«Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук» (ЮНЦ РАН)
14.604.21.0129 от 20.10.14. Разработка методов и технологий мониторинга, управления и сохранения биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России. 2014-2016.
ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»
СОГЛАШЕНИЕ N 14.604.21.0129 от 20.10.14.«Разработка методов и технологий мониторинга, управления и сохранения биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России»
N госрегистрации 114111940059. (2014 -8,0, 2015 – 8,0, 2016 -15,0).2014-2016. Рук. Матишов Г.Г.
Номер Соглашения о предоставлении субсидии/государственного контракта: 14.604.21.0129
Руководитель проекта: Матишов Геннадий Григорьевич
Тема: Разработка методов и технологий мониторинга, управления и сохранения биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России
Исполнитель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук
Ключевые слова: Биоразнообразие, мониторинг, водные экосистемы, южные регионы России, осетровые рыбы, тюлени, ихтиофауна, гидроакустический прибор и съёмки, программное обеспечение, альбендазол, биотехнологии реабилитации и адаптации рыб, GIS-модель, зоонозы
Цели и задачи исследования
Целью выполненных прикладных научных исследований (ПНИ), определенной условиями конкурса и техническим заданием, являлась разработка методов и технологий мониторинга, управления и сохранения биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России:
- создание технологий, методов и инструментария мониторинга биоразнообразия для принятия управленческих решений по его сохранению;
- разработка методов сохранения биоразнообразия редких и промысловых видов животных и предупреждения инвазий возбудителей опасных зоонозов;
- создание интегральных показателей токсичности для выявления динамики негативного воздействия суперэкотоксикантов на биологическое разнообразие;
разработка предложений по устойчивому управлению биоразнообразием
Актуальность и новизна исследования
Южные моря России и впадающие в них реки в недалеком прошлом характеризовались самым высоким уровнем воспроизводства ценных промысловых рыб – осетровых, сельди, сазана, леща, судака и др. В течение последних пятнадцати лет многие виды рыб оказались на грани полного исчезновения, происходит неуклонное снижение промысловых уловов, идет снижение масштабов не только естественного, но и искусственного воспроизводства (Иванов, 2003; Матишов и др., 2012).
Одной из наиболее острых проблем современности является разрушение устойчивости прибрежных экосистем в результате различных видов антропогенного пресса и неблагоприятных климатических явлений. К числу наиболее значимых факторов относятся: хроническое загрязнение разными видами поллютантов и эвтрофирование; физическое уничтожение биоценозов в результате гидростроительства, дампинга, добычи полезных ископаемых, например, песка, донных тралений; чрезмерная эксплуатация биологических ресурсов; заморы, вселение новых агрессивных для региона видов, сброс пресных вод.
Несмотря на очевидную актуальность проведения комплексных мониторинговых исследований состояния биологического разнообразия прибрежной зоны подобные исследования были начали проводиться сравнительно недавно специалистами и преимущественно на отдельных участках. Проблема сохранения биоразнообразия и генофонда крайне актуальна в современных условиях неуправляемого воздействия хозяйственной деятельности человека на среду обитания, фауну и флору.
Утрата каждого биологического вида или отдельной популяции, адаптированной к конкретным условиям обитания, не только нарушает функционирование экосистем, но и наносит ущерб экономическим интересам общества в настоящем, и может привести к невосполнимым потерям в будущем. Особенно актуальна эта проблема для водных экосистем бассейнов южных морей России и сопредельных новообразовавшихся государств, претендующих на использование биологических ресурсов, находящихся в пределах их экономической зоны. Таким образом, исходя из интересов народного хозяйства РФ и международного сотрудничества государств Азово-Черноморского и Каспийского бассейнов, на первый план выдвигаются исследования в области оценки биоразнообразия водных экосистем в южных регионах России, разработки методов восстановления, воспроизводства и сохранения генофонда промысловых популяций и изучение других возможностей их всестороннего хозяйственного использования.
Описание исследования
В ходе выполнения ПНИ разработаны методы и технологии мониторинга, управления и сохранения биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России:
1 Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) – не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2014 гг., включающий также анализ деятельности Межправительственной океанографической комиссии ЮНЕСКО, других международных организаций по развитию сотрудничества в области оценки состояния и мониторинга биоразнообразия водных экосистем и анализ оценок состояния объектов биологического разнообразия, принципов системы его мониторинга и методик в области устойчивого сохранения и восстановления биологического разнообразия в водных экосистемах.
2 Выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3 Были разработаны и исследованы варианты возможных решений задач ПНИ и выбран оптимальный вариант.
