Актуальной научной проблемой в области экологии и охраны окружающей среды является сохранение экологического равновесия в арктическом регионе, для которого характерна низкая устойчивость природных комплексов к антропогенному воздействию. Арктическая зона России составляет основу ресурсно-сырьевой базы РФ, где развиваются, прежде всего, добывающие отрасли нефтегазовой и угольной промышленности, а также цветной металлургии. Освоение природных ресурсов, развитие транспортной сети неизбежно сопровождается формированием селитебной инфраструктуры. На месте временных вахтовых поселений образуются населенные пункты, перерастающие в поселки городского типа и города. Урбанизация в сочетании с высокой уязвимостью арктических ландшафтов, определяемой эдафо-климатическими условиями и низкой восстановительной способностью растительных сообществ, ведет к трансформации природных экосистем, существенному изменению свойств и связей между компонентами окружающей среды. Оценки состояния окружающей среды в крупных промышленных регионах Арктики меняются, по мнению разных специалистов, от благоприятных до катастрофических. Важным аспектом оценки качества окружающей среды является сравнительный анализ содержания загрязняющих веществ в жизнеобеспечивающих средах с ПДК, ОДК, ОБУВ, ОДУ. При этом практически не учитываются природные особенности, взаимосвязь компонентов природной среды, эмерджентность, антагонизм и синергизм процессов природного и антропогенного происхождения, потоки вещества в подсистемах и изменение биогеохимического круговорота в природных и природно-техногенных комплексах. Поэтому к числу приоритетных фундаментальных задач для развития технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения, негативного воздействия на здоровье населения относится изучение вклада природных и антропогенных факторов в изменение состояния окружающей среды Арктики на основе экосистемного подхода с учетом изменения состояния депонирующих сред и реакции биоты.
Проект направлен на комплексное исследование состояния окружающей среды на примере урбанизированной территории севера Западной Сибири (г. Новый Уренгой), разработку и апробацию методики биомониторинга состояния урбанизированных территорий Арктики. Основное внимание будет уделено трансформации химического состава компонентов окружающей среды, в т.ч. отклику биоиндикаторов (Daphnia magna, Chlorella vulgaris, Larix sibirica, моховые и лишайниковые ловушки), а также нарушению равновесия в системе «почва-растение» под влиянием эмиссионных воздействий.
На основе сопряженного анализа биогеохимических и токсикологических показателей, включающих трансформацию качественных и количественных характеристик миграции и аккумуляции химических элементов в компонентах окружающей среды, будет отслежено изменение состояния окружающей среды под воздействием урбанизации на севере Западной Сибири. Предложенные индикаторы антропогенной нагрузки и методики проведения исследований станут основой для контроля за состоянием окружающей среды в населенных пунктах Арктики, иных труднодоступных районах севера. В дальнейшем предложенные направления и механизмы работы могут быть масштабированы и применены в иных природно-климатических зонах при условии предварительной апробации.
Добыча углеводородного сырья, строительство объектов нефтегазового комплекса, развитие транспортной сети на севере Западной Сибири неизбежно сопровождается формированием селитебной инфраструктуры. На месте временных вахтовых поселений образуются населенные пункты, перерастающие в поселки городского типа и города. Урбанизация в сочетании с высокой уязвимостью арктических ландшафтов, определяемой эдафо-климатическими условиями и низкой восстановительной способностью растительных сообществ, ведет к трансформации природных экосистем, существенному изменению свойств и связей между компонентами окружающей среды. Ямало-Ненецкий Автономный Округ (ЯНАО) относится к активно развивающимся регионам с высокой степенью техногенного воздействия на окружающую среду. По данным Департамента природно-ресурсного регулирования, лесных отношений и развития нефтегазового комплекса ЯНАО на 1 февраля 2024 г. на 220 месторождениях автономного округа осуществляют производственную деятельность более 70 нефтегазовых предприятий, среди которых дочерние предприятия компаний НК "Роснефть", НОВАТЭК, "Газпром нефть", и др. В 2023 году фактическая добыча углеводородного сырья составила: нефть – 36,1 млн т., газ – 617,5 млрд м3, конденсат – 27,8 млн т. Сейчас в ЯНАО насчитывается 8 городов окружного подчинения, 7 посёлков городского типа и 103 небольших сельских населённых пункта. Количество сельских жителей постоянно сокращается в связи с преобразованием сельских населённых пунктов в городские и в результате оттока населения из сельской местности. Урбанизация сопровождается преобразование природной среды, загрязнением компонентов ландшафтов, деградацией многолетнемерзлых пород, изменением миграции химических элементов и трансформацией биогеохимических циклов.
