Факторы и механизмы развития биогеохимических процессов в водных экосистемах при снижении уровня загрязнения и потеплении климата

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 проекта 22-17-00061

НазваниеФакторы и механизмы развития биогеохимических процессов в водных экосистемах при снижении уровня загрязнения и потеплении климата

Руководитель Моисеенко Татьяна Ивановна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-208 - Гидрогеохимия

Ключевые слова водные системы, биогеохимические процессы, гидрохимия, биогенные элементы, металлы, углерод, гумусовые вещества, изотопы

Код ГРНТИ38.01.94; 38.33.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы – исследование и разработки методологии восстановления природных систем после разрушающего антропогенного воздействия и в условиях происходящего потепления климата. Генеральная ассамблея ООН объявила 2021-2031 годы «Десятилетием по восстановлению экосистем». Учитывая высокую значимость пресных вод в жизнеобеспечении населения планеты и ее видового разнообразия, очевидна высокая актуальность исследований восстановления качества вод и водных экосистем после длительного загрязнения. В основе пертурбаций экосистем, как в условиях их загрязнения, так и снижения лежат сложные биогеохимические процессы. Без глубокого понимания биогеохимических процессов, протекающих в водных системах в период восстановления, влияние на них сопутствующих факторов, таких как потепление климата, нельзя предложить и обосновать мероприятия по восстановлению экосистем. Проводимые исследования являются пионерными в области наук о водах суши, направлены на рассмотрение долговременных изменений биогеохимических процессов в водных экосистемах в условиях снижения загрязнения и потепления климата. Целями проекта является исследование факторов и механизмов развития биогеохимических процессов: 1) после снижения токсичного загрязнения вод металлами и выпадения кислотных осадков на водосборы, 2) в условиях влияния сопутствующего эвтрофирования при потеплении климата (на примере двух водосборных систем – в арктическом регионе и в средней полосе России), 3) разработке практических решений по улучшению качества вод и состояния экосистем. Наряду с изменчивостью экосистем будут изучены особенности метаболизма микроэлементов у рыб, направленные на выживание организмов в условиях токсичного загрязнения в исторически загрязненном озере и повышающие их физиологический потенциал для существования в современных условиях. Исследование траектории развития экосистем после возмущающего воздействия антропогенных факторов (будь то токсичное загрязнение, выпадения кислотных осадков или эвтрофирование) актуально для прогноза и оценки возможности восстановления водных систем и сохранения высокого качества вод. В мировой науке уделяется большое внимание исследованиям восстановительных сукцессий экосистем: в большей части методам борьбы с эвтрофированием водоемов, в меньшей степени - восстановлением качества вод после закисления. Несмотря на привлечение огромных средств в мире на исследование и практические действия по восстановлению экосистем, пока нет данных об успешности их восстановления, в частности, после токсичного загрязнения или возврата к природным показателям. Современный период характеризуется многофакторным загрязнением, в основе формирования качества вод и изменчивости экосистем лежат сложные биогеохимические процессы, такие как круговороты биогенных и токсичных элементов, особенности карбонового цикла, эмиссия и поглощение париковых газов, потоков и форм миграции элементов, аккумуляция биотой, исследование которых определяет принципиальную новизну заявленного проекта и соответствует мировым направлениям. Достижимость решения поставленных задач определяется междисциплинарным подходом, позволяющим интегрировать нео- и палеоэкологические методы исследований, а также результатов современных междисциплинарных исследований в области наук о Земле и живом (в рамках задач проекта) в сочетании с анализом архивных данных. Коллектив располагает обширными базами данных по результатам ретроспективных исследований, которые были получены на примере исследований водоемов Кольского Севера и водосборной площадки Валдайской возвышенности, опытом ведения междисциплинарных исследований, а также опытом публикаций в высокорейтинговых журналах. Практическое использование результатов данных исследований будет востребовано для обеспечения практических действий и менеджмента научно-обоснованными целями восстановления и конкретными практическими действиями по корректировке траектории восстановления, предотвращения негативных сценариев развития биогеохимических процессов в водных экосистемах при сопутствующем потеплении климата

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Moiseenko T. I., Bazov M. М. , Gashkina N.А. Development of Lake from Acidification to Eutrophication in the Arctic Region under Reduced Acid Deposition and Climate Warming Water, Water 2022, 14, 3467. Https://doi.org/10.3390/w14213467 (год публикации - 2022)
10.3390/w14213467