4 Выполнены теоретические исследования к разработке методов и технологий мониторинга, управления и сохранения биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России на основе анализа современного состояния популяций водных животных, динамики их численности в многолетнем аспекте, исследований генезиса генетической структуры ряда промысловых видов рыб Понто-Каспийского региона и анализа существующих биотехнологий разведения, реабилитации и реинтродукции редких видов рыб для восстановления их ареала.
5 Разработана логическая и физическая структура базы геоданных (БГД) на основе информации о местообитаниях редких животных и рыб (тюлени и осетровые) для создания прототипа ГИС доступных и предпочитаемых местообитаний модельных видов.
6 Проведено теоретическое обоснование создания методов и технологий мониторинга, управления и сохранения биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России.
7 Разработана программа экспериментальных исследований методов и технологий мониторинга, управления и сохранения биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России.
8 Разработаны комплексные методики мониторинга численности и состояния популяций:
- комплексная методика мониторинга численности и состояния популяций водных животных с учётом региональных особенностей на основе современного научно-технического потенциала, построения мониторинговых исследований по оценке биоразноообразия водных экосистем, перспектив их сохранения для рационального использования природо-хозяйственного потенциала водоёмов.
- методика оценки состояния морских прибрежных биотопов и населяющих их сообществ гидробионтов (рыбы, макрозообентосные животные), выделения «горячих экологических точек» акваторий южных регионов России;
- методика определения видового состава рыбного населения внутренних водоемов гидроакустическим методом.
- методика по мониторингу экологической безопасности от загрязненных диоксинами территорий.
9 Проведены экспериментальные исследования методов и технологий мониторинга, управления и сохранения биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России:
а) экспериментальные исследования мониторинга численности состояния популяций водных животных;
б) экспериментальные исследования оценки состояния морских прибрежных биотопов и населяющих их сообществ гидробионтов;
в) экспериментальные исследования определения видового состава рыбного населения внутренних водоемом гидроакустическим методом по данным приборов на основе многолучевых и сканирующих систем для гидроакустической съемки;
г) экспериментальные исследования сохранения репродуктивных клеток аборигенных, уникальных и исчезающих и хозяйственно-ценных видов рыб как генетического ресурса с использованием низкотемпературных технологий;
д) экспериментальные исследования по выращиванию, реабилитации и реинтродукции редких видов рыб (на примере осетровых видов рыб) для восстановления их ареала;
е) экспериментальные исследования по мониторингу состояния популяций возбудителей опасных зоонозов;
и) экспериментальные исследования по мониторингу экологической безопасности от загрязненных диоксинами территорий.
10 Разработан метод сохранения биоразнообразия редких и промысловых видов животных, предупреждения инвазий возбудителей опасных зоонозов.
11 Разработана и валидирована методика неинвазивной оценки благополучия популяций животных.
12 Разработана технология получения супрамолекулярных комплексов для производства антипаразитарных фармацевтических средств.
13 Разработаны новые методы диагностики гельминтозов, выявлена степень вирулентности разных видов и характер их развития у разных хозяев.
14 Была разработана программа проведения испытаний эффективности новых антигельминтиков на естественно инвазированных животных.
15 Изготовлена экспериментальная партия новых антигельминтиков для проведения испытаний их эффективности на естественно инвазированных животных.
16 Проведено испытание эффективности новых антигельминтиков на естественно инвазированных животных.
17 Разработана инструкция на технологию разведения, выращивания, реабилитации и реинтродукции редких видов рыб (на примере осетровых видов рыб) для восстановления их ареала.
18 Разработан прототип ГИС - модели доступных и предпочитаемых местообитаний для модельных видов редких животных, проведено наполнение БГД информацией о доступных и предпочитаемых местообитаниях модельных видов животных и построена логическая и физическая структура прототипа геоинформационной системы (ГИС).
19 Разработана эскизная документация на экспериментальный образец прибора для гидроакустической съемки внутренних водоемов различного типа с целью оценки численности рыбного населения, пространственного распределения и миграционного поведения рыб.
20 Разработана программа проведения испытаний экспериментального образца прибора для гидроакустической съемки внутренних водоемов различного типа с целью оценки численности рыбного населения, пространственного распределения и миграционного поведения рыб.
21 Изготовлен экспериментальный образец прибора на основе многолучевых и сканирующих систем для гидроакустической съемки внутренних водоемов различного типа с целью оценки численности рыбного населения, пространственного распределения и миграционного поведения рыб.
22 Проведены экспериментальные исследования прибора на основе многолучевых и сканирующих систем для гидроакустической съемки внутренних водоемов различного типа с целью оценки численности рыбного населения, пространственного распределения и миграционного поведения рыб.
