Анализ эффективности методов экологического мониторинга поверхностных водоемов в условиях их эвтрофирования со стороны объектов сельского хозяйства (обзор)

Высокий уровень антропогенного воздействия на почвы пахотных земель и пастбищ привел к их неспособности удерживать и разлагать переносимые с водой поллютанты, включая биогенные вещества. Отдельного внимания при этом заслуживают объекты сельского хозяйства, которые с одной стороны являются крупнейшими водопотребителями во всем мире, а с другой вносят значительный вклад в биогенное загрязнение поверхностных вод. Вследствие стабильного насыщения водоемов биогенными элементами сохраняется угроза повсеместного увеличения биомассы фитопланктона, существенно влияющего на качество водных ресурсов. Несмотря на имеющиеся меры по борьбе с данным явлением, вопрос осуществления экологического мониторинга водных объектов в условиях эвтрофирования остается открытым. В статье приведена краткая характеристика наиболее неблагоприятных, с точки зрения биогенной нагрузки на водоемы, объектов агропромышленного комплекса. Рассмотрены особенности механизма насыщения водной среды биогенными элементами со стороны сельскохозяйственных территорий. Освещены основные методы экологического мониторинга поверхностных вод, дана краткая характеристика их эффективности в условиях эвтрофирования, а также представлен обзор инновационных методов и технических решений в рассматриваемой области. Акцентируется внимание на необходимости создания комплексных систем экологического мониторинга водных объектов, сочетающих полезные свойства трех его основных методов (физико-химического, биологического и дистанционного), а также учитывающих процесс эвтрофирования, в том числе со стороны объектов сельского хозяйства. Разработка подобных комплексов позволит расширить функционал, повысить качество и эффективность экологического мониторинга поверхностных вод, располагающихся вблизи сельскохозяйственных объектов.

1. Коронкевич Н. И., Барабанова Е. А., Зайцева И. С. Оценка современного водопотребления в мире и на континентах, его влияние на годовой речной сток. Вестник Российской академии наук. 2022;92(3):256–264. DOI: https://doi.org/10.31857/S0869587322030057 EDN: KYKQEH

2. Горская О. И. Совершенствование методов альголизации и биомелиорации водоема-охладителя Ростовской АЭС и приплотинной части Цимлянского водохранилища. Глобальная ядерная безопасность. 2023;(2):14–23. DOI: https://doi.org/10.26583/gns-2023-02-02 EDN: MHRNWW

3. Смирнова В. С., Теканова Е. В., Калинкина Н. М., Чернова Е. Н. Состояние фитопланктона и цианотоксины в пятне «цветения» в озере Святозеро (бассейн Онежского озера, Россия). Вода и экология: проблемы и решения. 2021;(1(85)):50–60. DOI: https://doi.org/10.23968/2305-3488.2021.26.1.50-60 EDN: FFYZXV

4. Кумыков М. З. Эвтрофирование рыбохозяйственных водоемов и пути его профилактики. Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2008;3(19-1):216–217. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=14627281 EDN: MICHXH

5. Мелихов В. В., Фролова М. В., Зибаров А. А., Московец М. В. Экологическая оценка современной биотехнологии улучшения качества поливной воды для агроландшафтов Волго-Донского междуречья. Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2019;(3):94–101. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=41321235 EDN: AZECKT

6. Мамась Н. Н., Горбенко А. Ю., Куденко Д. В. Актуальные подходы к эколого-гидрогеологическому мониторингу водных объектов. Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2023;(3):151–160. Режим доступа: https://www.rosniipm-sm1.ru/article?n=244 EDN: SNYIVQ

7. Кутявина Т. И., Ашихмина Т. Я. Современное состояние и проблемы мониторинга поверхностных водных объектов России (обзор). Теоретическая и прикладная экология. 2021;(2):13–21. DOI: https://doi.org/10.25750/1995-4301-2021-2-013-021 EDN: QOYTRX

8. Потапов В. П., Кузьмин Д. Г., Сероус Т. О. Научно-практические основы проекта «цифровой Ускат» и особенности его реализации. Уголь. 2022;(11):40–47. DOI: https://doi.org/10.18796/0041-5790-2022-11-40-47 EDN: IXWAWA

9. Амашукели С. А. Развитие цифровизации в сфере использования и охраны водных объектов. Актуальные проблемы российского права. 2022;17(3):177–187. DOI: https://doi.org/10.17803/1994-1471.2022.136.3.177-187 EDN: RFLRQW

10. Вторый В. Ф., Вторый С. В. Перспективы экологического мониторинга сельскохозяйственных объектов с использованием беспилотных летательных аппаратов. АгроЭкоИнженерия. 2017;(92):158–166. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=30258921 EDN: ZMEBEN

