Аннотация результатов, полученных в 2015 году
• Проведён и подготовлен к публикации на русском языке обзор современных научных работ по методам отбора проб воды, донных и береговых отложений и по методикам их дальнейшей обработки и анализа в целях исследования содержания и свойств частиц микропластика в морской среде. Подготовлена брошюра на русском языке, содержащая переводы методик, рекомендуемых NOAA, GESAMP, ведущими специалистами в исследованиях микропластика. Стандартизованных методик отбора и анализа проб на содержание микропластика в морской среде в настоящий момент в мире не существует, при этом в русскоязычной научной литературе отсутствует даже статьи, посвященные обсуждению данной проблемы, не говоря уже о статьях методического характера. • Разработана лабораторная методика выделения частиц микропластика из сконцентрированных проб общей взвеси после фильтрации больших объёмов воды, специально спланированная для достижения заявленных в проекте целей. • Разработана общая концепция и создан основной фильтрующий блок прибора PLEX (Plastic Explorer) для анализа микропластика в воде. Прибор представляет собой высокопроизводительный проточный фильтр (концентратор), укомплектованный заборным шлангом и насосом, устанавливаемыми на борту судна, на выходе из концентратора предполагается установка разнотипных датчиков (оптического, флуоресцентного или Рамановского), а также сбор обработанного материала для камеральной обработки и калибровки датчиков. Компоновка прибора позволит проводить анализ концентрации пластика в поверхностном слое воды на ходу и выполнять отбор проб для лабораторного анализа практически без ограничения скорости движения, а также проводить отбор и in-situ анализ пластика на якорной стоянке до глубины 200 м. включительно. На настоящий момент разрабатываемый прибор не имеет мировых аналогов. Произведены испытания фильтрующего блока прибора на борту судна, намечены пути доработки конструкции. • Проведено 7 экспедиционных выходов по акватории Юго-Восточной Балтики и 12 береговых мониторинговых выходов на побережье Балтийского моря и Вислинского залива для отбора проб и сбора экспериментального материала. В итоге отобрано 68 проб с поверхности воды, придонных горизонтов, из донных осадков и с пляжа. При первичной обработке материала из пляжевых проб обнаружено большое количество микропластика требуемого диапазона (0.5-5 мм) в виде пеллет различной конфигурации, сфер, нитей, фрагментов (лом), а также кусочки янтаря и мелкие фракции парафина. Собранные пробы воды профильтрованы, определён необходимый в дальнейшем объём проб. • Подготовлена статья, обобщающая опубликованные сведения о физических и динамических свойствах частиц микропластика. В ней представлены данные о плотностях обнаруженных в морской среде частиц микропластика; указано, что плотность таких частиц часто отличается от стандартной (характерной для данного вида пластика) как за счёт различных добавок при производстве, так и в результате старения или обрастания частиц микропластика в морской среде. Для частиц с большой положительной плавучестью (как, например, шарики пенополистирола) – проведены оценки парусности; для слабо плавучих фрагментов (полиэтиленовых плёнок, сфер, нитей) оценены скорости их биообрастания в зависимости от формы частицы; для тяжёлых (тонущих) пластиков – приводится номограмма скоростей падения частиц в зависимости от их размера и избыточной плотности. Проведены оценки комбинаций пространственно-временных масштабов жизненного цикла микро- и макропластика, которые в условиях Балтийского моря являются наиболее важными объектами для изучения, измерения, параметризации и моделирования. Полученные в статье зависимости можно рассматривать как первый шаг к параметризации поведения частиц микропластика в морской среде. • Определён список физических и динамических свойств частиц микропластика и характеристик их распределения, которые планируется вводить или параметризовать в модели транспорта микропластика и определение которых должно производиться в рамках других блоков проекта (экспедиционные исследования, камеральная обработка проб, лабораторный эксперимент). Это параметризация функции источника-стока микропластика на береговой линии (поступление и переработка на берегу); концентрации и свойства частиц морского микропластика в воде и донных осадках (распределение по плотностям, формам, размерным классам); критические скорости течений, при которых в придонном погранслое происходят процессы осаждения-переноса-взмучивания для пластика на различных подстилающих поверхностях. • Построена