2. Н. А. Гашкина,Т. И. Моисеенко БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ РЕАДАПТАЦИИ РЫБ К СНИЖЕНИЮ ТОКСИЧНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. НАУКИ О ЗЕМЛЕ, ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. НАУКИ О ЗЕМЛЕ, 2022, том 507, № 2, с. 341–348 (год публикации - 2022)
10.31857/S2686739722601296

3. Моисеенко Т.И., Дину М.И. БИОГЕОХИМИЯ ПРИРОДНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДАХ СУШИ: РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРИ ПОТЕПЛЕНИИ КЛИМАТА ГЕОХИМИЯ, том 68, № 2, с. 187–196 (год публикации - 2023)
10.31857/S0016752523020061

4. Соколов А. В. , Моисеенко Т. И., Гашкина Н. А., Таций Ю. Г. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗ СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО КОМБИНАТА: СБАЛАНСИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ ТРАНСФОРМАЦИИ АТМОСФЕРНЫХ ВЫПАДЕНИЙ НА ВОДОСБОРЕ И В ОЗЕРЕ ГЕОХИМИЯ, том 68, № 7, с. 737–749 (год публикации - 2023)
10.31857/S0016752523060092

5. Моисеенко Т. И. , Базова М. М., Льюмменс Е. О. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ АРКТИЧЕСКИХ ОЗЕР В УСЛОВИЯХ ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА: РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГЕОХИМИЯ, том 68, № 4, с. 409–423 (год публикации - 2023)
10.31857/S0016752523040106

6. Т. И. Моисеенко, М. М. Базова ЭВОЛЮЦИЯ АРКТИЧЕСКИХ ОЗЕР ПОСЛЕ СНИЖЕНИЯ ВЫПАДЕНИЙ КИСЛОТ И В УСЛОВИЯХ ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. НАУКИ О ЗЕМЛЕ, ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. НАУКИ О ЗЕМЛЕ, 2022, том 506, № 2, с. 282–286 (год публикации - 2022)
10.31857/S2686739722601259

7. Моисеенко Т.И. Биогеохимическое развитие озерных экосистем в условиях потепления климата и снижения загрязнения: восстановление или эволюция 13-й съезд Гидробиологического общества при Российской академии наук, посвященный 300-летию Российской академии наук, Десятилетию науки и технологий в России и 5-летию Архангельского отделения ГБО при РАН, 16–20 сентября 2024 г., г. Архангельск, Россия : тезисы докладов : электронное научное издание / ред.: А. П. Новосёлов [и др.]. – Архангельск : КИРА, 2024., С. 42-43 (год публикации - 2024)

8. Базова М.М., Моисеенко Т.И., Льюмменс Е.О. Динамика биогенных элементов и органического вещества в Арктических озерах вследствие потепления климата Всероссийская конференция с международным участием «III Юдахинские чтения» : сборник научных материалов, 25–28 июня 2024, г. Архангельск / М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Урал. отд-ние Рос. акад. наук, Федер. исслед. центр комплекс. изучения Арктики им. акад. Н. П. Лаверова УрО РАН [и др.] ; отв. ред.: К. В. Лобанов, И. Н. Болотов. – Архангельск : КИРА, 2024. – 468 с., С. 94-99 (год публикации - 2024)

9. Moiseenko T. I., Bazova M.M. Eutrophication of Lakes: From Global Process to Regional Implication in the Kola Arctic Region Ecohydrology, 0:e2713, P. 1-12. (год публикации - 2024)
10.1002/eco.2713

10. Gashkina N.A. Metal Toxicity: Effects on Energy Metabolism in Fish INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES, 25, 5015 (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25095015

11. Моисеенко Т.И., Базова М.М. Глобальный процесс эвтрофирования и его особенности в Арктических озерах как следствие потепления климата ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК. НАУКИ О ЗЕМЛЕ, том 515, № 1, с. 150–156 (год публикации - 2024)

12. Моисеенко Т.И., Льюмменс Е.О. Роль биогеохимических процессов в формировании вод и донных отложений в период снижения антропогенного загрязнения Геохимия, том 69, № 1, с. 77–90 (год публикации - 2024)
10.31857/S0016752524010062

13. Баранов Д.Ю., Моисеенко Т.И. Особенности трансформации состава природных вод при изменении увлажненности ландшафтов Валдайской возвышенности Известия РАН. Серия географическая, № 6 (год публикации - 2024)

