Наука спасает мир: как российские ученые помогают очистить водоемы от загрязнений
Согласно целям нацпроекта «Наука», Россия к 2024 году должна войти в топ мировых научных держав. Национальная программа предусматривает поддержку молодых ученых, создание условий для развития и комфортной работы в своем регионе, в ее рамках открываются современные научные лаборатории и научно-образовательные центры.
Ученые, в свою очередь, с энтузиазмом используют полученные возможности для новых исследований, многие из которых направлены на решение таких глобальных задач, как предотвращение экологического кризиса, очистка водоемов и защита лесов.
Именно о таких ученых и их открытиях портал «Будущее России. Национальные проекты» совместно с Министерством науки и высшего образования России рассказывает в новой рубрике – «Наука спасает мир». О том, как очистить и защитить дно водоемов от нефти, как обстоят дела с климатом в Арктике и нужно ли вылавливать сомов, чтобы изучить популяцию – в первом материале рубрики.
Нефть озеру не страшна: ученые придумали, как очистить дно водоемов от углеводородов
Технологию «Аэрощуп» разработали в Биологическом институте Томского государственного университета. Система позволяет очистить дно водоемов от нефтяных отложений.
«Аэрощуп» основан на принципе флотации: устройство собирает нефть со дна за счет молекулярного прилипания нефтяных углеводородов к границе двух фаз – воздуха и жидкости. При этом для того, что провести работы на большом водоеме, не потребуется огромной команды – достаточно всего лишь пяти человек, так как многие процессы автоматизированы. Например, диагностику водоема и картирование загрязненной территории «щуп» производит самостоятельно.
Руководитель проекта, директор Биологического института ТГУ Данил Воробьев уже 20 лет занимается разработкой технологий очистки природы от нефти. По его словам, ежегодно в результате аварий в окружающую среду попадает около 20 миллионов тонн нефтепродуктов, и значительная часть этого объема поступает в водоемы. «Если водный объект находится в доступном месте, часть нефти удается собрать с поверхности воды, но при отсутствии оперативного сбора загрязнений до 60% сырья оседает на дно. Есть водоемы, до которых добраться крайне сложно, и там в течение 30-40 лет нефть остается в донных отложениях, отравляя экосистемы озер. Поэтому вопрос их очистки является одной из наиболее острых экологических проблем», – рассказал ученый.
На сегодняшний день «Аэрощуп» очистил свыше 100 озер в Нижневартовском районе Ханты-Мансийского автономного округа, технология получила бессрочное заключение государственной экологической экспертизы Росприроднадзора и не имеет аналогов. Всего же биологи ТГУ создали более 20 изобретений и технологий для очистки водоемов от нефти и нефтепродуктов.
Чистим воду естественной средой: ученые придумали эффективные и недорогие фильтры
Новый способ очищения водных объектов на примере рек Среднего Урала разработали сотрудники Института экономики УрО РАН. Они предложили проект по формированию биогеохимического барьера на пути потока загрязняющих веществ.
На Среднем Урале широко распространены живые организмы (растения) с высоким порогом токсичности, во многих случаях они являются доминирующими видами – это рогоз широколистный, ряска малая, хвощ речной, горец земноводный, рдест курчавый и т.д. Выбор или сочетание данных видов дает положительный экологический эффект при очистке поверхностных водоёмов. Живые организмы с высоким порогом токсичности способны поглощать большое количество загрязняющих веществ, при этом сохраняя свою жизнеспособность. Как отмечают ученые, снижение концентрации загрязняющих веществ на таких барьерах может достигать 80-90%.
Биогеохимический барьер моделируется в зависимости от характера загрязнения. Он может быть организован в виде искусственного водоема на загрязняемом водотоке, где в очистке воды участвует только погружённая водная растительность. Другой вариант – ботаническая площадка с «банкетами», которая эффективна при задержании органических веществ, нефтепродуктов, СПАВ, минеральных соединений, бактериального загрязнения. Наиболее сложная конструкция биогеохимического барьера – это биомодуль. Биомодуль представляет собой плавающую конструкцию, которая несет на себе модули с растениями, подобранными определенным образом. На них могут располагаться носители субстанции для закрепления микрофлоры и других звеньев биоты, а также могут быть помещены рыбы, – то есть сформирована полноценная озёрная или речная экосистема.
Проведенное лабораторное и натурное моделирование биоплато и изучение очищающей способности водоема в присутствии высшей водной растительности (рогоза узколистного и хвоща болотного) показало, что по всем загрязняющим компонентам – железо, медь, цинк, свинец, кадмий, мышьяк, сульфаты – достигается стабильное снижение концентрации от нескольких десятков ПДК до уровней, соответствующих требованиям для водных объектов питьевого и общесанитарного назначения.
Создатели способа – Александр Семячков, доктор геолого-минералогических наук, профессор, руководитель Центра природопользования в Институте экономики УрО РАН, заведующий кафедрой «Геоэкология» УГГУ, а также его коллеги, Александр Попов, кандидат технических наук и Виктория Почечун, кандидат геолого-минералогических наук – отмечают, что предложенные технологии защиты водных объектов с помощью биогеохимических барьеров являются инновационными, что связано с их высокой эффективностью, низкой стоимостью и возможностью применения в любых природно-техногенных условиях.
Рыбалка на сома: ученые в Волгоградской области ловят рыб, чтобы изучить популяцию
Студенты-экологи Саратовского государственного технического университета имени Гагарина под руководством кандидата биологических наук, доцента Ольги Абросимовой занялись изучением сомов Волгоградского водохранилища. Исследования проходят на базе научно-оздоровительного лагеря «Политехник», юные ученые анализируют состав и динамику популяции, а также условия существования.
