Том 39, номер 03, статья № 4
Скопировать ссылку в буфер обмена
Аннотация:
Обзор посвящен проблеме эвтрофикации водоемов и подходам к контролю данного процесса. Описаны ключевые биофизические и химические маркеры эвтрофикации водоемов, включая содержание в водной среде хлорофилла-а, взвешенных веществ и биогенных элементов, а также летучих молекулярных маркеров, которые могут присутствовать в воздухе около водной поверхности. Выполнен сравнительный анализ экспериментальных, процессно-ориентированных и теоретических моделей данного процесса. Поскольку объем и качество экспериментальных данных существенно влияет на прогностическую точность моделей эвтрофикации, обзор сфокусирован на методах накопления этих данных, включая методы дистанционного и локального зондирования параметров водоемов. Среди последних рассмотрены методы лазерного газоанализа, позволяющие детектировать летучие маркеры эвтрофикации около водной поверхности. На основе анализа литературных данных сформирован список наиболее информативных летучих молекулярных маркеров эвтрофикации, эммитируемых водной поверхностью в атмосферу: углекислый газ (CO2), сероводород (H2S), метан (CH4), оксид азота (N2O), геосмин и 2-метилизоборнеол. Отмечается важность мониторинга производной формы фосфора – фосфина (PH3) как индикатора фосфорного цикла и потенциального агента, приводящего к парниковому эффекту. Подчеркивается недостаточность существующей информации о его источниках и процессах, приводящих к его синтезу. На основании данных о квантовых спектральных переходах предложены рекомендации по регистрации PH3 и других летучих маркеров эвтрофикации около границы «водная поверхность – атмосфера» методами инфракрасной газовой абсорбционной спектроскопии.
Ключевые слова:
эвтрофикация водоемов, дистанционное и спутниковое зондирование водоемов, летучие маркеры эвтрофикации, методы лазерного газоанализа
Иллюстрации:
Список литературы:
1. Нейштадт М.И. Мировой природный феномен – заболоченность Западно-Сибирской равнины // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1971. № 1. С. 21–34.
2. Софер М. О болотах с уважением и любовью // Наука и жизнь. 2018. № 7. С. 2–12.
3. Головацкая Е.А. Биологическая продуктивность олиго-трофных и эвтрофных болот южнотаежной подзоны Западной Сибири // Журн. СФУ. Биология. 2009. № 1. С. 38–53.
4. Le Moal M., Gascuel-Odoux C., Ménesguen A., Souchon Y., Étrillard C., Levain A., Moatar F., Pannard A., Souchu P., Lefebvre A., Pinay G. Eutrophication: A new wine in an old bottle? // Sci. Total Environ. 2019. V. 651. Part 1. P. 1–11. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.09.139.
5. Sharabian M.N., Ahmad S., Karakouzian M. Climate change and eutrophication: A short review // Eng. Technol. Appl. Sci. Res. 2018. V. 8, N 6. P. 3668–3672. DOI: 10.5281/zenodo.2532694.
6. Zhang Y., Luo P., Zhao S., Kang S., Wang P., Zhou M., Lyu J. Control and remediation methods for eutrophic lakes in the past 30 years // Water Sci. Technol. 2020. V. 81, N 6. P. 1099–1113. DOI: 10.2166/wst.2020.218.
7. Zhou Y., Wang L., Zhou Y., Mao X.-Z. Eutrophication control strategies for highly anthropogenic influenced coastal waters // Sci. Total Environ. 2020. V. 705. P. 135760. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.135760.
8. Сухаревич В.И., Поляк Ю.М. Глобальное распространение цианобактерий: причины и последствия (обзор) // Биология внутренних вод. 2020. № 6. С. 562–572.
9. Claussen U., Zevenboom W., Brockmann U., Topcu D., Bot P. Assessment of the eutrophication status of transitional, coastal and marine waters within OSPAR // Hydrobiologia. 2009. V. 629, N 1. P. 49–58.
