XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение биологического разнообразия термокарстовых водоемов в период потепления климата в арктической зоне Пур-Тазовского водораздела

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Семенова М.Ю. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Тазовская средняя общеобразовательная школа, 11 класс

Семенова О.С. 1Кунин С.А. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Тазовская средняя общеобразовательная школа

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Изменение климата на планете ученые фиксируют на протяжении 40 лет наблюдений. Заполярные территории теплеют гораздо стремительнее. «Ученые прогнозируют дальнейший рост температуры воздуха в Ямало-Ненецком автономном округе (ЯНАО) на 1 градус каждые 10 лет по критичному сценарию. Об этом сообщил кандидат географических наук, сотрудник Научного центра изучения Арктики Роман Колесников, выступая на конференции по вопросам климата и таяния вечной мерзлоты в Якутске»."За последние 30 лет очень интенсивно идет повышение температуры [в ЯНАО]. По данным метеостанций, каждые 10 лет температура повышается на 0,6-0,9 градуса. Наиболее интенсивно повышение температуры идет два последних десятилетия. По критичному сценарию потепление воздуха будет происходить на 1 градус каждые 10 лет", - сказал Колесников.[1]

С осени 2018 года научно-исследовательский центр «Перспектива» Тазовской СОШ проводит исследование и наблюдение на территории Пур-Тазовского водораздела. Полученные данные с ежегодных полномасштабных научно-практических экспедиций легли в основу школьных научно-исследовательских работ центра: Салиндер Эльзы «Исследование наступления лесотундры на полярную зону Западной Сибири» [2], Перехватовой Софьи и Трухачевой Елизаветы «Влияние климатических изменений на тундровую экосистему юга  Тазовского района ЯНАО»[3], Щербатюк Софьи и Менглибаева Магомета «Анализ природно-климатических изменений на территории Пур-Тазовского водораздела»[4], Щербатюк Софьи и Менглибаева Магомета «Изучение условий  формирования плодородного слоя грунта в Арктической зоне Пур-Тазовского водораздела» [5].

Изучив и обобщив данные работ, отмечаем на изучаемых территориях множество природно-климатических изменений: потепление климата, оттаивание многолетней мерзлоты, смена и расширение границ ареалов произрастания растительности и обитания животных, смещение тундровой экосистемы на север Западной Сибири. Идет формирование степной зоны в освободившиеся от мерзлоты верхнего покрова земли.

По многолетним результатам изучения реперных участков в ежегодных экспедициях по автодороге Уренгой - Тазовский были замечены изменения состояния рек и озер. Происходят изменения водородного показателя и солесодержания.

Полученные ямальскими учёными данные коррелируются с результатами общемировых исследований по всей Арктике. В среднем температура в этом макрорегионе, по данным мирового научного сообщества, повысилась также на 3,5-4 градуса Цельсия. «С изменением климата будет меняться и структура экосистемы. Пока речь не идёт о смене одной природной зоны на другую, но постепенно появятся новые виды растений и животных, например, наш коллега кандидат биологических наук Александр Красненков летом 2021 года зарегистрировал два нехарактерных для южной тундры, а именно в Тазовского района, вида беспозвоночных – брюхоногих моллюсков и губок. Эти представители фауны свойственны для северной тайги и регионов южнее», - рассказывает Роман Колесников.[6]. В июле − начале августа 2016 года общественность была обеспокоена эпидемической вспышкой сибирской язвы на полуострове Ямал в двухстах км от посёлка Яр-Сале Ямальского района Ямало-Ненецкого автономного округа. Причиной эпизоотии и эпидемической вспышки, по мнению ряда источников, следует считать аномально высокие температуры июня и июля 2016 г., способствовавшие вытаиванию спор сибирской язвы из многолетнемёрзлых пород. [7]

Возникает гипотеза, что потепление климата, деградация многолетней мерзлоты, а также смещение зон произрастания растительности, способствуют смене экосистем в водной среде термокарстовых озер в арктической зоне Пур-Тазовского водораздела.

Основная цель работы: изучениебиологического разнообразия термокарстовых водоемов период потепления климата арктической зоны Пур-Тазовского водораздела.

Задачи исследования:

1. Провести анализ температурных изменений на исследуемом участке;

2. Провести серию практических полевых работ на озерах исследуемого участка;

3. Провести лабораторные работы по изучению микроорганизмов в южных, северных и промежуточных озерах исследуемого участка.

