В силу природно-климатических особенностей наиболее перспективными для АЗРФ являются так называемые синие низкотемпературные (холодноводные) биотехнологии, основанные на использовании водных ресурсов. Они позволяют значительно снизить последствия глобальных и региональных изменений окружающей среды и климата. В концепцию синей экономики заложен фундаментальный принцип «используя ресурсы, доступные в каскадных системах, ...отходы одного продукта становятся вкладом в создание нового денежного потока», а решения определяются местной средой и физико-экологическими характеристиками [40]. Низкотемпературные биотехнологии могут стать одним из основных инструментов, обеспечивающих решение сформулированной в «Стратегии...» задачи преобразования фундаментальных знаний, поисковых научных исследований и прикладных исследований в продукты и услуги, способствующие достижению лидерства России на перспективных рынках (п. 23).
Перспективным направлением является очистка стоков различного происхождения от веществ- биогенов, являющихся сырьем для производства различных биопродуктов. Основой для подобных биотехнологий стала практика применения микроводорослей, позволяющих не только очистить стоки до нормативных показателей, но и получать ценнейшие продукты (биотопливо, биологически активные и лекарственные вещества, наноструктуры с заданными свойствами на основе биополимеров и т. д.), что снижает затраты на очистку и имеет большой потенциал прибыльности. Микроводоросли -- уникальная группа фототрофных организмов, представленная многочисленными про- и эукариотическими видами и имеющая широчайший ареал распространения в природе: моря, реки, озера, почва. Водоросли встречаются повсюду, где есть влажность и какой-то доступный свет: в океане, на морском дне, в озерах, на льду, даже на стенах пещер. Используя солнечную энергию и минеральные вещества из окружающей среды, они создают первичное органическое вещество, используемое другими компонентами пищевых цепей, и обогащают атмосферу Земли кислородом, снижая содержание углекислого газа. Это одноклеточные микроорганизмы c огромным потенциалом применения в разных отраслях науки и техники. Перспективность использования микроводорослей в качестве основных агентов процессов переработки стоков определяется их способностью размножаться в универ- сальных условиях окружающей среды, поглощая биогены, обогащая воду кислородом, подавляя патогенную микрофлору и продуцируя огромную биомассу, пригодную для дальнейшей переработки и производства коммерчески ценных углеродотри- цательных продуктов (биотоплива, биологически активных веществ и т. д.). Микроводоросли показывают более высокую эффективность удаления биогенных веществ, присутствующих в различных сточных водах, чем другие микроорганизмы, так как непосредственно используют эти вещества для роста. Они признаны одной из самых мощных платформ биотехнологий для многих продуктов с добавленной стоимостью, включая биотопливо, биологически активные соединения, корм для животных и аквакультуры и т. д. [41 --44].
Рис. 4. Водоросли Ulothrix zonata (а, б) и Hydrurus foetidus (Vill.) Trev. (г) в водных объектах Хибин весной: типичное местообитание (в) и внешний вид обрастаний (фото Д. Денисова)
Fig. 4. Algaes Ulothrix zonata (а, б) and Hydrurus foetidus (Vill.) Trev. (г) in the streams of The Khibin Mountains in the spring: typical habitat (в) and appearance of fouling (photo by D. Denisov)
Использование сточных вод для выращивания микроводорослей делает очистку сточных вод экономически и энергоэффективной. Данные технологии позволяют наиболее полно реализовать принципиально новые модели устойчивого роста -- циркулярные экономические модели, когда в процессе очистки воды и поглощения СО2 производятся богатая протеинами, липидами, минеральными и биологически активными веществами органическая биомасса, экстракционные наноматериалы [44--48].
