Виват, вивианит!

Почему вода в Онежском озере чистая

Онежское озеро, расположенное на северо-западе европейской части России, местные жители зовут «морем». Еще бы! Это второй по величине пресноводный водоем в Европе и третий в России. Его котловина - ледниково-тектонического происхождения. Около 700 рек (не считая мелких водотоков) несут в озеро свои воды. Вместе с ними туда попадают самые разные вещества природного и антропогенного происхождения, которые оседают на дно. «Особенности распределения и состава микрочастиц в экосистеме Онежского озера и оценка их роли в накоплении поллютантов в процессе формирования донных отложений» - исследование под таким названием провела междисциплинарная группа ученых при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, ныне - РЦНИ (грант 19-05-50014). Руководила проектом доктор геолого-минералогических наук. Вера СТРАХОВЕНКО - ведущий научный сотрудник лаборатории геохимии редких и благородных элементов Института геологии и минералогии им. В.С.Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГМ СО РАН). Сегодня она рассказывает о проведенных исследованиях и их результатах читателям «Поиска».

- Почему именно Онежское озеро? Байкал ведь к Новосибирску, где находится ваш институт, ближе. Или сибирские озера уже достаточно хорошо изучены?

- Еще в 2012 году меня как минералога-геохимика пригласил участвовать в исследованиях Онежского озера доктор географических наук Дмитрий Александрович Субетто. Сейчас он декан факультета географии Российского государственного педагогического университета им. А.И.Герцена, а тогда возглавлял Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН (ИВПС КарНЦ РАН). К тому времени Онежское озеро было очень детально изучено с точки зрения лимнологии, гидробиологии, гидрофизики, геологии, а вот детальных минералогических исследований практически не проводилось. Я согласилась участвовать в работе в акватории Онежского озера, в изучении рек и озер его водосборного бассейна. Ну, а потом стало просто интересно! Вообще, я специализируюсь на исследованиях сибирских озер, это тема моей докторской диссертации. Онежское озеро - яркий представитель водоемов, появившихся после последнего оледенения. Вначале это было крупное глубоководное Онежское приледниковое озеро, которое постепенно, по мере отступления последнего ледника Валдайского оледенения, превратилось в Онежское озеро и ряд других мелких озер. Изучение современных аналогичных процессов осаждения расширяет кругозор, помогает лучше понять процессы, происходящие с сибирскими озерами. А на Байкале сотрудники нашей лаборатории тоже работали - например, активно принимали участие в проекте «Байкал-бурение».

- Кто вошел в вашу научную группу?

- Два моих аспиранта. Одна вскоре защитила диссертацию по сапропелевым отложениям в сибирских озерах (проект закончился два года назад), а материалы, полученные по донным осадкам Онежского озера, помогли лучше понять происходящие процессы современного седиментогенеза (образования осадков) в озерах Западной Сибири. Второй аспирант недавно прошел предзащиту (диссертация по материалам, полученным при выполнении именно этого гранта РФФИ), сама защита назначена на 5 февраля 2025 года. Кроме нас в группе были четыре сотрудника ИВПС КарНЦ РАН, а также Д.А.Субетто со своими аспирантами. Удалось собрать специалистов разных направлений - геохимиков, минералогов, географов, химиков. Отличительная особенность этого проекта - его комплексность, междисциплинарность. Мы изучали микрочастицы в разных средах со всех сторон.

- В чем состояла цель проекта?

- Посмотреть, какие вещества и в каком состоянии поступают в озеро с водосборной площади (то есть приносятся реками, ручь­ями, атмосферными осадками, в том числе снегом), насколько они в озерной воде преобразуются и что происходит с ними в дальнейшем, когда они оседают на дно, формируя донные отложения. Комплексность исследований проявлялась также в том, что мы изучали озеро не в одной точке, а по всей его площади. Это стало возможно благодаря Институту водных проблем Севера КарНЦ РАН: у них есть свое научно-исследовательское судно «Эколог», с которого мы и отбирали пробы. Очень важная особенность этого проекта состоит в том, что из каждой пробы материал для изучения получали все специалисты и замеры всех переменных параметров происходили одновременно, на месте, с использованием разной аппаратуры. Это минимизировало возможность ошибок. Одновременность исследования удается организовать очень редко. Чаще всего разные группы ученых ездят в разное время, потом свои результаты объединяют.

