Достижения, результаты
Институту озероведения РАН принадлежит главенствующая роль в проведении регулярных комплексных исследований экологического состояния Ладожского озера – одного из крупнейших в Мире и крупнейшего озера в Европе, водоема, имеющего огромное значение в жизни Северо-Западного региона России и, в первую очередь, Санкт-Петербурга, как безальтернативного источника питьевого водоснабжения.
В 2021 году исполнилось 65 лет Ладожской экспедиции Института озероведения. Начало серьезных исследований Ладожского озера относится к концу XIX – началу XX в. Значительные работы, проведенные в довоенный период, обобщены в монографии И.В.Молчанова (1945). Наиболее обширные комплексные исследования озерных процессов Ладоги были предприняты Лабораторией озероведения АН СССР (в настоящее время Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт озероведения РАН) в 1956 -1963 гг. Под научным руководством академика С.В.Калесника по результатам исследований завершенных изданием восьми монографий в 1961-1968 гг. коллектив Ладожской экспедиции был награжден медалью Русского географического общества. Первым начальником Ладожской экспедиции был Василий Александрович Толмачев известный советский лимнолог…
Наиболее важные результаты научных исследований 2013-2016 гг.
- Впервые выявлена существенная роль озера Ильмень в процессах ухудшения качества вод Ладожского озера и р. Невы. На основе анализа космической информации и натурных измерений установлено, что в результате длительного затопления обширных территорий вокруг Ильменя в период весенних половодий в акваторию озера поступают различные загрязняющие вещества, которые впоследствии через р. Волхов попадают в южную часть Ладоги и Неву (Приложение, рисунок 1). (ИНОЗ РАН, академик РАН В.А. Румянцев, д.г.н. Ш.Р. Поздняков, д.г.н. М.А. Науменко, к.г.н. Н.В. Игнатьева, к.г.н. С.Г. Каретников, к.г.н. В.В. Гузиватый, А.М. Крючков).
- На примере модельного оз. Красного (Карельский перешеек) показана тенденция снижения водности в условиях продолжающейся многоводной фазы последних лет. Дана характертистика связанных с этим изменений в структуре и продуктивности биологических сообществ, в частности, усиления развития синезеленых водорослей и интенсивности цветения воды в августе – сентябре.
- Показано, что по сравнению с предыдущим тридцатилетним периодом в настоящее время увеличилось количество теплых и экстремально теплых лет в регионе Ладожского озера. Межгодовая изменчивость сроков начала и окончания движения термического фронта по акватории озера имеет тенденцию на смещение в сторону более ранних значений.
- Комплексными исследованиями подтверждена эффективность превентивного действия ультразвукового излучения малой мощности на бактериальное цветение в опытном водоеме. Введена в действие установка для моделирования и оптимизации параметров ультразвукового воздействия на цианобактерии в лабораторных условиях. Изучен механизм действия одного из наиболее токсичных метаболитов цианобактерий – анатоксина а с использованием дафний и фармакологических подходов.
- На основе информации по гидрохимическому и гидробиологическому режимам Ладожского озера и его притоков, сделано заключение, что вектор развития экосистемы озера и его притоков определяется в основном естественными факторами природной среды в конкретных климатических условиях. При этом антропогенные воздействия в отдельных локальных участках могут вызывать заметные изменения показателей, характеризующих состояние экосистемы озера или его притоков.
- Разработан комплекс трех моделей (ILHM, ILLM и FLakeEco), описывающий тепломассоперенос в системе «водосбор – водоем». Комплекс позволяет давать прогностической оценки возможных изменений кислородного режима Псковского и Чудского озер в условиях изменяющихся климатических и антропогенных воздействий. Показано, что термогидродинамический режим озерной системы в XXI веке претерпит значительные изменения. Увеличение периода открытой воды приведет к повышению продуктивности обоих озер и их трофического статуса.
- Разработана и апробирована основа методики определения соотношения природных и антропогенных факторов влияния на экосистему озера по палеолимнологическим данным. Методика впервые позволяет оценивать изменения состава донных отложений и объяснять их причины на основании аналогов в прошлом.
- На основе анализа лимнологической изученности центра и юга Европейской территории России (ЕТР) выявлены изменения озерного фонда ЕТР за последние 50 лет, свидетельствующие о продолжающемся постепенном уменьшении площади водного покрытия Восточно-Европейской равнины. Наиболее значимые изменения отмечены для регионов, уже характеризующихся водным дефицитом. Дана количественная оценка озерных ресурсов Западной Сибири и определены основные проблемы качества озерных вод данного региона.