Однако в условиях умеренного климата, а тем более в Арктике эти технологии не нашли широкого применения, поскольку исследования и их применение традиционно позиционируются в районах с теплым климатом. Использование имеющихся разработок в условиях Арктики ограничивается необходимостью поддержания относительно высоких температур рабочих сред, что резко снижает рентабельность процесса. В то же время исследования биологического разнообразия арктического региона показывают, что в природе имеется большое количество микроводорослей, адаптировавшихся к жизни в арктических условиях, способных эффективно использовать доступные ресурсы в диапазоне температур, близких к 0°С, и обладающих равной или даже большей продуктивностью по сравнению с теплолюбивыми штаммами (рис. 4). Необходимо развитие новых направлений исследований по выделению из природных сред этих организмов, оценка их эффективности для решения конкретных проблем и разработки технологий на их основе. Тот факт, что в арктических природных водоемах температура среды круглогодично характеризуется положительными значениями, дает неоспоримые преимущества использованию синих биотехнологий по сравнению с "наземными", имеющими выраженный сезонный характер. Синие биотехнологии имеют на порядки большую продуктивность на единицу площади в пересчете на год, позволяют избежать использования земель сельскохозяйственного назначения для производства технической продукции, сочетать эти производства с очисткой водной среды.
В России пробел в данной области исследований достаточно очевиден. В АЗРФ развита горнодобывающая промышленность, ведущая разработку полезных ископаемых с использованием азотсодержащих взрывчатых веществ, обуславливающую загрязнение биогенными веществами природных водоемов.
Существенную экологическую нагрузку в виде коммунально-бытовых стоков дают города и сельское хозяйство. Новыми значимыми источниками загрязнения водной среды биогенными веществами становятся бурно развивающиеся предприятия аквакультуры.
Стандартные технологии водоочистки не справляются с огромными объемами низкоконцентрированных стоков или вовсе отсутствуют. Разработка адаптированных к арктическим условиям технологий очистки сточных вод с использованием микроводорослей находится на самых начальных этапах и в основном за рубежом. В настоящее время для изучения и коммерческого использования биотехнологического потенциала холодноводных микроводорослей в странах Северной Европы создаются специализированные биотехнологические центры. Так, инновационные разработки основанной в 2014 г. «Swedish Algae Factory» позволяют не только очищать воду, поглощая СО2 и получая эффективную экологически чистую биомассу, но и создавать новые наноматериалы, повышающие эффективность солнечных батарей. Для содействия выходу России на лидирующие позиции в области разработки низкотемпературных биотехнологий, в том числе по отдельным направлениям биомедицины, агробиотехнологий, промышленной биотехнологии и биоэнергетики, применимых в АЗРФ, требуется создать межинституционный научно-технологический центр, объединяющий усилия специалистов разных областей знаний и промышленности (рис. 5).
Мурманскую область можно рассматривать как уникальный модельный полигон для решения задач, связанных с разработкой основ сохранения ресурсного потенциала пресных вод АЗРФ. Накоплен большой опыт изучения состояния микробиоты в природных средах, собраны коллекции арктических микроводорослей, разработаны методики исследований микроорганизмов в реальных условиях. Получены знания, дающие ключи к пониманию особенностей функционирования сообществ микроводорослей в различных арктических экосистемах, включая их взаимодействие с другими биотическими и абиотическими компонентами этих систем.
Рис. 5. Ожидаемые результаты развития биотехнологий на основе микроводорослей в АЗРФ
Fig. 5. Expected results of development of biotechnologies based on microalgae in the Russian Arctic
Однако для выполнения полного спектра работ и реализации приоритетных инновационных и инвестиционных проектов в области низкотемпературной биотехнологии путем решения ряда актуальных научных, экономических и инженерных проблем, связанных с экологически безопасным, устойчивым и эффективным территориальным развитием, позволяющим повысить качество жизни человека в Арктике, необходимо создать региональную научно-производственную инфраструктуру развития биотехнологии в АЗРФ. Первоочередными задачами являются: выделение из природных сред и создание коллекций микроорганизмов, способных эффективно «работать» в диапазоне температур, близких к 0°С, оценка эффективности выделенных микроорганизмов в различных технологических процессах, разработка арктических низкотемпературных биотехнологий мирового уровня, направленных на решение конкретных технологических и экологических задач.
