О связях современной науки с природой, важности отслеживать изменения окружающей среды и вниманию к деталям — об этом и многом другом поговорили с Ириной Токаревой, кандидатом биологических наук, научным сотрудником Института леса им. В. Н. Сукачева СО РАН. Специалистка рассказала, как и зачем изучать питательные вещества в реках и о том, какие есть особенности их содержания в Красноярском водохранилище и в реке Енисей.

Расскажите о текущих проектах, которыми вы занимаетесь.

Я изучаю биогенные элементы — это основные питательные вещества, неорганические формы азота и фосфора: нитраты, нитриты, аммоний и фосфаты. Исследования направлены на то, чтобы оценить их концентрации в наземных экосистемах и какое количество из них поступает в водные объекты. Мы изучаем содержание биогенов в экстрактах из живого напочвенного покрова, подстилки и почв, а также в осадках, лизиметрических водах и водоемах, включая ручьи и реки разного порядка. Кроме того, мы исследуем действие пожаров на содержание биогенов в почвах и в речной сети. Это важно, поскольку неорганические формы азота и фосфора участвуют во всех биохимических и физиологических процессах растений, а также в процессах почвообразования. Содержание питательных веществ в наземных и водных экосистемах — один из ключевых факторов, который регулирует биологическое разнообразие и продуктивность этих экосистем, а также оказывает влияние на накопление углерода.

Наши исследования проводятся в Красноярском крае, преимущественно на научных стационарах Института леса, а именно в обсерватории ZOTTO в поселке Зотино (ручьи Горбатый, Развилки, реки Сым, Дубчес и т.д.), в центральной части Эвенкии (реки Кочечум, Нижняя Тунггуска), а также в Игарке (р. Гравийка). Это позволяет учесть действие разных условий, например, болот и вечной мерзлоты. Кроме того, мы изучаем концентрации и сток биогенных элементов в реке Енисей, начиная от Красноярского водохранилища и до Игарки. На основе этих исследований мы можем оценить сток биогенных веществ, которые попадают в Карское море и, соответственно, в Северный Ледовитый океан. Наше исследование, опубликованное в журнале Water, показало сезонные колебания фосфатов, нитратов, нитритов и аммония в среднем и нижнем участках реки. Мы выявили, что верхний участок реки Енисей был обогащен питательными веществами круглый год. Это связано с влиянием Красноярского водохранилища и его биогеохимическими процессами, регулирующими качественный состав вод. Ниже по течению реки сезонные закономерности оказались более выраженными. Концентрации питательных веществ были выше зимой и резко снижались в период таяния снега и в летне-осенний сезон после слияния Енисея с рекой Ангара. С другой стороны, пик содержания нитритов, наблюдаемый в начале весеннего половодья, наиболее выражен в нижнем течении, что отражает специфику азотного цикла в вечномерзлых почвах.

Можете рассказать подробнее про Енисей и Северный Ледовитый океан?

Это глобальное исследование, продолжительное: оно охватывает большой период. Если мы берем Енисей, то это данные с 2015-го года. Данные в нашей лаборатории формируются из года в год на протяжении нескольких лет, причем на разных участках реки. Ранее никто не проводил такие серьёзные и глобальные исследования.

Река Енисей является существенным источником поступления питательных веществ в Северный Ледовитый океан. Анализ данных за шесть лет показал пространственную и временную неоднородность биогенной нагрузки, которая зависела от географического положения, гидрологических условий и сезонности. Воды верхнего течения реки показали значительное и устойчивое обогащение биогенными веществами в течение всего гидрологического года. В нижнем же — количество питательных веществ менялось в течение сезона.

Мы также сравнили гидрохимический состав вод Красноярского водохранилища и реки Енисей в нижнем течении. Результаты показали, что разложение органики и высвобождение питательных веществ из отложений водохранилища могут быть источниками повышенных концентраций питательных веществ в нем. С другой стороны, большая площадь, занятая сельскохозяйственными угодьями в пределах водосбора водохранилища, также может быть значительным источником биогенных веществ. В нижнем же течении уменьшение концентраций биогенов, помимо разбавления водами реки Ангара, объясняется активизацией фитопланктона. Поскольку поступление более теплых вод из Ангары приводит к повышению температуры и улучшает условия для развития фитопланктона и активизации фотосинтеза. В районе водохранилища же продуктивность фитопланктона гораздо ниже из-за низких температур воды. А значит, он не может активно использовать питательные вещества, что приводит к их накоплению.

Для чего важно понимать эти процессы?

Такие исследования важны для понимания текущих и будущих изменений. Река Енисей — одна из самых крупных рек Сибири и мира. Она проходит через разные климатические зоны и несёт большие объёмы воды и растворённых веществ в Северный Ледовитый океан. Прогнозируемое потепление климата может привести к изменению гидрологического режима реки, например, увеличению стока воды, изменению сезонного распределения потоков и источников питательных веществ. Деградация вечной мерзлоты, ускорение минерализации и круговорота питательных веществ повлечёт за собой трансформацию гидрохимического состава речных вод и поступление органических и неорганических веществ из наземных экосистем в арктические реки. Это приведёт к значительным изменениям в биогеохимии северных экосистем и усилению переноса питательных веществ, таких как азот и фосфор, в Северный Ледовитый океан. Полученные в таких исследованиях данные могут быть использованы для разработки стратегий управления водными ресурсами и предотвращения негативных последствий деградации вечной мерзлоты, связанных с усилением круговорота питательных веществ и изменением экосистем.

