×

Вы находитесь на архивном сайте ИНХ СО РАН. Сайт закрыт в связи с неактуальностью, представленной на нём информации.
Актуальный сайт расположен по адресу: www.niic.nsc.ru

Логотип ИНХ СО РАН

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт неорганической химии им. А.В. Николаева

Сибирского отделения Российской академии наук

Химико-экологический стационар

куратор д.т.н. Анатолий Ильич Сапрыкин

Общие сведения

  1. Химико-экологический стационар Института неорганической химии им. А.В.Николаева СО РАН, создан в 1990 г.
  2. Руководитель стационара, контактное лицо – заместитель директора, д.т.н. Сапрыкин А.И.
  3. Контактный адрес: пр. Акад. Лаврентьева, 3, г. Новосибирск, 630090, тел. +7 3833305990, факс +7 3833309489, e-mail:

Местонахождение стационара и социально-бытовые условия

  1. Стационар расположен в Новосибирской области, Ордынский район, МО «Нижнекаменский сельсовет», Караканское лесничество Чингисского мехлесхоза, 40 квартал.
  2. Географические координаты: 54° 26” с.ш., 82° 18’’ в.д.
  3. Занимаемая площадь 0.34 га.
  4. Транспортные коммуникации – проезд автотранспортом или катером.
  5. Жилье, электроэнергия, обеспеченность водой, отопление, питание, санитарно-гигиенические возможности, связь и т.п. Бытовые условия: проживание в одно- и двухместных каютах на плавучей лаборатории, в летнем домике на берегу; постоянное снабжение электроэнергией и артезианской питьевой водой; для приготовления пищи имеются газовые плиты и микроволновая печь; для хранения продуктов – холодильник; имеется сауна; телефонная связь – мобильная).

Использование стационара в научных исследованиях

Направления исследований, проводимых на стационаре:

  • Изучение функционирования пресноводных экосистем в естественном и нарушенном состоянии;
  • Натурное моделирование процессов трансформации поллютантов в реальных водоемах при вариациях их абиотических и биологических параметров;
  • Изучение накопления и трансформации форм потенциально опасных металлов биологическими объектами;
  • Изучение факторов формирования химического состава атмосферных аэрозолей и мокрых осаждений.

Лабораторно-производственные помещения:

Плавучая лаборатория, водоизмещением 50 т, пришвартованная к берегу, оборудованная для научных исследований, проживания и питания сотрудников; временные сооружения на берегу для отбора проб атмосферных аэрозолей и осадков.

Приборное оснащение:

Автоматизированный комплекс инверсионно-вольтамперометрического анализа; микропроцессорные иономеры-кондуктометры АНИОН-410; оборудование для отбора и подготовки к анализу проб воды, фито- и зоопланктона, бентосных организмов, атмосферных аэрозолей и осадков, проведения работ с мини- и мезокосмами. Комплекс приборов позволяет на месте наблюдений выполнять определение основных макрокомпонентов, биогенных веществ (нитратов, аммония), ряда микроэлементов (Cu, Pb, Cd, Zn) в пробах природных вод.

Участие в выполнении проектов фундаментальных исследований СО РАН, РАН, международных и общероссийских программах.

Интеграционные проекты СО РАН (№ 01-167 «Глобальная и региональная трансформация водного и химического стока бассейна Оби под влиянием природных и антропогенных факторов» и № 01-169 ««Гетерогенная химия и физика атмосферы. Влияние атмосферных аэрозолей на биогеохимические циклы»), гранты РФФИ № 01-05-64761, № 01-05-65469, № 07-05-00033. Программа V.36.1, проект V.36.1.8, блок 3: «Разработка новых методов элементного и вещественного анализа объектов окружающей среды и биологических объектов».

Значимые научные достижения, полученные с использованием наблюдений, проводимых на стационаре.