14. Гашкина Н.А. Механизмы адаптации сигов к длительному токсичному загрязнению субарктического оз. Имандра 13-й съезд Гидробиологического общества при Российской академии наук, посвященный 300-летию Российской академии наук, Десятилетию науки и технологий в России и 5-летию Архангельского отделения ГБО при РАН, 16–20 сентября 2024 г., г. Архангельск, Россия : тезисы докладов : электронное научное издание / ред.: А. П. Новосёлов [и др.]. – Архангельск : КИРА, 2024., С. 176-177 (год публикации - 2024)

15. Sokolov A., Moiseenko T., Gashkina N. State of the natural environment near copper–nickel plant (Kola Peninsula): modeling of atmospheric transport of heavy metals (Ni and Cu) Japan Geoscince Union Meeting 2024. Chiba, MAKUHARI MESSE, Japan May 26-31, 2024, нет (год публикации - 2024)

16. Базова М.М., Моисеенко Т.И. Особенности эвтрофирования Арктических озер вследствие потепления климата Материалы I Белорусского географического конгресса: к 90-летию факультета географии и геоинформатики Белорусского государственного университета и 70-летию Белорусского географического общества, Минск, 8–13 апр. 2024 г. [Электронный ресурс]. В 7 ч. Ч. 1. Современные проблемы гидрометеорологии / Белорус. гос. ун-т ; редкол.: Е. Г. Кольмакова (гл. ред.) [и др.]. – Минск : БГУ, 2024. , МАТЕРИАЛЫ I БЕЛОРУССКОГО ГЕОГРАФИЧЕСКОГО КОНГРЕССА К 90-ЛЕТИЮ ФАКУЛЬТЕТА ГЕОГРАФИИ И ГЕОИНФОРМАТИКИ БЕЛОРУССКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА И 70-ЛЕТИЮ БЕЛОРУССКОГО ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА Минск, 8–13 апреля 2024 г. В семи частях, Часть 1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ Научное электронное издание МИНСК, БГУ, С. 19-24. (год публикации - 2024)

17. Моисеенко Т.И. Биогеохимическое развитие водных экосистем в условиях снижения антропогенных нагрузок и потепления климата: восстановление или эволюция? Апатиты, 24–29 июня 2024 г. / ответственный редактор Д. В. Макаров. — Апатиты : Изд-во ФИЦ КНЦ РАН, 2024. , Экологические проблемы северных регионов и пути их решения. Материалы VIII Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 300-летию Российской академии наук и 35-летию Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН. Апатиты, 24–29 июня 2024 г. / ответственный редактор Д. В. Макаров. — Апатиты : Изд-во ФИЦ КНЦ РАН, 2024. С. 40-41. (год публикации - 2024)
10.37614/978-5-91137-515-7

18. Baranov D. Yu. Geochemical features of elements migration and speciation in soils waters of Valday Upland author Japan Geoscience Union Meeting 2024 (год публикации - 2024)

Публикации

10. Gashkina N.A. Metal Toxicity: Effects on Energy Metabolism in Fish INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES, 25, 5015 (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25095015