Как правило для изучения и экспериментов ученые используют специально разработанные под эти цели математические компьютерные моделей. Тем не менее не обходится и без изучения популяции «живьем» – и именно в добыче образцов, по словам экологов, состоит основная сложность исследования. Так, в отличие от профессиональных рыболовных организаций, которые вылавливают популяции на сети, студенты ловят сомов классическими методами – на квок. Либо получают информацию и образцы от рыбаков, любителей и профессионалов. Чтобы не травмировать рыб во время ловли, ученые используют специально перепрограммированные эхолоты. Они позволяет наблюдать за тем, как сом атакует приманку, чтобы приблизительно оценить его размеры.
По словам доктора технических наук, профессора Сергея Бобырева, сом – наиболее крупный и ценный биоресурс, который остается на Волге. Исследования помогут выявить объем популяции сомов в конкретном водоеме и, в случае необходимости, дать рекомендации по запрету ловли рыбы на этой территории. «В настоящее время Волгоградское водохранилище все менее представляет собой водный объект, в котором возможна рыбалка в ее классическом понимании, – рассказывает ученый. – Речь должна идти о некотором способе хозяйствования, близком к искусственному разведению сомов. Для этого необходимо кардинально переделать мониторинг, искусственный нерест для целенаправленного приведения популяции к желаемому состоянию. Именно этот подход и вырабатывается в квалификационных работах наших студентов, проходящих практику в Облэкоцентре при кафедре ЭКЛ СГТУ».
Ученые проводят классический анализ с учетом размера, пола и возраста. На основе этих данных можно установить нормы вылова. «Мы считаем, что в ямах необходимо полностью запретить вылов, потому что там залегают десятки особей, и, если такую яму найдет человек с ружьем для подводной охоты, ему сложно будет остановиться. По этой причине мы никогда не разглашаем точные координаты ям. Мы тесно сотрудничаем с рыбхозами, часть особей для исследования покупаем. Потому наша деятельность ни в коем случае не сказывается отрицательно на популяции. Сейчас мы работаем над созданием математической модели сома, чтобы было возможно по части его хвоста, например, восстановить все тело, не нанося при этом вреда рыбе», – отметили в вузе.
Если исследование сомовьих ям в Волгоградском водохранилище будет успешным, то его результаты можно применить на любом водоеме и виде рыб.
Чтобы не подтаяло: ученые на Урале исследуют климат в Арктике
Ученые института естественных наук Уральского федерального университета совместно с коллегами из Франции, Германии, Финляндии и Японии занимаются исследованием изменений климата Арктики. Если быть более точными – ученых интересует конкретно вопрос таяния вечной мерзлоты. По словам исследователей, отслеживать текущую ситуацию с таянием ледников и понимать сценарии возможного развития важно по нескольким причинам. В частности, она может спровоцировать выброс в атмосферу диоксида углерода и метана, повредить существующую инфраструктуру нефтяной и газовой промышленности, а также оказать влияние на эволюцию климата в целом и в частности – в Сибири.
Исследовать показатели климата Арктики ученые УрФУ начали в 2011 году, когда к коллективу присоединился известный французский палеоклиматолог солауреат Нобелевской премии мира 2007 года (как член Межправительственной группы экспертов по изменению климата) Жён Жузель. Под его руководством коллектив выиграл мегагрант для проведения исследований по проекту «Влияние климатических изменений на водный и углеродный циклы в зоне таяния вечной мерзлоты Западной Сибири».
Летом 2013 года ученые совместно с французскими коллегами посетили район Лабытнанги, арктический стационар Института экологии растений и животных УрО РАН и определили пять ключевых участков для исследований. На каждом установили по профилю почвы по пять датчиков на разных глубинах. Каждый час датчики измеряют температуру и влажность на разной глубине. Также в помещении арктического стационара был установлен лазерный спектрометр Picarro (США) для непрерывных измерений (одно измерение в 2–3 секунды) изотопических трассеров атмосферного цикла.
Ежегодно директор ботанического сада УрФУ Виктор Валдайских посещает ключевые площадки и списывает накопленные за год данные. С помощью щупа в соответствии с общепринятыми методиками он измеряет глубину протаивания активного слоя.
«Глубина сезонного протаиванивая увеличивается. Неравномерно — один год меньше, другой — больше, но в целом тенденция видна, — констатирует руководитель проекта, заведующий лабораторией физики климата и окружающей среды УрФУ Вячеслав Захаров. — Кроме того, мы выяснили, что глубина протаивания зависит от почвенных характеристик и типа растительности. Если почва плохо пропускает влагу, то глубина протаивания меньше. Если в почве хороший дренаж, песчаный, к примеру, то глубина протаивания больше, потому что хорошо «работает» вода. То есть активный слой вечной мерзлоты протаивает не только из-за температуры, но и из-за дождей. А количество осадков, в связи с глобальным потеплением, становится больше».
«Мягкая и многоснежная зима, ранняя весна и теплое лето 2020 года привели к тому, что глубина протаивания в конце теплого сезона оказалась максимальной за последние годы, а скорее всего — и за все время наблюдений за этим показателем. С уверенностью об этом можно будет говорить после публикаций данных наших коллег, занимающихся подобными наблюдениями в соседних районах Арктики более длительное время». — Добавляет Виктор Валдайских.
Данные ученые собирают не только для того, чтобы сделать выводы, какие климатические изменения происходят, но и для верификации климатических моделей. Они нужны, чтобы предсказать насколько быстро происходит глобальное потепление, какие последствия могут быть.
С 2017 по 2020 годы работы Лаборатории физики климата и окружающей среды УрФУ в российской Арктике ведутся в рамках проекта развития САЕ УрФУ «Мониторинг и прогнозирование состояния криосистемы Арктики».