По направлениям 3.1.1-3.1.3 выполнен цикл работ по изучению эффективности седиментационных и биоаккумуляционных каналов выведения токсичных металлов на начальном этапе загрязнения пресных водоемов. Показано, что действие планктонного канала выведения металлов из загрязненной воды имеет пролонгированный характер за счет развития видов фитопланктона, толерантных к воздействию металлов. Добавка минеральных сорбентов (25 – 50 мг/л) не приводит к угнетению этих видов организмов, способствуя более быстрому выведению металлов-поллютантов на дно водоема. Показано, что плавающие растения (водный гиацинт) способны быстро извлекать металлы из воды как при первичном, так и при повторном загрязнении. Процессы биосорбции металлов функциональными группами на поверхности погруженных корней дополняются их биоаккумуляцией в разных органах растения. Эффективность сорбции металлов минеральными частицами, планктонными организмами и плавающими растениями существенно зависит от рН воды.

По направлению 3.1.4 показано, что вариации погодных условий отражаются на составе атмосферных аэрозолей и осадков (соотношении ионов, формирующихся из летучих и нелетучих предшественников, доле биогенных компонент в общей массе аэрозольных частиц). Сопоставление данных многолетних наблюдений ионного состава аэрозолей на стационаре (фоновая точка для Новосибирской области), в г. Новосибирске и его пригороде (п. Ключи) позволяет выделить характер (дорожная пыль) и динамику действия техногенных источников в мегаполисе за период 1996 – 2010 г.г.

Результаты исследований отражены в публикациях:

  1. Смоляков Б.С., Рыжих А.П., Кобзистая Н.Ю., Бадмаева Ж.О. (2008). Влияние рН, гумата и гербицида на распределение Cu, Pb и Cd между водной фазой и взвешенными частицами в загрязненных пресных водоемах //Химия в интересах устойчивого развития, т. 16, с. 217-221.
  2. В.И.Белеванцев, А.П.Рыжих, Б.С.Смоляков. (2008). Суточная и вертикальная изменчивость рН, [O2] и Eh в водах Новосибирского водохранилища. // Геология и геофизика, т. 46, № 9, с.894-905.
  3. Смоляков Б.С., Рыжих А.П. (2009) Развитие методологии мезомоделирования экологических последствий загрязнения пресных водоемов металлами // Электронный журнал «Исследовано в России», http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2009/027.pdf
  4. Б.С.Смоляков, А.П.Рыжих, Р.Е.Романов. Поведение Cu, Pb, Cd в пресном водоеме: влияние минеральных взвешенных частиц и планктонных организмов. // Химия в интересах устойчивого развития. 2010. T. 18, N 5, с. 603-613.
  5. B.S.Smolyakov, A.P.Ryzhikh, S.B.Bortnikova, O.P.Saeva and N.Yu.Chernova. Behavior of metals (Cu, Zn and Cd) in the initial stage of water system contamination: Effect of pH and suspended particles //Applied Geochemistry, 2010, v.25, iss. 8, 1153-1161.
  6. B.S.Smolyakov, A.P.Ryzhikh, and R.E.Romanov. The fate of Cu, Zn, and Cd in the initial stage of water system contamination: The effect of phytoplankton activity // J. Hazardous Materials, 2010, v. 184, iss. 1-3, p.p.819-825.

Основные результаты исследований на стационаре в 2010 г.

Натурные эксперименты по биоаккумуляции Ме плавающими растениями

Рис. 1. Гиацинт — эффективность биоаккумуляции

Рис. 1. Гиацинт — эффективность биоаккумуляции

Экспериментально исследована способность двух видов плавающих растений (водный гиацинт и пистия) к биоаккумуляции Ме (Zn, Cu, Pb, Cd) в условиях реального водоема. Моделировались ситуации совместного и индивидуального загрязнения как при однократном, так и при повторном поступлении металлов в водоем. На рис. 1 показаны данные по динамике остаточной концентрации Ме в воде миникосмов в присутствии 5 растений водного гиацинта после первичного и повторного (через 4 сут) загрязнения (начальные концентрации С0 для Zn, Cu, Pb, Cd составляли 500, 250, 250 и 50 мкг/л, соответственно). Снижение стартовой концентрации Ме происходит уже в первые часы, а в последующий период оно замедляется. Наиболее эффективно аккумулируется свинец, остаточная концентрация которого уже через сутки составляет 10 % от исходной, далее следуют Cu (20 %), Zn (31 %), Cd (40 %). Существенно важно, что способность гиацинта к биоаккумуляции Ме сохраняется и при повторном загрязнении воды (через 4 сут), хотя под воздействием металлов прирост биомассы растений оказался меньше (15 % через 5 сут), чем фоновых растений (40 %).

