1. Современные процессы формирования качества вод
Химический состав вод
На основе анализа пространственной неоднородности химического состава вод в пределах Западной Сибири выделен вклад природных и антропогенных факторов (в глобальном срезе) в формирование качества вод. Установлена связь между природно-климатическими условиями и химическим составом вод в пределах Западной Сибири. Чрезвычайно низкая минерализация вод тайги обусловлена преобладанием мономинеральных химически бедных горных пород ледникового и флювиального, озерно-аллювиального происхождения; относительно высокое содержание водорастворимых солей и карбонатов характерно для севера арктических полуостровов и крайнего юга территории – в лесостепи. В зоне тундры растворение солей поверхностными водами ограничено мерзлотностью горных пород, в условиях лесостепи миграция солей происходит активно, что приводит к увеличению минерализации озер вплоть до формирования рассольных водоемов. Для заболоченной тайги с доминированием древесной растительности, результатом разложения которой являются органические кислоты, характерны высокие содержания H+, что приводит к естественному подкислению вод до показателей рН ~ 4.5-5.5. Заболоченность водосборов таёжных озер (местами до 70-80 %) приводит к формированию высоких показателей цветности воды, насыщенности её органическим веществом естественного происхождения – ульматами, гуматами и фульватами Fe и Mn.
Исследованы процессы комплексообразования большого числа ионов металлов (Fe, Cu, Pb, Cd, Zn, Ni, Co, Mn, Cr, Ca, Mg, Sr и Al) с гумусовыми веществами (ГВ) и фракциями, выделенными из распространенных почв зон северной тайги, смешанных лесов, степей. Определены константы устойчивости комплексов и специфические особенности ГВ почв природных зон, а также наиболее активные функциональные группы, участвующие в реакциях с ионами металлов. На основании детальных экспериментов доказано, что особенности строения гумусовых веществ и величины их констант кислотности обуславливают различия в процессах комплексообразования – устойчивость комплексов и их стехиометрию. Впервые полученные константы устойчивости комплексов ионов металлов с ГВ распространенных почв различных природно-климатических зон были использованы для прогнозирования форм нахождения металлов в природных водах этих зон. Рассчитаны формы нахождения металлов в природных водных объектах, различающихся химическим составом вод. Для каждой природной зоны получены новые данные по «рядам активности» металлов в реакциях комплексообразования с гумусовыми веществами. На большом фактическом материале показано, что процессы комплексообразования в природных водах определяются набором факторов - химическим составом вод (концентрацией неорганических и органических катионов и анионов), величиной рН, качественным составом ГВ вод и многими другими, учет которых необходим для прогнозирования форм нахождения металлов в природных водах. Антропогенно-индуцированные процессы
Дана оценка территориальной дифференциации региона Западной Сибири по факторам загрязнения, которая подчинена цели организации комплексного мониторинга на наиболее загрязняемых участках области по факторам воздействия.
Получены новые данные по уровням и специфики загрязнения от предприятия нефтегазовой добычи. В местах нефтегазоразработок выявлено комплексное загрязнение вод и ландшафтов нефтяными углеводородами, высокотоксичными веществами (из группы ПАУ) и тяжелыми металлами. Последние включаются в биогеохимические циклы и накапливаются в растениях и животных на территориях бывших разливов нефти, их высокие концентрации регистрируются спустя 8 лет после биодеградации нефти. Однако в исследованных условно-фоновых озерах, отдаленных от промышленных объектах, значимого загрязнения вод нефтяными углеводородами и стойкими органическими загрязнителями (СОЗ) не выявлено. Проводятся междисциплинарные исследования на 5 водосборах, подверженных интенсивному загрязнению, которые дадут понимание механизмам миграции загрязняющих веществ, их осаждения, взаимодействия с природными факторами, формирования интегральной дозы воздействия. Изучены процессы миграции нефтяных углеводородов (НУВ) с водосборов. Разработана модель расчета смыва поллютантов в водные объекты на основе ландшафтно-гидрологического подхода, позволяющего дифференцировать склоновый сток в зависимости от условий его формирования. Модель адаптирована для различных природно-климатических зон и позволяет делать вычисления для стока с малых водосборов и в целом интегрированный сток в окраинные моря с учетом самоочищающего потенциала речных систем. На основе расчетов показано, что малая река в тундровой и лесотундровой зоне, имеющая площадь водосбора около 1000 км², на котором разрабатывается нефтяное месторождение, при загрязнении около 1 % от площади водосбора выносит в год более 8 т НУВ, что подтверждает значимый вклад диффузных источников загрязнения в общее загрязнение речных вод.
