Механизмы сортировки пластиковых объектов в прибрежной зоне моря и связанные с ними потоки массы пластика внутри прибрежной зоны и в открытое море

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 24-17-00099

НазваниеМеханизмы сортировки пластиковых объектов в прибрежной зоне моря и связанные с ними потоки массы пластика внутри прибрежной зоны и в открытое море

Руководитель Чубаренко Борис Валентинович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-520 - Экология океана

Ключевые слова микропластик, морской мусор, распределение массы, баланс массы, фрагментация, прибрежная зона, процессы переноса, шторм

Код ГРНТИ87.19.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Нарастающее загрязнение морей и океанов пластиковыми отходами представляет собой одну из наиболее острых экологических проблем современности, создавая угрозу живым организмам, равновесию экосистемам и здоровью человека. Оценки предполагают, что до 95% массы пластика в океане находится сегодня в прибрежных зонах, где более крупные пластиковые объекты периодически выбрасываются на берег и смываются обратно, постепенно разрушаются – и экспортируются в открытое море главным образом в виде мелких частиц (микропластика). Однако конкретные механизмы работы этой «сортировочной системы» до сих пор обсуждались лишь отчасти и подтверждены натурными данными только для плавучего мусора. Данный проект предполагает исследование механизмов сортировки пластиковых объектов в прибрежной зоне моря под действием естественных гидрофизических факторов (поверхностного волнения, изменений уровня моря, с акцентом на штормовые ситуации) и оценку соответствующих потоков массы пластика между прибрежной зоной и пляжем, прибрежной зоной и открытым морем. Комплексный подход к оценке именно массы пластика, включающей объекты макро-, мезо-размера и микропластик, является актуальным на современном этапе исследований. Натурные исследования будут направлены на выявление пространственного распределения загрязнения пластиком (в его массовом выражении) в прибрежной зоне (пляж / прибойная зона / прибрежный подводный склон) и открытых водах юго-восточной части Балтийского моря в пределах территориальных вод Российской Федерации. Будет проведено сравнение массы пластикового мусора на пляже (макро-, мезо-, микро-частицы (микропластик: 0.3-5 мм в данном проекте)) в спокойные периоды (метод OSPAR, метод рамок) и после шторма в штормовых бросах (модифицированный метод рамок) в разные сезоны. Поиск зон аккумуляции крупного пластика на подводном склоне предполагается проводить с борта плавсредства с помощью дроп-камеры. Отбор и обработка проб донного осадка позволит проверить, формируется ли зона аккумуляции микропластика на песчаных барах. Будет проведён отбор проб и анализ содержания частиц МП в прибрежных водах до, во время и после шторма, а также в водах открытого моря. Запланированы серии натурных экспериментов, которые позволят (i) исследовать механизм сортировки пластиковых частиц в зоне наката волн, (ii) оценить скорости оседания в морской воде реальных пластиковых и композитных объектов, выбрасываемых на береговую линию при различных характеристиках набегающего волнения, (iii) провести наблюдения и анализ поведения неплавучих объектов морского мусора в прибойной зоне. Анализ натурных данных по распределению массы пластика в прибрежной зоне по размерам частиц (макро-, мезо-, микро-), по пространству и по средам (вода, дно, пляж) в сочетании с анализом сопутствующих гидрофизических условий позволит выявить основные механизмы и закономерности циклической миграции пластиковых объектов в прибрежной зоне бесприливного моря. Будут оценены потоки массы пластика в прибрежной зоне (из моря на берег после единичного шторма и в течение года; вниз по размерному ряду вследствие фрагментации) и вынос микропластика в открытое море. Для анализа предполагается использование методов математической статистики, вероятностных подходов и аппарата искусственных нейронных сетей. В результате исследований будут раскрыты механизмы переноса и накопления нового вида загрязнений в прибрежной зоне моря, что расширяет возможности прогнозирования потенциальных угроз человеку и экосистемам.