Быстрое меню


Русскоязычная часть:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
«Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук»
(ЮНЦ РАН)
Год проведения

Категории

Деятельность


18-29-05078 "Изучение воздействия организмов-деструкторов на металлы в зоне смешения речных и морских вод в широком диапазоне гидроклиматических условий"

Грант РФФИ  № 18-29-05078  "Изучение воздействия организмов-деструкторов на металлы в зоне смешения речных и морских вод в широком диапазоне гидроклиматических условий". 

Участники  проетка:
 
Руководитель:
ак. Матишов Геннадий Григорьевич – руководитель
Исполнители:
Гладких Андрей Викторович
Гончаров Александр Александрович
Булышева Наталья Ивановна
Степаньян Олег Владимирович
Григоренко Клим Сергеевич
Ермолаев Антон Игоревич
Варченко Екатерина Александровна
Клещенков Алексей Владимирович
Назаренко Александр Владимирович
 
Начиная с 2018 г. ЮНЦ РАН совместно с ГЦКИ ВИАМ в рамках гранта РФФИ в дельте и устьевом взморье Дона проводятся натурные испытания металлических материалов в условиях естественного воздействия климатических и биологических факторов.
Район исследований – хорошо освоенный морехозяйственной деятельностью, в переделах которого развито судоходство. Через порты Приазовья (Ростов-на-Дону, Азов, Таганрог) ежегодно проходит более 40% российского экспорта зерновых. В силу значительного влияния сгонно-нагонных явлений в морской части устьевой области Дона часто складываются ситуации, когда из-за резкого снижения уровня воды суда вынуждены простаивать по несколько дней в восточной части Таганрогского залива в районе приемного буя Азово-Донского магистрального канала и на рейде портов Азов и Ростов. Так 24 октября 2016 г. практически на неделю было остановлено движение 45 судов. В условиях эксплуатации изношенного парка судов класса река-море и с учетом перспектив строительства новых портовых сооружений в Приазовье актуальной задачей является исследование биообрастания металлов в зоне смешения речных и морских вод в широком диапазоне гидроклиматических условий.



В районе стационаров ЮНЦ РАН – БНЭБ «Кагальник» (станция 1) и гидрометеопоста «Донской» (станция 2) – на глубине 2 м были установлены экспериментальные пластины, площадью 15×15 см, изготовленных из алюминиевых сплавов марок АМг6 и Д16 и углеродистых сталей марок 30ХГСА и Ст3. В качестве контрольных образцов, не склонных к обрастанию, использовались пластины из органического стекла марки АО-120 (нейтральный материал). Параметры воздушной и водной среды фиксировались в автоматическом режиме с дискретностью 10 минут. На этих же станциях размещены стенды для атмосферных испытаний. Планируемая длительность эксперимента 30 месяцев, начало – декабрь 2018 г.

В ходе выполнения работ в течение первого года исследований получены следующие результаты:
1. Отмечено, что в устьевой области реки Дон с декабря 2018 г.  по конец апреля 2019 (до начала половодья) наблюдался достаточно агрессивный гидрологический режим, который характеризуется общим повышенным фоном солености до 3 – 3,5 единиц практической солености (е.п.с.) и низкими значениями температуры, с частыми переходами через 0°С с 20 декабря 2018 г. по 26 февраля 2019 г. и дальнейшим ростом до 10 °С до момента начала половодья. В мае 2019 г. на Нижнем Дону установился стабильный термохалинный режим, увеличения речного стока практически не наблюдалось, скачки солености уменьшились по величине и частоте наблюдений, снижаясь до уровня фона 0,6 – 0,7 е.п.с.
2. Скорость оседания на экспериментальные пластины микроводорослей возрастает с декабря по апрель, а затем снижается, для макрообрастателей скорость оседания обрастателей постепенно увеличивается с декабря по июнь. В течение всего периода среди микрообростаний доминировали диатомовые водоросли, их численность на стальных пластинах была ниже, чем алюминиевых. Заселение пластин макробеспозвоночными началось со стали 30 ХГСА. Через месяц экспозиции появились единичные представители макрозообентоса, по истечению 3-х – единичные моллюски рода Dreissena, формирующие друзовые сообщества в дельте Дона, через 6 – обрастания были сформированы, мшанками, гидроидами и т.д. Проективное покрытие обрастателей составляло от 15 до 100% (максимум отмечен на пластине Д16 на ГМП «Донской»).
3. По результатам 3 месяцев испытаний на гидрометеопостах «Кагальник» и «Донской» при полном погружении экспериментальных пластин в воду и при их экспонировании на атмосферных стендах установлено, что наибольшая скорость коррозии получена на образцах всех материалов на атмосферных стендах ГМП «Кагальник»;
- при испытаниях в воде наибольшая скорость коррозии образцов сталей 30ХГСА и Ст3 была получена на станции ГМП «Кагальник», а наибольшая скорость коррозии образцов сплавов Д16 и АМг6 – на станции ГМП «Донской», что соответствует показателям глубины коррозии при испытаниях  на обеих станциях;
- при оценке изменения твердости поверхности образцов металлических материалов выявлено наибольшее снижение данного показателя для образцов стали 30ХГСА – 17% на атмосферном стенде, при испытаниях в воде снижение показателя составило 6,5% независимо от станции экспонирования. Снижение твердости поверхности образцов стали Ст3, сплава Д16 и сплава АМг6 составило 8; 2,3 и 1,0% соответственно при испытаниях во всех условиях. 
 