Организация регионального биотехнологического центра позволит сфокусировать накопленные знания и интеллектуальные ресурсы на создание продуктов, предназначенных для расширения присутствия человека в АЗРФ, развития ресурсодобывающих отраслей, природоохранных технологий, обеспечивающих условия для формирования системы устойчивого развития региона, адаптированной к возрастающей антропогенной нагрузке на окружающую среду в условиях интенсификации освоения АЗРФ, в форме комплексных научно-технических проектов, включающих все этапы инновационного цикла от получения новых фундаментальных знаний до их практического использования, создания технологий, продуктов и услуг и их выхода на рынок. Это в конечном счете будет содействовать выходу России на лидирующие позиции в области разработки низкотемпературных биотехнологий.
Заключение
Подводя итоги, можно утверждать, что существующие экономические модели не способны обеспечить устойчивое развитие АЗРФ и технологическое лидерство в Арктике. Необходимо выработать стратегию использования природных ресурсов региона, основанную на знаниях, новых технологиях и экономических моделях, позволяющих значительно повысить прибыльность и экологичность производственных процессов, значительно расширить ресурсную базу, обеспечить устойчивое развитие. Одним из инновационных направлений в этой области должны стать низкотемпературные биотехнологии.
Возможно ли сейчас сформулировать эту стратегию изменений? Обоснованно считаем: возможно и своевременно. Возможность определяется уже созданным прочным фундаментом накопленных знаний, требующим постановки и решения задач нового уровня. Своевременность предопределена новым подходом к управлению АЗРФ как единым объектом государственного планирования, требующим постановки долгосрочных целей на новых принципах устойчивого развития.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проект 18-05-60125 «Крупные озера Арктики в условиях глобальных и региональных изменений окружающей среды и климата»).
Литература/References
1. Павленко В. И. Арктическая зона Российской Федерации в системе обеспечения национальных интересов страны // Арктика: экология и экономика. -- 2013. -- № 4 (12). -- С. 16--25.
Pavlenko V. I. Arkticheskaya zona Rossiiskoi Federat- sii v sisteme obespecheniya natsional'nykh interesov strany. [Arctic zone of the Russian Federation in the system of national interests of the country]. Arktika: ekologiya i ekonomika, 2013, по. 4 (12), рр. 16--25. (In Russian).
2. Татаркин А. И., Захарчук Е. А., Логинов В. Г. Современная парадигма освоения и развития Арктической зоны Российской Федерации // Арктика: экология и экономика. -- 2015. -- № 2 (18). -- С. 4--13. Tatarkin A. I., Zakharchuk E. A., Loginov V. G. Sovremen- naya paradigma osvoeniya i razvitiya Arkticheskoi zony Rossiiskoi Federatsii. [The modern paradigm of development of the Arctic zone of the Russian Federation]. Arktika: ekologiya i ekonomika, 2015, по. 2 (18), рр. 4--13. (In Russian).
3. Ness D. Sustainable urban infrastructure in China: Towards a Factor 10 improvement in resource productivity through integrated infrastructure systems. Intern.
J. Sustain. Dev. World Ecol., 2008, 15, pp. 288 --301. DOI: 10.3843/SusDev. 15.4:2.
4. Ghisellini P., Cialani C., Ulgiati S. A review on circular economy: the expected transition to a balanced interplay of environmental and economic systems. J. of Cleaner Production, 2016, vоl. 114, рр. 11--32. DOI: 10.1016/j.jclepro.2015.09.007.
5. Охрана окружающей среды в России. 2016: Стат. сб. / Росстат. -- M., 2016. -- С. 0--92.