Доказан факт высоких значений содержаний азотной группы в водах суши ЗС, превышающий таковые в водах ЕТР на порядок и более.Обоснованы три фактора, приводящие к развитию данного феномена в природных водах ЗС:
1) специфика биогеохимического круговорота азота в районах ЗС, обусловленного интенсивностью природной биодеградацией нефтяных углеводородов;
2) антропогенными потоками от сжигания попутного газа;
3) трансграничным переносом. Эта проблема требует дальнейшего исследования с проведением подфакельных исследований.
Выделены озера (около 10%) с низкими значениями рН и цветностью вод, которые можно характеризовать как антропогенно-закисленные озера вследствие очень низкой буферной емкости вод и повышенных содержаний азотной и серной кислот (в отличие от природных подкисленных озер с высокой цветностью). На основе адаптированной международной методики выполнены расчеты критических нагрузок и их превышений по фактору закисления вод для всего региона и в историческом срезе на примере озера ЗС Арантур. Выявлены тенденции восстановления качества вод (к 2008г. по сравнению с 1998 г.), что согласуются с общими тенденциями в Европе по восстановлению качества вод после снижения выбросов кислотообразующих агентов.
Влияние возможного потепления климата
Разработан предварительный прогноз влияния возможного потепления климата на качество природных вод Западной Сибири. Учитывая вероятность растепления мерзлотных горных пород Крайнего Севера и выделения больших объемов воды, существует опасность нарастания заболоченности территории и дальнейшего снижения минерализации поверхностных вод тундры и тайги. Растепление мерзлых торфяников может привести к росту эмиссии метана и других парниковых газов в атмосферу, воды рек и озёр. Усиление заболачивания территорий может вызвать дальнейший рост цветности воды, нарастание количества взвешенных веществ в поверхностных водах тайги. В целом, изменение климата в сторону увеличения температур и роста увлажнения в гумидных зонах, уменьшения увлажнения в субаридных и аридных зонах приведет к росту различий в гидрохимических характеристиках между южной и северной частями Западной Сибири, вызывая так же внутризональную разнородность показателей минерализации из-за роста зависимости от химизма слагающих водосбор горных пород. В настоящее время создаются эмпирические модели, способные дать точные данные по изменению химического состава вод при потеплении климата. Эти выводы требуют дальнейших детальных экспериментальных и модельных подтверждений.
Палеоэкологическая реконструкция условий прошлого и антропогенной нагрузки Проведены палеоэкологические исследования донных отложений 8 озер, расположенных в различных природно-климатических зонах, геохимической дифференциации торфяных залежей с целью реконструкции климатических вариаций в голоцене (по диатомовой флоре и пыльце), а также тенденций глобального и регионального обогащения биосферы тяжелыми металлами. На основе изучения геохимических показателей слоев торфяной залежи (на примере верхового болота юга Тюменской области) одновременно с временной шкалой, определенной на основе радиоуглеродных датировок, доказано, что до 5600±60 л.н. на месте торфяника находилось озеро, в котором, как минимум 200 лет происходили серьезные и довольно резкие изменения геохимических условий.
По климатической кривой, построенной по палинологическим данным в относительных единицах, показана связь начала формирования залежи при переходе от сухого и теплого периода к более влажному и холодному. Климатические теплые и сухие условия привели к обмелению и эвтрофированию озера, его зарастанию, что подтверждают данные по зольности донных отложений и их минерализации. Изменение климатических условий в сторону похолодания и увеличения увлажнения привело к интенсивному заболачиванию эвтрофного озера и торфообразованию, поскольку интенсивность биогеохимических процессов разложения растительных остатков снизилась. Последующее потепление в период 4200±70 л.н. формируется верховой тип торфа, основным источником поступления в который минеральных веществ, являются атмосферные осадки.Факт направленного увеличения содержания некоторых тяжелых металлов (Mn, Pb, Zn, Cu, Cd) в приповерхностных слоях торфяника свидетельствует о нарастании загрязнения атмосферы химическими элементами. Однако их концентрации не являются максимальными по разрезу, за исключением Mn, т.е. в прошлые эпохи складывались условия, также приводящие к интенсивной биогеохимической миграции элементов. Анализ донные отложения озер, зафиксировал «след» холодной войны и Чернобыльской аварии в увеличении содержания Cs137 в слоях, датируемых 50-ми и 1986 гг. Измерение остальных параметров находится в работе, включая геохимические измерения и диатомовый анализ.