«Кагальник» вода «Донской» вода
3
 
Ct 3   36 130mkm
3 profil 36 prof
а б
Рисунок 3 - Результаты металлографических исследований стали 30ХГСА после 3 мес. экспозиции при полном погружении в воду на НЭБ «Кагальник» и ГМП «Донской»:
а) изображение коррозионных повреждений; б) изображение рельефа поверхности образца

 
Задачи проекта на 2-й год выполнения работ:
  1. Анализ влияния абиотических условий среды на материалы в широком диапазоне гидроклиматических факторов (непостоянная соленость, высокие температуры в летний период, ледовые условия и т.д.).
  2.  Описание динамики оседания обрастателей на экспериментальные образцы в течение года и формирования сообществ обрастаний на алюминиевых сплавах и углеродистых сталях после 9 и 12 месяцев экспозиции;
  3.  Картирование мест отдыха и гнездования (при наличии) большого баклана на техногенных конструкциях в Таганрогском заливе, проведение учета численности птиц;
  4.  Оценка коррозионной и биологической стойкости металлических конструкций после 6, 9 и 12 месяцев экспонирования;
  5.  Определение коррозионной агрессивности атмосферы и морской воды в зоне проведения испытаний;
  6.  Подготовка статей в журналы, входящие в базы данных (РИНЦ, WoS, Scopus по результатам второго года исследований).
 