Похожие закономерности биоаккумуляции Ме были характерны и для другого плавающего растения, пистии. Однако воздействие металлов на эти растения оказалось более выраженным (вместо прироста биомассы регистрировали ее сокращение). По результатам этих экспериментов можно заключить, что и в условиях сибирских водоемов, загрязненных металлами, использование плавающих растений может быть эффективным приемом их фиторемедиации.

Натурные эксперименты по интенсификации действия седиментационного канала ремедиации загрязненных водоемов

Рис. 2. Динамика концентрации Me в воде

Рис. 2. Динамика концентрации Me в воде

В качестве минеральных сорбентов использованы естественные донные осадки и три вида модельных сорбентов: белый муллит, 3Al2O3·2SiO2; красный муллит (тот же материал, модифицированный TiO2); нанокомпозитный углеродный материал «Техносорб», сорбционные свойства которых предварительно оценены в лабораторных условиях. На рис. 2 показана динамика суммарной концентрации металлов в объеме воды светлого и темного мезокосмов на протяжении 12 сут. В отсутствии добавок минеральных сорбентов и при пониженном уровне продукции фитопланктона (в темном мезокосме) снижение концентрации металлов в объеме воды происходит существенно медленнее, чем в светлом мезокосме, где действие планктонного канала выражено в большей степени. Добавки минерального сорбента (25 мг/л) приводят к быстрому (уже в первые часы после загрязнения) снижению концентрации Ме в воде как в светлом, так и в темном мезокосмах. Это обусловлено быстрой сорбцией металлов на минеральных частицах и их оседанием на дно водоема через 3 сут (из слоя воды 3 м). Дальнейшее снижение концентрации Ме обусловлено действием планктонного канала. Наиболее эффективными сорбентами оказались Техносорб и красный муллит; добавки белого муллита и природного донного осадка приводили к несколько меньшему снижению концентрации металлов-поллютантов.

Рис. 3. Суточная амплитуда pH в воде мезокосмов

Рис. 3. Суточная амплитуда pH в воде мезокосмов

Важно отметить, что введение модельных сорбентов (как и естественного донного осадка) не оказало дополнительного (на фоне воздействия металлов) негативного влияния на функционирование сообщества фитопланктона и, тем самым, на эффективность действия планктонного канала выведения Ме. Наглядным критерием интенсивности продукционных процессов фототрофов в воде является суточная амплитуда рН воды, обусловленная выделением СО2 в ночное время в процессах дыхания и потреблением СО2 днем в процессах фотосинтеза. Чем выше суточная амплитуда рН, тем выше активность жизнедеятельности фитопланктона, т.е. выше воспроизводство новых генераций организмов. Данные по динамике рН на поверхности воды в разных мезокосмах показаны на рис. 3. Сопоставляя суточные вариации рН в фоновом мезокосме и в мезокосмах с добавкой Ме можно заключить, что их введение вызывает угнетение активности фитопланктона, длящееся 5-7 сут, после чего продукционная активность сообщества этих организмов начинает возрождаться и даже превосходит фоновый уровень. Этот эффект проявляется в светлых мезокосмах, и дополнительное введение сорбента способствует его усилению. Исключением является затемненный мезокосм, в котором лимитирующим фактором продукционной активности оказывается не воздействие Ме, а ограничение потока световой энергии.

Анализ видового состава сообщества фитопланктона в загрязненных мезокосмах показал, что восстановление продукции фитопланктона во второй фазе эксперимента обусловлено массовым развитием отдельных видов, толерантных к воздействию Ме, при стойком сокращении численности других видов. Интересно отметить, что похожие эффекты изменения структуры сообщества под воздействием Ме происходят и в бактериальной микрофлоре. В фоновом мезокосме большую долю представляли представители грамотрицательных бактерий из родов Pseudomonas, Flavobacterium. Их численность резко снижалась в загрязненных мезокосмах при росте численности грамположительных бактерий из родов семейств Bacillaceae, Microbacteriaceae и Micrococcaceae, за счет чего общее количество бактерий практически не уменьшалось.

