Одной из перспектив использования цифровой голографической камеры, разработанной в Томском государственном университете, могут стать подводные обсерватории. Они позволят в реальном времени оценивать состояние планктона и по его поведению выявлять загрязнения на ранних стадиях. Об этом первый проректор ТГУ Виктор Дёмин рассказал на XI Международной конференции «Дальний Восток и Арктика: устойчивое развитие» в Москве. Там Виктор Дёмин выступил с двумя докладами: о разработках ТГУ для экологического мониторинга акваторий, которые влияют в том числе на жизнь всего Мирового океана, и о климатическом консорциуме ТГУ. Этот стратегический проект — «Глобальные изменения Земли: климат, экология, качество жизни» — реализуется при поддержке Программы развития ТГУ на 2025–2036 годы в рамках реализации федеральной программы «Приоритет 2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).
Химические анализы проб воды не всегда дают полную картину экологического благополучия. Во-первых, далеко не для всех загрязняющих веществ установлены предельно допустимые концентрации (ПДК). Во-вторых, попадая в воду, десятки различных соединений могут вступать в реакцию друг с другом, и их токсичность меняется непредсказуемо. В-третьих, появился новый класс загрязнителей — микро- и нанопластик, для которых зависимость «доза-эффект» работает не так, как для традиционных химикатов.
Ответ на эти вызовы — биоиндикация, то есть оценка состояния среды по реакциям живых организмов. Идеальным объектом для этого ученые называют планктон. Он есть во всех водоемах, быстро реагирует на изменения среды и при этом играет ключевую роль в пищевой цепочке. Как говорят исследователи, планктон дает оценку «здесь и сейчас».
В Томском госуниверситете для изучения планктона сотрудники лаборатории радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды (РОМИОС) радиофизического факультета (РФФ) разработали и продолжают совершенствовать уникальный инструмент — цифровую голографическую камеру (DHC). В отличие от традиционной съемки, голография фиксирует не просто изображение, а полноценную 3D-картину частиц в толще воды. По голографическим изображениям объема воды с планктоном в реальном времени исследователи получают данные о концентрации, размерах, форме, и даже поведении планктонных организмов, а также классифицируют их. Это происходит без возмущения планктона, без отлавливания его сетью, как то делается при традиционных исследованиях.
С 2016 по 2024 годы камера DHC работала в экспедициях в Карском и Баренцевом морях, в Кольском заливе, Черном море, на Байкале, а с сентября 2024-го по апрель 2025 года — на ледостойкой платформе «Северный полюс» в рамках экспедиции «Северный полюс-42». Оборудование доказало свою работоспособность во всех условиях, где оно было проверено.
DHC измеряет концентрацию и биомассу планктона, оценивает мутность среды и содержание метана. Но главное — она позволяет изучать поведенческие реакции организмов, по которым исследователи научились получать информацию о состоянии экосистемы.
Например, в качестве реакции используется фототропный ответ: как планктон реагирует на аттракторный (привлекающий) свет. Исследователями РОМИОС экспериментально показано, что уменьшение фототропной реакции является своеобразным биомаркером. Этот фактор буквально за несколько минут и часов позволяет сделать вывод о нарушении благополучия экосистемы и возможной надвигающейся экологической катастрофе.
Другой способ получения биомаркера экологического неблагополучия экосистемы — анализ Фурье-спектров временных рядов концентрации планктона, которые тоже измеряются при помощи DHC в мониторинговом режиме. Фурье-преобразование помогает выделить характерные биоритмы планктона: циркадный (24,4 часа), приливной (тидальный, 10,5 часа) и другие. Если эти ритмы «сбиваются», то есть изменяется их расположение в Фурье-спектре или их контур расширяется, это тоже может быть ранним признаком загрязнения экосистемы — в том числе микропластиком. Такой биомаркер можно получить за 72 часа.
Таким образом, потенциальная опасность будет выявлена задолго до того, как загрязнение зафиксируют химические методы или традиционные методы биоиндикации, например, в которых подсчитывается процент смертности биоиндикаторов по сравнению с группой планктеров, находящихся в идеальных условиях (то есть по сути, когда экологическая катастрофа уже началась).
Таким образом, ученые РОМИОС ТГУ уже предложили систему маркеров экологического неблагополучия: снижение фототропной реакции (время определения — три часа), десинхронизация биоритмов планктона (двое-трое суток), изменение биоразнообразия (от одного квартала до года). Это позволяет не просто констатировать факт загрязнения, а прогнозировать развитие ситуации.
Теперь исследователи предлагают создать подводные биоиндикационные обсерватории на базе DHC. Они могут быть развернуты в портах, на добывающих платформах, в акваториях Арктики, Камчатки, Сахалина и Сочи — везде, где нужно в реальном времени следить за экологическим состоянием водной экосистемы.
— Особенно полезными представляются такие подводные обсерватории, состоящие из сети нескольких DHC-сенсоров, в акваториях опасных объектов. Это атомные станции, плавучие энергоблоки, нефтяные и газовые платформы, газопроводы, — подчеркивает Виктор Дёмин. — В многочисленных экспедициях мы опробовали DHC в режиме донных станций, позиционирования со льда, в мониторинговом режиме от двух до шести месяцев. При этом управление и получение данных осуществляется в дистанционном режиме, а сама работа DHC автоматизирована. Например, DHC работала в Баренцевом море, а установление режимов работы и сбор данных осуществлялся в Краснодаре. У нас разработана конструкторская документация, есть партнер, который изготавливает узлы и детали оборудования. Поэтому мы в состоянии изготавливать DHC под заказ и обучать персонал работе с ней.