Основные результаты, полученные за второй этап выполнения проекта
1. Установлено наличие сезонного хода солености в дельте Дона, который, прежде всего, связан с попусками Цимлянского гидроузла, за счет чего нарушается естественный сезонный цикл стока Дона, усугубляется зимняя межень и южные протоки дельты Дона заполняются подземным стоком р. Кагальник, будучи отрезанными от основного русла Дона.
Отмечено различие годового режима солености для гидропостов «Донской» и «Кагальник»: непосредственно в русле Дона соленость никогда не возрастает при ветровых сгонах, в отличие от Свиного гирла.
Выявлено общее ухудшение водообмена между Доном и Свиным гирлом в 2020 г по причине дальнейшего заиления перешейка между ними, ведет к практически постоянному присутствию в Свином гирле минерализованных вод даже в течение летнего сезона, чего ранее не наблюдалось.
Флуктуации ионного состава в пределах участка установки стендов БНЭБ «Кагальник» характеризовались сезонными изменениями, отмеченными ранее. Летом и осенью 2019 года и весной и летом 2020 года воды участка относились к сульфатному классу кальциевой группы с преобладанием в ионном составе сульфатов. Однако, в период зимней межени в условиях сгона 25.12.2019 г. воды относились к сульфатному классу натриевой группы. При сравнении 2019 и 2020 гг. можно отметить некоторое увеличение доли сульфатов и хлоридов воде, обусловленное ростом подземного питания в условиях маловодья. На участке акватории у хут. Донской в рассматриваемый период фиксировалась вода гидрокарбонатного класса кальциевой группы, за исключением нагона 20 мая 2020 г., когда вода была отнесена к хлоридному классу натриевой группы – то есть представляла собой воду зоны смешения морских и речных вод с минерализацией 1,2 г/л. Во второй половине 2019 г. общая минерализация возрастала от 0,9 г/л – летом до 1 г/л в осенне-зимнюю межень. В связи с сокращением жидкого стока Дона в 2020 г., минерализация на участке хут. Донской сохранилась на уровне около 1 г/л даже весной и летом 2020 г.
Полученные во второй половине 2019 – начале 2020 гг. результаты определений биогенных элементов подтверждают сохранение общих закономерностей сезонного хода минеральных форм биогенных элементов в дельте Дона, для которых характерен зимний максимум и весенне-летний минимум.
В целом, гидрохимические условия дельты Дона определялись взаимодействием речных и морских факторов в формировании гидролого-гидрохимического режима на участках экспозиций. Речные факторы были представлены объемом речного стока, а морские – частотой и амплитудой сгонно-нагонных явлений и связанными с ними интрузиями осолоненных вод при нагонах или падением уровня воды при сгонах. При этом стоит отметить, что знакопеременные колебания уровня в отдельные периоды формировали на рассматриваемых участках высокие скорости течений, что следует рассматривать как один из факторов, влияющих на организмы-обрастатели.
Проведенные эксперименты показали осаждение взвеси при нагонах на участках установок стендов. В третий год реализации проекта планируется установка седиментационных ловушек и анализ гранулометрического состава взвеси для параметризации потоков взвешенных веществ и их численной оценке.
2. В ходе гидробиологических исследований в сообществах обрастаний экспериментальных пластин выявлено 146 таксонов водорослей и цианопрокариот рангом ниже рода, 67 форм инфузорий, 19 видов макрозообентоса.
На протяжении всего наблюдения формирование сообществ и количественная динамика микроводорослей на экспериментальных пластинах были связаны с доминированием диатомовой флоры. Основная часть представителей является перифитонными, бентосными формами, однако еще были отмечены планктонно-бентосные виды (встречающиеся в планктоне и бентосе водоема) и планктонные (осевшие из толщи воды на субстрат или запутавшиеся в обрастаниях). По истечении шести месяцев экспозиции, были отмечены таксономические перестройки в составе фитоперифитоного сообщества и резкий спад его количественных показателей, которые связаны не только с сезонной сукцессией, но и с ростом численности макробеспозвоночных-фитофагов, заселяющих экспериментальные пластины.
Впервые в дельте реки Дон были проведены исследования по изучению фауны перифитонных инфузорий, сезонной динамики и особенностей прохождения первичной сукцессии цилиосообщества на пластинках обрастаний. Выявлены некоторые особенности структуры и развития сообществ прикреплённых инфузорий в зависимости от архитектоники субстратов. Наименьший уровень «обрастаний» пластин цилиоперифитоном экспозиции был отмечен на пластинах Д16, а наибольший, на пластинах типа АО-120 и 30ХГСА.