23 Разработана программа ЭВМ к методике определения видового состава рыбного населения внутренних водотоков гидроакустическим методом, программная документация и проведены лабораторные испытания программы.
24 Разработаны методические рекомендации к мониторингу, управлению и сохранению биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России с учетом перспектив их существования в условиях многофакторного антропогенного воздействия.
25 Разработаны методические рекомендации для проведения комплексного мониторинга состояния популяций возбудителей опасных зоонозов и указания по применению антигельминтных препаратов (производных бензимидазола).
26 Разработаны и обоснованы интегральные показатели качества загрязненной диоксинами окружающей среды.
27 Разработаны методы мониторинга, характеризующие экологическую безопасность загрязненных диоксинами территорий, а также алгоритм их применения в прикладных научных исследованиях.
28 Разработаны предложения по устойчивому управлению биоразнообразием, определения степени благополучия водных экосистем в условиях многофакторного воздействия в южных регионах России и Крымского полуострова.
29 Выполнена технико-экономическая оценка результатов ПНИ.
30 Проведено обобщение и сделаны выводы по результатам ПНИ.
31 Разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
32 Разработан проект технического задания на проведение ОТР по теме «Разработка технологии адаптации и реабилитации искусственно выращенной молоди рыб для повышения биоразнообразия водных экосистем юга России».
Результаты исследования
На 1-ом этапе: Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, показана необходимость комплексного подхода к оценке биоразнообразия водных экосистем южных регионов России.
Анализ деятельности международных организаций выявил проблемы мирового уровня по развитию сотрудничества в области оценки мониторинга морского биоразнообразия. Оценка российского и регионального законодательства позволила выработать направления для решения проблемы сохранения биоразнообразия госорганами.
Теоретически обоснованы методы и технологии комплексного мониторинга состояния популяций и управления численностью водных животных (тюлени) и рыб. Показано, что единственным инструментом реабилитации рыб на Каспии и Азове является выращивание и реинтродукция их молоди. Обобщены исследования биоразнообразия биотопов прибрежной зоны Крыма.
Проведен обзор методов криоконсервации репродуктивных клеток рыб, предложена схема формирования маточного стада рыб в искусственных условиях для целей воспроизводства.
Выполнен обзор методов предупреждения инвазий возбудителей опасных зоонозов.
Проведен анализ по содержанию диоксинов и диоксиноподобных соединений в акватории Каспийского моря и выделены локальные зоны повышенного загрязнения.
Выполнен обзор современных молекулярно-генетических и кариологических исследований рыб бассейнов Черного и Каспийского морей, как основы для разработки методических рекомендаций по оценке генетического разнообразия ихтиофауны.
Показана роль и место ГИС-технологий в исследованиях биологического разнообразия. Обоснована роль супрамолекулярных комплексов для производства антипаразитарных фармацевтических средств на основе альбендазола.
Выполнен обзор гидроакустических методов исследования водоёмов (активных и пассивных). Обоснована разработка гидроакустического прибора для малых водотоков.
На 2-ом этапе: Теоретически обосновано развитие единой нормативно-правовой базы и ее юридической основы в части мониторинга, управления и сохранения биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России.
Обоснована реконструкция и реабилитация осетровых рыб методом создания маточных стад на генетических принципах позволяющих снизить вероятность обеднения генофонда восстанавливаемых популяций и поддержания оптимального соотношения внутри и межсубпопуляционного разнообразия. Обосновано проведение генотипирования производителей и генетической паспортизации стад. Обосновано создания новой методики криоконсервации репродуктивных клеток рыб (осетровых и белорыбицы) с выходом до 80-90% живых клеток.
Для реабилитации и реинтродукции рыб предложена биотехнология по структуре и классификации относящаяся к гамма-технологиям, с целенаправленным формированием искусственной экосистемы.
Проведены теоретические исследования к разработке методов и технологий мониторинга сообществ донных животных. Определен объект - Азовское море, так как оно характеризуется малой инертностью и быстрой реакцией на природные и антропогенные воздействия. Выявлены основные изменения, произошедшие в донных сообществах в последние десятилетия: деградация с доминированием понто-каспийских видов; изменение структуры вследствие вселения новых видов.
Построена первая версия электронной базы данных, дано описание логической и физической структуры прототипа геоинформационной системы (ГИС) на основе информации о местообитаниях осетровых рыб и тюленей Каспия.
Теоретически обоснован экосистемный подход управления рыболовством, и использования базы данных рыбохозяйственных съемок ведомственных институтов.