Анализ температурных изменений на исследуемом участке.

Для проведения анализа данных и построения графиков летних, зимних и среднегодовых температур с 1984 года использовались данные Тазовской метеостанции Обь-Иртышского ФБГУ и системы автоматического мониторинга САM 108 (автоматическая метеостанция), установленной в Тазовской средней школе, подключенной к общемировой системе слежения за погодными явлениями.

График 1. Средние летние и зимние температурные значения с 1984 года по 2023 год.

За последние 39 лет наблюдения летние температуры в Тазовском остаются в относительно стабильных значениях. Тренд зимнего значения сместился с -35°С до -15°С и показывает неуклонный рост. Из-за потепления в холодное время года отрицательные температуры не способны достаточно и стабильно вымораживать оттаявшее пространство термокарста, что приводит к ускорению деградации многолетомерзлых грунтов с 2016 года.

График 2. Среднегодовые температурные значения с 1984 года по 2023 год.

Среднегодовые температурные значения за 39 лет наблюдения показывают неуклонный рост в сторону потепления. Среднегодовые температуры сместились с -12°С на -1°С. Разница температур в поселке Тазовский составляет почти 10 единиц. Примечательными теплыми годами стали 2019, 2020 и 2022 года, когда среднегодовые температуры в арктическом поселке Тазовский составили +1°С.

И зменения и рост зимних и среднегодовых температурных значений негативно сказываются на состоянии многолетомерзлых грунтов.

График 3. Глубина таяния тундрового покрова.

Наблюдения за состоянием таяния грунтов ведется с 2018 года по реперным точкам вдоль автодороги п. Тазовский - п. Уренгой. Ежегодно ученики центра «Перспектива» при Тазовской средней школе проводим измерения на объектах исследования, проводим проколы грунтов щупом Нерпа. Для вычисления среднего значения проводят не менее 20 проколов на каждом объекте для вычисления усредненного показателя.

Разность значений промороженного грунта 2018 и 2023 годов представлена на графике 3. Глубина таяния тундрового покрова.На южных точках мерзлота тает не так стремительно и разность значений составляет от 2,3 метра до трех метров. На северных точках глубина размораживания грунта за 6 лет наблюдения увеличилась в 3 раза с 80 сантиметров до 2,5 метра.

Анализ температурных значений за последние 39 лет наблюдений говорит об устойчивом тренде потепления климата полярной зоны Западной Сибири. Среднегодовые значения температур в п.Тазовском в 2019, 2020 и 2022 годах показали положительные значения. В период 2018-2023 года величина верхнего слоя оттаявшего грунта на северных точках увеличилась в 3 раза. Осенью 2023 года после жаркого лета наблюдалось заболачивание озер и просадка русел рек по всему маршруту наблюдения.

Фото 1 и 2. Южные озера Пур-Тазовского водораздела вдоль аватодороги п. Тазовский – п. Уренгой.

Проведение серии практических полевых работ на озерах исследуемого участка.

Осенью 2021, 2022 и 2023 годов мы принимали участие в ежегодных экспедициях по автодороге п.Тазовский-п.Уренгой. Где проводили измерения глубины оттаивания термокарста. Также на этих точках проводиться экспресс анализа грунта и водной среды

Фото 3,4,5.Проведение экспресс анализа воды и грунта. Осень 2023 года.

С 2018 года ученики центра «Перспектива» ведут наблюдения и проводят экспресс анализы воды в термокарстовых водоемах по всей протяженности маршрута экспедиций. Анализы брались автоматическими приборами рН метром и кондуктомером для водных сред, по показателям водородного значения и солесодержания (электропроводности).

Ежегодный экспресс анализ показывает разные значения по рН и солесодержанию, т.е значения в одном и том же озере ежегодно притерпевали изменения. Водородный показатель стремился в сторону закисления, а солесодержание увеличивало свое значение.

Фото 8, 9. Экспересс анализ воды по содержанию водородного показателя в термокарстовом озере в поймк реки Вэсако-Яха в 2018 и 2022 годах.

Фото 10,11, 12. Экспресс анализ воды по солесодержанию в термокарстовом озере в пойме реки Вэсако-Яха в 2018 и 2023 годах.

По результатам экспресс анализов воды в термокарстовых озерах Пур-Тазовского водораздела по автодороге п.Тазовский-п. Уренгой была составлена таблица значений водородного показателя и солесодержания за последние 6 лет наблюдений.