10. Du X., Liu H., Yuan L., Wang Y., Ma Y., Wang R., Chen X., Losiewicz M.D., Guo H., Zhang H. The diversity of cyanobacterial toxins on structural characterization, distribution and identification: A systematic review // Toxins (Basel). 2019. V. 11, N 9. P. 530. DOI: 10.3390/toxins11090530.
11. Afshar A., Saadatpour M., Marino M.A. Development of a complex system dynamic eutrophication model: Application to Karkheh Reservoir // Environ. Eng. Sci. 2012. V. 29. P. 373–385. DOI: 10.1089/ees.2010.0203.
12. Elshorbagy A., Ormsbee L. Object-oriented modeling approach to surface water quality management // Environ. Model. Soft. 2006. V. 21. P. 689–698. DOI: 10.1016/j.envsoft.2005.02.001.
13. Vinçon-Leite B., Casenave C. Modelling eutrophication in lake ecosystems: A review // Sci. Total Environ. 2019. V. 651, N 2. P. 2985–3001. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.09.320.
14. Arhonditsis G., Brett M. Evaluation of the current state of mechanistic aquatic biogeochemical modeling // Mar. Ecol. Prog. Ser. 2004. V. 271. P. 13–26. DOI: 10.3354/meps271013.
15. Vanhuet H. Phosphorus eutrophication in the SW Frisian lake district. 1. Monitoring and assessment of a dynamic mass balance model // Hydrobiologia. 1992. V. 233. P. 259–270. DOI: 10.1007/BF00016114.
16. Wang C., Ma L., Zhang Y., Chen N., Wang W. Spatiotemporal dynamics of wetlands and their driving factors based on PLS-SEM: A case study in Wuhan // Sci. Total Environ. 2022. V. 806, N 3. P. 151310. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.151310.
17. Li Y., Fu Y., Lang Z., Fuhong C. A high-frequency and real-time ground remote sensing system for obtaining water quality based on a micro hyper-spectrometer // Sensors. 2024. V. 24, N 6. P. 1833. DOI: 10.3390/s24061833.
18. Chasmer L., Mahoney C., Millard K., Nelson K., Peters D., Merchant M., Hopkinson C., Brisco B., Niemann O., Montgomery J., Devito K., Cobbaert D. Remote sensing of boreal wetlands 2: Methods for evaluating boreal wetland ecosystem state and drivers of change // Remote Sens. 2020. V. 12, N 8. P. 1321. DOI: 10.3390/rs12081321.
19. Cheng K., Lei T. Reservoir trophic state evaluation using Landsat TM images // J. Am. Water Res. Ass. 2001. V. 37. P. 1321–1334. DOI: 10.1111/j.1752-1688.2001.tb03642.x.
20. Rapinel S., Hubert-Moy L., Clément B. Combined use of LiDAR data and multispectral earth observation imagery for wetland habitat mapping // Int. J. Appl. Earth Obs. Geoinf. 2014. V. 37. P. 56–64. DOI: 10.1016/j.jag.2014.09.002.
21. Page B.P., Kumar A., Mishra D.R. A novel cross-satellite based assessment of the spatio-temporal development of a cyanobacterial harmful algal bloom // Int. J. Appl. Earth Obs. Geoinf. 2018. V. 66. P. 69–81. DOI: 10.1016/j.jag.2017.11.003.
22. Laneve G., Téllez A., Kuruvila A.K., Bruno M., Messineo V. Eutrophication and HAB occurrence control in lakes of different origins: A multi-source remote sensing detection strategy // Remote Sens. 2024. V. 16, N 10. P. 1792. DOI: 10.3390/rs16101792.
23. Flores-Anderson A.I., Griffin R., Dix M., Romero-Oliva C.S., Ochaeta G., Skinner-Alvarado J., Moran M.V.R., Hernandez B., Cherrington E., Page B., Barreno F. Hyperspectral satellite remote sensing of water quality in Lake Atitlán, Guatemala // Front. Environ. Sci. 2020. V. 8. DOI: 10.3389/fenvs.2020.00007.