18. Baranov D. Yu. Geochemical features of elements migration and speciation in soils waters of Valday Upland author Japan Geoscience Union Meeting 2024 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Третий год исследований являлся обобщающим с учетом результатов исследований в рамках задач проекта, полученных новых результатов и сформированных баз данных. В текущем году выполнен большой объем экспериментальных и аналитических работ. Основные работы были сосредоточены на теоретических обобщениях и подготовки публикаций, которые дают понимание биогеохимическому развитию малых и крупных озер в условиях снижения техногенного влияния и изменения климата; моделированию динамики и прогнозу снижения загрязнения водных систем. 1. Впервые доказано биогеохимического развитие исторически закисленных озер в направлении повышения кислотонейтрализующей способности вод (ANC) и повышения трофического статуса малых озер в арктической зоне, не подверженных каким либо прямым вмешательствам антропогенной деятельности. На основе анализа долговременных изменений геохимии вод суши Кольского региона (1990-2018гг), показано, что в ответ на снижение эмиссии металлов и диоксида серы от Кольских медно-никелевых плавилен установлены позитивные тенденции снижения концентрация техногенных сульфатов и металлов в водах озер. При этом доказано увеличение содержания в водах озер растворенного органического вещества (РОВ), которое нарастало в водах региона совместно с концентрациями биогенных элементов. Этот феномен может быть объяснён повышением трофического статуса озер, как ответ на повышение температуры в регионе. Анализ наших данных, как и научной литературы, показывает эволюцию озер, которая проявляется с разной степенью интенсивности в изменениях: катионно-анионного состава, круговорота содержаний биогенных элементов. 2. Важным блоком исследований было развитие получение новых знаний о биогеохимических циклах в исторически загрязненном арктическом озере Имандра, загрязненном промышленными стоками с высоким содержанием металлов. Изучение озера Имандра в многолетнем ряду наблюдений с учетом данных 2023г. показало, что в водах озера в современных период произошло значительное снижение концентраций основных загрязняющих элементов – никеля и меди по сравнению с 1998г. На этом фоне повысились содержания фосфора и азота, которые свидетельствуют о биогеохимическом развитии озера на более высокий трофический статус - т.е. озеро Имандра эвтрофируется. 3.Выявлены особенности круговорота металлов в придонных горизонтах вод. Установлено, что содержание токсичных металлов в воде снизилось за последние 35 лет, однако вследствие потепления климата увеличилось интенсивность продукционных процессов и поступление органического вещества в донные отложения (ДО). Доказано, что комплекс физико-химических и биогеохимических процессов в ДО объясняет механизм формирования их поверхностных слоях концентраций металлов, резко отличных от природных содержаний. В бескислородных условиях вследствие окисления органического вещества происходит восстановление Fe, Мn и S, которые вовлекают в редокс-цикл большую группу металлов. Вследствие совместного круговорота и диффузии к поверхности ДО ряда металлов, в частности элементов загрязнения Ni и Cu, формируются ДО с высоким содержанием опасных токсичных элементов. Высказана гипотеза о появлении начального этапа диагенеза в донных отложениях. 4.В развитие работ по моделированию восстановления озер после длительного загрязнения в текущем году продолжено построение модели развития озерных систем Северо-Запада и центральной части Кольского Севера на основе технологии сбалансированной идентификации, в которую включено моделирование процессов восстановления озер от загрязнения не только никелем, но и медью, а также круговорот металлов в донных отложениях. Заложены теоретические основы собраны данные для моделирования восстановления крупного озера Имандра с учетом круговорота элементов придонных слоях вод. Преимущество представленной модели заключается в том, что она отражает полную картину происходящих процессов: структуру преобразования потоков загрязнения и стока с водосбора, балансовую оценку миграционных потоков и накопление загрязнения, территориального его распределения и прогноз состояния всех сред экосистемы в будущем. 5. В этих условиях произошла селекция устойчивых генотипов сигов, прошедших отбор в условиях токсичного загрязнения. Проведено теоретическое изучение воздействия металлов на энергетический метаболизм рыб, анализ ключевых процессов энергетического метаболизма для оценки последствий периода воздействия на рыб длительного токсичного загрязнения. вод металлами (на примере озера Имандра). Установлено, что металлы влияют на регуляцию производства аденозинтрифосфата (АТФ) и эмиссию активных форм кислорода (АФК), что может вызывать цитотоксичность и нарушения в энергетических процессах. Металлы могут нарушать функцию митохондрий, ответственных за выработку энергии в клетках, что приводит к дополнительным энергетическим затратам для организма, и могут имитировать условия гипоксии. Понимание этих процессов важно для оценки адаптации организма к стрессовым условиям и как снижение токсичности может повлиять на их энергетические системы, что являлось одной из задач заявленного проекта РНФ.. 6. Выполнено обобщены результатов 5-летних наблюдений, раскрывающих особенности биогеохимического развития озер в средней полосе России (на Валдайской возвышенности) – собственно озеро Валдайское и Гусиное. Исследования, включая 2024г., велись в период открытой воды за химическим составом природных вод в системе “атмосферные осадки–подкроновые воды–почвенные воды” Эти работы позволили раскрыть феномен влияния климатических вариаций на формирование химического состава вод в небольшом временном периоде.

Публикации

10. Gashkina N.A. Metal Toxicity: Effects on Energy Metabolism in Fish INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES, 25, 5015 (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25095015

18. Baranov D. Yu. Geochemical features of elements migration and speciation in soils waters of Valday Upland author Japan Geoscience Union Meeting 2024 (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Арктические озера являются необходимым условием жизнеобеспечения увеличивающейся здесь численности населения, а также коренных народностей при освоении данных территорий, что несомненно приведет к экономическому росту производств, размещенных на территориях арктических регионов. Мы не можем остановить потепление климата и глобальное рассеивание элементов, восстановить водные системы до природных показателей. Однако можно предложить стратегию рационального использования, направленную на повышение рыбопродуктивности и сохранения высокого качества вод.