Дано теоретическое обоснование методов микробной индикации как инструмента для мониторинговых исследований. В качестве микроорганизмов-индикаторов фенолсодержащих вод предложено использовать грибы Aspergillus, Penicillium. Индикаторами техногенного загрязнения выбраны гетеротрофные бактерии устойчивые к высоким концентрациям нефтеуглеводородов, фенолов, тяжелых металлов, свидетельствующие о значительном загрязнении вод поллютантами.
Обоснована методика предупреждения инвазий возбудителей опасных зоонозов основанная на неинвазивной оценке благополучия рыб на основании комплекса показателей крови.
Обоснована необходимость мониторинга загрязнения диоксинами и диоксиноподобными соединениями воды, донных отложений и гидробионтов различных трофических уровней водных экосистем Каспия. Выбраны и обоснованы методики определения стойких органических загрязнителей.
Теоретически обосновано создание методики получения водорастворимых супрамолекулярных комплексов альбендазола. Выполнено моделирование работы гидролокатора, работающего в активном режиме. Показано, что для малых глубин с высоким влиянием поверхностной и донной реверберации, преимуществом обладает гидроакустическая аппаратура с электронным сканированием. Для определения видового состава обосновано использование спектрально-энергетических характеристик звуковых сигналов, издаваемых рыбами.
На 3-ем этапе: Обосновано развитие единой нормативно-правовой базы и ее юридической основы в части мониторинга, управления и сохранения биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России.
Проведены экспериментальные исследования к методике оценки состояния морских биотопов на основе мониторинга донных сообществ, исследования выявили новый вид - вселенец полихет с частотой встречаемости 90-100% в Таганрогским заливе и дельте Дона.
Микробиологическое сезонные исследования зон Северного Каспия на 3-х стациях в двух слоях поверхностном и придонном показали, что наибольшей численностью обладает род Bacillus sp., его численность увеличивается в осенний период, численность углеводородокисляющих штаммов составляет от 2 до 10% от общего числа микроорганизмов.
Разработана и апробирована методика по диагностике гельминтов и составлены методические рекомендации по мониторингу популяций возбудителей опасных зоонозов.
Получено новое соединение2-фенил-5-(3,4,5-триэтоксифенил)-1,3,4-оксадиазол, которое положено в основу нового препарата при получении водорастворимых супрамолекулярных комплексов на основе альбендозола (Рисунок1).
Созданный гидроакустический прибор позволяет исследовать видовой состав рыбного населения гидроакустическим методом, определять рыбные скопления на участках водоемов с глубиной 2-3 м., на площади от 30 до 250 кв.м., шумы естественного происхождения сосредоточеные в низкочастотной области, не превышающей 500Гц, определять координаты объектов и размеры (Рисунок 2).
Построена версия электронной базы данных, дано описание логической и физической структуры прототипа ГИС- системы, доступных и предпочитаемых местообитаний для модельных редких видов животных подана заявка на регистрацию БД.
Разработана эскизная документация на экспериментальный образец мобильной системы гидробиологической очистки морских вод « Эко-море».
На 4-м этапе: В результате проведения исследований по проекту подготовлены теоретическая и практическая платформа к универсальной комплексной оценки биологического разнообразия водных гидробионтов южных регионов России.
Разработана и валидирована «Методика неинвазивной оценки благополучия популяций животных», предназначенная для исследования рыб. Предложены методы и технологии мониторинга состояния популяции каспийского тюленя, как индикатора благополучия экосистемы.
Разработана технология получения супрамолекулярных комплексов для производства антипаразитарных фармацевтических средств. Разработан лабораторный регламент на производство лекарственного средства для рыб на основе β-циклодекстрин альбендазолий сукцината.
Разработана инструкция на технологию разведения, выращивания, реабилитации и реинтродукции редких видов рыб (на примере осетровых видов рыб) для восстановления их ареала.
Разработан прототип и дано описание геоинформационной системы «ГИС доступных и предпочитаемых местообитаний редких животных и рыб (тюлени и осетровые)». (рисунок 3).
Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец прибора для гидроакустической съемки внутренних водоемов различного типа с целью оценки численности рыбного населения, пространственного распределения и миграционного поведения рыб. Создан прибор на основе многолучевых и сканирующих систем для гидроакустической съемки.
Проведены экспериментальные исследования в условиях прибрежной зоны Крыма системы гидробиологической очистки морских вод «Эко-море», которые подтвердили эффективность разработки.
На 5-м этапе: Подготовлены теоретическая и практическая платформа к универсальной комплексной оценки биологического разнообразия водных гидробионтов южных регионов России.
Разработана комплексная методика мониторинга численности и состояния популяций водных животных, рыб, гидробионтов.
Разработана методика определения видового состава рыбного населения внутренних водоемов гидроакустическим методом.