24. Eutrophication Monitoring Guidelines by Remote Sensing for the NOWPAP. Toyama: Northwest Pacific Region Environmental Cooperation Center (NPEC), 2007. 50 p.
25. Sun X., Zhang Y., Shi K., Zhang Y., Li N., Wang W., Huang X., Qin B. Monitoring water quality using proximal remote sensing technology // Sci. Total Environ. 2021. V. 803. P. 149805. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.149805.
26. Middleton M., Närhi P., Arkimaa H., Hyvönen E., Kuosmanen V., Treitz P., Sutinen R. Ordination and hyperspectral remote sensing approach to classify peatland biotopes along soil moisture and fertility gradients // Remote Sens. Environ. 2012. V. 124. P. 596–609. DOI: 10.1016/j.rse.2012.06.010.
27. Chasmer L., Mahoney C., Millard K., Nelson K., Peters D., Merchant M., Hopkinson C., Brisco B., Niemann O., Montgomery J., Devito K., Cobbaert D. Remote sensing of boreal wetlands 2: Methods for evaluating boreal wetland ecosystem state and drivers of change // Remote Sens. 2020. V. 12, N 8. P. 1321. DOI: 10.3390/rs12081321.
28. Bustamante J., Aragonés D., Afán I., Luque C., Pérez-Vázquez A., Castellanos E., Díaz-Delgado R. Hyperspectral sensors as a management tool to prevent the invasion of the exotic cordgrass Spartina densiflora in the Doñana wetlands // Remote Sens. 2016. V. 8, N 12. P. 1001. DOI: 10.3390/rs8121001.
29. Zhong Y., Wang X., Xu Y., Wang S., Jia T., Hu X., Zhao J., Wei L., Zhang L. Mini-UAV-borne hyperspectral remote sensing: From observation and processing to applications // IEEE Geosci. Remote Sens. Mag. 2018. V. 6. P. 46–62. DOI: 10.1109/MGRS.2018.2867592.
30. Song K., Li L., Tedesco L.P., Li S., Clercin N.A., Hall B.E., Li Z., Shi K. Hyperspectral determination of eutrophication for a water supply source via genetic algorithm-partial least squares (GA-PLS) modeling // Sci. Total Environ. 2012. V. 426. P. 220–232. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2012.03.058.
31. Pan X., Wang Z., Ullah H., Chen C., Wang X., Li X., Li H., Zhuang Q., Xue B., Yu Y. Evaluation of eutrophication in Jiaozhou Bay via water color parameters determination with UAV-borne hyperspectral imagery // Atmosphere. 2023. V. 14, N 2. P. 387. DOI: 10.3390/atmos14020387.
32. Ma X., Zhu X., Xie Q., Jin J., Zhou Y., Luo Y., Liu Y., Tian J., Zhao Y. Monitoring nature’s calendar from space: Emerging topics in land surface phenology and associated opportunities for science applications // Glob. Change Biol. 2022. V. 28. P. 7186–7204. DOI: 10.1111/gcb.16436.
33. Mander Ü., Maddison M., Valach A.C., Soosaar K., Kill K., Kasak K. High methane emissions as trade-off for phosphorus removal in surface flow treatment wetlands // Aquat. Bot. 2024. V. 190. P. 103719. DOI: 10.1016/j.aquabot.2023.103719.
34. West W.E., Creamer K.P., Jones S.E. Productivity and depth regulate lake contributions to atmospheric methane // Limnol. Oceanogr. 2016. V. 61. P. S51–S61. DOI: 10.1002/lno.10247.
35. Liikanen A., Murtoniemi T., Tanskanen H., Väisänen T., Martikainen P.J. Effects of temperature and oxygen availability on greenhouse gas and nutrient dynamics in sediment of a eutrophic mid-boreal lake // Biogeochem. 2002. V. 59. P. 269–286. DOI: 10.1023/A:1016015526712.