- Проведена новая оценка озерного фонда России на основе специально разработанной методики. Озерные водные ресурсы РФ оценены в ~25 970 км3, в том числе более 50 км3 – воды повышенной минерализации. В искусственных водоемах содержится ~830 км3. На крупнейшие озера приходится более 95 % общего объема пресных озерных ресурсов. Около 24 000 км3 озерной воды могут на сегодняшний день считаться условно чистыми, сохраняющими олиготрофный статус. В крупнейших водохранилищах сосредоточено 720 км3 воды, менее 8 % которой являются условно чистыми. В то же время для многих наиболее экономически развитых областей РФ, в которых отсутствуют крупные водоемы, доля условно чистых озерных вод составляет доли процента.
- Оценено состояние озер Карельского перешейка, выявлены закономерности изменения их экосистем в современных условиях (трофический статус озер, уровень загрязнения, качество вод) и основные факторы изменений, выявлены зоны экологического бедствия. Подготовлен проект системы индикации состояния озер по гидрохимическим и биологическим параметрам. Получены эмпирические модели, реализующие принципы многофакторных воздействий; многофакторный анализ показал, что в озерах Привуоксинской низины и Приморского района концентрация органического вещества и биогенных элементов достоверно выше, чем в остальных районах Карельского перешейка.
- Выявлена специфика изменений химико-биологических показателей водных экосистем ряда геохимических ландшафтов, подверженных различным видам антропогенного воздействия, характерным для урбанизированных территорий. Получена развернутая оценка экологического состояния нескольких озерно-речных систем Северо-Запада России.
- Разработаны научно обоснованные рекомендации по предотвращению негативных последствий изменения уровня воды водной системы «Ладожское озеро – река Нева – Невская губа» в ожидаемых условиях продолжения климатического потепления и возрастания антропогенного воздействия на водную систему. Основные рекомендации: установление охранной зоны вдоль побережий Невской губы и дельты р. Невы; перенос высотного градостроительства на возвышенные участки побережий вне зоны существующих тектонических разломов; сооружение плотины в истоке р. Невы, регулирующей уровень воды в Ладоге, для сохранения озера источником питьевой воды.
- На основе информации по гидрохимическому и гидробиологическому режимам Ладожского озера и его притоков, сделано заключение, что вектор развития экосистемы озера и его притоков определяется в основном естественными факторами природной среды в конкретных климатических условиях. При этом антропогенные воздействия в отдельных локальных участках могут вызывать заметные изменения показателей, характеризующих состояние экосистемы озера или его притоков. Дана оценка объема потенциально пригодных для водозабора вод Ладожского озера, которые находятся в западной и юго-западной частях акватории. Доказано, что при любых возможных негативных изменениях состояния Ладожского озера качество забираемой в нем воды будет лучше, чем в водозаборах, расположенных в р. Неве в черте Санкт-Петербурга.
- Проведена новая оценка современного состяния озерного фонда Европейской территории России (ЕТР) на основе специально разработанной методики. Показано, что озерные водные ресурсы ЕТР составляют ~1 370 км3, из которых 99 % сконцентрировано в озерах Северо-Западного региона, при этом ~60 % озерных вод ЕТР характеризуются как условно чистые. С начала 2000-х гг. наблюдается стабилизация экологического состояния ряда крупнейших озер, в то же время состояние многих малых и средних водоемов характеризуется как неблагоприятное. Снижение качества воды фиксируется в ранее благополучных регионах, в том числе, на европейском северо-востоке. За последние 50 лет зафиксировано заметное сокращение площадей ряда водоемов центра и юга ЕТР. (ИНОЗ РАН; Румянцев В.А., Драбкова В.Г., Измайлова А.В.).
- Впервые выполнена оценка биогенной нагрузки и ее составляющих на Онежское озеро со стороны водосборного бассейна на основе данных натурных наблюдений и с использованием детерминировано-стохастической модели. При этом информация о структуре поверхности водосбора получена путем дешифрирования космических снимков. Рассчитаны варианты возможного снижения нагрузки за счет оптимизации сельскохозяйственного производства и внедрения наилучших доступных технологий применения органических и минеральных удобрений (ИНОЗ РАН, ИВПС КарНЦ РАН, Румянцев В.А., Кондратьев С.А., Поздняков Ш.Р., Лозовик П.А., Шмакова М.В.).