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разнообразие и изменчивость физических свойств пластиковых объектов в морской среде непосредственно сказывается на процессах переноса и накопления пластика, его дальнейшей деградации, фрагментации, влиянии на живые организмы. Cвойства частиц этого нового загрязнителя существенно отличаются от таковых для природных материалов и других известных загрязнителей, и сколько-нибудь целостного представления об общей картине пластикового загрязнения к настоящему времени ещё не сложилось. Принято считать, что до 95% массы пластика в океане находится в прибрежных зонах и мигрирует между пляжем и открытыми водами. На данном этапе исследований критически важными становятся целенаправленные натурные наблюдения, дающие шанс не только выявить реально формируемые распределения пластиковых объектов в морской среде, но и связать их с определёнными природными процессами. Поэтому именно натурные исследования и наблюдения в течение первого года выполнения данного проекта были максимально широки, подразумевая в то же время ответы на вполне конкретные и физически обоснованные вопросы. Данный проект посвящён исследованию механизмов сортировки пластиковых объектов в прибрежной зоне моря. В течение первого года выполнения проекта были опубликованы две статьи в журналах первого квартиля, показавшие на основе анализа натурных данных, что минимальное загрязнение в прибрежной зоне (и по количеству частиц, и по массе пластика) наблюдается в песках зоны наката волн, а максимальное - в пятнах смешанного (природного и антропогенного) морского мусора, выбрасываемых на берег после штормов. Минимальный уровень пластикового загрязнения (порядка 60 частиц микропластика в размерном диапазоне 0.5-2 мм на килограмм сухого веса осадка) статистически независим от скорости и направления ветра, значительной высоты волн во время отбора проб, среднего размера зерна и сортированности песка, что поддерживается естественными процессами динамической сортировки материала в прибойной зоне. Наибольшее количество и масса пластикового морского мусора (13.75 ± 8.61 шт./м2 и 19.97 ± 5.92 г сухого веса/м2 соответственно) наблюдались после штормов в органическом материале, выброшенном на берег в виде пятен у береговой линии. Это превышает загрязнение пластиковым мусором, полученное по методике OSPAR на тех же пляжах в хорошую погоду (0.11 ± 0.01 шт./м2 и 0.33 ± 0.02 г сухого веса/м2) на два порядка по количеству объектов и на три порядка по массе пластика. В течение 2024 года проведено 19 выездов на побережье, из них 8 - с методическими задачами (отладка оборудования; подбор оптимальных методов отбора проб; выбор участков побережья с различным характером береговых отложений) и 11 экспедиционных выходов для отбора проб на 7 береговых станциях. Проведён натурный эксперимент по оценке скорости оседания реальных морских пластиковых и композитных объектов, выбрасываемых на берег на разных этапах развития шторма. Выполнено 7 обходов участка берега длиной 500 м, найдено на берегу 513 фрагментов пластикового мусора диаметром до 10 см и общей мокрой массой 260 г, а также 25 более крупных фрагментов. Измерены размеры, масса и описан состав всех собранных образцов. Сохранены 621 фотография найденных образцов и 804 секунды видеозаписей набегающего волнения. Выполнено 48 измерений скорости оседания тонущих образов, в ходе которых собрано 120 гигабайт фотоматериалов процесса падения частиц. Результаты позволят проверить гипотезу о зависимости вероятности выбрасывания объекта на берег от его плавучести и числа Дина, связывающего скорость оседания объекта и значительную высоту волны. Проведён отбор проб донных отложений для проверки наличия предсказываемых лабораторным экспериментом зон аккумуляции на песчаных барах. Проведён отбор проб воды до, во время и после шторма у берегов с песчаными и галечными отложениями для сравнительной оценки эффективности фрагментации пластика. Получен видеоряд состояния пляжа на северном побережье Самбийского полуострова; проанализирована частота возникновения бросов в данном месте побережья и вероятные причины его формирования; оценено времени нахождения крупного мусора на берегу, его сезонные вариации. За первый год проекта обработано 9484 фотографий суммарного объема 27.6 Гб (архивные данные за 2023 год и полученные в 2024). При анализе полученного ряда зафиксировано 19 эпизодов выброса морского мусора в виде пятен совместно с органическим материалом (водорослями, листьями и др.). Наибольшее количество наблюдалось в осенний период (52%). Бросы возникали после штормов в момент уменьшения высоты волны и уровня моря. Значительная высота волны, при которой наблюдались выбросы – 0.4 м. Длительность нахождения пятен морского мусора на пляже варьируется от 1 до 7 суток (среднее 3.4 ± 1.9) и зависит от условий, при которых формировался брос (волнение, уровень моря). Коллектив очно представил результаты проекта в 7 докладах на 4 международных конференциях. По полученным в ходе проекта результатам в СМИ опубликовано в общей сложности 17 информационных сообщений, например: https://poisknews.ru/ekologiya/blagodarya-shtormam-sobirat-musor-s-plyazhej-luchshe-vsego-posle-nepogody/ https://russian.rt.com/science/article/1392082-plyazhi-mikroplastik-uchyonye-issledovanie

