комплексных соединений. Было установлено, что в виде гидроксидных комплексов преимущественно мигрируют Be, Al, Fe3+, Cr, Ti, Sc, V, Cu, Zr, Sn, Sb, Bi. Мышьяк, молибден и вольфрам в водах находятся в форме их кислотных остатков. Расчет индексов насыщения вод SI редкометальных месторождений вторичными минералами показал, что воды насыщены относительно глинистых минералов (гиббсит, бемит, каолинит, иллиты). По-разному отмечалось накопление химических элементов в гидробионтах этих месторождений. В больших концентрациях они накапливались в биоте пресноводных водоемов, особенно выделялись моллюски лимнеи, спирогира и тростник. Изучение изотопного состава серы по пробам природно-техногенных водоемов показало, что изотопный состав сульфатной серы вод Завитинского месторождения более лёгкий, но она существенно тяжелее серы сульфидов и элементной (табл. 17). Высокий коэффициент фракционирования серы в системе SO4 – S2- (Ɛ>45 ‰), указывает на наличие в этих водоемах процесса бактериальной редукции сульфатов, в отличие от остальных водоемов, в которых не было обнаружено восстановленных форм серы, а величина δ34S-SO4 существенно меньше, что указывает на участие бактериальных процессов в окислении серы сульфидов. В отношении растворенных карбонатов отмечается существенное его обогащение 18О по сравнению с водой. Полученные данные по 12/13С карбонат-ионов техногенных водоемов показывают, что в их формировании участвуют биогенные процессы. Основной вывод на данном этапе изучения природно-техногенных озер Кенон и Умыкей заключается в том, что накопление металлов и металлоидов в воде не происходит из-за связывания их гумусовым веществом и аутигенными минералами, осаждающимися в донные осадки. В то же время, в гидробионтах оз. Умыкей отмечается накопление в рыбе ртути, в креветке – таллия, в растениях – кобальта, серебра, бария и ртути. Изучение биоразнообразия гидробионтов рассматриваемых водных объектов, показало, что таксономический состав в них колеблется от 11 до 102 таксонов. В ручьях Сухая Антия и Калениха планктонных организмов не выявлено, однако довольно высоко разнообразие бентосных организмов. Α разнообразие, количественные и продукционные характеристики гидробиоценозов природно-техногенных водоемов выше, чем в техногенных. Состав, количественные характеристики гидробионтов оз. Умыкей свидетельствуют о значительной хозяйственно-бытовой нагрузке на экосистему водоема. В целом по природно-техногенным водоемам сделан вывод, что структурно-функциональные показатели гидробионтов зависят от характера антропогенной нагрузки на водоем.