11. Шевырногов А. П., Высоцкая Г. С., Письман Т. И., Кононова Н. А., Ботвич И. Ю. Перспективы глобального и регионального мониторинга динамики фитопигментов в океане и на суше на основе дистанционного зондирования земли. Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. 2023;16(1):104–114. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=50245730 EDN: ZCJMUS

12. Кутявина Т. И., Рутман В. В., Ашихмина Т. Я., Савиных В. П. Использование космических снимков для определения границ водоёмов и изучения процессов эвтрофикации. Теоретическая и прикладная экология. 2019;(3):28–33. DOI: https://doi.org/10.25750/1995-4301-2019-3-028-033 EDN: DEDFQO

13. Кирейчева Л. В., Лентяева Е. А. Влияние сельскохозяйственного производства на загрязнение водных объектов. Природообустройство. 2020;(5):18–26. DOI: https://doi.org/10.26897/1997-6011/2020-5-18-27 EDN: OMUCXC

14. Кирейчева Л. В., Лентяева Е. А. Оценка количества и качества дренажных и поверхностных вод, поступающих в речную сеть бассейна реки Волги с осушительных систем нечерноземной зоны РФ. Мелиорация земель – неотъемлемая часть восстановления и развития АПК Нечерноземной зоны Российской Федерации: мат-лы международ. научн.-практ. конф. М.: ВНИИ гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова, 2019. С. 215–221.

15. Кирейчева Л. В., Яшин В. М., Лентяева Е. А., Тимошкин А. Д. Оценка диффузного загрязнения биогенными веществами с сельскохозяйственных угодий в бассейне реки Яхромы (Московская область). Научные проблемы оздоровления российских рек и пути их решения: cб. научн. тр. М.: Студия Ф1, 2019. С. 379–384. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/frxpcc EDN: FRXPCC

16. Джумабаев М. С. Экологический мониторинг объектов окружающей среды: сущность понятия. АгроЭкоИнфо. 2023;(3):7. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=54181337 EDN: UYDIYV

17. Болданова Е. В. Оценка трофности озера Байкал с использованием дистанционного зондирования. Географический вестник. 2022;(2(61)):73–89. DOI: https://doi.org/10.17072/2079-7877-2022-2-73-89 EDN: VKCWWC

18. Бабич О. О., Рада А. О., Куликова Ю. В., Сухих С. А. Изучение уровня эвтрофикации прибрежных вод Гданьского залива Балтийского моря с использованием данных дистанционного зондирования земли. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. 2023;(1(217)):35–42. DOI: https://doi.org/10.18522/1026-2237-2023-1-35-42 EDN: PJBUXF

19. Шерстобитов Д. Н., Ермаков В. В., Пыстин В. Н., Тупицына О. В. Мониторинг развития синезеленых водорослей в Куйбышевском водохранилище при помощи индексов дистанционного зондирования Земли. Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2023;31(2):232–240. DOI: https://doi.org/10.22363/2313-2310-2023-31-2-232-240 EDN: HCCIZZ

20. Курганович К. А. Спутниковый мониторинг процессов эвтрофирования участка трансграничной р. Аргунь (Хайлар) с использованием спектрального индекса цветения поверхностных водорослей (SABI), по данным дистанционного зондирования LANDSAT. Вестник Забайкальского государственного университета. 2022;28(7):26–33. DOI: https://doi.org/10.21209/2227-9245-2022-28-7-26-33 EDN: KCHXIF

21. Гоголев Д. Г., Буканова Т. В., Кудрявцева Е. А. Концентрация хлорофилла «а» в юго-восточной части Балтийского моря летом 2018 года по спутниковым данным. Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия: Естественные и медицинские науки. 2020;(4):83–91. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=44392366 EDN: RUSNPF

22. Панасенко Н. Д., Ганжур М. А., Ганжур А. П. Исследование применения космических снимков для определения объектов на поверхности водоемов. Инженерный вестник Дона. 2020;(12(72)):376–387. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=44760082 EDN: UOYQOS

23. Калитов М. А. О применении спектрозональной визуализации в дистанционном зондировании земли. Вестник Новгородского государственного университета. 2024;(1(135)):95–107. DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2024.1(135).95-107 EDN: QAORRJ

24. Арсланова М. М., Шорникова Е. А., Музиева М. И. Анализ особенностей распределения гидрохимических и микробиологических показателей водотоков Сургутского и Октябрьского районов Ханты-Мансийского автономного округа – Югры. Самарский научный вестник. 2020;9(2):15–19. DOI: https://doi.org/10.17816/snv202102 EDN: MQPSAE

