Данные о биооптических свойствах бассейна Волги позволят создать систему для спутникового экологического мониторинга

Ученые оценили биооптические свойства вод реки Волги и выяснили, что наибольшая флуоресценция (свечение) наблюдается в Горьковском водохранилище, а наименьшая — в районах впадения рек Оки и Камы. Подробные данные о биооптических свойствах вод позволят не только оценить распространение растворенного органического вещества по всей акватории Волги, но и будут полезны при разработке системы экологического контроля самой большой реки в России с помощью спутниковых данных. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Environments.

Реки служат местом обитания для многочисленных видов животных и источником пресной воды для человека. Кроме того, они играют важную роль в судоходстве, обеспечивают развитие сельского хозяйства, влияют на климат и состояние почв. Большинство речных экосистем активно используется человеком, и многие из них находятся под сильным антропогенным влиянием из-за поступления неочищенных сточных вод. Действие антропогенного загрязнения существенно усугубляется изменениями климата, в последние годы активно проявляющимися в Европейской части России. Оценить антропогенное влияние на состояние рек можно с помощью оптических методов исследования органического вещества и спутниковой гиперспектральной съемки.

При такой съемке со спутников делают снимки речных русел, при этом каждое изображение формируется сразу в нескольких спектральных диапазонах. Однако для точной расшифровки таких изображений нужны эталонные данные об оптических свойствах воды в реках, которые зависят от содержания в ней органического вещества. Опираясь на них, можно будет проводить экологический мониторинг, основанный на данных со спутников.

Ученые из Института океанологии имени П.П. Ширшова РАН (Москва) Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского (Нижний Новгород) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) исследовали оптические свойства вод реки Волги на протяжении 1500 километров ее течения — от Горьковского до Волгоградского водохранилища.

В период с весны 2022 по осень 2024 года исследователи отобрали 227 проб речных вод. Авторы оценили во всех образцах флуоресценцию — способность молекул органических веществ светиться под воздействием излучения на определенных длинах волн. Полученные данные исследователи проанализировали с использованием современных математических алгоритмов. В результате ученые смогли выделить в речной воде четыре группы органических веществ.

В первую группу вошли гуминовые соединения, образующиеся в почвах и попадающие в реки с дождевыми и грунтовыми водами. Вторая группа также преимущественно содержала органические вещества наземного происхождения, подвергшиеся «переработке» бактериями. Эти группы оказались самыми распространенными — их совместная флуоресценция составляла 71–77% от общего свечения образцов воды.

Третий тип соединений — это производные фульвокислот — органических азотсодержащих молекул, которые имеют природное происхождение и в большом количестве обнаруживаются на сельскохозяйственных угодьях, а также в лесах и на болотах.

Последний компонент представлял собой белки и аминокислоты — продукты жизнедеятельности водных организмов, например водорослей и планктона. Однако вблизи крупных городов и заводов активное свечение на длине волны, характерной для этих соединений, может указывать на присутствие загрязняющих веществ антропогенного происхождения.

Кроме того, анализ показал, что состав и количество органических веществ меняются вдоль русла реки. Самую высокую флуоресценцию авторы зафиксировали в Горьковском водохранилище. Вероятно, это связано с тем, что здесь в реку активнее всего поступают вещества, принесенные из близлежащих лесных и заболоченных территорий.

В месте впадения в Волгу крупных притоков — Оки и Камы — свечение органических компонентов было минимальным. Воды этих меньших по размеру рек чище и прозрачнее, и они «разбавили» богатые органическими веществами воды Волги.

«Мы впервые провели систематическое исследование оптических свойств поверхностных вод самой длинной реки в Европе — Волги. С использованием разработанного в нашей лаборатории программного пакета Albatross мы смогли надежно установить четыре группы органических веществ, встречающихся по всей длине реки, и изучить их пространственную изменчивость. Помимо этого мы разрабатываем портативный флуоресцентный датчик, параметры которого оптимизированы для регистрации выявленных в рамках настоящей работы групп органических веществ», — рассказывает Тимур Лабутин, кандидат химических наук, доцент кафедры лазерной химии МГУ имени М.В. Ломоносова.

В дальнейшем нижегородский коллектив участников проекта, поддержанного грантом РНФ, планирует использовать полученные данные для корректной интерпретации спутниковых снимков и с их помощью в режиме реального времени отслеживать состояние воды, в частности, фиксировать распространение загрязнений и прогнозировать ее цветение. Это упростит экологический контроль и даст возможность оперативно решать проблемы, связанные с активной деятельностью человека в речных бассейнах.