О проекте
Глобальное эвтрофирование водных экосистем: палеолимнологическая идентификация естественных и антропогенных факторов на примере озер горнопромышленного региона
Сохранение источников чистой пресной воды является не только стратегической задачей нашего государства, но и вопросом выживания человечества в целом. Эвтрофирование водных объектов, которое в настоящее время приняло глобальный масштаб, приводит к значительному ухудшению качества воды, появлению в ней токсинов и невозможности использования водоемов в качестве источников водоснабжения и в рекреационных целях. Понимание причин и механизмов природных и антропогенных процессов, связанных с эвтрофированием, определение естественной изменчивости озер, оценка вклада различных факторов в неблагоприятные изменения экосистем необходимы для эффективного управления озерными экосистемами. Поэтому первой задачей проекта является определение факторов естественного эвтрофирования озер различных ландшафтно-климатических обстановок Урала на основе палеолимнологических исследований донных отложений, накопленных за 13 тысяч лет. Вторая задача проекта состоит идентификации и в количественной оценке вклада естественных и антропогенных факторов в процесс эвтрофирования озерных экосистем Урала за последние 100-150 лет.
Территории горно-промышленных регионов характеризуются не только повышенной техногенной нагрузкой, но и наличием природных геохимических аномалий токсичных элементов. Воздействие этих факторов на процесс эвтрофирования до сих пор остается очень слабо изученным. Поэтому в ходе реализации проекта планируется решение задачи установления закономерностей взаимного влияния процессов эвтрофирования, миграции и аккумуляции токсичных элементов в зонах природных и техногенных геохимических аномалий для разработки методики оценки и прогноза состояния озер горнопромышленных регионов в условиях изменения климата и интенсификации антропогенной нагрузки.
Поставленные задачи будут реализованы с помощью палеолимнологического подхода, основанного на междисциплинарных исследованиях, включающих микропалеонтологические, изотопные, геохимические и гидрохимические методы. Палеолимнологические исследования имеют важнейшее преимущество перед многолетним мониторингом, традиционно использующимся для определения факторов, влияющих на трансформации экосистем, поскольку позволяют оперировать непрерывной последовательностью данных, охватывающей весь период развития озера, включая и период до антропогенного развития. Комплексный подход и использование современного математического аппарата в палеолимнологии позволяет выполнять количественные реконструкции изменения параметров озерных экосистем с высокой точностью. С помощью количественных реконструкций, микропалеонтологического, изотопно-геохимического анализа колонок донных отложений, накопленных с конца плейстоцена, будут установлены механизмы прямого и непрямого (через изменения на водосборе) воздействия климата и определена естественная вариация процессов эвтрофирования озер различных ландшафтно-климатических обстановок. Комплексное исследование верхней части колонок донных отложений, отобранных с высоким разрешением, позволит идентифицировать естественные и антропогенные факторы, влияющие на процесс эвтрофирования озер Урала с начала антропогенного воздействия, и установить масштаб изменений озерных экосистем в сравнении с предыдущим периодом развития. Это внесет существенный вклад в решение мировой научной проблемы определения причин глобального эвтрофирования водных экосистем за последние 100-150 лет. Палеолимнологическое исследование новых колонок донных отложений с высокими концентрациями урана позволит оценить влияние естественных геохимических аномалий на процессы, связанные с эвтрофированием озер. На основе статистической обработки данных комплексного анализа более чем 100 озер, а также палеолимнологических исследований ранее не изученных озер фоновой и импактной зоны Карабашского медеплавильного комбината будет установлена роль горнопромышленного техногенеза в интенсификации или ингибировании эвтрофирования и исследованы изменения аккумуляции, миграции, биодоступности токсичных элементов техногенной ассоциации для озер различного трофического уровня. Полученные в ходе реализации проекта компьютерные программные продукты позволят ускорить процесс оценки экологического состояния озер с помощью комплексного подхода, использующего методы биоиндикации и классическую систему контроля, основанную на предельно-допустимых концентрациях токсичных веществ в воде и донных отложениях. Новые научные знания о природных и антропогенных механизмах, регулирующих эвтрофирование озер, определение вклада в этот процесс глобального потепления, многолетних колебаний гидрометеорологических показателей, различных видов хозяйственного и рекреационного использования водоемов, техногенной нагрузки и природных геохимических аномалий внесут вклад в разработку методики эффективного управления водными экосистемами горнопромышленных регионов и решение практической задачи повышения эффективности рационального управления озерами и возможности эффективного ответа российского общества на большие вызовы с учетом взаимодействия человека и природы.