Сезонная динамика показателей макрообрастатиелей на изолированных от донных осадков антропогенных субстратах подчиняется общей закономерности: скорость развития сообществ обрастания максимальна поздней весной, летом и осенью и резко снижается в позднеосенний и зимний периоды с «поправкой» на природные явления (колебания температуры и солености, сгоны и т.д.). Для пластин нарастающего срока экспозиции (Серия экспериментов-1) отмечен резкий скачек численности и биомассы на образцах, срок экспозиции которых составил 9 месяцев.Отмечена смена доминирующих видов: после 6 месяцев экспозиции на экспериментальных пластинах по численности преобладали мшанки и гидроиды, после 9 – Dreissena polymorpha (Pallas, 1771), вид, формирующий друзовые сообщества в устьевой области Дона.
В составе сообществ макрообрастания месячных пластин (Серия экспериментов-2: описание динамики оседания, период исследования 19.12.2018-04.02.2020 гг.) были зарегистрированы в основном массовые виды макрозообентоса, характерные для данной акватории. Для пластин из сплава АМг6 была отмечена наименьшая скорость и интенсивность обрастания как на станции 1, так и на станции 2. На станции 1 (Кагальник) численность макроорганизмов на экспериментальных пластинах была в 3-7 раз ниже, чем на аналогичных пластинах на станции 2 (Донской), что, вероятно, связано с более неустойчивым гидролого-гидрохимическим режимом характерным для протоки гирло Свиное (более выраженные по сравнению со Станцией 2 сгонно-нагонные явления, заток грунтовых вод и т.д.).
Макрофиты на пластинах в течение всего периода эксперимента отсутствовали. Однако, перифитон в Азовском море и Таганрогском заливе представлен на немногочисленных твердых субстратах, использованных для укрепления берегов и песчаных кос. Главная особенность сообществ обрастаний, в том числе и для металлических субстратов, – доминирование зеленых водорослей родов Cladophora и Ulva.
3. Подтверждена теория, что большой баклан не гнездится на техногенных сооружениях различного назначения. Птицы используют гидрометеопосты «Взморье» и «Кагальник» как место для отдыха между утренней и вечерней охотой. Во время выведения птенцов большой баклан отправляется на охоту три раза в день, регулярно возвращаясь на гнездо, поэтому в апреле-мае воздействие на техногенные сооружения значительно снижается. После вылета птенцов из гнезд (конец мая – середина июня), большие бакланы в большом количестве посещают удобные для охоты места, предпочитая отдыхать на близлежащих территориях. Поэтому орнитологическая нагрузка возрастает в разы. С середины сентября на территории дельты Дона и части Таганрогского залива количество больших бакланов увеличивается за счет прибывающих птиц с других регионов. Данная территория является важным местом для сбора птиц в ране весенний и осенний период – во время пролета.
4. На протяжении всего периода экспозиции наибольшая глубина коррозионных поражений отмечается для сплава Д16: после испытаний в воде глубина межкристаллитной коррозии достигает значительного уровня уже в первые 3 месяца экспозиции (0,700 и 0,941 мм при испытаниях на ГМП «Кагальник» и ГМП «Донской» соответственно) и после 6 месяцев испытаний носит сквозной характер. Межкристаллитная коррозия на образцах Д16, экспонировавшихся на атмосферных стендах определяется после 6 месяцев испытаний, однако ее значение не превышает 0,110 мм для образцов на обеих станциях.
Для образцов сплава АМг6 выявлено отсутствие межкристаллитной коррозии на протяжении всего периода испытаний как в воде, так и на атмосферном стенде на обеих станциях, а также питтинговой коррозии на протяжении первых 6 месяцев экспозиции. Однако после 9 месяцев испытаний значения питтинговой коррозии для образцов, экспонировавшихся в атмосферных условиях БНЭБ «Кагальник» существенно увеличиваются и составляет 0,129 мм.
Для стальных образцов 30ХГСА и Ст3, наибольшая глубина коррозионных поражений отмечается при экспозиции в воде на ГМП «Донской» и к 12 месяцам достигает 0,151 и 0,132 мм соответственно. Стоит отметить, что наименьший показатель глубины коррозионных поражений - также после экспонирования в воде, но на БНЭБ «Кагальник» и составляет 0,089 мм для Ст3 и 0,098 мм для 30ХГСА.
Развитие коррозионных поражений на образцах всех материалов носит равномерный характер.
За все время экспозиции наибольшая скорость коррозии получена на образцах всех материалов, экспонировавшихся в водной среде.
После 12 месяцев экспозиции в воде для Ст3 при экспонировании образцов на БНЭБ «Кагальник» скорость коррозии составляет 1,0463 г/м2•сут, для 30ХГСА при экспонировании на ГМП «Донской» - 1,0309 г/м2•сут При испытаниях на атмосферных стендах обеих станций наблюдается тенденция к снижению скорости коррозии сталей обеих марок, по истечении 12 месяцев ее значение не превышает 0,3185 г/м2•сут.
После 12 месяцев экспозиции алюминиевых сплавов обеих марок во всех условиях также наблюдается тенденция к снижению скорости коррозии. Так, по истечении 12 месяцев, скорость коррозии алюминиевого сплава Д16Т при испытаниях в воде на ГМП «Донской» и БНЭБ «Кагальник» практически одинакова (0,1371 и 0,1438 г/м2•сут соответственно) и в 6-8 превышает аналогичный показатель для АМг6 на данных станциях. При испытаниях на атмосферных стендах скорость коррозии обоих алюминиевых сплавов практически одинакова и не превышает 0,001 г/м2•сут. 
 