Таким образом, в натурных экспериментах получены новые данные о поведении металлов-поллютантов на начальном этапе загрязнения пресных водоемов и об эффективности использования плавающих растений и введения модельных сорбентов для минимизации негативных последствий загрязнения водоема.

Факторы формирования состава атмосферных аэрозолей и осадков

Известно, что массовая концентрация, дисперсный и химический состав атмосферных аэрозолей (АА) непостоянны и зависят как от ряда природных факторов, так и действия удаленных и местных техногенных источников. Данные по динамике параметров АА на стационаре как фоновой точке в Новосибирской области (90 км от Новосибирска) важны для выявления природных и техногенных факторов. По согласованию с партнерами ежесуточный отбор АА на стационаре осуществляли с 20 июня по 20 июля; в эти же сроки производили отбор проб АА в г. Новосибирске и п. Ключи (30 км от Новосибирска).

При анализе временной изменчивости состава водорастворимых солей в пробах АА, отобранных на стационаре, можно отметить отличие в динамике концентрации ионов, источником которых являются летучие (SO42– и NH4+) и нелетучие (Ca2+, Mg2+, Na+, K+) предшественники (рис. 4). Динамика концентраций SO42– и NH4+ практически совпадала (коэффициент корреляции R2 = 0.98), но плохо коррелировала с изменчивостью массовой концентрации М (R2 = 0.2). Напротив, изменчивость суммы концентраций Ca2+, Mg2+, Na+, K+ совпадала с изменчивостью М (R2 = 0.92). В значительной степени такое различие было следствием влияния погодных условий на массовую концентрацию и дисперсный состав АА. В малооблачную погоду в атмосфере накапливаются грубодисперсные частицы, в которых высока доля Ca2+, Mg2+, Na+, K+. В дождливую погоду они вымываются и в АА растет доля тонкодисперсных частиц, в которых концентрируются SO42– и NH4+.

Рис. 4. Динамика ионного состава AA

Рис. 4. Динамика ионного состава AA

Видимо, та же причина определяет и вариации доли биогенных компонент в АА. Об этом свидетельствуют данные по динамике доли общего белка и водорастворимых солей в общей массе АА в зависимости от погодных условий (рис. 5, периоды выпадения дождей выделены штриховкой). Можно полагать, что биогенные компоненты в основном концентрируются на тонкодисперсных частицах АА, и это способствует их переносу в атмосфере на дальние расстояния.

Рис. 5. Доля водорастворимых солей (W) и содержания белака (Б) в общей массе (M) аэрозольных частиц

Рис. 5. Доля водорастворимых солей (W) и содержания белака (Б) в общей массе (M) аэрозольных частиц

Вариации дисперсного состава АА в зависимости от погодных условий отражаются и на кислотности АА, поскольку основным кислотообразующим анионом является сульфат, а основные нейтрализующие катионы представлены Са2+. Так, рН водной вытяжки пробы АА от 24 июня, когда прошел обильный дождь, снизилось до 3.93, а 15 июля, в безветренную солнечную погоду, выросло до 6.46 (при нормальном значении рН 5.8). В целом, за период наблюдений баланс между кислотообразующими и нейтрализующими компонентами в составе АА выдерживался в достаточной степени, и среднее значение рН (5.34) было ненамного ниже нормы.

В сопоставлении с ионным составом АА на полигоне и в г. Новосибирске выявляется существенное повышение массовой концентрации М (22.9 и 62.1 мкг/м3) и содержания катионов Са2+ (14.2 и 87 нгэкв/м3). Как результат, средние значения рН водной вытяжки АА в Новосибирске (7.57) оказались намного выше нормы. Можно полагать, что этот факт отражает действие техногенного источника АА в Новосибирске, за счет которого в атмосфере города накапливаются грубодисперсные частицы наземного происхождения.