Своевременное обнаружение антропогенного воздействия на компоненты окружающей среды является важной научной и практической задачей. Арктические экосистемы характеризуются низкой устойчивостью к антропогенным воздействиям. В свою очередь, населенные пункты, особенно расположенные в лесотундре, являющейся переходной зоной между тайгой и тундрой, являются гораздо более чувствительными к малейшим изменениям внешних условий, что приводит к дисбалансу соотношения между бореальными и субарктическими комплексами и смещению их границ. Оптимальными методами при диагностике происходящих изменений являются биоиндикация и биотестирование, которые позволяют оценить состояние окружающей среды по реакции живых организмов и дать интегральную оценку качества среды. Кроме того, биологические методы индикации позволяют зарегистрировать малозаметные изменения состояния ландшафтов с учетом региональных особенностей и различий.
Малейшие нарушения окружающей среды приводят к изменению роста и развития растений, а также перестройке структуры и видового состава растительных сообществ, что позволяет их использовать как надежные индикаторы антропогенной трансформации ландшафтов, в том числе, малозаметных изменений, происходящих под влиянием человека. К числу наиболее показательных признаков трансформации окружающей среды на ранних стадиях воздействий относятся химический состав растений. Химический состав определяется биологическими особенностями: систематическим положением видов, фенологической фазой, возрастом отдельных экземпляров и т.д., и условиями окружающей среды, выражающимися в химизме почв, степени доступности химических элементов растениям и др. Урбанизация севера Западной Сибири приводит к загрязнению всех компонентов экосистем и накладывается на разновозрастную (главным образом, послепожарную и механическую/ландшафтно-деструктивную) нарушенность природной среды. Многофакторное и разноплановое воздействие городской среды сопровождается изменением аккумуляции химических элементов в надземной биомассе растений, содержание и соотношение которых зависят от видовой принадлежности, комплекса внешних воздействий и степени трансформации экосистем.
Подробный анализ доступных материалов, в том числе, собранных ранее членами научного коллектива при проведении научно-исследовательских работ на территории ЯНАО, имеющихся в распоряжении фондовых и планируемых к изучению данных о состоянии компонентов ландшафтов, позволит:
- комплексно оценить природные и антропогенные факторы, влияющие на состояние городской среды, использовать полученные материалы о фоновом содержании химических элементов в компонентах окружающей среды исследованной территории при проведении мониторинговых исследований на территории г. Новый Уренгой;
- разработать методику интегральной оценки состояния окружающей среды с учетом вклада воздействия природных и антропогенных факторов на основе сопряженного анализа биоиндикационных, эколого-биогеохимических и токсикологических показателей и применить полученные результаты при разработке и оптимизации программ экологического мониторинга в населенных пунктах ЯНАО.