36. Li Y., Shang J., Zhang C., Zhang W., Niu L., Wang L., Zhang H. The role of freshwater eutrophication in greenhouse gas emissions: A review // Sci. Total Environ. 2021. V. 768. P. 144582. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.144582.
37. Бутакова Е.А. Особенности одорирующих веществ (геосмина и 2-метилизоборнеола) как вторичных метаболитов цианобактерий // Физиол. раст. 2013. Т. 60. С. 537.
38. Silva J.P., Lasso A., Lubberding H.J., Peña M.R., Gijzen H.J. Biases in greenhouse gases static chambers measurements in stabilization ponds: Comparison of flux estimation using linear and nonlinear models // Atmos. Environ. 2015. V. 109. P. 130–138. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2015.02.068.
39. Lin L., Xiong J., Yue T., Xu W., Liu L., Wang F., Yang S., Cao W. Phosphorus starvation response genes and function coupling: A mechanism to regulate phosphorus availability in a subtropical estuary // Sci. Total. Environ. 2024. V. 928. P. 172575. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.172575.
40. Ding S., Chen M., Gong M., Fan X., Qin B., Xu H., Gao S., Jin Z., Tsang D.C.W., Zhang C. Internal phosphorus loading from sediments causes seasonal nitrogen limitation for harmful algal blooms // Sci. Total. Environ. 2018. V. 625. P. 872–884. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2017.12.348.
41. Pech H., Henry A., Khachikian C.S., Salmassi T.M., Hanrahan G., Foster K.L. Detection of geothermal phosphite using high-performance liquid chromatography // Environ. Sci. Technol. 2009. V. 43. P. 7671–7675. DOI: 10.1021/es901469t.
42. Zhu R.B., Glindemann D., Kong D.M., Sun L.G., Geng J.J., Wang X.R. Phosphine in the marine atmosphere along a hemispheric course from China to Antarctica // Atmos. Environ. 2007. V. 41. P. 1567–1573. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2006.10.035.
43. Glindemann D., Stottmeister U., Bergmann A. Free phosphine from the anaerobic biosphere // Envion. Sci. Pollut. Res. 1996. V. 3. P. 17–19. DOI: 10.1007/BF02986806.
44. Roels J., Verstraete W. Occurrence and origin of phosphine in landfill gas // Sci. Total Environ. 2004. V. 327. P. 185–196. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2003.11.016.
45. Zhu R.B., Kong D.M., Sun L.G., Geng J.J., Wang X.R., Glindemann D. Tropospheric phosphine and its sources in coastal Antarctica // Environ. Sci. Technol. 2006. V. 40. P. 7656–7661. DOI: 10.1021/es061601e.
46. Замолодчиков Д.Г. Современные антропогенные модификации глобальных биогеохимических циклов // Изв. Самарского научного центра РАН. 2013. Т. 15, № 3. С. 23–32.
47. Zhu R.B., Sun L.G., Kong D.M., Geng J.J., Wang N., Wang Q., Wang X.R. Matrix-bound phosphine in Antarctic biosphere // Chemosphere. 2006. V. 64. P. 1429–1435. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2005.12.031.
48. Prinn R.G. The interactive atmosphere: Global atmospheric biosphere chemistry // Ambio. 1994. V. 23. P. 50–61.
49. Niu X.J., Geng J.J., Wang X.R., Wang C.H., Gu X.H., Edwards M., Glindemann D. Temporal and spatial distributions of phosphine in Taihu Lake, China // Sci. Total Environ. 2004. V. 323, N 1–3. P. 169–178. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2003.10.017.
50. Liu J.A., Cao H.F., Zhuang Y.H., Kuschk P., Eismann F., Glindemann D. Phosphine in the urban air of Beijing and its possible sources // Water Air Soil. Pollut. 1999. V. 116. P. 597–604. DOI: 10.1023/A:1005120814668.
51. Han S.H., Zhuang Y.H., Liu J.A., Glindemann D. Phosphorus cycling through phosphine in paddy fields // Sci. Total Environ. 2000. V. 258. P. 195–203. DOI: 10.1016/S0048-9697(00)00570-2.