- Впервые подготовлены научно-обоснованные предложения по установлению допустимой биогенной нагрузки на российские водосборы рек бассейна Балтийского моря, обеспечивающей выполнение рекомендаций Плана действий по Балтийскому морю ХЕЛКОМ по сниж Установлено усиление интенсивности «цветения» воды в озерах Карельского перешейка. Ухудшение качества воды обусловлено общим снижением водности и дальнейшего антропогенного воздействия, приводящих к созданию благоприятных условий для развития и распространения потенциально токсичных цианобактерий. Отмечено агрессивное распространение некоторых чужеродных видов погруженной водной растительности, приводящее к значительным изменениям в составе биологических сообществ. (ИНОЗ РАН; Трифонова И.С., Игнатьева Н.В., Русанов А.Г. и др.)
- Разработан и изготовлен макет ультразвуковой установки, предназначенной для борьбы с «цветением» токсичными цианобактериями в слабопроточных водоемах. Набор излучаемых частот запрограммирован таким образом, что эффект подавления развития цианобактерий будет максимален для каждого вида цианобактерий и конкретного водоема. Технические характеристики макета, в отличие от зарубежных аналогов, позволяют обеспечивать более полных охват акватории водоема. Макет работает автономно в течение 3 месяцев, изготовлен из экологически чистых материалов на российской элементной базе. (ИНОЗ РАН, АО «Концерн «Океанприбор», Румянцев В.А., Рыбакин В.Н., Коровин А.Н.)ению нагрузки на Балтику. С использованием методов математического моделирования определен потенциал возможного снижения нагрузки на Балтику со стороны России (ИНОЗ РАН, ГГИ, ООО «Экология и Бизнес»; Румянцев В.А., Кондратьев С.А., Поздняков Ш.Р., Шмакова М.В., Тарбаева В.М., Алексеев Л.П., Задонская О.В., Коровин Л.К., Воробьева Е.А.)
- На основе детального гидролокационного обследования участка Ладоги проведен анализ неоднородности геологического строения дна озера для определения характера тектонических движений и степени воздействия экзогенных рельефообразующих процессов. Показано, что в районе полигона измеренные уклоны в несколько раз больше, чем уклоны, оцененные по ранее созданной батиметрической модели. Наибольшие уклоны сосредоточены в прибрежной части полигона и практически равны 90 градусам в диапазоне глубин 30-90 м, что связано с геологическим строением острова Валаам.
- Проведены гидрохимические и гидробиологические исследования озер разных ландшафтов Карельского перешейка, различающихся геохимическим фоном и степенью антропогенного воздействия. В результате не выявлено четкой зависимости гидрохимических характеристик и состояния биологических сообществ озер от типа ландшафта. Установлено, что основным фактором, влияющим на показатели гидрохимического режима озер, структуры и продуктивности их биологических сообществ, является уровень и характер антропогенного воздействия. Большинство исследованных озер подвержено процессу антропогенного эвтрофирования в результате избыточного поступления фосфора. Во всех озерах независимо от ландшафта при обогащении фосфором повышается биомасса фитопланктона и роль в ней синезеленых водорослей, повышается роль погруженных макрофитов, снижается разнообразие всех водных сообществ.
- Выполнено обобщение существующих эмпирических зависимостей температуры воды озер от климатических факторов и от морфологических параметров озер, как факторов перераспределения тепла в водной толще. Разделение формирующих факторов на глобальные и морфометрические позволяет оценить реакцию термического режима озер, как на глобальные изменения климата, так и на изменения внешней нагрузки на регион.
- Проведенные изотопные исследования подтвердили существование разгрузки подземных вод на дне в северной части Ладожского озера. Уменьшение концентрации стабильного изотопа кислорода ?18О, характерное для подземных вод, обнаружено в вертикальных разрезах на глубинах, где выявлены обнажения пород рифейского комплекса. Выполнены расчеты, позволившие оценить вклад внешних источников в приходных статьях водного баланса Ладожского озера. Сток поверхностных водотоков составляет почти 90 %, на атмосферные осадки и подземный сток приходится 8 и 4,5 % соответственно.
