Традиционные методы оценки состояния водоемов часто запаздывают с обнаружением проблем. 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», — отметил 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, 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», — добавил Виктор Дёмин.
В исследованиях и разработке нового метода также принимают участие сотрудники лаборатории радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды РФФ ТГУ.
Исследование реализуется по стратегическому проекту «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.
Ученые уже провели первые успешные испытания этого метода, результаты опубликованы в научном журнале «Scientific Reports» («Nature», Q1).