Публикации

1. Бочерикова И.Ю., Чубаренко И.П., Есюкова Е.Е. Сomparison of microplastics (0.5-2 mm) content in different marine environments The Second International Conference "Microplastics in Polymer science" , The Second International Conference "Microplastics in Polymer science", October 1-5, 2024, Veliky Novgorod, Russia. P. 69. (год публикации - 2024)

2. Горбачев А.А., Исаченко И.А. Поведение частиц микропластика на неровном дне в однонаправленном потоке: двумерное численное моделирование 15-ая Международная конференция – школа молодых ученых «Волны и вихри в сложных средах» Москва, 19 – 22 ноября 2024 г., 15-ая Международная конференция – школа молодых ученых «Волны и вихри в сложных средах» Москва, 19 – 22 ноября 2024 г., C-0 (год публикации - 2024)

3. Чубаренко И.П., Кривошлык П.Н., Есюкова Е.Е., Зобков М.Б., Фетисов С.В. Natural sorting of sediments in the wave run-up zone works for microplastics as well Marine Pollution Bulletin, Mar. Pollut. Bull., 208, 2024. 117060. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2024.117060 (год публикации - 2024)
10.1016/j.marpolbul.2024.117060

4. Фетисов С.В., Есюкова Е.Е., Лобчук О.И., Чубаренко И.П. Abundance and mass of plastic litter on sandy shore: Contribution of stormy events Marine Pollution Bulletin, Mar. Pollut. Bull., 207, 2024, 116911, https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2024.116911 (год публикации - 2024)
10.1016/j.marpolbul.2024.116911

5. Чубаренко И.П., Кривошлык П.Н., Есюкова Е.Е., Зобков М.Б., Фетисов С.В. Natural sorting of microplastics in sands of the wave runup zone: why not to use it to ease environmental monitoring? Proceedings of International Conference MICRO 2024, Proceedings of International Conference MICRO 2024. Plastic Pollution from Macro- to Nano-. Lanzarote, Spain 23-27 September 2024. (год публикации - 2024)

6. Кривошлык П.Н. Temporal variability of microplastics in the wave run-up zone on the Vistula Spit The Second International Conference "Microplastics in Polymer science" , The Second International Conference "Microplastics in Polymer science", October 1-5, 2024, Veliky Novgorod, Russia. P. 73-74. (год публикации - 2024)

7. Кривошлык П.Н., Чубаренко И.П. Сортировка частиц микропластика в зоне наката волн Сборник XIII Международной научно-практической конференции Морские исследования и образование - MARESEDU 2024, Сборник XIII Международной научно-практической конференции Морские исследования и образование - MARESEDU 2024. — Россия, Москва. — 2024. - C. 0 (год публикации - 2024)

8. Чубаренко И.П., Есюкова Е.Е., Кривошлык П.Н., Зобков М.Б., Фетисов С.В. Processes of (micro)plastics sorting in the wave run-up zone The Second International Conference "Microplastics in Polymer science", The Second International Conference "Microplastics in Polymer science", October 1-5, 2024, Veliky Novgorod, Russia. P. 45. (год публикации - 2024)

9. Лобчук О.И., Есюкова Е.Е. Морской макромусор на пляжах юго-восточной части Балтийского моря Сборник XIII Международной научно-практической конференции Морские исследования и образование - MARESEDU 2024, Сборник XIII Международной научно-практической конференции Морские исследования и образование - MARESEDU 2024. — Россия, Москва. — 2024. C. 0 (год публикации - 2024)