52. Jenkins R.O., Morris T.A., Craig P.J., Ritchie A.W., Ostah N. Phosphine generation by mixed- and monoseptic-cultures of anaerobic bacteria // Sci. Total Environ. 2000. V. 250, N 1–3. P. 73–81. DOI: 10.1016/S0048-9697(00)00368-5.
53. Fan Y., Lv M., Niu X., Ma J., Zhang D. The key step of gaseous phosphorus release in anaerobic digestion // Process Saf. Environ. 2020. V. 137. P. 238–245. DOI: 10.1016/j.psep.2020.02.035.
54. Fan Y.M., Niu X.J., Zhang D.Q., Lin Z., Fu M.L., Zhou S.Q. Analysis of the characteristics of phosphine production by anaerobic digestion based on microbial community dynamics, metabolic pathways, and isolation of the phosphate-reducing strain // Chemosphere. 2021. V. 262. P. 128213. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2020.128213.
55. Han C., Gu X., Geng J., Hong Y., Zhang R., Wang X., Gao S. Production and emission of phosphine gas from wetland ecosystems // J. Environ. Sci. 2010. V. 22. P. 1309–1311. DOI: 10.1016/s1001-0742(09)60255-2.
56. Streever W., Genders A.J., Cole M.A. A closed chamber CO2 flux method for estimating marsh productivity // Aqua. Bot. 1998. V. 62. P. 33–44. DOI: 10.1016/S0304-3770(98)00080-1.
57. Devai I., Delaune R.D. Evidence for phosphine production and emission from Louisiana and Flori-da marsh soils // Org. Geochem. 1995. V. 23, N 3. P. 277–279.
58. Roels J., Verstraete W. Biological formation of volatile phosphorus compounds // Bioresour. Technol. 2001. V. 79, N 3. P. 243–250. DOI: 10.1016/s0960-8524(01)00032-3.
59. Общая органическая химия Т. 4: Карбоновые кислоты и их производные / под ред. Д. Бартона, У.Д. Оллиса. М.: Химия, 1983. 728 с.
60. The HITRAN 2020 database. URL: httpss://hitran.org/ (last access: 15.07.2025).
61. GEISA: spectroscopic database. URL: httpss://geisa.aeris-data.fr/ (last access: 15.07.2025).
62. Кистенев Ю.В., Cuisset A., Романовский О.А., Жердева А.В. Исследование малых газовых составляющих на границе «водная поверхность – атмосфера» с использованием средств дистанционного и локального лазерного ИК-газоанализа. Обзор // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 10. С. 799–810. DOI: 10.15372/AOO20221002; Kistenev Yu.V., Cuisset A., Romanovskii O.A., Zherdeva A.V. Study of trace atmospheric gases at the “water–atmosphere” interface using remote and local laser IR gas analysis: Review // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N 10. P. 799–810.
63. Kistenev Yu.V., Borisov A.V., Samarinova A.A., Colón-Rodríguez S., Lednev I.K. A novel Raman spectroscopic method for detecting traces of blood on an interfering substrate // Dental Sci. Rep. 2023. V. 13, N 1. DOI: 10.1038/s41598-023-31918-9.
64. Boyko A.A., Kistenev Y.V., Kostyukova N.Y., Erushin E.Y., Kolker D.B., Markelov A.A., Miroshnichenko M.B., Akhmathanov A.R., Shur V.Y. Comparison optical parametric oscillators based on PPKTA and PPKTP for gas analyze // Proc. SPIE. 2020. V. 11582. DOI: 10.1117/12.2579698.
65. Кистенев Ю.В., Куряк А.Н., Макогон М.М., Пономарев Ю.Н. Система осушения газовых проб для лазерных газоанализаторов // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 9. С. 832–835; Kistenev Yu.V., Kuryak A.N., Makogon M.M., Ponomarev Yu.N. The system for dehumidification of samples in laser gas analysis // Atmos. Ocean. Opt. 2012. V. 25, N 1. P. 92–95.