- спрогнозировать изменения в компонентах окружающей среды, вызванные различными видами антропогенного влияния (химическое загрязнение, ландшафтно-деструктивные нарушения и параметрическое воздействие) в условиях изменения климата;
Результаты биогеохимического анализа миграционных потоков в различных экосистемах послужат материалом для разрешения вопроса о роли антропогенеза в трансформации биогенной миграции и аккумуляции химических элементов и их вовлечения в биологический круговорот. Полученные результаты будут использованы при разработке методов биогеохимической индикации экологического состояния окружающей среды населенных пунктов Арктики и контроля качества окружающей среды в соответствии с фоновыми наблюдениями. Использование моховых и лишайниковых ловушек позволит проанализировать временную динамику поступлений поллютантов в атмосферный воздух и биоту, полученные данные станут основой для моделирования будущей трансформации окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов. Сопряженный анализ результатов биогеохимических и токсикологических исследований на фоновых и антропогенно нарушенных участках даст возможность оценить значимость различных внешних факторов для динамики природных и природно-технических систем, выделить вклад антропогенной нагрузки в трансформацию окружающей среды.
Результатом работы по проекту станет методика комплексной оценки состояния окружающей среды урбанизированных территорий северных регионов на основе методов активного биомониторинга (использование моховых и лишайниковых ловушек), эколого-биогеохимической съемки (химический состав почв и растений; флористические и фитоценотические биоиндикационные характеристики) и биотестирования почвогрунтов. Будут предложены индикаторы антропогенной нагрузки на урбанизированные территории Арктики, изучены механизмы трансформации компонентов окружающей среды под влиянием техногенеза. Предложенная методика станет базисом для всеобъемлющего скрининга ключевых биогеохимических индикаторов компонентов окружающей среды Крайнего Севера. В дальнейшем методы биомониторинга могут быть внедрены в населенных пунктах Арктики, а также в тундровых и лесотундровых ландшафтах за пределами урбанизированных территорий, в т.ч. в труднодоступных районах на территории лицензионных участков нефтегазодобычи.
Необходимость подобного рода исследований, посвященных разработке эффективных механизмов отслеживания состояния окружающей среды, унификации методик проведения экологического мониторинга отмечена в ключевых законодательных актах в сфере экологии и охраны окружающей среды Российской Федерации: Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 N 7-ФЗ (ред. от 25.12.2023), Указ Президента России от 26.10.2020 г. № 645 «О Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года» (п. 4, 5, 11), Указ Президента Российской Федерации от 28.02.2024 № 145 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации» (п. 15 г, 21 з); Указ Президента Российской Федерации от 07.07.2011 г. № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации (п.19 и 21); Указ Президента России от 19.04.2017 г. № 176 «О Стратегии экологической безопасности Российской Федерации на период до 2025 года» и др.
Цель проекта: разработка и апробация методики биомониторинга для оценки состояния урбанизированных территорий Арктики и диагностики трансформации окружающей среды на примере г. Новый Уренгой.
Достижение цели проекта требует решения конкретных задач:
1. На основе результатов ранее проведенных исследований определить фоновые станции мониторинга вне урбанизированной территории для отбора биоматериала (мох Sphagnum balticum (Russow) C.E.O. Jensen, лишайник Cladonia stellaris (Opiz) Pouzar et Vezda) для подготовки моховых и лишайниковых ловушек. Определить рН почвы и корки Larix sibirica, валовое содержание химических элементов (Na, Mg, K, Ca, Sc, V, Sr, Fe, Cr, Co, Cu, Ni, Zn, Mo, Cd, Ba, Pb, Hg, As), нефтяных углеводородов, ПАУ и микроплатика в подготовленном для ловушек материале. Отобрать пробы почв и корки лиственницы Larix sibirica Ledeb. для получения материала о содержании химических элементов в компонентах ландшафтов фоновой территории, его естественной дифференциации по профилю почвенной катены;