концептуальная схема модели транспорта и трансформации микропластика в Балтийском море, основанная на данных реанализа Copernicus и модели с открытым кодом TRACMASS, связанных с помощью модуля TRACPY, написанного на языке программирования Python. Средства ввода-вывода и визуализации результатов расчетов реализованы также на языке Python. • Модель TRACMASS и модуль TRACPY адаптированы к расчетам лагранжева переноса примеси в режиме «офф-лайн» к результатам реанализа системы морских прогнозов Copernicus. • На основе результатов реанализа подготовлены данные, необходимые для запуска тестовых экспериментов «нулевой» версии региональной конфигурации модели NEMO для Балтийского моря.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Исследование физических и динамических свойств частиц морского микропластика проводилось в 2016 году в соответствии с заявленными в Проекте задачами. Все намеченные работы выполнены и результаты достигнуты. Опубликованы 4 статьи в международном высокорейтинговом журнале, ведущем в данной тематике. Работы в 2016 году проводились в трёх направлениях, в соответствии с применяемыми методами: экспедиционные исследования, лабораторные и численные эксперименты. I. Экспедиции, приборы, методики, обработка проб Экспедиционные выходы. В 2016 г. было проведено 7 экспедиционных выходов по акватории Балтийского моря. Произведен отбор проб с поверхности воды и различных горизонтов, а также отбор проб донных отложений (ДО) для анализа на содержание частиц микропластика (далее МП). Экспедиционные выходы осуществлялись на судах ФАНО НИС «Профессор Штокман» (рейсы 131, 132), НИС «Академик Н. Страхов» (рейс 32) и маломерных судах. Были проведены береговые экспедиции с целью получения информации о содержании МП в пляжевых отложениях. Всего за 2016 год отобрано 48 проб донных осадков, 95 проб из толщи и с поверхности воды и 192 пробы береговых наносов. Интерактивные карты со станциями отбора проб воды и ДО в 2016 г. на содержание МП, доступны на сайте проекта по адресу: http://lamp.ocean.ru/index.php/2016/11/18/bottom-samples-map/. Донные отложения. Задача исследования содержания МП именно в ДО Балтики была выбрана приоритетной в отчётном году. При внедрении в лабораторную практику наиболее проработанных на настоящий лабораторных методов анализа МП в морской среде по программе исследования морского мусора NOAA был обнаружен ряд существенных недоработок метода: 1) применение слишком крупной ячейки сетей (0,3 мм) для фильтрования экстракта приводит к потере большей части анализируемого материала, 2) отсутствие процедур контроля качества анализа, 3) слабая эффективность экстракции и т.д. Метод NOAA был нами модифицирован и дополнен процедурами внутреннего контроля. Для выделения из ДО достаточного количества крупных МП частиц и пленок в 2015 г. нами был изготовлен Мюнхенский сепаратор пластиковых частиц Munich Plastic Sediment Separator (MPSS), который позволяет анализировать до 6 л ДО за один цикл и обладает высокой эффективностью экстракции МП (95.5%). Конструкция прибора была нами несколько изменена, что позволило упростить и ускорить работу без снижения основных эксплуатационных характеристик. Полученные в ходе экспедиций ДО обрабатывались двумя вышеописанными методами. Во всех пробах проводилось определение гранулометрического состава осадка. Эта информация была использована для оценки корреляции крупности осадка с концентрациями МП в нем. Береговые отложения. Был проведен анализ береговых отложений на содержание МП на пляжах Калининградской области, и определено, как влияет интенсивность использования пляжей на концентрацию МП. В результате были получены и опубликованы следующие результаты. 1) Получены оценки качественного содержания микро/мезо/макропластика, парафина и янтаря в песке пляжей в процентном отношении к массе сухого образца. 2) Определён видовой состав МП по 6 категориям: вспененный пластик, фрагменты (лом), нити, плёнки, гранулы, пеллеты. 3) Оценено распределение МП в 13 районах вдоль побережья Калининградской области. 