Педагогический альманах ==День за Днем==
 
написать письмо

    Главная

    Новости

    Методика

    За страницами учебников

    Библиотека

    Медиаресурсы

    Школьная библиотека

    Подготовка к ЕГЭ, ГИА

    Одаренные дети

    Проекты

    Мир русской усадьбы 

    Экология  

    Методический портфолио учителя

    Встречи в учительской

    Творчество педагогов

    Статьи педагогов в журнале "Новый ИМиДЖ"

    Конкурсы профессионального мастерства педагогов

    Творческие страницы

    Рефераты школьников

    Конкурсы школьников

    Альманах детского творчества "Утро"

    Творчество школьников

    Фотогалерея 

    Школа фотомастерства

    Доска объявлений

    Полезные ссылки

    Гостевая книга
    Sort

    Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru

      День за днем : Статьи 

      Статьи  


     
     
    Качество сибирских вод

    Член-корреспондент РАН Татьяна МОИСЕЕНКО, руководитель Отдела биогеохимии и экологии Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского;
    доктор биологических наук Александр ШАЛАБОДОВ, директор Института математики, естественных наук и информационных технологий Тюменского государственного университета;
    доктор биологических наук Сергей ГАШЕВ, заведующий кафедрой зоологии и эволюционной экологии животных того же университета
     

    Как объективно оценить состояние водных артерий Западной Сибири — региона исключительно важного для экономического развития нашей страны? Насколько велики негативные последствия нефтегазовых разработок и других антропогенных нагрузок на природу территории, составляющей 14% площади России? Ответы на эти вопросы можно получить только по итогам комплексных экологических исследований.

    Проект «Формирование качества вод и экосистем в условиях антропогенных нагрузок и изменения климата в Западной Сибири», разработанный нашим коллективом, стал в 2010 г. одним из 40 победителей открытого публичного конкурса, организованною Правительством РФ для поддержания исследований в ведущих отечественных вузах. Благодаря двухлетнему государственному гранту ныне в Тюменском государственном университете создана аналитическая лаборатория, оснащенная самым современным оборудованием, и получены важные сведения для экологически сбалансированного использования природных ресурсов Западной Сибири.

    Работа, начатая в 2010 г. под руководством одного из авторов настоящей статьи, члена-корреспондента РАН Татьяны Моисеенко, потребовала изменить привычную для университетов схему исследовании, предложить новую методологию изучения намеченных объектов. И вот почему.
     
     

    Проблема качественного истощения водных ресурсов особенно остро обозначилась в последние десятилетия, ибо во многих случаях антропогенный фактор не менее значим для формирования химического состава вод, чем природные геохимические и биологические процессы. Разработка полезных ископаемых, загрязнение рек индустриальными и хозяйственно-бытовыми стоками, преобразование водосборов в связи с промышленным освоением территорий — все вместе приводит к негативному результату. Вносит свою лепту и изменение климата — ведь от температурного режима зависит подвижность химических элементов в экосистемах. А вследствие трансграничного переноса токсичных веществ с воздушными потоками тяжелые металлы и хлорорганические соединения обнаружены даже в отдаленных высокогорных и арктических озерах.
    То есть водные экосистемы испытывают одновременное влияние факторов локального и глобального уровня, и для того, чтобы изучить последствия, необходимы междисциплинарные исследования. А центральной задачей должна стать комплексная оценка качества вод.
     
     
     
    ЧТО ТАКОЕ КАЧЕСТВО ВОД?
     
    Какую воду можно считать достаточно хорошей, как выбрать критерии ее оценки? При кажущейся простоте этого вопроса однозначного ответа сегодня нет. Казалось бы, рациональнее всего исходить из цели водопотребления: в промышленности требования к этому ресурсу иные, чем, скажем, при естественном или искусственном воспроизводстве рыб. Однако поскольку речь идет о природном богатстве, жизненно важном для всех организмов, включая человека, взгляд исследователя должен быть шире.

    В России, как и в большинстве стран мира, при мониторинге природных вод определяют, в какой мере содержание в них того или иного компонента (чаще токсиканта) превышает его предельно допустимую концентрацию (ПДК). Этот показатель у каждого подлежащего контролю вещества постоянный, он не зависит от того, где ведутся исследования — в Арктике или аридном регионе. То есть специфика поведения загрязнителя в конкретных ландшафтно-географических условиях не учитывается. Между тем внешние факторы могут усилить или ослабить его влияние. Следовательно, привлечение ПДК в оценке качества вод — не универсальный подход.