Второй доклад Виктора Дёмина был посвящен работе консорциума «Глобальные изменения Земли: климат, экология, качество жизни» (ГИЗ), который Томский госуниверситет организовал и координирует с 2021 года. В состав консорциума входят более 15 ведущих научных и образовательных организаций страны, включая институты РАН, САФУ, ААНИИ и другие. Консорциум создает интегрированную сеть исследований в системе «суша – шельф» для оценки углеродного цикла. В рамках консорциума проводится, в том числе, разработка и экспедиционная апробация DHC. Так, именно в рамках сотрудничества в консорциуме осуществлена работа DHC на ледостойкой платформе «СП-42» арктической экспедиции ААНИИ (Арктический и Антарктический НИИ, Санкт-Петербург). В то же время в сотрудничестве с ААНИИ размещена скважина с оборудованием для мониторинга состояния мерзлоты на станции ТГУ «Актру» в Горном Алтае.
— Основная исследовательская задача консорциума — построение модели цикла углерода, включая все его потоки и резервуары, а также все экосистемы (суша, шельф, лес, болото и прочее), чтобы можно было уточнить существующие климатические модели, — говорит Виктор Дёмин. — География исследований охватывает водосборы великих сибирских рек: Оби, Енисея, Лены, Колымы, Индигирки. К настоящему времени ученые, например, выявили источники дисбаланса углерода, связанные с таянием мерзлоты, и доказали, что эмиссия СО2 от внутренних вод сопоставима с его поглощением наземными экосистемами.
За 2025 год по тематике ГИЗ участники консорциума опубликовали 98 статей в научных журналах, почти половина из них — в журналах Q1 Scopus/WoS.
Например, статья в журнале Scientific Reports (из семейства журналов Nature, Q1), посвящена спектроскопическому подходу к изучению рядов планктонной концентрации, измеренных при помощи DHC: Dyomin, V., Polovtsev, I., Davydova, A., Kirillov, N. Spectroscopic aspects of underwater digital holography of plankton. Sci Rep 15, 1884 (2025).
Статья в журнале International Journal of Environmental Science and Technology (Q1) описывает кейс консорциума ТГУ «Глобальные изменения Земли: климат, экология, качество жизни»: Dyomin, V., Kirpotin, S. Assessment of the carbon cycle in the arctic land shelf system, case study: consortium “Global Earth Changes”. Int. J. Environ. Sci. Technol. (2025).
Результаты исследования гидрохимии и динамики парниковых газов торфяных бассейнов Большого Васюганского болота в Западной Сибири — одного из крупнейших в мире — опубликованы в журнале Ecological Indicators (Q1): Sergey N. Vorobyev, Yuri Kolesnichenko, Ivan V. Krickov, Alexander E. Berezin, Sergey N. Kirpotin, Oleg S. Pokrovsky. The Great Vasyugan Mire of western Siberia: Hydrochemistry and greenhouse gas dynamics of peatland pools of the world’s largest mire //Ecological Indicators. – 2025. – V. 170. – P. 113054.
Результаты еще одного исследования показали, что большинство выбросов метана в районе внутреннего моря Лаптевых происходят из-за микробной активности в системе подводной мерзлоты, а не из глубоких термогенных источников. Статья вышла в журнале Communications Earth & Environment (Nature, Q1): Marenka Brussee, Henry Holmstrand, Birgit Wild, Denis Kosmach, Denis Chernykh, Natalia Shakhova, Arkadiy Kurilenko, Igor Semiletov, Örjan Gustafsson. Triple-isotopic analyses pinpoint microbial methane release from subsea permafrost in the inner Laptev Sea //Communications Earth & Environment. – 2026. – V. 7. – № 211
— В консорциуме ведутся и прикладные исследования, — уточняет Виктор Дёмин. — Эти исследования связаны с разработкой технологий мониторинга и ремедиации экологического состояния экосистем, секвестрации и утилизации углерода, качеством жизни коренных малочисленных народов Севера и его изменением в условиях изменения климата, а также с климатическими проектами.
Среди прикладных разработок ТГУ — беспилотный роботизированный комплекс для очистки донных отложений от нефти (работает на глубине до 100 метров, в том числе подо льдом) и технология «Аэрощуп», которая уже очистила более 100 водоемов по заказам «Лукойла», «Сибура» и других компаний. Очистка ведется без выемки грунта, методом флотации — это экологично и эффективно.
В планах консорциума на 2026–2027 годы — предложить систему государственного экологического мониторинга Северного морского пути (ГЭМ СМП). Кроме этого, в числе перспективных планов участников консорциума — развитие технологий управления углеродными циклами и работа над подводными биоиндикационными обсерваториями.
Все поставленные задачи невозможно решить без эффективного взаимодействия с крупными компаниями (Росатом, Роснефть, Газпром), федеральными органами исполнительной власти (Минобрнауки, Минпромторг, Минприроды, Минвостокразвитие), а также с властями на местах. В своем докладе Виктор Дёмин на примере проекта ГИЗ показал, как, объединяя компетенции «неарктических» регионов, можно эффективно решать задачи для Арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ), и подчеркнул необходимость включать такие регионы в федеральные программы освоения АЗРФ. Это направление входит и в повестку IV Международного форума ассоциаций и консорциумов северных территорий, который пройдет на базе ТГУ 20-22 апреля 2026 года.
Изображение на обложке: примеры подводных обсерваторий для мониторинга (из презентации В.Дёмина)