Разработана методика мониторинга экологической безопасности от загрязнений диоксинами. Выявлены интегральные показатели качества загрязнения диоксинами водных экосистем.
Разработаны методические рекомендации к мониторингу, управлению и сохранению биологического разнообразия водных экосистем южных регионов России с учетом перспектив их существования в условиях многофакторного антропогенного воздействия.
Проведено обобщение результатов ПНИ за весь период выполнения проекта и дана технико-экономическая оценка, которая показала что введение результатов в процесс производства индустриального партнера позволять увеличить годовой доход предприятия на 25-30%, при рентабельности ниже 20%.
Новизна: предложена новая комплексная методика мониторинга численности и состояния популяций водных животных с учётом региональных особенностей на основе современного научно-технического потенциала, построения комплексных исследований по оценке биоразнообразия водных экосистем, на основе выявленных закономерностей и взаимосвязей различных факторов. Разработан новый супрамолекулярный отечественный препарат антигельминтного действия (Рисунок 1). Разработан экспериментальный образец и создан прибор сканирования малых водотоков и определения видового состава рыбного населения (Рисунок 2).
Для формирования единой системы мониторинга биоразнообразия водных экосистем следует признать её составляющей частью мониторинг условий обитания, воспроизводства и запасов водных биологических ресурсов (ВБР), данные по критериям состояния и факторам нагрузки. Новизна такого научного решения заключается в рассмотрении нормативно-правовых документов разного уровня (от международного до регионального ведомственного) с позиций их соответствия принципам сохранения и восстановления биоразнообразия водных экосистем.
Новизна методики криоконсервации заключается в использовании стимулирования клеточных мембран низкочастотным током при скоростном замораживании и использовании новых протекторов обволакивающего действия. Новизна биотехнологических методов реинтродукции состоит в повышении выживаемости молоди рыб на 10-20% в сравнении с существующими методами.
Экосистемный подход состоит в приложении методик, применяющихся фундаментальной наукой для мониторинга биоразнообразия, к результатам научных исследований осуществляемых с прикладными целями - подсчёт численности и биомассы рыб, оценка возможного улова. Исследования по выявлению диоксинов сопоставимы с мировым уровнем и созданная методика основана на интегральных показателях токсичности и мониторинга безопасности загрязненных территорий.
Получено новое соединение 2-Фенил-5-(3,4,5-триэтоксифенил)-1,3,4-оксадиазол формулы I (Рисунок 1)
Для определения вида рыб предложен метод, в котором анализируются резонансные свойства рыб, определяемые на низких частотах, прежде всего резонансом плавательного пузыря и пассивный метод, с помощью которого можно как обнаружить и идентифицировать рыб по издаваемым им характерным шумам, так и определить их пространственное местоположение.
Рисунок 3-Логическая и физическая структура прототипа ГИС
Практическая значимость исследования
Результаты могут быть использованы: государственными органами при решении вопросов управления природопользованием на региональных территориях и прибрежных акваториях, при реализации конкретных технологических мероприятий для уменьшения негативных последствий промышленно-хозяйственной деятельности для водных экосистем и хозяйственного потенциала южных регионов РФ; - природоохранными и коммерческими организациями для проведения научно-производственных мероприятий по рациональному использованию и восстановлению природно-хозяйственного потенциала водоёмов юга РФ; - бизнес-структурами для хозяйственного освоения водоёмов и прибрежных акваторий (аквакультура, рекреация, санаторно-курортное дело).
Область применения: биология, экспертиза биоразнообразия, природоохранная деятельность на водных акваториях, рыбное хозяйство, освоение и рациональное использование водных биоресурсов.
Разработанные методики и инструкции восстановления редких и хозяйственно ценных видов животных и рыб по разработанным технологиям, дадут до 15% прироста доходов от их промысла и до 10% экономии на работы по их охране по сравнению с существующими методами.
Использование методов борьбы с опасными зоонозами с использованием супрамолекулярных препаратов обеспечит снижение потерь в рыбоводстве на 30% .
Разработанные методы оперативной количественной оценки загрязненности среды суперэкотоксикантами по разработанным в ходе выполнения проекта интегральным показателям, обеспечат снижение экономического ущерба от загрязнения на 10%. Использование новых низкотемпературных методик для сохранения репродуктивных клеток аборигенных, уникальных и исчезающих и хозяйственно-ценных видов рыб позволят увеличить выход живых клеток до 80-90%.
Использование гидроакустического прибора для малых водотоков, позволит точно до видов определять рыбное население, при этом оценка потенциала рыночного сегмента услуг гидроакустики при использовании нового прибора составит 13%.