Assessment of the impact on the shallow Arctic ecosystem based on simulation and laboratory experiment

Abstract

В последнее время научное сообщество все больше уделяет внимания динамике и функционированию морских экосистем полярных регионов, где они являются наименее изученными и наиболее уязвимыми. Это происходит на фоне глобального потепления и постоянно увеличивающейся антропогенной нагрузки. Актуальность исследования подтверждается также необходимостью совершенствования системы диагностического и прогностического мониторинга водных объектов для получения количественных показателей, характеризующих специфику, степень и масштаб воздействия, и ответную реакцию природных экосистем на оказанные воздействия. Для решения данных вопросов необходимо понимание того, как функционируют экосистемы в различных регионах, и по каким причинам происходит их дестабилизация, как и какими темпами трансформируются экосистемы. Для решения данной проблемы могут быть использованы современные возможности математического моделирования, с помощью которого можно производить системную оценку взаимодействия внешних и внутренних факторов окружающей среды в морской экосистеме. Экологические модели могут использоваться для изучения механизмов функционирования морской флоры и фауны, совершенствования экологического мониторинга, предсказания различных сценариев развития экосистем и оценки экологических рисков. Также, в дополнение к методам моделирования широко применяются экспериментальные методы, где в рамках лабораторных условий могут проводиться исследования реакции морских гидробионтов на внешнее воздействие, установление безопасных, эффективных, критических и летальных концентраций токсикантов для отдельных гидробионтов. В результате исследования получены следующие основные выводы: 1) Обобщены методологические основы разработки экологических моделей и постановки лабораторных экспериментов; 2) Разработана методика проведения токсикологического лабораторного эксперимента с зоопланктоном; 3) Подготовлены и проведены три лабораторных экспериментов над колонией копепод Nitocra lacustris; 4) Изучена ответная реакция копепод на воздействие пестицидов; 5) Разработаны сценарии моделирования ключевого объекта в модели AQUATOX; 6) Реализован процесс моделирования, обработаны и визуализированы результаты; 7) Разработан подход по оценке воздействия на водную экосистему на основе токсикологического эксперимента и имитационного моделирования.

Recently, the scientific community has been paying more and more attention to the dynamics and functioning of marine ecosystems in the polar regions, where they are the least studied and most vulnerable. This is happening against the background of global warming and an ever-increasing anthropogenic load. The relevance of the study is also confirmed by the need to improve the system of diagnostic and prognostic monitoring of water bodies in order to obtain quantitative indicators characterizing the specifics, degree and scale of the impact, and the response of natural ecosystems to the impacts. To solve these issues, it is necessary to understand how ecosystems function in different regions, and for what reasons their destabilization occurs, how and at what pace ecosystems are transformed. To solve this problem, modern mathematical modeling capabilities can be used, with the help of which it is possible to make a systematic assessment of the interaction of external and internal environmental factors in the marine ecosystem. Ecological models can be used to study the mechanisms of functioning of marine flora and fauna, improve environmental monitoring, predict various scenarios of ecosystem development and assess environmental risks. Also, in addition to modeling methods, experimental methods are widely used, where, under laboratory conditions, studies of the reaction of marine hydrobionts to external influences, the establishment of safe, effective, critical and lethal concentrations of toxicants for individual hydrobionts can be carried out. As a result of the study, the following main conclusions were obtained: 1) The methodological foundations of the development of ecological models and laboratory experiments have been generalized; 2) The methodology for conducting a toxicological laboratory experiment with zooplankton has been developed; 3) Three laboratory experiments were prepared and conducted on a colony of copepods Nitocra lacustris; 4) The response of copepods to the effects of pesticides was studied; 5) Scenarios for modeling a key object in the AQUATOX model were developed; 6) The modeling process was implemented, the results were processed and visualized; 7) An approach to assessing the impact on the aquatic ecosystem based on a toxicological experiment was developed and simulation modeling.