25. Гудкова Н. К., Горбунова Т. Л., Матова Н. И. Влияние полигонов ТКО на деградацию биогеоценозов прибрежных зон водотоков и Черного моря. Природообустройство. 2021;(5):117–124. DOI: https://doi.org/10.26897/1997-6011-2021-5-117-124 EDN: YOUMNC

26. Свешникова Е. В., Романова Е. М., Любомирова В. Н., Романов В. В., Шленкина Т. М., Сергатенко С. Н. Оценка экологических процессов в ульяновских заливах реки Свияги. Ульяновский медико-биологический журнал. 2024;(1):130–147. DOI: https://doi.org/10.34014/2227-1848-2024-1-130-147 EDN: IMJDJI

27. Хотимченко С. А., Гмошинский И. В., Багрянцева О. В., Шатров Г. Н. Химическая безопасность пищи: развитие методической и нормативной базы. Вопросы питания. 2020;89(4):110–124. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2020-10047 EDN: AYWXUM

28. Самойлов А. В., Сураева Н. М. Перспективы использования растительного биотестирования для поиска метаболических биомаркеров токсичного потенциала компонентов пищевых матриц (обзор). Достижения науки и техники АПК. 2021;35(4):65–71. DOI: https://doi.org/10.24411/0235-2451-2021-10411 EDN: PXBSUE

29. Слайковская Е. С., Герман Н. В. Оценка экологического состояния водоёма в микрорайоне «Родниковая долина» г. Волгограда. Самарский научный вестник. 2022;11(2):120–123. DOI: https://doi.org/10.55355/snv2022112117 EDN: OQFVMQ

30. Николаева А. В., Родькин М. М., Кулишин А. В., Давлетяров Р. Р. Способ проведения экологического мониторинга с помощью аквакультуры: пат. № 2758337 Российская Федерация. №2020130512: заяв.16.09.2020; опубл. 28.10.21. Бюл. № 31. 9 с. Режим доступа: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet

31. Гайсин М. Т., Родькин М. М. Способ проведения экологического мониторинга с применением биологических тест-объектов: пат. № 2802195 Российская Федерация. № 2022122236: заяв.16.08.22; опубл. 22.08.23. Бюл. №24. 7 с. Режим доступа: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet

32. Шатохин А. В., Селезнев И. А., Ивакин Я. А., Греков А. Н., Греков Н. А., Коровин А. Н. Автоматизированный биосенсорный комплекс раннего оповещения для экологического мониторинга водной среды: пат. № 2779728 Российская Федерация. №2021124407: заяв.16.08.21; опубл. 12.09.22. Бюл. № 15. 12 с. Режим доступа: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet

33. Трусевич В. В., Журавский В. Ю. Опыт использования пресноводных двустворчатых моллюсковперловиц (unio pictorum) в качестве биосенсоров в системах автоматизированного биосенсорного контроля нефтяного загрязнения вод в системах водоснабжения населения. Экосистемы. 2023;34:193–198. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=54133550 EDN: RYXFXF

34. Поляк Ю. М., Сухаревич В. И. Токсигенные цианобактерии: распространение, регуляция синтеза токсинов, способы их деструкции. Вода: химия и экология. 2017;(11-12):125–139. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=yuujjo&ysclid=lx0so1t463913884664 EDN: YUUJJO

35. Стоник И. В., Орлова Т. Ю. Сезонное накопление амнезиотоксина (домоевой кислоты) у промысловых двустворчатых моллюсков mytilus trossulus gould, 1850 и mizuhopecten yessoensis jay, 1850 в заливе Восток Японского моря. Биология моря. 2020;46(1):70–72. DOI: https://doi.org/10.31857/S0134347520010106 EDN: OMHLYX

36. Wu Sh.-J. Multi-location time-division water quality monitoring system: Patent US, no. 20220082546, 2020. URL: https://searchplatform.rospatent.gov.ru/doc/US20220082546A1_20220317?q=Multi-location%20timedivision%20water%20quality%20monitoring%20system&from=search_simple&hash=2009640586

37. Бражникова А. М., Бражников А. М. Автономный подводный аппарат класса «микро» для мониторинга экологического состояния малых водоемов: полезная модель № 205389 Российская Федерация. № 2021105037: заяв. 28.02.21; опубл. 13.07.2021. Бюл. № 20. 12 с. Режим доступа: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet

38. Новиков А. Е., Мелихов В. В., Медведева Л. Н., Костин В. Е., Московец М. В., Торопов А. Ю. Плавсредство для мониторинга природных и искусственных водоемов: полезная модель № 215787 Российская Федерация. № 2022127486: заяв. 21.10.2022; опубл. 27.12.2022. Бюл. № 36. 7 с. Режим доступа: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet

39. Воробьев С. Н., Лущаева И. В., Покровский О. С., Сорочинский А. В. Устройство для определения гидрохимико-физических параметров водной среды: полезная модель № 210918 Российская Федерация. № 2021137989: заяв. 21.12.2021; опубл. 13.05.2022. Бюл. № 14. 6 с. Режим доступа: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet

40. Охрименко С. Н., Охрименко Н. С., Рубанов И. Л. Универсальный буй для экологического мониторинга водоемов: пат. № 2796989 Российская Федерация. №2022132701: заяв.13.12.2022; опубл. 30.05.2023 Бюл. № 16. 5 с. Режим доступа: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet

41. Воронич С. С., Роева Н. Н., Хлопаев А. Г. Организация наблюдений за качеством природной воды на территории Московской области. Проблемы региональной экологии. 2024;(1):81–84. DOI: https://doi.org/10.24412/1728-323X-2024-1-81-84 EDN: TSANVE

42. Трофимчук М. М. Энтропийный индекс – новые возможности в оценке экологического состояния водных экосистем. Метеорология и гидрология. 2020;(11):46–52. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44665531 EDN: YXDIPZ

43. Трофимчук М. М. Способ оценки экологического состояния водных объектов: пат. № 2721713 Российская Федерация. №2019133543: заяв. 21.10.2019; опубл. 21.05.2020. Бюл. № 15. 13 с. Режим доступа: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet

44. Трофимчук М. М. Практическое применение энтропийного индекса для оценки экологического состояния водных экосистем. Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2024;(2):23–37. DOI: https://doi.org/10.35567/19994508-2024-2–23–37 EDN: FQTAFQ

45. Некрасова Л. П. Мониторинг загрязнения природной воды методом флуоресцентной спектроскопии. Гигиена и санитария. 2022;101(5):578–582. DOI: https://doi.org/10.47470/0016-9900-2022-101-5-578-582 EDN: HBMCMP

46. Плотникова О. А., Тихомирова Е. И., Мельников Г. В. Сравнительный анализ избирательности флуоресцентных методов для экологического мониторинга экотоксикантов. Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2022;30(4):574–583. DOI: https://doi.org/10.22363/2313-2310-2022-30-4-574-583 EDN: QWWSOK

47. Темердашев З. А., Павленко Л. Ф., Ермакова Я. С., Корпакова И. Г., Елецкий Б. Д. Экстракционно-флуориметрическое определение хлорофилла «а» в природных водах. Аналитика и контроль. 2019;23(3):323–333. DOI: https://doi.org/10.15826/analitika.2019.23.3.001 EDN: NURXRI

48. Yang W. S., Lee S. Q., Je Ch. H., Hwang G., Lee H. K., Seok Ya. W., et al. Fluorescence sensor for measuring microalgae and method of operating the same: Patent US, no. №20200191695, 2020. URL: https://searchplatform.rospatent.gov.ru/doc/US20200191695A1_20200618?q=Fluorescence%20sensor%20for%20measuring%20microalgae%20and%20method%20of%20operating%20the%20same&from=search_simple&hash=971709134

49. Гольцев В. Н., Каладжи М. Х., Кузманова М. А., Аллахвердиев С. И. Переменная и замедленная флуоресценция хлорофилла «a» – теоретические основы и практическое приложение в исследовании растений. Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2014. 220 с.

50. Крикун В. А., Салюк П. А. Автономный подводный зонд-флуориметр: пат. № 2753651 Российская Федерация. №2021100300: заяв. 11.01.2021; опубл. 19.08.2021. Бюл. № 23. 11 с. Режим доступа: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet

51. Qin B., Wu T., Zhu G., Zhang Yu., Li W. Stereoscopic monitoring and data mining system and method for harmful lake cyanobacteria bloom: Patent US, no. 11402362, 2022. URL: https://searchplatform.rospatent.gov.ru/doc/US0011402362B2_20220802?q=Stereoscopic%20monitoring%20and%20data%20mining%20system%20and%20method%20for%20harmful%20lake%20cyanobacteria%20bloom&from=search_simple&hash=134466233

52. Голушков Н. А., Кокуев А. Г. Интегрированная платформа мониторинга водной среды прудового хозяйства. Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. 2023;(1):57–63. DOI: https://doi.org/10.24143/2073-5529-2023-1-57-63 EDN: GQZCBW