2. Устойчивость экосистем и экологические последствия загрязнения
Развиты методы биоиндикации, основанные на изучении адекватного «отклика» сообществ, отдельных популяций и организмов животных на изменение параметров среды их обитания. Дано объяснение закономерностей поддержания устойчивости и трансформации экосистем с позиций экологической теории и термодинамического механизма упорядочивания энергии в живых системах. Выделены основные признаки дезорганизации в экосистемах в условиях максимальный нагрузок и восстановительной самоорганизации. Показано, что развитие новой модификации водной экосистемы после снижения токсичного загрязнения согласуются с закономерностями сукцессий экосистем: от природной через критическую стадию к более стабильной ее модификации, но отличной по структуре от природной.
Разработана «Система диагностики состояния водных и околоводных экосистем и экологических последствий воздействия загрязнений», направленная на оценку «здоровья» водных и околоводных экосистем как методами натурных исследований, так и в лабораторных экспериментах.Беспозвоночные. Изучено видовое разнообразие околоводных наземных биоценозов и состояние популяций доминирующих видов, относящихся к разным трофическим группам, установлены нарушения в природных сообществах беспозвоночных при нефтяном загрязнении по сравнению с фоновыми территориями. В качестве биоиндикаторов загрязнения наземных экосистем сырой нефтью рекомендовано использовать следующие наиболее чувствительные виды к загрязнению НУВ: почвенных моллюсков, дождевых червей и одного из самых массовых видов с повышенной чувствительностью к нефти – Newsteadia floccosa De Greer (Insecta, Homoptera).
На примере модельных озерных систем, расположенных от зон тундры до лесостепной исследованы закономерности изменчивости водных экосистем (фито-, зооплактон и зообентос) вдоль климатического градиента (Рис. 10). Изучается влияние НУВ на водные сообщества в натурных и экспериментальных условиях. Полученные результаты послужат основной для понимания влияния потепления климата на водные экосистемы, дополнят новыми показателями систему диагностики «здоровья» водных экосистем при загрязнении НУВ. В связи с возможным потеплением и прогнозируемым увеличением солености вод суши в южных регионах ЗС, проведено исследование влияния градиента солености на водные сообщества беспозвоночных и рыб на примере 18 озер юга Тюменской области, различающихся по солености. Показано, что при увеличении солености до 5 г/л снижается биоразнообразие, дальнейшее повышение солености способствует кардинальной перестройки сообществ и развитию отдельных галофильных видов, что, в целом, приводит к повышению кормовой базы.
Мелкие млекопитающие. Проведенные исследования по изучению влияния загрязнения (в первую очередь, сырой нефтью и нефтепродуктами) на сообщества млекопитающих околоводных экосистем средне- и северотаежных подзон ЗС установили адаптивные реакции организмов и специфические патологии в зависимости от интенсивности воздействия. Изменения экстерьерных и интерьерных параметров мелких млекопитающих в импактных зонах свидетельствуют о повышении двигательной активности животных, интенсивности их метаболизма, напряженности энергетического обмена, как следствие не только прямого токсичного влияния, но и сопутствующих ему изменений условий обитания (дефолиация леса, снижение продуктивности надпочвенного покрова, изменение физических свойств субстрата и т.д.). Доказано, что репродуктивный потенциал у особей доминирующих видов мелких млекопитающих на загрязненной территории снижается. Успешность размножения обыкновенной бурозубки на нефтезагрязненной территории составила лишь 12,2 % от потенциально возможной (контрольной). Интегральным следствием снижения воспроизводства является нарушение пищевой цепи и снижение биоразнообразия на загрязненных участках. Нарушения процессов кроветворения, усиление миграции лимфоцитов в кровоток, увеличение доли пикноморфных клеток в различных тканях свидетельствуют о прямом токсическом действии нефти и быть информативным показателем последствий загрязнения территорий НУВ. Разработаны базы данных и программы расчета экологических показателей сообществ наземных позвоночных.
Птицы. В рамках проекта и Конвенции ООН о биоразнообразии были проведены крупномасштабные работы по изучению орнитофауны Западно-Сибирской равнины вдоль трансекты протяженностью 1800 км, на которой проводился учет птиц маршрутно-автомобильным методом. С учетом предшествующих исследований установлено, что видовое богатство и биоразнообразие птиц в лесных подзонах (подтайга и тайга) превышает таковое открытых (степь, тундра) на полуоткрытых (лесостепь и лесотунд) территориях. Однако относительное обилие птиц максимальное в лесостепи с более теплым климатом. Минимальная устойчивость птиц сообществ характерна для тундровой зоны и вблизи нефтегазовых комплексов. Разработана база данных «Рабочее место орнитолога», которая включает необходимые алгоритмы и математические расчеты основных экологических показателей сообществ птиц (Свидетельство о гос. регистрации № 2012620405).