- Проведен анализ существующей гидрометрической и спутниковой информации по регионам недостаточного увлажнения, с учетом ее полноты разработана методика оценки временной изменчивости озерных водных ресурсов. Расчет изменений запасов воды крупных озер, характеризующихся наиболее полной освещенностью наблюдениями, опирается на стандартные рекомендации Госкомгидромета, малых озер – на данные спутниковых снимков в годы конкретной обеспеченности. Для средних озер разработан метод реконструкции параметров распределения объемов озерных вод различной обеспеченности, основывающийся на использовании данных по реперным озерам, охваченным системой наблюдений Госкомгидромета.
Наиболее важные результаты научных исследований (2009 – 2012)
- Создана универсальная одномерная параметризованная математическая модель гидротермодинамики разнотипных озер. Модель основана на автомодельном представлении вертикального распределения температуры в системе «водная масса – донные отложения». В качестве эффективного средства учета влияния озер на формирование локальных климатических условий модель внедрена в практику численного прогноза погоды в прогностических метеорологических организациях Российской Федерации, Европы, США (к.г.н. С.Д. Голосов, к.ф.-м.н. И.С. Зверев).
- Разработан комплекс моделей для расчетов стока и выноса биогенных веществ с водосбора, циркуляции водной массы озера, распространения примесей, температурного режима и перемешивания. Комплекс апробирован на примере Чудско-Псковского озерной системы и ее водосбора и адекватно описывает основные абиотические процессы. С помощью этих моделей получены количественные оценки поступления с водосбора и распространения в озерах биогенных элементов, описаны особенности многолетней динамики термического и ледового режима на фоне изменения регионального климата. Предложенный комплекс моделей может использоваться для научного обоснования управленческих решений в области охраны и рационального использования водных ресурсов Российской части Чудско-Псковского озерной системы и ее водосбора (ИНОЗ РАН1, СПб филиал Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН2; д.ф.-м.н. С.А. Кондратьев1, к.ф.-м.н. С.Д. Голосов1, к.ф.-м.н. И.С. Зверев1, д.ф.-м.н. В.А. Рябченко2, к.ф.-м.н. А.Ю. Дворников2).
- Исследованы особенности адаптации видов-вселенцев к условиям водоемов Северо-Запада России и их экология и биология. Подтверждена натурализация новых видов-вселенцев – амфипод: байкальской Gmelinoides fasciatus (Stebbing) и понто-каспийских Pontogammarus robustoides G.O. Sars и Chelicorophium curvispinum (G.O. Sars) в Ладожском озере, и изучена сезонная динамика их популяций. Выявлено, что байкальская амфипода G. fasciatus заняла свободную экологическую нишу и использует практически не потреблявшиеся ранее трофические ресурсы прибрежной зоны, что способствует процессам самоочищения водоема. В связи с этим возможны серьезные экосистемные перестройки в литоральной зоне этого крупнейшего озера Европы. Проведено районирование восточной части Финского залива и Ладожского озера по степени уязвимости к вселению новых видов. Для экосистем бассейна Финского залива определена степень инвазивности чужеродными видами (д.б.н. Е.А. Курашов, М.А. Барбашова, к.б.н. Д.С. Дудакова, к.б.н. А.Г. Русанов С.А. Малявин).
- По материалам многолетних натурных данных по фитопланктону и перифитону содержания фосфора и органического вещества в разнотипных озерах и реках Северо-Западного региона России впервые рассчитаны собственные индикаторные валентности массовых видов водорослей. На основе оригинальных данных по экологии диатомовых водорослей и многофакторного анализа модифицирован трофический диатомовый индекс (DTI) для водоемов бассейна Ладожского озера. Уточненные сапробные валентности и модифицированные трофические индексы предлагаются в качестве основы для разработки новой системы биоиндикации состояния озер и рек Северо-Запада России по микроводорослям, отвечающей требованиям и экологическим стандартам Европейской Рамочной Директивы (д.б.н. И.С. Трифонова, к.б.н. В.П. Беляков, к.б.н. А.Г. Русанов, к.б.н. О.А. Павлова, к.б.н. Е.В. Станиславская).