Okhrana okruzhayushchei sredy v Rossii. [Environmental protection in Russia. 2016]. Stat. sb. Rosstat. Moscow, 2016, pp. 0--92. (In Russian).
6. Preston F. A global redesign? Shaping the circular economy. The Royal Inst. of Intern. Affairs. London, Chatham House, 2012.
7. Lacy P, Rosenberg D., Drewell Q., Rutqvist J. 5 Business Models that are Driving the Circular Economy, 2013. Available аР https://www.fastcompany. com/1681904/5-business-models-that-are-driving- the-circular-economy.
8. Planing P. Business model innovation in a circular economy reasons for non-acceptance of circular business models. Open J. of Business Model Innovation, 2015, vcl. 1, р. 11.
9. Erkman S. Industrial ecology: an historical view. J. of Cleaner Production, 1997, vol. 5, по. 1 --2, pp. 1 --10.
10. Preston F., Lehne J. A Wider Circle? The Circular Economy in Developing Countries. London, Chatham House, 2017, 24 р.
11. Qadir M., Smakhtin V. Where the Water Is. Project Syndicate. 2018. Available аР https://www.project-syndicate.org/commentary/tapping-unconventional- freshwater-sources-by-manzoor-qadir-and-vladimir- smakhtin-2018-05.
12. Преобразование нашего мира: Повестка дня в области устойчивого развития на период до 2030 года. ООН, 2015. -- URL: http://docs.cntd.ru/ document/420355765.
Preobrazovanie nashego mira: Povestka dnya v oblasti ustoichivogo razvitiya na period do 2030 goda. OON, 2015 [Transforming our world: the 2030 Agenda for Sustainable Development. 70/1. UN. Resolution adopted by the General Assembly on 25 September 2015]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/420355765 (In Russian).
13. Global Risks 2015, 10th Edition. World Economic Forum. Geneva, 2015. Available аР http://www3.wefo- rum.org/docs/WEF_Global_Risks_2015_Report15.pdf.
14. Schwarzenbach R. P., Egli T., Hofstetter T. B., Urs von Gunten U., Wehrli B. Global water pollution and human health. Annual Rev. of Environment and Resources, 2010, 35, рр. 109--136.
15. Cosgrove W. J., Loucks D. P. Water management: Current and future challenges and research directions. Water Resources Research, 2015, vоl. 51, по. 6, рр. 4823--4839.
16. Hoekstra A. Y. Water scarcity challenges to business. Nature climate change. 2014, vоl. 4, по. 5, рр. 318--320. DOI: 10.1038/nclimate2214.
17. Water. Global Issue. Socio-Economic and Demographic Drivers. WEF, 2018. Available аР https://toplink. weforum.org/knowledge/insight/a1Gb00000015ML- gEAM/explore/dimension/a1Gb0000001TbSMEA0/ summary.
18. Kashulin N. A., Dauvalter V., Denisov D., Valkova S. Selected aspects of the current state of freshwater resources in the Murmansk region, Russiа. J. of Environmental Science and Health. 2017, pt. A, 52 (9), pp. 921 -- 929. DOI: 10.1080/10934529.2017.1318633.
19. Кашулина Т. Г., Кашулин Н. А., Даувальтер В. А. Долговременная динамика гидрохимических показателей низкоминерализованного субарктического озера при снижении кислотной нагрузки // Вестн. Мурм. гос. техн. ун-та. -- 2016. -- Т. 19. -- № 1--2. -- С. 194--206. Kashulina T. G., Kashulin N. A., Dauval'ter V A. Dolgov- remennaya dinamika gidrokhimicheskikh pokazatelei nizkomineralizovannogo subarkticheskogo ozera pri snizhenii kislotnoi nagruzki. [The long-term dynamics of hydrochemical indices of low-mineralized subarctic lakes in reducing the acid load]. Vestn. Murm. gos. tekhn. un-ta, 2016, vоl. 19, по. 1 --2, рр. 194--206. (In Russian).