На основе анализа материалов базы данных установлено значительное влияние изменения климата в ЗС на сообщества птиц, которое характеризуется продвижением водно-болотных видов птиц в северном направлении с расширением их гнездового ареала (в вегетационный сезон) и проникновением с севера на юг оседлых и кочующих видов птиц (в зимние сезоны), что является следствием повышения общей континентальности климата ЗС.
Рыбы. Для оценки состояния ихтиофауны и установления «нормы физиологического состояния» проведены исследования в относительно чистых (фоновых) и антропогенно- трансформированных 18 озерных и речных системах ЗС: тундровой, таежной, подтаежной и лесостепной природно-климатических зон, а также в Обской губе Проанализированы основные симптомов заболеваний рыб, обитающих в природных водоемах и патогистологических нарушений в органах и тканях, обусловленных токсичным загрязнением вод, в том числе НУВ. Установлены патоморфологические изменения в жабрах и печени у пеляди и муксуна, зимующих в Обской губе. В жаберном эпителии они проявляются в слиянии респираторных ламелл, гиперемии их апикальных участков, деструкции клеток эпителия, в п е чени у части особей выявлены значительные разрастания стенок кровеносных сосудов, липоидная дегенерация гепатоцитов. 
Методами цитогенетического анализа показана эффективность использования такого биомаркера загрязнения, как частоты хромосомных нарушений, на основе изучения развивающихся эмбрионов 4 видов сиговых рыб из водоемов Тюменской области, производители которых были отобраны из рек и озер с разной степенью загрязнения. Проанализирована изменчивость этого показателя более чем за 20-летний период мониторинга. Показано, что за период исследования (1989-2011 гг.) уровень хромосомной мутабильности в эмбриональных клетках у рыб неуклонно повышался. Выявлена высокая чувствительность сиговых рыб на стадии бластулы и гаструлы к действию загрязнителей. Развитие фенодевиантов подтверждает увеличение концентрации в нерестовых водоемах веществ, обладающих генотоксичностью. Ниже показано развитие нормальных эмбрионов (а) и патологии (б) в условиях загрязнения вод.
Показана высокая эффективность предложенных цитогенетических биомаркеров в оценке генетического состоянии природных популяций в условиях возрастающего загрязнения среды. Разработаны основные положения проведения биомониторинга на основе использования цитогенетических показателей. На этой основе разработана «Методика оценки мутагенных свойств природных и загрязненных вод», направленная на интегральную оценку влияния малых доз пролонгированного загрязнения.
3. Технологии реабилитации и очищения вод
Разработана карта проведения натурных исследований по биологической рекультивации нарушенных земель с использованием бактериальных препаратов. Разработана программа и методы оценки действия бактериальных препаратов по биодеградации нефтяных углеводородов. Проведены работы по технологии стимулирования самоочищающего потенциала водных экосистем для борьбы с нефтяным загрязнением по принципу биоконвейера с использованием бонов, несущих синтетические волокна. Проведены микробиологические исследования вод 39 озер, 3-х проб донных отложений и одной почвенной пробы на следующие группы микроорганизмов: нитрификаторы I фазы, нитрификаторы II фазы, денитрификаторы, аммонификаторы, сульфатвосстанавливающие микроорганизмы, целлюло-зоразлагающие микроорганизмы аэробы и анаэробы. Создан музей углеводородокисляющей микрофлоры ЗС как основа для новых углеродородоокисляющих бактериальных препаратов. Выделены новые культуры (88 штаммов) из собранных образцов, которые заложены для хранения в Музей коллекционных культур углеводородокисляющих микроорганизмов для последующего анализа перспективности их использования в новых препаратах, основанных на аборигенной микрофлоре различных природно-климатических зон ЗС.
В условиях Крайнего Севера на полуострове Ямал для предотвращения попадания нефтепродуктов в Обскую Губы разработана технология и проведен комплекс работ по агротехнической и биологической очистке поверхности почвы и русла ручья от нефтяного загрязнения на общей площади более 3 га. В ходе опытно-производственных работ осуществлен сбор нефти с водной поверхности техногенного котлована, для стимулирования углеводородокисляющей способности поведено рыхление загрязненных участков почвы, внесение комплексных удобрений и бактериального препарата «Путидойл». По руслу ручья были установлены несколько линий заграждений («биоконвейер») из нефтесорбирующих бонов, волокнистые насадки которых активно разлагают пленочные и растворенные нефтепродукты за счет иммобилизированных углеводородокисляющих бактерий и водорослей. На эрозионноопасных участках расстелены и закреплены биоматы. Апробация разработанных технологий показал их высокую эффективность по предотвращению смыва нефтепродуктов дождевыми водами по руслу ручья в акваторию Обской Губы. Разработанные технологии показали высокую эффективность также при проведении механической и биологической рекультивации старых разведочных скважин на полуострове Ямал. 