2. Разработать сеть станций мониторинга для контроля состояния городской среды и размещения моховых и лишайниковых ловушек на территории г. Новый Уренгой и фоновых станциях мониторинга;
3. Оценить состояние компонентов окружающей среды на контрольных станциях мониторинга в черте г. Новый Уренгой. Определить рН почвы и корки Larix sibirica, валовое содержание и концентрации подвижных форм химических элементов (Na, Mg, K, Ca, Sc, V, Sr, Fe, Cr, Co, Cu, Ni, Zn, Mo, Cd, Ba, Pb), нефтяных углеводородов, ПАУ в почвах, изучить химический состав (Na, Mg, K, Ca, Sc, V, Sr, Fe, Cr, Co, Cu, Ni, Zn, Mo, Cd, Ba, Pb) корки лиственницы Larix sibirica. Определить содержание химических элементов (Na, Mg, K, Ca, Sc, V, Sr, Fe, Cr, Co, Cu, Ni, Zn, Mo, Cd, Ba, Pb), нефтяных углеводородов, ПАУ в моховых и лишайниковых ловушках после 6 недель экспонирования на территории города;
4. Изучить накопление микропластика (фракции менее 5 мм) в моховых и лишайниковых ловушках вследствие аэротехногенного поступления. Определить преобладающие формы частиц, их размерный диапазон, химический состав полимеров и их количественное содержание в ловушках. Установить особенности пространственного распределения микропластика в ловушках на территории г. Новый Уренгой и идентифицировать потенциальные источники его поступления;
5. Применить на практике методы биоиндикации для оценки малозаметных изменений состояния окружающей среды, включающие оценку изменения видового состава растительных сообществ, а также биотестирование почв с использованием тест-объектов Daphnia magna Straus и Chlorella vulgaris Beijer;
6. Выделить природные и антропогенные факторы, оказывающие влияние на состояние окружающей среды; выявить индикаторы различных видов антропогенного воздействия. Оценить состояние окружающей среды на фоновых и контрольных участках;
7. Применить результаты проекта для разработки методики интегральной оценки состояния окружающей среды в населенных пунктах с учетом вклада воздействия природных и антропогенных факторов на основе сопряженного анализа эколого-биогеохимических индикаторов и оптимизации программ активного биомониторинга в Арктике.
Разработанные подходы и методы станут фундаментом для проведения активного биомониторинга в Арктике с использованием моховых и лишайниковых ловушек и диагностики окружающей среды в Арктической зоне Российской Федерации под воздействием различных природных и антропогенных факторов.
Результаты анализа миграционных потоков загрязняющих веществ в фоновых и антропогенно нарушенных ландшафтах послужат материалом для разрешения вопроса о вкладе природных факторов и различных источников антропогенного воздействия в трансформацию биогенной миграции химических элементов и их вовлечения в биологический круговорот. Полученные результаты позволят разработать и апробировать методику биомониторинга состояния урбанизированных территорий Крайнего Севера с целью диагностики трансформации природной среды, экологического состояния ландшафтов Арктики и контроля качества окружающей среды в соответствии с фоновыми показателями. Биомониторинговые исследования дадут возможность проанализировать временную составляющую происходящих изменений, определить поступления поллютантов в единицу времени и станут основой для моделирования возможных загрязнений в городах.
Комплексность обосновывается совместным использованием биогеохимических (химический состав почв и растений), биоиндикационных (флористические и фитоценотические показатели) и токсикологических (биотестирование почв с использованием тест-объектов) методов, гармонизацией результатов на основе фиксации изменений в состоянии биокосного вещества и различных групп живых организмов (рассмотрение различных трофических уровней и таксономических групп) для всестороннего изучения трансформации компонентов окружающей среды.