    Поэтому гидрохимики предлагают оценивать качество вод и нормировать загрязнение по так называемым средним фоновым значениям показателей их химического состава (т.е. измеренным в водоемах того же района, не испытавших антропогенного вмешательства). При измерении последних полученные цифры всегда распределяются в неком интервале, и этот разброс данных, обычный для природных сред, учитывают с помощью статистических подходов — к усредненному показателю прибавляют 1-2 квадратичных отклонения (квадратный корень из дисперсии случайной величины), т.е. величин, лишенных физического смысла.

    В свою очередь, биологи предлагают привлечь для характеристики качества вод показатели нарушений в состоянии животных, их популяций и сообществ. Однако не всегда ясно, в каких условиях (т.е. при каких показателях химического состава вод) произошли регистрируемые трансформации.

    Тем не менее, если абстрагироваться от субъективных требований к качеству вод отдельных их потребителей и подойти к оценке с позиций экологической парадигмы, можно вывести следующее определение. Качество вод — это их свойства, сформированные в химических, физических и биологических процессах как в водоеме, так и на водосборе. Оно может быть оценено положительно, если обитающие в данной среде и адаптировавшиеся к ней в процессе эволюционного развития организмы нормально развиваются, и воспроизводство наиболее чувствительных видов из их числа продолжается. В последнем случае можно считать (за редким исключением), что здоровью человека такая вода также не угрожает.

    Очевидно, что методы оценки качества вод в экспериментальных или натурных условиях должны быть предложены на основе фундаментальных разработок в области наук о Земле и Жизни. Вот два «кита», на которых зиждется наша концепция: закономерности миграции, трансформации, седиментации (осаждения) и поведения антропогенно-привнесенных элементов, их взаимодействие с природными факторами; закономерности антропогенной изменчивости экосистем, их устойчивость и пределы адаптации, пограничные состояния.

    Мы убеждены: без глубокого изучения свойств вод, формирующихся в современных условиях, и ответных реакций живых систем на антропогенное загрязнение невозможно обосновать систему критериев оценки качества водных артерий нашей страны и предложить систему нормирования воздействий.
     

    ТЕХНОГЕННАЯ УГРОЗА ВОДНЫМ АРТЕРИЯМ СИБИРИ
     

    Несмотря на высокую обеспеченность большинства районов Западной Сибири водными ресурсами, сегодня назревает проблема их качественного истощения вследствие антропогенных нагрузок локального и глобального масштабов. К сожалению, экономика России сохраняет минерально-сырьевую направленность, а в данном регионе сосредоточено около 8% мировой добычи нефти. В поверхностных водах повышены концентрации фенолов, аммиака, соединений меди, цинка, марганца, железа, но особую угрозу для рек и озер Обь-Иртышского бассейна представляют нефтяные углеводороды, на долю которых приходится около 80% общего загрязнения. Ряд токсичных компонентов распространяются на дальние расстояния за счет воздушного переноса, и их присутствие мы фиксируем в местах, где, казалось бы, природная среда не нарушена. Между тем здесь сосредоточены запасы уникальных пород рыб, таких как пелядь, пыжьян, чир и муксун.

    В последние годы в ряде азиатских стран — Китае, Монголии, Казахстане и др. — возросли промышленные выбросы двуокиси углерода и других кислотообразующих газов, металлов, иных опасных веществ, и прогнозы неутешительны. А ведь Западная Сибирь расположена на пути воздушных потоков, несущих упомянутые загрязнители в северо-западном направлении. В итоге в южных ее регионах и местах нефтедобычи ситуация с качеством вод близка к критической. Многие элементы и химические соединения, привнесенные человеком в экосистемы, способны непосредственно или в результате трансформации оказывать на живые организмы токсичные, канцерогенные, тератогенные и мутагенные эффекты.

    Ученых, занимающихся проблемой техногенного загрязнения, Западная Сибирь интересует и как уникальный географический объект, охватывающий разнообразные природно-климатические зоны (от тундровых до степных) и ландшафты (арктические, заболоченные, таежно-лесные). Что дает нам основу для постановки глубоких теоретических исследований с целью познания природных законов, управляющих антропогенной изменчивостью физико-химических свойств вод в современных условиях.

    Кстати, по инициативе Государственной Думы РФ и других заинтересованных ведомств в стране начата разработка целевой программы «Чистая вода», и полученные нами результаты будут иметь практическое значение для ее реализации.
     