Динамика численности организмов-макрообрастателей на экспериментальных пластинах нарастающего срока экспозиции, экз/м2
 

 
Фотография экспериментальных пластин, экспонировавшихся на БНЭБ «Кагальник» в течение 3 месяцев

  
 
Фотография экспериментальных пластин, экспонировавшихся на ГМП «Донской» в течение 3 месяцев

 
 
Фотография экспериментальных пластин, экспонировавшихся на БНЭБ «Кагальник» в течение 6 месяцев
 

  
Фотография экспериментальных пластин, экспонировавшихся на ГМП «Донской» в течение 6 месяцев
  


Фотография экспериментальных пластин, экспонировавшихся на БНЭБ «Кагальник» в течение 9 месяцев


  
Фотография экспериментальных пластин, экспонировавшихся на ГМП «Донской» в течение 9 месяцев


  
Фотография экспериментальных пластин, экспонировавшихся на БНЭБ «Кагальник» в течение 12 месяцев

 
 
 Фотография экспериментальных пластин, экспонировавшихся на ГМП «Донской» в течение 12 месяцев
 (на фото видны открытые створки погибших особей D. polymorpha)
 

 
ПУБЛИКАЦИИ, ПОДГОТОВЛЕННЫЕ В РАМКАХ ПРОЕКТА:
Статьи в журналах
Матишов Г.Г., Булышева Н.И., Клещенков А.В., Глущенко Г.Ю., Варченко Е.А., Гончаров А.А., Гладких А.В. Эстуарии Азовского моря – уникальные полигоны для исследования биокоррозии. Опыт постановки эксперимента // Наука Юга России. 2020. Т.16, №2. - С. 63-75. DOI: 10.7868/S25000640200207
Степаньян О.В. Расширение ареала Ulva maeotica и Cladophora siwaschensis в Азовском и Черном морях // Альгология. 2019. №3. С. 287–297. doi: 10.15407/alg29.03.287.
Степаньян О.В. Макрофитобентос в больших экосистемах южных морей России // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2020. Т. 84. №2. С. 228–238. https://doi.org/10.31857/S2587556620020132
Степаньян О.В. Бурые водоросли рода Cystoseira в Азовском море: вселение или расширение ареала? // Российский журнал биологических инвазий. 2020. №2. С. 112–119. DOI: 10.1134/S2075111720030108
Bulysheva N.I. Glushchenko G.Y., Kreneva K.V., Kleschenkov A.V., Varchenko E.A.  Settling of the fouling organisms at the metals in the delta of the Don river and in the estuarine zone of the Sea of Azov in winter // SGEM 2019. V. 19. – P. 521-526. DOI: 10.5593/sgem2019/3.1/S12.067
 
Материалы конференций, тезисы
Матишов Г.Г. Дельта Дона в условиях климатических изменений и антропогенного воздействия // Материалы Международной молодежной научной конференции памяти члена-корреспондента РАН Д.Г. Матишова. - г.Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2018. - С. 5-12
Матишов Г.Г., Булышева Н.И., Клещенков А.В. Формирование сообществ макрообрастания на пластинах в зоне смешения речных и морских вод в зимний период // Климат-2019: Современные подходы к оценке воздействия внешних факторов на материалы и сложные технические системы : материалы IV Всероссийской научно-технической конференции (г. Геленджик, 16-17 мая. 2019 г.), [Электронный ресурс] / ФГУП «ВИАМ». – М. : ВИАМ, 2019. 
Варченко Е.А., Назаренко А.В. Климатические испытания материалов в зоне смешения речных и морских вод в дельте и устьевом взморье Дона // ХV Ежегодная научная конференция молодых ученых «Вклад молодых ученых Южного макрорегиона в реализацию Стратегии развития Российской Федерации: цели, задачи, результаты»: тезисы докладов (г. Ростов-на-Дону, 15–26 апреля 2019 г.). – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2019. – 320 с.
Булышева Н.И., Варченко Е.А. Состав и количественные характеристики макрозообентоса на экспериментальных пластинах в дельте Дона // Закономерности формирования и воздействия морских, атмосферных опасных явлений и катастроф на прибрежную зону РФ в условиях глобальных климатических и индустриальных вызовов («Опасные явления»): материалы Международной научной конференции (г. Ростов-на-Дону, 13–23 июня 2019 г.). – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2019. – 404 с.
Булышева Н.И., Варченко Е.А., Мовенко Д.А. Сезонная динамика оседания основных групп макрообрастателей на экспериментальные пластины в зоне смешения речных и морских вод // II Международная научная конференция «Закономерности формирования и воздействия морских и атмосферных опасных явлений и катастроф на прибрежную зону РФ в условиях глобальных климатических и индустриальных вызовов» памяти члена-корреспондента РАН Д.Г. Матишова ("Опасные явления - II"), 6-10 июля 2020 г., г.Ростов-на-Дону. - С. 303-306.
Григоренко К.С., Олейников Е.П. Изменения солености Азовского моря в 2018–2019 гг. по данным судовых наблюдений НИС «Денеб» // Закономерности формирования и воздействия морских, атмосферных опасных явлений и катастроф на прибрежную зону РФ в условиях глобальных климатических и индустриальных вызовов («Опасные явления – II»): материалы II Международной научной конференции памяти члена-корреспондента РАН Д.Г. Матишова (г. Ростов-на-Дону, 6–10 июля 2020 г.). – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2020. –113 -115.