Томские ученые изучают, какую опасность подземным водам Севера несет таяние вечной мерзлоты и как воду можно очистить
Скрытая угроза
Из экспедиции в Ямало-Ненецкий и Ханты-Мансийский автономные округа вернулись сотрудники Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики имени А.А. Трофимука СО РАН. Там они отбирали пробы подземных вод в рамках завершения трехгодичного проекта РНФ № 20-77-10084, посвященного формированию химического состава природных вод различных ландшафтных зон Западной Сибири.
В течение трех ежегодных осенних экспедиций ученые осуществили отбор порядка 80 проб. Если в 2020 году объектом исследований стал химический состав рек, озер и торфов, в 2021-м отбирались как поверхностные, так и подземные воды, то этим летом ученые сосредоточились на пробах подземных вод.
Вода с большим содержанием железа
– Традиционная проблема, характерная для природных вод Севера, в том числе и подземных, это большое содержание в них железа, – рассказывает руководитель проекта Ирина Иванова. – Мы осуществили отбор проб подземных вод, как из частных неглубоких скважин (глубиной от 4 до 15 метров), так и из глубоких водозаборных скважин (глубиной от 60 до 330 м). Этому всегда предшествовала работа с людьми, ведь необходимо договориться, объяснить суть проводимых нами исследований. Как правило, нас всегда встречали с пониманием и интересом, выражали готовность помочь, разрешали взять необходимые нам пробы.
Чем же так опасно повышенное содержание железа даже в тех водах, которые не используются как питьевые и не идут в ход для приготовления пищи? По словам Ирины Сергеевны, если постоянно умываться такой водой, то она негативно повлияет на кожу человека, при стирке белья изменится его цвет. Также железо откладывается на оборудовании водозаборов и в трубах в виде оксидных, гидроксидных и карбонатных минералов, забивая системы водоснабжения и отопления, уменьшая период их эксплуатации. Во избежание этого и необходимо проводить очистку вод от примесей железа. Но, для того чтобы правильно выбрать технологию очистки, необходимо знать не только точный состав вод, но и в какой форме представлено железо. Понимание этого возможно только на основе фундаментальных исследований процессов формирования подземных вод и миграции элементов.
Тундра, расчерченная трещинами
Настоящей скрытой угрозой для природных вод оказывается таяние вечной мерзлоты, обусловленное как природными, так и антропогенными факторами. Этот процесс уже заметно изменил ландшафт тундры. Например, возле поселка Газ-Сале можно наблюдать процесс вытаивания жил льда на полигональном болоте с образованием трещин: выглядит это так, словно кто-то расчертил территорию тундры на большие ячейки, а образовавшиеся между ними трещины глубиной более метра постепенно заполняются торфом. Под воздействием стремительного таяния вечной мерзлоты из торфов в поверхностные воды высвобождаются органические кислоты, которые способствуют не только их подкислению, но и обогащению рядом микроэлементов.
Ирина Иванова приводит следующий пример: недалеко от Надыма в зоне распространения островной мерзлоты отобрали пробы подземных вод, залегающих на небольшой глубине, которые на первый взгляд казались вполне обычными и прозрачными, но спустя короткое время стали выглядеть как болотная вода, что указывает на большое содержание железа и растворенных органических веществ.
Обратно в лабораторию
– После завершения полевого сезона мы проведем исследование общего химического состава отобранных проб, изучим наличие в них микроэлементов, растворенного углерода, изотопного состава и микрофлоры. Затем данные, собранные в течение трех лет, необходимо будет выстроить в систему: с учетом активизации таяния вечной мерзлоты описать механизмы влияния поверхностных вод на формирование состава подземных вод верхних водоносных горизонтов. После этого на их основе можно будет предложить практические рекомендации по методам очистки вод с высокой концентрацией железа, – отметила Ирина Сергеевна.
В планах научного коллектива – продолжать начатые исследования либо путем продления действующего проекта РНФ, либо пытаясь получить новые гранты. Перспективным видится создание на основе полученных данных гидрогеохимической карты природных вод для северных территорий Западной Сибири, изучение механизмов формирования химического состава подземных вод зоны активного водообмена в условиях изменения климата, а также изучение влияния состава питьевых вод на возникновение разных заболеваний.