- Как происходит отбор проб? Это ведь не просто зачерпнуть воды из озера?

- Мы использовали метод, который очень широко применяется в современной океанологии - седиментационные ловушки (от английского sedimentation - «осаждение»). Они представляют собой емкости, которые закрепляют на небольшом расстоянии от дна таким образом, чтобы даже при большом шторме - а на Онежском озере волны бывают свыше трех метров! - они оставались в той же точке, чтобы в них не могло попасть вещество со дна и чтобы проходящие корабли не могли их сдвинуть. Ловушки устанавливались в разных местах: и там, где реки впадают в озеро, и по всей акватории озера. Через определенный период времени - у нас это был год - мы достаем вещество, которое в них набирается, и изучаем. За разработку и установку таких ловушек отвечала группа доктора географических наук На­тальи Александровны Белкиной из ИВПС КарНЦ РАН.

- Что удалось узнать по результатам исследования?

- Мы выяснили, что минеральный состав взвесей, поступающих в озеро вместе с речной водой, слабо зависит от времени года. Содержимое в разных ловушках отличается между собой и абсолютным количеством взвеси в воде, и разным соотношением органического и неорганического веществ. В одних ловушках находили агрегаты техногенного происхождения, причем в разном количестве, в других их не было. Материал из ловушек сравнивался с осадком из разных слоев донных отложений, для отбора которых используется другой комплекс приборов.

- Было ли в результатах что-то такое, что вас удивило?

- Удивительно, что в Онежском озере все, что приносят реки (а это до 80-85% всех примесей), в водном столбе хорошо перемешивается. Сильная гомогенизация взвесей объясняется развитием течений. Это было показано учеными ИВПС КарНЦ РАН в более ранних проектах и современных, но, подчеркну еще раз, исследование минералогического состава взвеси, осадочного материала, который содержится в воде, проводилось впервые.

Мы обнаружили, что взвесь опускается на дно практически без изменений своей минеральной части, образуя верхнюю часть донного осадка. Единственное значимое изменение связано с преобразованием слоистых силикатов: в этом регионе много кремния и железа в воде, поэтому слоистые силикаты в донных отложениях становятся более железистыми. Мы первыми это показали.

- Вы отметили, что находили в ловушках вещества техногенного происхождения. То есть озеро загрязняется. Насколько это серьезно?

- Да, мы нашли частицы, которые по своему составу никак не могут быть природными. И он, этот состав, по всей площади озера довольно однообразный. По сути, это пыль из труб промышленных предприятий. На берегах озера есть только три крупных города - Петрозаводск, Кондопога с ее целлюлозно-бумажным комбинатом и Медвежьегорск. Их влияние мы и увидели. И еще мы - первые, кто начал изучать ртуть во всех компонентах озерной системы одновременно. В ловушках были выявлены ураганные содержания ртути в двух пробах, при общем количестве проб более 100.

- «Ураганные» - это такой поэтический образ или термин?

- Это термин, который используется в геологии для обозначения очень высокого содержания вещества, когда норма превышена в 10 раз и более.

- А причина?

- Есть несколько версий, их сейчас прорабатывает ИВПС КарНЦ РАН уже в рамках других проектов. Выбросы ртути были разовыми, так как в этих же точках отбора проб в последующие годы высоких содержаний ртути выявлено не было. Проект РФФИ длился всего три года, а для определения причин появления ртути в озере нужны долговременные наблюдения. Возможно, это связано с тем, что целлюлозно-бумажное производство дает много твердых органических отходов, их присутствие видно даже невооруженным взглядом в Кондопожской губе. А ртуть хорошо взаимодействует с органикой, образуя органические комплексы. И отсюда в водной взвеси могут появляться высокие содержания металла.