10. Лобчук О.И., Килесо А.В., Есюкова Е.Е. Beyond particle count: Integrating size and mass metrics for a more comprehensive assessment of beach litter pollution in the south-eastern Baltic Sea Marine Pollution Bulletin, Volume 222, Part 2, 2026, P. 118802 (год публикации - 2026)
10.1016/j.marpolbul.2025.118802

11. Хатмуллина Л.И., Исаченко И.А. Скорость оседания как фактор, определяющий выбрасывание на берег морского антропогенного мусора Сборник тезисов конференции: Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: 11-я международная научная конференция-школа молодых ученых. М.: ИПМех РАН, 2025., Сборник тезисов конференции: Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: 11-я международная научная конференция-школа молодых ученых. М.: ИПМех РАН, 2025. С. 152–155. (год публикации - 2025)

12. Фетисов С.В. Регистрация крупных выбросов морского мусора с помощью автономной видеокамеры Сборник докладов конференции: Современные методы и средства океанологических исследований (МСОИ-2025), Москва, 13–15 мая 2025 года. , Сборник трудов конференции: Современные методы и средства океанологических исследований (МСОИ-2025), Москва, 13–15 мая 2025 года. – Том II – С. 262-265. (год публикации - 2025)
10.29006/978-5-6051054-6-6-2025

13. Есюкова Е.Е., Лобчук О.И., Фетисов С.В., Чубаренко И.П. The fate of marine microplastics in the swash zone Marine Pollution Bulletin, Volume 224, 2026, P. 119100 (год публикации - 2026)
https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2025.119100