4) Оценено загрязнение пляжей парафином, а также определена концентрация МП в собранных (загрязнённых песком) образцах парафина. Пробы воды. Было обработано 95 проб воды, в результате в 37% проб МП не был обнаружен, 7% содержали маленькие (полиэтиленовые) плёнки (0.2 - 3 мм), 40 % - хлопья краски; при этом 63 % проб содержали синтетические волокна в концентрациях от 0.07 до 2.6 штук на литр. Таким образом, синтетические волокна (толщина 10-30 микрон, длина 0.5 - 3 см) оказались основным видом микропластикового загрязнения водной толщи Балтийского моря. Поскольку частиц МП (не волокон) в воде содержится очень мало, для получения более достоверных сведений о распределении МП в водной толще требуется фильтрование бóльших объёмов воды. Разработка прибора PLEX. В отчетном году было проведено испытание прибора PLEX в полевых условиях. Был произведен забор одной тестовой и двух научных проб, объемом 5 м3 каждая, из толщи воды с борта судна НОРД-3. Забор был выполнен с глубин 10 м и 2 м. В образцах, отобранных с помощью прибора, были обнаружены частицы МП, волокна, частицы фольги, водные организмы. Во время тестирования была отлажена процедура забора проб воды. Был разработан и успешно протестирован в лабораторных условиях оптический детектор взвешенных частиц. Выявлено, что процедура детектирования частиц микропластика требует дальнейшей проработки. II. Лабораторный эксперимент Эксперименты по скорости оседания частиц МП. Исследования характера и скорости осаждения МП крайне скудно представлены в литературе. На данный момент не известны формулы, разработанные специально для предсказания скорости осаждения МП различной формы, однако имеются эмпирические и полу-эмпирические зависимости для искусственных частиц и частиц донных осадков в различных режимах течения. Виды эмпирических зависимостей очень разнообразны, как и эксперименты, использующиеся для их калибровки. Для установления вертикальной скорости оседания частиц микропластика различных форм была проведена серия лабораторных экспериментов. Было выполнено около 800 индивидуальных измерений скорости осаждения. В результате было выявлено определяющее влияние формы частиц на характер зависимости скорости осаждения от размера. Наибольшая точность предсказания достигнута при использовании формулы, предназначенной для частиц соответствующей формы. Эксперименты по разрушению МП в прибойной зоне. Проведена серия экспериментов по лабораторному моделированию процесса разрушения МП в прибойной зоне моря осадками различной крупности. Цель экспериментов - предложить вид параметризация функции генерации частиц МП на различных по характеру осадка берегах. Были рассмотрены три вида пластиков, наиболее распространенные прибрежной зоне моря: полиэтилен (HDPE), полистирен (PS) и полипропилен (PP). В качестве активной среды для разрушения пластика использовались осадки различной крупности, а для приведения их в движения был применен специальный миксер. В результате выявлено, что характер перехода макро-частиц в МП кардинально различаются для разных видов пластиков. III. Численное моделирование Разработка и тестирование модуля переноса МП. Разработан модуль переноса частиц в морской среде с учётом свойств этих частиц и возможности их трансформации со временем. Разработана и протестирована конфигурация модели переноса МП MARBLE, способная считывать результаты расчета циркуляции ЮВБ выполненные на региональной конфигурации модели NEMO. На данный момент реализованы модули для трех типов МП: легких нитей (microfibres), сфероидных частичек с положительной плавучестью и частиц с нейтральной плавучестью (общий случай). В каждом из модулей используется свой набор специальных подпрограмм. Проведена серия численных экспериментов и установлено эффективное и достаточное количество частиц, используемых для моделирования. Тестирование работы модели проведено для двух видов частиц МП: (1) Для легких частиц, все время остающихся на поверхности моря, проведены серии численных экспериментов, позволившие оценить интенсивность перемещения эти частиц из начальной области в сторону открытого моря. Расчеты показали, что интенсивность удаления частиц существенно зависит от даты выброса (зимой перенос существенно активнее для большинства подобластей) и для каждого выбранного региона хорошо согласуется с известным направлением преобладающих течений. Разработаны процедуры, реализующие эффект ветрового воздействия на легкие частицы МП (windage). (2) Следующий цикл расчетов имел целью изучить путь переноса синтетических микроволокон. В результате был параметризован критерий оседания частицы на дно, в зависимости от скорости течения в центре расчетного бокса. Установлено, что существенным недостатком полей реанализа Copernicus являются заниженные скорости в пристеночной и придонной областях. Тем не менее, в модели удалось воспроизвести как перемещение волокон от берега в глубоководную часть моря. (3) В первом приближении проведены расчеты для оценки скорости обновления вод (т.