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.

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.

 

 

 

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

 

 

 

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.

 

 

 

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.