    МАСШТАБНЫЕ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
     
     
     
    В структуре наших исследований три взаимосвязанных блока. Прежде всего мы изучаем географические и физико-химические особенности трансформации абиотических сред, связанной с загрязнением и изменением климата. Во-вторых, оцениваем реакцию живых систем на эти влияния, включая отдаленные биохимические и цитогенетические последствия. Наконец, определяем критические уровни нагрузки для разных загрязняющих веществ с учетом разнообразия природных условий и разрабатываем стратегию водопользования и восстановления экологически нарушенных территорий (акваторий).

    Выполнение столь масштабной работы было бы немыслимо без серьезного научного задела Института математики, естественных наук и информационных технологий Тюменского государственного университета — руководителя проекта. Отметим, Тюменский университет благодаря ряду крупных грантов — «Формирование инновационного научно-образовательного комплекса Тюменского университета для обеспечения эффективности природопользования в условиях интенсивного освоения ресурсов Западной Сибири», «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», «Развитие научного потенциала высшей школы (2006—2008)» и др. — и нашему проекту сегодня довольно хорошо оснащен. Здесь есть, например, лазерный сканирующий моторизованный микроскоп LSM 5 LIVE DUO SCAN (известной немецкой компании «Карл Цейс») с системой пробоподготовки, автоматический ротационный микротом НМ 360S с системой переноса срезов STS, секвенатор ДНК, спектрометр ядерного (протонного) магнитного резонанса Hewlett Packard SPM 2R Т21, атомно-эмиссионный спектрометр с массдетектором Agilent-7500 для элементного анализа состава проб (ICP + MS), жидкостный хроматограф Agilent 1100 с массселективным детектором (для анализа супертоксикантов — бензпирен, диоксины, хлорфенолы и др.), система капиллярного электрофореза Agilent 3DCE (для анализа лекарств, ядов, токсических веществ). Так что лаборатория качества вод, устойчивости водных экосистем и экотоксикологии подготовилась к началу исследований в кратчайшие сроки.

    В 2011 г. для решения поставленных в проекте задач мы развернули масштабные экспедиционные исследования на территории Тюменской области — единственном регионе России, простирающемся (вместе с автономными округами) от Северного Ледовитого океана на севере до государственной границы на юге. Для того чтобы охватить столь обширную территорию, вмещающую несколько природных зон — от тундровой до степной, мы сформировали из специалистов разного профиля семь отрядов, работавших по унифицированной методике, основанной на передовом мировом опыте исследований по гидрохимии, геоэкологии, экологии и биологии. В частности, применили экспресс-обследования озер, благодаря чему удалось отобрать пробы воды из 110 таких водоемов различного размера. Интересный материал мы получили на модельных водосборах (10 площадок в тундровой, таежной, лесостепной зонах), где плодотворно потрудились геоботаники, орнитологи, зоологи, гидрохимики, гидробиологи и палеоэкологии. Последние взяли здесь образцы донных озерных отложений для геохимического и диатомового анализов.

    Данные о водных и околоводных экосистемах условно-фоновых (не испытывающих прямого антропогенного воздействия) районов стали «точкой отсчета» для оценки последствий загрязнения. Хотя даже в автономных ландшафтах, отдаленных от промышленных центров, природные сообщества все же несут печать влияния трансграничного переноса токсичных веществ.
     
     
     
    ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИТОГИ
     
    Экологические исследования имеют свою специфику — связаны с сезонными ограничениями в отборе проб, довольно трудоемки на стадии биологического и химического анализа полученного материала. Специалистам хорошо известно: обработка образцов в среднем занимает год-два, что делает нереальным завершение проекта за 2,5 года. Однако сегодня мы обладаем информацией, позволяющей делать выводы о состоянии водных и околоводных экосистем Западной Сибири, а скоро сможем предложить и мероприятия по рациональному природопользованию.

    Оказалось, что естественный фон таких микроэлементов, как Fe, Мп и Аl, в рассматриваемом регионе в десятки раз превышает ПДК. Но при этом в водах тундровой и таежной частей Западной Сибири концентрации микроэлементов, за исключением Fe, довольно низки. Что же касается лесостепи, то здесь пониженная увлажненность и карбонатность почв вызывает аккумуляцию Sb, Zn, Pb.

    На основании полученных данных мы разработали методику оценки уязвимости поверхностных вод Тюменского региона к кислотным выпадениям, определив их критические нагрузки. Изучив трансформации экосистем в исторической ретроспективе, наши специалисты на примере природного парка «Кондинские озера» (Ханты-Мансийский автономный округ) показали: до 2000 г. закисление водоемов здесь росло, а антропогенные воздействия превышали допустимые пределы. Однако к 2008 г. обозначилась тенденция восстановления качества среды в озере Арантур, что согласуется с общеевропейской картиной: постепенно возвращается исходная щелочность вод и повышается их кислото-нейтрализующая способность.