- Впервые исследованы токсичность и механизм действия метаболита синезеленых водорослей – нейротоксина анатоксина-? (с) на гидробионтах. Анатоксин-? (с) был выделен и очищен из штаммов водорослей Anabaena flos-aquae и A. lemmermannii. Выявлена чрезвычайно высокая чувствительность к токсину ряда гидробионтов (дафний, хирономид, артемий). В ходе экспериментальных исследований определено, что основным механизмом действия анатоксина является ингибирование центрального фермента холинергической системы – холинэстеразы с избыточным накоплением нейромедиатора ацетилхолина (д.м.н. В.Д. Тонкопий, к.б.н. А.О. Загребин, к.б.н. Л.А. Шерстнева).
- На основе испытаний чувствительности гидробионтов к содержанию в воде пестицидов из класса фосфорорганических соединений и карбаматов, цианидов и ряда пестицидов из группы пиретроидов впервые разработаны новые методы биоидентификации. Методы используются для определения качества воды Ладожского озера (д.м.н. В.Д. Тонкопий, к.б.н. А.О. Загребин).
- Разработан комплекс показателей для репрезентативной оценки экологического состояния городских водоемов, испытывающих антропогенное воздействие различной природы, характера и интенсивности в зависимости от масштабов города и степени его индустриализации, на основе которого разработаны соответствующие нормативы. Комплекс позволяет упростить действующую систему контроля состояния городских водоемов и предложен для оптимизации используемой в настоящее время системы экологического мониторинга Росгидромета (к.г.н. Н.В. Игнатьева, к.б.н. В.П. Беляков, к.б.н. А.О. Загребин, к.б.н. Л.Л. Капустина, к.б.н. О.А. Павлова, Н.В. Родионова, Н.В. Надеждина, О.М. Сусарева).
- Предложены пути решения задачи снижения негативного воздействия антропогенных факторов на Финский залив Балтийского моря с Российской части водосбора. Показано, что наибольшее негативное воздействие на залив оказывают сточные воды Санкт-Петербурга и диффузные источники загрязнения. В качестве приоритетных мер оздоровления ситуации рекомендованы выполнение жестких нормативов ХЕЛКОМ для сбрасываемых вод и снижение рассредоточенной биогенной нагрузки на водосбор залива. С использованием разработанных математических моделей оценены перспективы реализации перечисленных мероприятий (академик РАН В.А. Румянцев, д.ф.-м.н. С.А. Кондратьев).
- Оценен ресурсный потенциал крупнейших озер Земли, включая Каспийское море. Показано, что качество воды в большинстве крупнейших озер с 1960 по 2010 гг. существенно ухудшилось. Количество незагрязненных олиготрофных озер снизилось на 20%, объем непригодных для питьевого водоснабжения пресных вод вырос в 6 раз, объем токсически незагрязненных вод сократился в 12 раз, объем вод со значительным уровнем токсического загрязнения составил 46 % (академик РАН В.А. Румянцев, д.б.н. В.Г. Драбкова, к.г.н. А.В. Измайлова).
- По результатам математического моделирования исследованы многолетние (50 лет) изменения температуры воды, толщины льда и продолжительности ледостава в Ладожском озере за период со второй половины ХХ века по настоящее время. Выявлены слабоположительные тренды температуры воды в прибрежной части озера, толщины льда и продолжительности ледостава по всей акватории (к.ф.-м.н. С.Д. Голосов, к.ф.-м.н. И.С. Зверев).
- Показано, что по показателям развития биоты, гидрохимическим и гидрологическим характеристикам основная водная масса Ладожского озера находится в стабильном слабомезотрофном состоянии, межгодовые изменения не превышают естественных пределов многолетних колебаний параметров, что способствует устойчивому развитию Северо-Западного региона России. Отчетливый тренд снижения средневзвешенных годовых концентраций общего и минерального фосфора указывает на возможность сохранения удовлетворительного экологического состояния озера в ближайшие годы (академик РАН В.А. Румянцев, д.б.н. Е.А. Курашов, д.г.н. М.А. Науменко, к.г.н. Н.В. Игнатьева).
- Исследования изотопного состава воды Ладожского озера подтвердили гипотезу существования зон разгрузки подземных вод на подводных склонах вдоль северного и восточного побережий озера, поверхности дна и в двух глубоководных впадинах. Подземные рифейские воды, защищенные от техногенного воздействия, предложены в качестве возможного источника питьевого водоснабжения Санкт-Петербурга (академик РАН В.А. Румянцев, к.ф.-м.н. В.Н. Рыбакин).