Радиофизики ТГУ разработали новый метод мониторинга планктона для раннего выявления экологических проблем в водоемах. Метод позволяет точнее интерпретировать данные, получаемые погружаемой цифровой голографической камерой для невозмущающего исследования планктона. В способе исследования, предлагаемом учеными ТГУ, используется спектральный анализ: можно проанализировать биоритмы и изменения в поведении биоиндикатора – планктона и выявить экологические нарушения на ранних стадиях. Ученые уже провели первые успешные испытания этого метода.
Радиофизики ТГУ разработали новый метод мониторинга планктона для раннего выявления экологических проблем в водоемах / © Пресс-служба ТГУ
Результаты опубликованы в научном журнале Scientific Reports («Nature», Q1). Традиционные методы оценки состояния водоемов часто запаздывают с обнаружением проблем. А методология, которую разрабатывают радиофизики ТГУ, помогает выявлять экологические проблемы на ранних стадиях. Она основана на информации о состоянии планктона непосредственно в его естественной среде обитания; измерения обеспечивает голографическая камера, погружаемая в водоем.
Подводная цифровая голографическая камера для изучения планктона разработана сотрудниками лаборатории радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды радиофизического факультета (РФФ) ТГУ. Руководитель лаборатории – первый проректор ТГУ Виктор Дёмин. Камера позволяет регистрировать голограммы объема водной среды с планктоном, восстанавливать голографические изображения этого объема и по ним изучать размеры, форму, расположение в пространстве планктонных частиц. При этом планктон не подвергается возмущениям и изучается непосредственно в среде обитания и в режиме реального времени, в отличие от традиционных методов лова сетью и дальнейшего исследования под микроскопом в лаборатории.
Камера фиксирует голограммы, по которым определяют размеры, формы, расположение и поведенческие реакции планктона. После получения всех данных ученые применяют методы спектрального анализа – аналогичные тем, что используются в спектроскопии атомов и молекул. Это позволяет проанализировать временные ряды концентрации различных видов планктона, выявить характерные биоритмы и проследить в них существенные изменения.
– Этот подход к мониторингу планктона выходит за рамки простого подсчета особей. Спектральный анализ позволяет выявлять характерные частоты и периоды – биоритмы, связанные с жизненным циклом планктона. Анализируя спектры концентраций различных видов планктона, мы получаем «отпечатки», которые позволяют судить о биоразнообразии в водоеме или морской акватории. Важно, что мы можем характеризовать биоразнообразие и наличие или отсутствие определенных биоритмов, имея лишь ряд последовательных измерений концентрации планктона, – добавил Виктор Дёмин.
Спектральный анализ позволяет построить несколько кривых, которые показывают нарушения или изменения в биоценозе планктона, например, автоколебательные процессы, численность и ритмику. Планктон в этом методе выступает в качестве биоиндикатора, по которому можно определить наличие загрязнений и других негативных воздействий на экосистему.
В ходе исследований ученые ТГУ отслеживают изменения в циркадных ритмах планктона, фототропных реакциях и межвидовой энтропии. Нарушение этих параметров – сигнал о проблемах, причем, каждый параметр имеет свое время отклика. Сбой биоритмов может быть заметен уже через час, в то время как нарушение межвидовой энтропии указывает на более серьезную и длительную проблему.
– Выявленные изменения в ритмике планктона, вызванные как внутренними, так и внешними факторами – загрязнением или иным воздействием, могут говорить о неблагополучии экосистемы. Такой спектральный метод исследования поведения планктона как биоиндикатора будет особенно полезен для мониторинга акваторий вблизи опасных объектов, таких как атомные электростанции, нефтяные платформы и газопроводы. Наша цель – предоставить инструмент для ранней диагностики, чтобы предотвратить экологические катастрофы и вовремя принять меры по защите водоемов, – подчеркнул Виктор Дёмин.
В исследованиях и разработке нового метода также принимают участие сотрудники лаборатории радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды РФФ ТГУ: старшие научные сотрудники Игорь Половцев, Александра Давыдова, старший преподаватель Николай Кириллов, а с сентября 2024 года в полярной экспедиции с DHC-камерой работает сотрудник лаборатории Василий Леонтьев.
Исследование реализуется в рамках стратегического проекта «Глобальные изменения Земли: климат, экология, качество жизни» при поддержке федеральной программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030». Ключевым направлением исследований является построение модели углеродного баланса в Северной Азии, включающей все экосистемы и зоны северных территорий: вечную мерзлоту, водно-болотные угодья, водосборы великих сибирских рек – Енисея, Оби, Лены и других, береговую зону, шельф Арктических морей России.