Как собираются пробы для таких исследований?

Проводятся маршрутные исследования на реке Енисей. Наша группа полевиков в составе комплексной команды на судне шла по Енисею на север, и с определенными интервалами они отбирали образцы, чтобы определить в них содержание растворённого углерода и биогенных элементов. Кроме того, на нескольких постоянных постах, Зотино, Тура, Игарка, благодаря усилиям наших полевиков, регулярно берутся пробы воды. С мая по сентябрь, в период открытой воды, отбор воды осуществляется еженедельно, а в зимний сезон с октября по апрель, ежемесячно.

После отбора водные образцы фильтруются и замораживаются до анализа. Моя задача заключается в лабораторной работе и анализе проб на содержание фосфатов, нитратов, нитритов и аммония методом проточно-инжекционного анализа. Для исследования пробы готовятся химические растворы с необходимыми реагентами для каждого определенного азотного или фосфорного канала. Поток носителя с введенной в него пробой объединяется с потоком раствора реагентов, они вступают в реакцию и направляются в детектор, который непрерывно регистрирует аналитический сигнал, а выход интересующего элемента определяется в виде пика.

Образцы живого напочвенного покрова, подстилки или почвы доставляются с мест полевых работ и подготавливаются для получения экстрактов. В процессе подготовки удаляются крупные корни, материал тщательно перемешивается, берется необходимая навеска в нескольких повторностях и проводится водная экстракция в течение суток. Затем образцы фильтруются через фильтры с размером пор всего 0,45 микрометра и отправляются на анализ.

Как много образцов можно обработать за день?

Подготовка к анализу занимает много времени, от одной-двух недель, из-за необходимости приготовления различных растворов для каждого анализа и проведения калибровок. При налаженном процессе можно обрабатывать около 50 образцов за один рабочий день. Однако после примерно 150 образцов, надо заново готовить все необходимые растворы, так как они расходуются. С полевых исследований обычно поступает большое количество образцов, около 300–400 за сезон, в зависимости от целей исследования и изучаемых участков.

Дополнительно мы еще исследуем осадки и лизиметрические воды. Лизиметрические воды — это воды, которые просачиваются через почву и собираются специальными устройствами. Они используются для оценки насыщенности инфильтрационных вод биогенными веществами, что позволяет лучше понять текущее состояние экспорта растворенных питательных веществ в почву и водотоки, и его будущие изменения.

Сейчас по этой теме у нас продолжается эксперимент и готовится в печать научная статья. Мы брали монолиты, состоящие из живого напочвенного покрова, а именно лишайника, и подстилки. Далее в течение нескольких лет собирали осадки, прошедшие через данный органический слой, и измеряли концентрации биогенных элементов в полученных растворах. По этому материалу я недавно представляла доклад на нашей юбилейной конференции Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН.

Чему был посвящен доклад?

Мы обнаружили, что концентрации нитратов в осадках значительно выше, чем в растворах, проходящих через органический слой почвы. Это указывает на их удержание в почвенном профиле. То есть поступающий азот активно используется микроорганизмами этого северного региона, почвы которого лимитированы по минеральному азоту, что также подтверждается полученным нами соотношением азота к фосфору. Интересен тот факт, что мы наблюдали за этими процессами в течение четырёх лет: с 2020 по 2023 год. И вот в 2021 году концентрация биогенных элементов оказалась выше. Мы предполагаем, что это связано с меньшим количеством осадков, это был более сухой год. Соответственно, это сказалось на повышении концентраций биогенных элементов.

У вас очень кропотливая работа с образцами и данными, не возникает ли у вас желания немного размяться после этого?

В 2019 году я начала заниматься бегом после того, как увидела анонс забега на 5 километров в рамках Универсиады. Это был ночной забег с фонариками. До этого у меня был небольшой опыт забегов на маленькие дистанции в 3 километра, и мне стало интересно пробежать 5 км. В целом, фитнес у меня в жизни был всегда, активные виды деятельности: лыжи, коньки, походы. Но забеги в мою жизнь вошли именно с года универсиады. Я получила тогда столько эмоций! Позитивное окружение и поддержка в компании бегунов, приветливые организаторы и волонтеры, активность на свежем воздухе, удовлетворение от преодоления! Радость приносит и сам факт того, что ты, в первую очередь, переборол себя – свою усталость, занятость, погодные условия: дождь, ветер, мороз, или дистанции с горками. Может, для продвинутых спортсменов пять километров, конечно, и мало, но для нас это не совсем легко. Максимальную дистанцию я бегала в 10 км на забеге «Преодолей себя». Тебе тяжело, ты бежишь и счастлив, потому что справляешься.

У ученых Института леса есть какая-то особая связь с природой?