Для условий лесотундры разработана технология и проведены опытно-промышленные работы по очистке водной поверхности природного озера и болотных верховых почв от загрязнения газовым конденсатом на общей площади более 15 га. В ходе работ был осуществлен сбор конденсата с водной поверхности озера с использованием нефтесорбирующих бонов. Для стимулирования углеводородокисляющей способности поведено рыхление загрязненных участков почвы, внесение комплексных удобрений и бактериальных препаратов.Освещение результатов и подготовка кадров
Результаты исследований широко освещаются на российских и международных форумах, публикуются в рецензируемых журналах, таких как «Applied Geochemistry», «EcoHealth», «Ecotoxicology and Environment Safety», «Водные ресурсы», «Геохимия», «Доклады РАН», «Известия РАН. Серия географическая», «Наука в России», «Вестник Тюменского Университета» и других изданиях. Признанием научных достижений является приглашение публиковать результаты исследования от американского издательства Novapublishers в обобщающих монографиях «Ecotoxicology in Globe», «Lakes progress researches», «Large rivers» «Water Quality: Indicators, Human Impact and Environmental Health”, «Aquatic ecosystem». Детально публикации представлены на сайте «www.aquaecolab.ru». В 2010 году совместно с руководителем опубликовано 6 статей, в 2011 – 12 работ, в 2012 году – 6 работ и принято к публикации с положительными оценками еще 11 работ, завершена подготовка еще 7 научных статей. С начала проекта проведено 6 крупных международных совещаний, всего представлено более 150 докладов от коллектива лаборатории. Проведено 22 научных мероприятия: внутривузовские (научные семинары, студенческая конференция, конкурс молодых ученых) – 9, городские (научные семинары, круглые столы, тренинги, день открытых дверей, летняя экологическая школа) – 8, региональных (научно-практические семинары, 8 школа-семинар им. проф. Цоя Р.М.) - 5. Целью мероприятий является привлечение молодых ученых к научным исследованиям в области экологии и рационального природопользования, реализация интеграции науки и образования, внедрение междисциплинарного подхода в научные исследования, экологическая подготовка школьников, повышение экологической квалификации работников нефтегазодобывающего комплекса Тюменского региона.
В 2011 г. защищено 2 и в 2012 – также 3 - кандидатские диссертации с учетом предшествующих наработок. Проведена работа по структуризации кадрового состава и выявлению потенциальных докторов и кандидатов наук, выделено 3-е специалистов (кандидатов), работающих над докторскими диссертациями в области геохимии, биологии и географии природных вод. Разработана структура докторских работ в рамках поставленных задач по проекту и утверждена на ученом совете ИМЕНИТ в июле 2012 г. По выделенным направлениям подготовки докторских диссертаций сосредоточено по 2-4 аспирантов и магистров, работающих над диссертациями, что создает целостность и преемственность в исследованиях. В ведущих вузах России и дальнего зарубежья молодые ученые проходят стажировки, принимают участие в научных совещаниях, конкурсах молодых ученых.
Решение экологических задач базируется, прежде всего, на натурных экспедиционных исследованиях, которые должны быть обеспеченны методически корректной основой для полевых работ и кропотливой обработкой полученных данных с использованием современного оборудования. На обработку ряда данных уходит не один год. Собранные материалы в 2011-2012 гг. еще находятся на стадии обработки и осмысления. Следует учитывать, что первая «волна» проектов попала под действие ФЗ 94, из-за которого закупки оборудования и их установка осуществлялись в только в конце 2011 года. Ряд выполняемых анализов гидрохимических, геохимических, палеоэкологических и биологических образцов характеризуется трудоемкостью. Обобщение и подготовка статей также занимает время, на издание уже подготовленных статей в академических и зарубежных рецензируемых изданиях уходит один –два года. Поэтому, в международной практике длительность экологических проектов, как правило, составляет не менее 4-5 лет.
Вместе с тем, исходя из представленной аннотации отчета, очевидно, что поставленные задачи проекта, в основном, выполнены успешно, и главное - заложены фундаментальные основы для решения теоретических и прикладных задач мирового уровня на долгосрочную перспективу для лаборатории «Качества вод, устойчивого функционирования экосистем и экотоксикологии».