- Легко ли определить, какие частицы природного происхождения, а какие появились вследствие человеческой деятельности?

- Да, это легко, по их химическому составу и морфологии. Мы использовали электронную микроскопию и рамановскую спектроскопию. Первая позволяет изучать состав частиц на микронном уровне, вторая дает возможность узнать кристаллическую структуру, то есть мы можем определить минералы, из которых состоит частица.

- Представляют ли техногенные осадки опасность для озера?

- К счастью, нет. Их количество незначительное, они составляют очень маленький процент. Кстати, еще один важный момент мы показали. В результате диагенеза в осадках озера образуется вивианит - фосфат железа. Донные отложения удерживают фосфор, поступающий на дно в составе взвешенного вещества, и значительная его часть не возвращается обратно в воду. От концентрации фосфора в воде, как известно, зависят развитие продукционных процессов (то есть производство биомассы) в водоеме и, как следствие, качество воды. Эвтрофирование (увеличение биологической продуктивности) пресных водоемов на планете - глобальная проблема. А в Онежском озере благодаря седиментогенезу фосфор из водной экосистемы изымается естественным путем, что препятствует развитию процесса эвтрофирования и способствует поддержанию олиготрофного статуса экосистемы и высокого качества вод (олиготрофный водоем характеризуется низкой долей растворенных в воде питательных веществ). Из современной научной литературы известно, что вивианит есть в современных донных отложениях Великих Американских озер. В донных осадках Байкала и Телецкого озера, судя по фотографиям недавно отобранных кернов, тоже образуется этот минерал.

- В отчете по проекту также отмечается, что впервые выявлены пространственно-временные закономерности озерного осадконакопления в ледниковое и послеледниковое время. Какие именно?

- В этом проекте мы рассматривали микрочастицы размерностью от двух до пяти микрон, изучали, как изменялось их количество, поступавшее в Онежское озеро, от последнего ледникового периода до современности. Если коротко, это количество выросло. Сейчас территории урбанизированные, и «тонкого» материала в озеро сносится больше. Эти исследования идут в рамках следующего проекта.

- То есть проект РФФИ имеет продолжение?

- Да, сейчас мы изучаем переход от плейстоцена к голоцену, чтобы понять, какие параметры частиц больше всего изменились. Хотим сравнить донные осадки Онежского приледникового озера и Балтийского приледникового озера. Минералогические и геохимические составы донных осадков озер, образовавшихся после последнего оледенения (Ладожского, Онежского, малых озер), никто не сравнивал. Надо отметить еще один важный результат проекта: была оценена скорость осаждения современного взвешенного вещества во всех частях озера. Мы сравнили результаты, полученные изотопными методами оценки скорости осадконакопления и в ходе прямых наблюдений за поступлением вещества в ловушки, которые регулярно проводятся в ИВПС КарНЦ РАН. Это уникальная работа, таких исследований единицы не только в России, но и в мировом масштабе. Получен очень важный фундаментальный результат.

- Как бы вы оценили роль гранта в поддержке проекта?

- Деньги пошли на экспедиционные исследования, приобретение расходных материалов. Кроме того, мы приняли участие в 28 конференциях, где докладывали о своих результатах, выносили на обсуждение фундаментальные проблемы. Хочу подчеркнуть, что молодежь, которая составляла больше половины участников проекта, принимала активное участие и в экспедициях, и в конференциях, где представляла свои доклады и слушала выступления коллег, что очень важно для развития фундаментальной науки. Все это было бы невозможно без гранта.

Наталия БУЛГАКОВА Фото предоставлено В.Страховенко