И в то время, как одни ученые обеспокоены повышенным содержанием некоторых микроэлементов в воде, другие ищут современные и надежные способы ее очистки.
В экспедиционный отряд входили: старший научный сотрудник ТФ ИНГГ СО РАН Ирина Иванова, ведущий научный сотрудник Института почвоведения и агрохимии СО РАН, старший научный сотрудник ТФ ИНГГ СО РАН Денис Соколов, опытный инженер-полевик Артем Волошин и водитель Сергей Егоров.
Воду очистит плазма
Международный коллектив ученых из России, Китая и ЮАР создаст эффективные технологии очистки и активации воды с помощью плазмы импульсных разрядов. Трехгодичный проект реализуется при поддержке Минобрнауки России в рамках программы многостороннего научно-технологического взаимодействия с иностранными организациями.
В реализации международного проекта, который завершится в 2024 году, принимают участие Институт сильноточной электроники СО РАН, Институт электротехники Китайской академии наук, Университет Западного Мыса (ЮАР). Также запланировано участие сотрудников ИХН СО РАН, преподавателей и студентов Томского государственного университета. По итогам выполнения работ планируются как научные публикации в высокорейтинговых журналах, так и патенты. Общий объем финансирования составит 15 млн рублей.
– Ранее несколько раз мы уже подавали заявку на подобный грант, и нынешняя попытка увенчалась успехом. Одной из особенностей такого гранта является то, что в качестве соисполнителей должны выступать представители не менее трех организаций из стран БРИКС. Каждый научный коллектив приступит к реализации задач по тем направлениям, в которых он уже сформировал научный задел и достиг определенных успехов, – рассказывает Дмитрий Сорокин, зав. лабораторией оптических излучений ИСЭ СО РАН, руководитель проекта с российской стороны.
В лаборатории оптических излучений в течение длительного времени на постоянной основе ведутся исследования по формированию импульсных разрядов в газовых средах. В ходе реализации гранта ученые из ИСЭ СО РАН проведут фундаментальные исследования действия электрического разряда в водных и парогазовых средах на загрязнители разной природы. Кроме того, вода, обработанная разрядом, будет использована для воздействия на сельскохозяйственные культуры.
– Механизмы очистки и активации водных растворов имеют много общего. В результате зажигания электрического разряда образуется большое количество различных азот- и кислородсодержащих активных частиц, в том числе ионов, оксидов азота, пероксида водорода, – поясняет Дмитрий Алексеевич. – В обогащенном такими частицами водном растворе эффективно начинают протекать процессы, в результате которых происходит разрушение загрязняющих веществ. В свою очередь частицы, в которых содержатся оксиды азота, имеют ту же основу, что и удобрения, применяемые в сельском хозяйстве. Таким образом, вода после активации может быть использована для обработки и замачивания посевного материала.
Ведущий научный сотрудник ИСЭ СО РАН Эдуард Соснин, входящий в состав научного коллектива в качестве основного исполнителя, специализируется на исследовании воздействия электрического разряда и плазмы на биологические объекты. Результаты, полученные совместно со специалистами из Сибирского ботанического сада ТГУ, показали положительное влияние воздействия активированной воды на семена некоторых сортов пшеницы.
В течение 2023 и 2024 годов изучение этих процессов продолжится в кооперации с химиками и биологами; а еще в полевых условиях пройдут испытания по выращиванию сортов пшеницы, которые подвергались предварительной обработке водой, активированной плазмой электрического разряда. Таким образом станет возможным проследить полный цикл жизни растения – от семени до сбора урожая. Результатом трехлетнего цикла работ должна стать технология плазменной активации воды, которая могла бы найти применение в сельском хозяйстве.
Совместно с китайскими коллегами планируется изучить физические свойства импульсных разрядов в жидких и парогазовых средах, а с партнерами из Южной Африки – разработать модуль на основе эксиламп, вырабатывающих ультрафиолетовое излучение для обеззараживания водных растворов. Предполагается, что этот модуль станет одной из составляющих комплекса, действующего на основе диэлектрического барьерного разряда, который предназначен для очистки водных стоков от отходов фармацевтических производств.
Автор: Ольга Булгакова