е. очищения от загрязнения) в различных суббассейнах Балтийского моря (см. п (1)). Был разработан удобный и перспективный инструмент для изучения особенностей поведения нескольких типов МП в условиях Балтийского моря. В случае с микроволокнами выдвинута гипотеза о путях распространения таких частиц от береговых источников в открытое море и о причинах преобладания волокон в пробах открытой части моря. Подтверждена исключительная важность учета парусности для самых легких частиц МП, которые выступают над поверхностью моря, для предсказания путей их переноса. Численные эксперименты. Для изучения путей переноса свободно взвешенных частиц были проведены прямые и обратные расчеты траекторий, с использованием данных реанализа системы Copernicus. Результаты расчетов позволили верифицировать гипотезу о формировании вод холодного промежуточного слоя собственно Балтийского моря. Моделирование выявило слабый вдольбереговой транспорт частиц, вследствие чего накопление частиц происходит в основном в прибрежной зоне. Выявлено, что расчеты переноса частиц по модели MARBLE на основе течений, полученных при моделировании по модели «NEMO», позволяют как получить более точные поля распределения осевших частиц, так и выявить зоны конвергенции, связанные с особенностями береговой черты. Более подробно с работой коллектива можно ознакомиться на сайте проекта: http://lamp.ocean.ru/

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Работы по дальнейшему изучению физических и динамических свойств частиц морского микропластика (МП), их концентраций в воде, донных осадках и пляжевых отложениях Балтийского моря были продолжены. В соответствии с заявлявшейся программой, исследования включали (i) экспедиционные выходы для отбора проб воды и осадков, (ii) их камеральную обработку и экстракцию частиц МП, (iii) лабораторные эксперименты, (iv) численное моделирование и (v) интегральный анализ результатов с позиций физической океанографии. В общей сложности проведено семь экспедиционных выходов по акватории Балтики плюс 18 выездов на побережье для мониторинга загрязнения частицами МП прибойной зоны пляжей Калининградской области. Пять экспедиций 2017 г. охватывали всё (собственно) Балтийское море – от Каттегата до Финского залива, что позволило собрать значительный материал о загрязнении микропластиком водной толщи и осадков во всех бассейнах моря. В трёх экспедициях использовался разработанный в рамках проекта прибор для фильтрования больших объёмов забортной воды (PLEX - Plastic EXplorer); подтверждена его высокая эффективность и проведена верификация его показаний стандартными измерениями. В общей сложности, было отобрано 336 проб из толщи и с поверхности воды и 71 проба донных осадков Балтийского моря. Применялись следующие способы отбора проб. С поверхности воды: нейстонная сеть с двумя секциями с ячеей 333 и 174 мкм, размер каждой секции 0.5×0.5 м, среднее заглубление 0.25 м (20 проб). Из толщи воды на различных горизонтах: 1) прибор PLEX: закачка 2-3 м3 воды с поверхности (при слабом волнении - глубина 1 м); верхнего слоя - посередине между сезонным термоклином и поверхностью; непосредственно над термоклином; в области ядра холодного промежуточного слоя; над пикноклином; в нижнем слое (посередине между пикноклином и дном); над дном (всего 219 проб); 2) комплекс MWS Slimline батометры Нискина: вода из батометра сливалась через воронку с сеточным фильтром 174 мкм размером 7х7см (55 проб); 3) с помощью планктонной сети WP-2 (длина 3 м, диаметр отверстия 56 см, ячея 100 мкм) с горизонтов 5 м, 20 м, «дно», выбирался слой воды тотально – «дно-поверхность», «20м-поверхность», «5м-поверхность», фильтрат концентрировали и фиксировали (96% спиртом до конечной концентрации 40%, 40% формалином до конечной концентрации 4%), часть проб была заморожена. Второй способ: пробы были концентрированы на вакуумной установке (без фиксации). (42 пробы). Донные отложения (ДО – илы, глины, разнозернистые пески, моренные отложения, алевриты и т.д.): дночерпатель «Океан-50» (площадь захвата 0.25 м2) и дночерпатель Ван Вина (площадь захвата 0.1 м2) (71 проба). В настоящее время стандартизованные методики отбора проб на содержание МП ещё не выработаны, поэтому применение различных методик отбора было запланировано и имеет значительную методическую ценность. Проведён анализ содержания пластиковых частиц в собранных образцах. При обработке проб донных отложений (ДО) использовались два метода экстракции - метод NOAA и Мюнхенский сепаратор для извлечения пластиковых частиц из осадков (MPSS). Оба метода были модифицированы и дополнены процедурами внутреннего контроля с использованием флуоресцирующих частиц. Протестирована эффективность MPSS, изготовленного в Атлантическом отделении Института океанологии им. П.