Значения водородного показателя и солесодержания за последние 6 лет наблюдений в термокарстовом озере в пойме реки Вэсако-Яха в 2018 и 2023 годах

Таблица 1

Диаграмма 1. Рост солесодержания в термокарстовых водоемах за последние 6 лет наблюдения по маршруту п. Тазовский-п.Уренгой.

Диаграмма 2. Закисание термокарстовых водоемов за последние 6 лет наблюдения по маршруту п. Тазовский-п.Уренгой.

Для удобства зрительного восприятия, были постороены диаграммы за последние 6 лет наблюдения. Где можно наблюдать смещение водородного показателя в сторону закисления и рост солесодержания в термокарстовых водоемах Пур-Тазовского водораздела по маршруту п.Тазоввский-п.Уренгой.

Водородный показатель в 2018 году имел нейтральные значения на южных и промежуточных точках. На северных точках с района рек Малая Хе-Яха до Нуны-Яха рН озер имел щелочное значение. В 2023 году водородный показатель озер на всем протяжении маршрута полностью сместился в кислую сторону и составляет от 4,5 до 5,5.Такие резкие перепады водородного показателя могут вызывать как обильный синтез и так и полное исчезновение организмов.

Солесодержание в южных точках увеличелось с 0,02 мкг/л до 0,072 мкг/л, т.е в 3,6 раза. На северныз оконечностях маршрута минерализация озер увеличилась почти в 22 раза, что может свидетельствовать об активном размножении микроорганики и простейших в термокарстовых озерах.

Осенью 2018 года солесодержание в северных озерах составляло 0, 006 мкг/л, а водородный показатель стремился к щелочным значение. В 2023 году наблюдается стремительный рост солесодержания и смещение рН в кислую сторону. В южных и промежуточных озерах так же отмечен рост растворенных в них солей и смещение водородного показателя из нейтрального значения в кислую среду. Все это указывает на изменение биологического разнообразия и смену структуры экосистемы водоресурса озер.

На содержание водородного показателя в водной среде будет оказывать влияние высокая скорость размножения фотосинтезирующих организмов и ацидофильных грибов.

Из озер, на реперных участках наблюдения по всему протяжению маршрута, осенью 2023 года были отобраны пробы воды для проведения микроскопического исследования водных экосистем.

Лабораторные работы по изучению микроорганизмов в южных, северных и промежуточных озерах.

Термокарстовые озера содержат в себе сложную экосистему, насыщенную множеством разнообразных микро существ. Они играют важнейшую роль в содействии развития жизни на планете и поддержания экологического баланса водной среды. Состоят из грибов, растений, бактерий и простейших микроорганизмов.

Основная задача бактерий и грибов — это расщепление органических веществ до простых составляющих и образование симбиотических отношений, способствующих общему росту водных растений. Простейшие организмы принимают участие в пищевой цепочке, тем самым контролируют развитее и популяцию озерных растений и животных.

Грибы, бактерии и микроорганизмы своим присутствием в воде создают сложную сеть взаимодействия, влияющую на эко систему озера, растительного и животного мира.[8].

Фото 13, 14. Лабораторные работы по изучению микроорганики в водах термокарстовых озер.

Вода имеет огромное значение в жизни деятельности человека. Люди с древних времен обустраивают свой быт возле водных объектов. Человеческий организм на 80% состоит из воды. От чистоты воды и ее качества зависит здоровье людей и эпидемиологическая обстановка в городах и поселениях. Загрязнение воды патогенными микроорганизмами происходит по многим причинам: жизнедеятельность людей; промышленные выбросы; потепление климата.

По нашему исследуемому маршруту п.Тазовский - п.Уренгой расположены нефтегазовые месторождения, которые оказывают влияние на весь водоресурс Пур-Тазовского района. Нефтяные разливы и утечки реагентов оказывают негативное влияние на химическую составляющую рек и озер.

На изменение и рост микроорганики будет влиять антропогенная нагрузка и рост среднегодовых температур. Близость расположения к водному источнику населенного пункта, а также количество жителей будет диктовать эпидеомилогическую напряженность.

В районе исследуемого маршрута в 2018 году воды термокарстовых озер имели нейтральный водородный показатель или слабо щелочной. Количество растворенных солей в озерах соответствовало солесодержанию в дистиллированной воде. Потепление климата и рост среднегодовых температур сместил водородный показатель в кислую сторону. Прогрев воды создает благоприятную среду для стремительного роста и размножения микроорганики. Отжившие свой цикл растения и микроорганизмы способствуют увеличению солесодержания в водах.