    Благодаря детальному изучению механизмов электростатической сорбции металлов и исследованию формирования их комплексов с гумусовыми веществами нам удалось разработать методику теоретического расчета форм нахождения этих элементов в природных средах региона. А анализ данных о 140 водных объектах позволяет ныне делать соответствующие прогнозы для рек и озер различных зон. Разумеется, полученные закономерности могут быть использованы при оценке токсичности загрязняющих веществ и для корректировки нормативов качества вод.

    Отдельное исследование провели работавшие в экспедиции ихтиологи, в итоге обосновав физиологическую норму для рыб. обитающих в водоемах Западной Сибири. Для оценки состояния их популяций в фоновых озерах разных природно-климатических зон Тюменского региона специалисты изучили морфологические и гистологические показатели органов и тканей у ключевых представителей арктического пресноводного (голец, сиги) и бореально-равнинного (плотва, окунь) фаунистических комплексов. В арктической тундре на Гыданском и Ямалском полуостровах задержка полового созревания и удлинение полового цикла у выбранных видов вызваны в большей степени слабой кормовой базой и укороченным периодом нагула. В таежной подзоне отмечены некоторые отклонения в исследованных органах и слабое развитие репродуктивной системы, однако в целом экологическая обстановка здесь более благоприятная.

    Цитогенетический анализ эмбрионов разных видов сиговых рыб, обитающих в загрязненных водных системах Тюменской области, показал: частота хромосомных нарушений — эффективный биомаркер присутствия вредных веществ. Специалисты выяснили: в Обь-Иртышском бассейне качество вод на нерестовых участках настолько ухудшилось, что повысилась мутагенность этой среды обитания, о чем свидетельствует динамика повышения частоты хромосомных нарушений в клетках развивающихся зародышей рыб.

    Наши лабораторные эксперименты показали: загрязнение вод сырой нефтью вызывает неспецифическую реакцию организма мелких млекопитающих и становится стрессовым фактором для животных, что согласуется с полученными ранее результатами натурных исследований на нефтезагрязненных территориях. В провс iciiiioM опыте у грызунов, содержащихся на нефтяной «диете», растет интенсивность метаболизма, отчего страдают их сердце и почки, их печень гипертрофирована. Эффект отравления подтверждается одновременным увеличением индекса селезенки и снижением гемоглобина в крови зверьков, в чью пишу добавлен упомянутый токсикант. Кроме того, отмечены нарушения процессов кроветворения, усиление миграции лимфоцитов в кровоток и другие изменения. Специалисты выяснили, что адаптация к столь неблагоприятным условиям среды протекает специфично у разных видов, а также половых и возрастных групп одного вида при активном участии гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы.

    Для оценки состояния окружающей среды мы использовали и методы биоиндикации, основанные на адекватном отклике сообществ животных и отдельных популяций на изменение параметров среды их обитания. Отметим, негативную реакцию можно зафиксировать как в структуре экосистемы, так и на морфофизиологическом и гистологическом уровне индивидуумов. Задавшись такой целью, орнитологи провели исследования внутри условного коридора (трансекты) в направлении с севера на юг, протяженностью около 3 тыс. км. Наблюдения на 12 пробных площадках в разных природных зонах Западной Сибири показали: на смещение северных границ ареала видов птиц исследуемого региона, несомненно, повлияло широко обсуждаемое ныне потепление климата в течение последних 15 лет в пределах 60-лстнего астрономического цикла. Однако температуры подросли только в летние периоды, отчего перелетные, в том числе водно-болотные виды, и освоили новые места, тогда как суровые зимы могут вызывать смещение на юг оседлых и кочующих пернатых. Иначе говоря, тут правильнее говорить о росте континентальности климата.

    Результаты междисциплинарных исследований, частично изложенные в настоящей статье, стали фундаментом и я разработки практических рекомендаций по рациональному природопользованию. Над этим сейчас трудится наш коллектив. Найти пути для сохранения чистоты рек и озер Западной Сибири, се обширных и живописных болотных угодий — актуальнейшая задача отечественных ученых. Ибо от этого зависит не только биоразнообразие на нашей земле, но и жизнь, и здоровье людей.
     
     
    «Наука в России» . – 2012 . - № 4 . – С. 13-19.
     
     




    © 2006 - 2015 День за днем. Наука. Культура. Образование