Опыт многолетних исследований (1993–2023 гг.) коллектива кафедры геоэкологии СПбГУ под руководством М.Г. Опекуновой на территории 35 нефтегазоконденсатных месторождений на севере Западной Сибири показал, что для определения малозаметных изменений окружающей среды необходимо использование различных гео- и биоиндикаторов. Установлено, что при комплексном одновременном воздействии природных и антропогенных (нефтегазодобыча, транспорт, строительство и др.) факторов на арктические ландшафты реакция компонентов окружающей среды на внешние воздействия различается. Поэтому при оценке состояния окружающей среды в населенных пунктах Арктического региона, где отсутствует сеть постоянно действующих станций экологического мониторинга, и оценка состояния окружающей среды проводится на единичных постах гидрометслужбы, требуется разработка, верификация и внедрение в практику новых надежных подходов и методов активного биомониторинга. В населённых пунктах с нарушенным и трансформированным почвенным и растительным покровом невозможно использование методов оценки состояния окружающей среды, многие годы успешно применяемых и внедрённых в практику геоэкологического мониторинга на территории лицензионных участков нефтегазодобычи ЯНАО. Необходим поиск, адаптация и верификации методов и подходов, реализуемых на территории городов в различных регионах и странах мира. В последнее время успешно зарекомендовали себя различные методы активного биомониторинга, позволяющие получить комплексную и интегральную оценку состояния окружающей среды урбанизированных территорий. Оптимальным для населённых пунктов в Арктике представляется применение методов активного биомониторинга (моховых и лишайниковых ловушек, биотестирования) в комплексе с биогеохимической оценкой, позволяющей установить уровень загрязнения в депонирующих средах. Подобные исследования в Арктике сформированным научным коллективом ранее не проводились. В результате обработки полученных материалов с использованием описательной статистики, многомерного статистического анализа данных на основе факторного анализа методом главных компонент и кластерного анализа в программном пакете «Statistica», геохимического моделирования на основе программного комплекса «Селектор-С» будет разработана методика, проведена ее апробация, выполнено зонирования территории и дана оценка уровня загрязнения и трансформации окружающей среды в г. Новый Уренгой.
Научным коллективом накоплен обширный материал по химическому составу почв и растений тундровых и лесотундровых ландшафтов, однако оценка экологического состояния населенных пунктов с помощью методов активного биомониторинга, использование моховых и лишайниковых ловушек в комплексе с биотестированием почв и почвогрунтов, а также их сопоставление с данными о химическом составе почв и дикорастущих видов растений до настоящего времени не проводились.
Новизна исследований заключается в том, что впервые будет произведен активный биомониторинг состояния урбанизированных территорий Арктики, разработана и апробирована методика применения методов биотестирования, моховых и лишайниковых ловушек в арктическом регионе, проведена диагностика трансформации окружающей среды в городе Новый Уренгой, осуществлено зонирование территории, дана оценка воздействия природных и антропогенных факторов на лесотундровые ландшафты Арктики на основе совместного рассмотрения биоиндикационных и биогеохимических индикаторов. В ряду нарастания антропогенной нагрузки от фоновых к антропогенно трансформированным и урбанизированным экосистемам по изменению химического состава биоматериала, метеорологических показателей температурного режима и количества осадков, мощности сезонно-талого слоя и биогеохимических показателей загрязнения окружающей среды будут выделены климатический, эдафический и антропогенный сигналы трансформации окружающей среды.
Развитие новой для научного коллектива тематики заключается в проведении исследований на урбанизированных территориях в Арктике методами активного биомониторинга, позволяющими по изменению химического состава биомассы мхов и лишайников, экспонируемых в городских условиях, обнаружить основные источники загрязнения и приоритетные загрязняющие вещества. Применение комплекса методов биотестирования, активного и пассивного биомониторинга и эколого-биогеохимических методов исследования позволит оценить токсичность окружающей среды и зонировать территорию по степени загрязнения и трансформации в условиях многокомпонентного и комплексного антропогенного воздействия. На территории муниципального образования Новый Уренгой, расположенного в подзоне лесотундры, имеются возможности для проведения подобных исследований, а также прогнозирования влияния загрязнения компонентов окружающей среды и других природных и антропогенных факторов на преобразование ландшафтов в условиях глобальных климатических изменений. Изучение биоиндикационных параметров лиственницы Larix sibirica Ledeb позволит рассмотреть трансформацию ландшафтов под действием термификации и загрязнения, а также идентифицировать воздействие каждого фактора в отдельности.