Не маловажным фактором, способствующим развитию и росту микроорганизмов в озерах, является таяние мерзлоты, как это уже случалось в 2016 году со спорами сибирской язвы. С таянием многолетомерзлых грунтов происходит вытаивание спор и цист микроорганизмов. Органика, попадая в теплую водную среду, при благоприятных условиях начинает активно размножаться. [7]

Всего было отобрано по 5 проб из 7 озер. Это два южных, три промежуточных и два северных озера. Пробы отбирались вдоль береговых линий, подальше от дорог и проезжих частей.

Для проведения лабораторных работ использовали школьный цифровой микроскоп «Эврика» фирмы Микромед с линейным увеличением 10/0,25 и 160/0,17х с видеоокуляром устройства визуализации 0,5х. Данные, полученные в результате микрскопических исследований занесены в таблицу «Микроорганическое разнообразие термокарстовых водоемов».

«Микроорганическое разнообразие термокарстовых водоемов»

Таблица 2.

Где:

+-бактерии, грибы и водоросли, способные к фотосинтезу;

- -бактерии, грибы и водоросли, не способные к фотосинтезу;

п– патогенные организмы.

Рост температур, понижение уровня мерзлотных грунтов, способствуют значительному закисанию вод в озерах, росту солесодержания и развитию микроорганического разнообразия. Наличие фотосинтезирующих микроорганизмов способствует изменению водородного показателя. В водах южных, промежуточных озер были обнаружены водоросли и бактерии способные к фотосинтезу: педиаструм, астерионелла, спириллы, макромонас, планктон, нитчатые серобактерии, лишайник, диатомовые водоросли, хламидомонада, кладофора, листоватый лишайник, мицелий, инфузория. Наибольшее скопление и разнообразие было выявлено в северных озерах.

Наибольшее микроорганическое разнообразие и скопление было обнаружено в термокарстовых водоемах возле села Газ-Сале. Более всего насторожило большое количество патогенных бактерий, таких как: амеба, коловратки, вейлонелла, спириллы, макромонас, архоматиум, бацилла, ризопус, кишечная палочка, споры грибов, бычий цепень, нитчатые серобактерии, лишайник, дизентерийная амеба, кривголовка, мицелий, листоватый лишайник, дрожжи, инфузория, клетки дрожжей, молочнокислые бактерии.[10] Эти бактерии и их цисты способны вызывать серьезные заболевания в первую очередь у птиц и животных, а также у местного коренного населения. Люди потребляют воду из озер даже, не подвергая ее кипячению! Подобное бактериальное загрязнение, способно вызвать серьезные заболевания и эпидемии, как это случилось в 2016 году.[6]

По результатам проведенных лабораторных работ, можно отметить следующее:

- максимальное количество видового разнообразия было обнаружено в северных озерах, в окрестностях поселка Тазовский и села Газ-Сале;

- виды микроорганики,обнаруженныев южных озерах, присутствуют в северных объектах нашего исследования;

- в северных озерах были обнаружены наибольшие скопление колоний болезнетворных бактерий;

- фотосинтезирующие бактерии, способствующие изменению, водородного показателя в кислую сторону, были обнаружены на всех точках маршрута.Значительное ихскопление и наибольшее видовое разнообразие находится в северных озерах.

Этому способствовало не только таяние многолетомерзлых грунтов, но и близость реки Таз. Во время весеннего половодья может способствовать развитию разнообразия микроорганики.

Численность жителей села Газ-Сале на 1 января 2023 года составляет 1743 человека. Это незначительная антропогенная нагрузка Наблюдаемые озера находятся на значительном расстоянии от населенного пункта, канализационные сбросы не направлены в них. Мы предполагаем, что у села Газ-Сале на Мамеевом Мысу во все времена жили люди, здесь до сих пор ведется археологические раскопки, захоронения в этих местах проводились в основном на поверхности и велика вероятность антропогенного отклика прошлых лет.

Выводы по исследовательской работе:

1. Анализ температурных значений за последние 39 лет наблюдений говорит об устойчивом тренде потепления климата полярной зоны Западной Сибири. Среднегодовые значения температур в п.Тазовском в 2019, 2020 и 2022 годах показали положительные значения. В период 2018-2023 года величина верхнего слоя оттаявшего грунта на северных точках увеличилась в 3 раза. Осенью 2023 года после жаркого лета наблюдалось заболачивание озер и просадка русел рек по всему маршруту наблюдения.