The preservation of sources of clean fresh water is not only a strategic task of our state, but also a question of the survival of mankind as a whole. The eutrophication of water bodies, which has now assumed a global scale, leads to a significant deterioration in the quality of water, the appearance of toxins in it and the inability to use water bodies as sources of water supply and for recreational purposes. Understanding the causes and mechanisms of natural and anthropogenic processes associated with eutrophication, determining the natural variability of lakes, assessing the contribution of various factors to adverse changes in ecosystems are necessary for effective management of lake ecosystems. Therefore, the first task of the project is to determine the factors of natural eutrophication of lakes in various landscape and climatic environments of the Urals on the basis of paleolimnological studies of bottom sediments accumulated over 13 thousand years. The second task of the project is to identify and quantify the contribution of natural and anthropogenic factors to the process of eutrophication of the lake ecosystems of the Urals over the past 100-150 years.
The territories of mining and industrial regions are characterized not only by an increased technogenic load, but also by the presence of natural geochemical anomalies of toxic elements. The impact of these factors on the process of eutrophication is still very poorly understood. Therefore, during the implementation of the project, it is planned to solve the problem of establishing the regularities of the mutual influence of the processes of eutrophication, migration and accumulation of toxic elements in the zones of natural and technogenic geochemical anomalies in order to develop a methodology for assessing and predicting the state of lakes in mining regions under conditions of climate change and intensification of anthropogenic load.
The tasks set will be realized using a paleolimnological approach based on interdisciplinary research, including micropaleontological, isotopic, geochemical and hydrochemical methods. Paleolimnological studies have a major advantage over long-term monitoring, which is traditionally used to determine the factors influencing the transformation of ecosystems, since they allow operating with a continuous sequence of data covering the entire period of lake development, including the period before anthropogenic development. An integrated approach and the use of modern mathematical apparatus in paleolimnology allows quantitative reconstructions of changes in the parameters of lake ecosystems with high accuracy. With the help of quantitative reconstructions, micropaleontological, isotope-geochemical analysis of the bottom sediment columns accumulated since the end of the Pleistocene, the mechanisms of direct and indirect (through changes in the catchment) climate impact will be established and the natural variation in the processes of eutrophication of lakes in different landscape and climatic environments will be determined. A comprehensive study of the upper part of bottom sediment columns, sampled with high resolution, will allow identifying natural and anthropogenic factors influencing the process of eutrophication of Ural lakes since the beginning of anthropogenic impact, and establishing the scale of changes in lake ecosystems in comparison with the previous period of development. This will make a significant contribution to the solution of the world scientific problem of determining the causes of global eutrophication of aquatic ecosystems over the past 100-150 years. A paleolimnological study of new columns of bottom sediments with high concentrations of uranium will make it possible to assess the influence of natural geochemical anomalies on the processes associated with the eutrophication of lakes. Based on the statistical processing of data from a comprehensive analysis of more than 100 lakes, as well as paleolimnological studies of previously unexplored lakes in the background and impact zones of the Karabash Copper Smelter, the role of mining technogenesis in the intensification or inhibition of eutrophication will be established and changes in the accumulation, migration, and bioavailability of toxic elements of the technogenic association will be investigated for lakes of various trophic levels. The computer software products obtained during the implementation of the project will speed up the process of assessing the ecological state of lakes using an integrated approach using bioindication methods and a classical control system based on the maximum permissible concentrations of toxic substances in water and bottom sediments. New scientific knowledge about natural and anthropogenic mechanisms regulating the eutrophication of lakes, determination of the contribution to this process of global warming, long-term fluctuations of hydrometeorological indicators, various types of economic and recreational use of water bodies, anthropogenic pressure and natural geochemical anomalies will contribute to the development of methods for the effective management of aquatic ecosystems of mining regions and solving the practical problem of increasing the efficiency of rational lake management and the possibility of an effective response of Russian society to major challenges, taking into account the interaction of man and nature.