За период с 23 июня по 26 августа на полигоне были отобраны 22 пробы дождевых осадков. Их ионный состав, как и состав АА, варьировал в зависимости от метеоусловий. Минимальное содержание водорастворимых солей W регистрировали в обильных осадках в периоды затяжной дождливой погоды (1.38 мг/л в пробе от 28 июня), максимальное – в осадках, выпавших после продолжительного периода сухой погоды (10.2 мг/л в пробе от 26 августа). С этими закономерностями, обусловленными эффектами вымывания осадками частиц АА, коррелировали и соотношения ионов из летучих и нелетучих предшественников, и, как результат, значения рН.

В сопоставлении с данными многолетних наблюдений состава дождевых осадков на полигоне (таблица) почти все показатели оказались ниже среднемноголетних значений. Можно отметить тенденцию к снижению концентрации водорастворимых солей в дождевых выпадениях, главным образом, за счет концентрации Са2+ и НСО3, начиная с 2000 г. Уровень кислотности (значения рН) остаются близкими к нормальным.

Ионный состав, мгэкв л-1, и суммарная минерализация W, мг л-1, дождевых осадков на полигоне в 1996 – 2010 г.г.
Год pH W NH4+ Ca2++Mg2+ Na+ K+ HCO3 F+HCOO Cl NO3 SO42–
1996 5,44 7,8 42 46 16 11 32 4 16 18 43
1997 5,79 16,8 83 80 34 22 88 6,8 27 36 61
1998 5,83 12,3 38 87 18 10 72 0,7 13 24 31
1999 6,04 11,9 47 72 23 12 58 6,2 22 31 45
2000 5,74 5,1 19 34 10 5 29 3,1 18 10,5 12
2001 5,59 6,5 36 29 12 10 26 1,5 12 24 24
2002 5,49 7,5 48 25 13 14 30 4,0 13 19 36
2003 5,49 4,6 26 19 15 5 22 3,4 14 10 17
2004 5,46 5,2 26 21 9,5 8 16 5,0 13 16 28
2005 5,71 7,1 46 27 16 11 28 7,9 15 18 38
2006 5,65 6,1 39 21 11 11 15 7,8 12 23 32
2007 5,55 5,4 30 15 10 8 10 1,8 11 16 26
2008 5,86 5,7 35 23 13 9 23 1,3 11 18 28
2009 5,69 4,5 22 21 10 7 11 3,0 11 14 26
2010 5,59 4,9 28 15 12 11 20 4,2 12 11 22
сред. 5,66 7,4 37 36 15 10 32 4,0 15 19 31

Вовлеченность стационара в процесс научного взаимодействия и подготовку кадров

Проведенные конференции на стационаре

Нет

Работа на стационаре ученых из других институтов СО РАН, РАН, вузов, зарубежных научных организаций

Исследования, проводимые на стационаре, имеют междисциплинарный характер и выполняются совместно с рядом институтов СО РАН: ИЦиГ (к.б.н. Вепрев С.Г., к.б.н. Нечипоренко Н.Н.), ЦСБС (к.б.н. Романов Р.Е.), ИХКиГ (д.ф.-м.н. Куценогий К.П., к.х.н. Макаров В.И.), ИНГГ (д.г.-м.н. Бортникова С.Б.), а также с ФГУНЦ «Вектор» (к.ф.-м.н. Сафатов А.С.) и НПО «Сибэнзим».

Проведение учебных практик

Важной функцией стационара является его использование в качестве базы для проведения учебной полевой экологической практики студентов факультета естественных наук (химическое отделение) Новосибирского государственного университета, а также студентов НГПУ, СТИ НИЯУ МИФИ (в среднем 10-12 студентов в год).

Предложения по научному сотрудничеству

Стационар может быть использован как экспериментальная база для:

  • междисциплинарных исследований поведения загрязняющих веществ в целостных гидроэкосистемах, включая выявление отклика сообществ или отдельных видов гидробионтов к их воздействию, при вариациях сценариев загрязнения;
  • апробации методик и аппаратуры химико-биологических исследований водных экосистем в полевых условиях;
  • сбора натурного материала (атмосферных аэрозолей, осадков, поверхностных вод, донных отложений, водных организмов) в фоновой точке лесостепной зоны юга Западной Сибири.