2. Изменения и рост зимних и среднегодовых температурных значений негативно сказываются на состоянии многолетомерзлых грунтов.

3. Осенью 2018 года солесодержание в северных озерах составляло 0, 006 мкг/л, а водородный показатель стремился к щелочным значение. В 2023 году наблюдается стремительный рост солесодержания и смещение рН в кислую сторону. В южных и промежуточных озерах так же отмечен рост растворенных в них солей и смещение водородного показателя из нейтрального значения в кислую среду. Все это указывает на изменение биологического разнообразия и смену структуры экосистемы водоресурса озер.

4. На содержание водородного показателя в водной среде оказывать влияние таяние мерзлоты, рост среднегодовых температур, а так же высокая скорость размножения фотосинтезирующих организмов и ацидофильных грибов. В теплых и закисленных водах повышается выживаемость и размножение болезнетворных и патогенных бактерий, создающих эпидемиологическое напряжение для птиц, животных и населения.

5. Большему количеству видового разнообразия микроорганики в северных озерах, способствует близость реки Таз особенно в период половодья.

Из выше изложенного возникает строгая цепочка взаимодействий между температурными и климатическими особенностями и сменой системы микромира термокарстовых озер. Где рост температур влечет за собой таяние мерзлоты. Мерзлотные грунты отступая, лишают озера дополнительного источника охлаждения, способствуют прогреву воды и возникновению фотосинтезирующих видов растений, водорослей и ацидофильных грибов. Которые в свою очередь запускают процесс оксигенного фотосинтеза (сопровождаемый выделением кислорода), смещают нейтральный или слабощелочной водородный показатель в кислую сторону. Кислая водная среда способствует развитию бактериологических организмов в том числе патогенных, способных вызывать серьезные заболевания у животных и человека.

Процесс потепления климата запущен и набирает обороты, значение подобных исследований продиктовано необходимостью соблюдения мер безопасного ведения зарождающегося сельского хозяйства и орошения, также животноводческого комплекса, во избежание заражения крупного рогатого скота, рыболовства, охоты на пернатых и водопитьевого ресурса для кочующего коренного населения.

Немаловажным фактором в дальнейшем, должен стать эпидемиологический контроль за состоянием водной среды термокарстовых озер.

Литература и источники:

1. ТаСС, Наука. 23 МАР, 07:48. «Эксперт сообщил о возможном росте температуры воздуха в ЯНАО на 1 градус каждые 10 лет»; https://nauka.tass.ru/nauka/17345679;

2. Салиндер Эльза «Исследование наступления лесотундры на полярную зону Западной Сибири», Балтийский научно-инженерный конкурс, 2019 г.;

3. Перехватова Софья и Трухачева Елизавета «Влияние климатических изменений на тундровую экосистему юга  Тазовского района ЯНАО», Межрегиональный школьный исследовательский конкурс «На одной широте» организованном ФГБОУ ВО РГГМУ г. Санкт-Петербурга и СВФУ им. Аммосова, г. Якутск, 2021 г.:

4. Щербатюк Софья и Менглибаев Магомет «Анализ природно-климатических изменений на территории Пур-Тазовского водораздела», Балтийский научно-инженерный конкурс 2022 г.;

5. Щербатюк Софья и Менглибаев Магомет «Изучение условий  формирования плодородного слоя грунта в Арктической зоне Пур-Тазовского водораздела», Балтийский научно-инженерный конкурс 2022 г.;

6. Сирень Бабаева «Берега разрушаются, тундра зеленеет. Как потепление влияет наЯмал?»;https://yamal.aif.ru/society/details/berega_razrushayutsya_tundra_zeleneet_kak_poteplenie_vliyaet_na_yamal;

7. Бактериальное загрязнение воды: источники, показатели и меры борьбы Источник: https://rcycle.net/ekologiya/gidrosfera/bakterialnoe-zagryaznenie-vody-istochniki-pokazateli-i-mery-borby

8.   Микробиология виноделия Н. И. Бурьян Л. В. Тюрина  Морфология и физиология молочнокислых бактерий. https://www.sinref.ru/000_uchebniki/05599_vinodelie/020_mikrobiologia_vinodel/041.htm;