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Пластиковое загрязнение морской среды характеризуется уникальным набором физических свойств, которые напрямую определяют его судьбу в океане: от переноса и аккумуляции до распада на мелкие частицы и воздействия на живые организмы. Эти свойства кардинально отличают пластик от природных материалов. В рамках данного проекта были получены результаты, которые формируют научную основу для понимания механизмов распределения и трансформации пластика в береговой зоне и создают базу для разработки современных систем мониторинга. Предложен переход от традиционного количественного учета (OSPAR) к комплексной оценке, интегрирующей данные о массе и размерах частиц. На основе шестилетнего мониторинга (2019–2025 гг.) пяти пляжей юго-восточной Балтики установлено абсолютное доминирование пластика, составляющего 89.1% от общего количества собранных объектов (n = 39 355). Средняя концентрация загрязнения составила 0.11 ± 0.09 шт./м², достигая максимума на урбанизированном пляже Зеленоградска (0.19 ± 0.13 шт./м²), что подтверждает прямую зависимость от антропогенной нагрузки. Данный подход позволяет провести репрезентативную оценку структуры и динамики загрязнения прибрежных экосистем Балтийского моря. Впервые для региона были систематизированы данные о массе и размерах пластикового мусора. Установлено, что в собранных пробах преобладают частицы размером 0.1–1.0 см и массой менее 1 г, что, вероятно, отражает повсеместный процесс фрагментации макропластика. При этом выявлены различия в характере загрязнения между Куршской и Вислинской (Балтийской) косами: на первой распределение частиц по размерам бимодально, что указывает на несколько источников поступления, тогда как на второй – более однородно. Впервые получены прямые оценки загрязнения морской воды микропластиком (МП, 0.3-5 мм) и мезопластиком (МеП, 5-25 мм) в прибойной зоне песчаных и галечных морских берегов до, во время и после шторма. Одновременный отбор проб проводился на 2 пляжах с разным осадком. Во время шторма загрязнение МП вблизи песчаных и галечных берегов: 773±301 против 592±289 шт./м³ соответственно. При наличии песчаной взвеси в пробах воды вблизи галечных берегов загрязнение было: для МП 11035±1591, для МеП - 865±559 шт./м³. Волокна составили 98.1% всех частиц. Выявлены две ключевые тенденции в течение штормового периода: уменьшение средней длины волокон и увеличение соотношения МП к МеП. Таким образом штормовые условия в прибойной зоне способствуют фрагментации МеП в МП. Проведен обширный сравнительный анализ с результатами других исследований как в Балтийском море, так и в других морях Проведена одна экспедиция с плавсредства и собран видеоряд этой же акватории с паралёта. В рамках экспедиционного выхода 04.09.2025 г. были получены данные глубин с помощью эхолотной съемкой на двух треках: трек 1 общая длина 3.28 км; трек 2 общая длина 5.63 км. Найдено скопление водорослей в 45 м от берега, которое является потенциальной зоной аккумуляции морского мусора. Площадь обнаруженного пятна составила ~56 м². С помощью эхолотной съемки измерена средняя глубина в районе пятна, которая составила 1.2 ± 0.19 м. По итогам анализа отснятого видеоматериала были обнаружены крупные образцы морского мусора (пленки / фрагменты) предположительно синтетического происхождения. Отобраны пробы донного осадка в месте скопления водорослей и в свободном от водорослей месте для оценки содержания МП. Предварительный анализ полученной батиметрии в районе расположения пятна показывает, что аккумуляция морского мусора происходит между подводными барами. В целом, при спокойной погоде локализация пятен следует особенностям батиметрии. Измерения (всего 250) показали, что скорость оседания тонущих объектов варьирует от 0.8 до 111.2 см/с. Средняя скорость оседания фрагментов из стекла и керамики составляла 33.1 см/c, металла – 29.3 см/c, пластика – 5.3 см/c; композитов при первом измерении – 21.2 см/с и уменьшалась в ходе проведения трёх повторных измерений за счёт потери не антропогенного материала. Полученные новые результаты дополнили данные, собранные в 2024 году. Таким образом, получен экспериментальный материал, позволяющий в дальнейшем провести анализ как внешних условий бичинга частиц, так и характеристик выбрасываемых на берег частиц. Была оценена производительность трех моделей машинного обучения для прогнозирования даты и времени выброса морского мусора на берег. Сравнивалась точность моделей искусственной нейронной сети, классификатора случайного леса и классификатора градиентного усиления. Модель классификатора случайного леса (83.4 ± 7.6% для метрики F1) и модель искусственной нейронной сети (81.7 ± 3.9% для метрики F1) представляются наиболее эффективными моделями для прогнозирования выброса морского мусора на берег. Таким образом полученные результаты помогли выбрать оптимальную модель для дальнейшего использования. В процессе обучения моделей были выделены наиболее значимые характеристики: уровень моря, направление и крутизна волны. Это позволило лучше понять процесс выбрасывания морского мусора. В рамках проекта, посвященного изучению механизмов сортировки пластиковых объектов в прибрежной зоне, по итогам второго года работы были получены следующие ключевые результаты, отраженные в двух статьях в журналах первого квартиля: 1. Elena Esiukova, Sergey Fetisov, Olga Lobchuk, Irina Chubarenko. 2026. The fate of marine microplastics in the swash zone. Marine Pollution Bulletin. 224 (2026) 119100. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2025.119100 2. Lobchuk O., Esiukova E., Kileso A. 2025. Beyond particle count: Integrating size and mass metrics for a more comprehensive assessment of beach litter pollution in the south-eastern Baltic Sea. Mar. Pollut. Bull. 222 (2026), Part 2, 118802. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2025.118802 Коллектив представил результаты проекта c 2 устными докладами на 2 международных конференциях: 1. Хатмуллина Л.И., Исаченко И.А. Скорость оседания как фактор, определяющий выбрасывание на берег морского антропогенного мусора // Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: 11-я международная научная конференция-школа молодых ученых. М.: ИПМех РАН, 2025. С. 152–155. 2. Фетисов, С. В. Регистрация крупных выбросов морского мусора с помощью автономной видеокамеры // Современные методы и средства океанологических исследований (МСОИ-2025), Москва, 13–15 мая 2025 года. – Москва, 2025. – С. 262-265. По полученным в ходе проекта результатам в СМИ опубликовано в общей сложности 18 информационных сообщений, например: https://plastics.ru/publications/news/rossiyskie-uchenye-predlozhili-novyy-metod-otsenki-zagryazneniya-plyazhey-plastikom/ https://nauka.tass.ru/nauka/25790289

Публикации