П. Ширшова (Калининград), по экстракции МП из донных осадков разных типов, собранных в Балтийском море. Предложен новый сепарационный раствор, состоящий из смеси СaCl2 и ZnCl2, менее токсичный и агрессивный, нежели оригинально рекомендуемый чистый раствор хлорида цинка. По результатам обработки проб ДО составлены карто-схемы концентраций различных форм микропластика (частиц, пленок, волокон) в донных отложениях Российской экономической зоны (Калининградская область) Балтийского моря. Распределение содержания микропластика в донных осадках крайне неоднородно. Концентрации различных форм МП (от 1 до 5 мм) на основе данных по 53 точкам отбора грунта составляют от нескольких сотен до десятков тысяч штук на кв.м., со значительным преобладанием волокон; медианное значение содержания всех форм МП в донных отложениях Российской экономической зоны (Калининградская область) составляет порядка 10 000 шт/м2 (что эквивалентно 1 частице МП на 1 квадратный сантиметр морского дна, и имеет тот же порядок, что и в других регионах Мирового океана – Индийском и Атлантическом океанах, Средиземном море (см., например, Woodall et al., 2014). Отбор проб из толщи воды осуществлялся с помощью разработанного прибора PLEX (PLastic EXplorer; отобрано 219 проб с глубин от 0.5 м до 106 м), батометрами Нискина (55 проб) и с помощью планктонной сети WP-2 (42 пробы). Концентрации частиц МП в водной толще имеют порядок десятков – сотен частиц (всех типов) на кубометр (т.е. 1-2 частицы на 10 литров морской воды). Проведён первичный анализ вертикального распределения частиц МП разных типов в водной толще по результатам измерений PLEX. Проведены серии лабораторных тестов и экспериментов по взмучиванию и осаждению частиц МП. Подготовлена установка, создана система регистрации, и проведены 5 серий лабораторных экспериментов (по 3 прогона в каждой, 50 шагов изменения скорости потока в каждом прогоне) по взмучиванию микропластика однонаправленным постоянным потоком со дна с различной шероховатостью. Использованное покрытие дна: гладкое органическое стекло, естественный калиброванный морской песок (диаметр частицы от 1 до 1.5 мм), натуральные гранулы (диаметр от 3 до 4 мм), янтарная крошка (диаметр от 3 до 4 мм), морская галька (диаметр от 1 до 2 см). В экспериментах участвовали наборы частиц 4-х характерных форм: трехмерные гранулы (3d), плоские хлопья (2d), жесткие лески и гибкие нити (1d). Материалы частиц: нейлон, полиэстер, поликапролактон, PS, PET, янтарь. Размеры частиц МП (< 5 мм по определению) и шероховатости дна были выбраны таким образом, чтобы охватить различные режимы: частицы МП существенно больше размера шероховатости, того же порядка, и существенно меньше его. При размере шероховатости порядка и больше размера частицы МП, очевидна тенденция частиц МП заглубляться в грунт. Это предполагает накапливание загрязнений в областях, где шероховатость дна значительна; более того, максимальные концентрации следует ожидать на границах этих областей с более гладкими, что подтверждается собственными наблюдениями в Балтийском море. Эксперименты показали, что даже для одной и той же частицы на одном и том же типе дна - нет единого значения порога начала движения. Это предполагает переход к вариантам вероятностно-статистического описания взмучивания частиц МП в численных моделях. Создан и протестирован блок транспорта и трансформации частиц микропластика, работающий с полями течений в формате NetCDF на ортогональной сетке, экспортируемыми из любых численных гидродинамических моделей. Блок протестирован в работе с моделями HIROMB и NEMO. В нём заложена возможность учёта конкретных свойств частиц, в том числе с изменением этих свойств со временем. Результаты работы продемонстрированы на примерах переноса по акватории Балтийского моря слабо тонущих волокон и плавучего мусора. С дополнительными информационными и методическими материалами можно ознакомиться на сайте проекта: http://lamp.ocean.ru/. На сайте РНФ представлена информация о ряде публикаций по проекту: www.rscf.ru/ru/node/2482; https://www.instagram.com/p/BWNL11EjTcB/?taken-by=russian_science_foundation. Текущие новости освещались в материалах СМИ, например: https://ria.ru/science/20170802/1499595504.html ; https://indicator.ru/news/2017/08/02/kaliningradskie-okeanologi-baltijskoe-more-plastikovyj-musor/; https://www.gazeta.ru/science/news/2017/08/02/n_10381231.shtml; https://indicator.ru/news/2016/12/30/rossijskie-uchenye-issleduyut-zagryaznenie-baltijskogo-morya-mikroplastikom/.