Development and implementation of high-tech solutions for monitoring, purification, and rational use of water resources in the North Kazakhstan region to ensure public health
The IRN BR28712227 project is being implemented under program-targeted funding for 2025–2027 by the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan.
Program Leader: Y.M. Issakayev, Candidate of Biological Sciences, Chairman of the Executive Board - Rector of NPLC "M. Kozybayev North Kazakhstan University"/
Scientific Supervisor of the Project: Dmitry Aleksandrovich Berillo, PhD, Professor at M. Kozybayev North Kazakhstan University (h-index 24, Scopus), daberillo@ku.edu.kz
Coordinator of the project: A.A. Kakabayev, Candidate of Biological Sciences, Member of the Board for Science and Innovation, and A.S. Shayakhmetova, Candidate of Agricultural Sciences, Dean of the Agrotechnological Faculty.
Program completion dates: 2025-2027
Total amount of funding: for the entire duration of the program – 3,000,000 thousand tenge
2025 – 1,000,000 thousand tenge,
2026 – 1,000,000 thousand tenge,
2027 – 1,000,000 thousand tenge.
The purpose of the project: To create a scientific and technological center on water issues, aimed at introducing high-tech approaches to solving practical problems of ensuring health, food security and sustainable economic development of the North Kazakhstan region.
Expected results:
At the time of completion of the Program, the following will be provided:
- the volume of high-tech products and/or engineering services sold must be at least 10% of the amount allocated under the scientific and technical assignment.
- the volume of attracted investments in fixed assets for development should be at least 7% of the amount allocated according to the scientific and technical assignment;
- availability of tax deductions based on the results of the sale of high-tech products and services;
- registered at least 3 (three) startups that develop innovations and/or commercialize the results of scientific and/or scientific and technical activities;
- the amount of funds (investments) raised for the development of start-ups developing innovations and/or commercializing the results of scientific and (or) scientific and technical activities should be at least 1.5% of the amount allocated according to the scientific and technical assignment;
- organization of scientific, technological and business acceleration events with the participation of at least 30 scientists and specialists;
- graduation of at least 10 (ten) PhD doctors in the field of scientific and technical assignment;
- publication of at least 10 (ten) research articles in peer-reviewed scientific journals indexed in the first two quartiles (Q1, Q2) by impact factor in the Web of Science database and (or) having a CiteScore percentile in the Scopus database of at least 50 (fifty) to the specified publications in selected scientific and technical assignment;
- publication of at least 20 (twenty) research articles in journals recommended by the COKNVO;
- at least 3 (three) patents in foreign patent offices (European, American, Japanese, British) or at least 1 (one) foreign or international patents included in the Derwent Innovations Index (Web of Science, Clarivate Analytics) database or at least 5 (five) intellectual property objects (patent; for applications in the field of information technology - copyright certificate), registered at the National Institute of Intellectual Property of the Republic of Kazakhstan.
- at least 1 (one) license agreements and agreements on assignment of intellectual property rights;
- obtaining an accreditation certificate and/or a license for the type of activity carried out by scientific and technical assignments in accordance with the Legislation of the Republic of Kazakhstan.
- accreditation or extension of the scope of accreditation for laboratories according to the program profile.
- the purchased equipment must be registered on the unified electronic laboratory platform (e-lab).
As a result of the program, the following expected results will be achieved:
- Recommendations have been developed to minimize epidemic risks associated with contamination of groundwater and surface waters, including during floods.
- The results of a hygienic assessment of the quality of drinking water in North Kazakhstan settlements have been obtained.
- The results of an epidemiological assessment of the impact of the water quality of underground and surface water sources of North Kazakhstan region on the health of the population, including the risks of seasonal changes during the flood period, have been obtained.
- A model has been created for predicting the epidemiological situation of water quality in underground and surface water sources during seasonal flood changes.
- For the first time, an information database has been created on the content and spatiotemporal characteristics of pathogenic and conditionally pathogenic microorganisms in wastewater of North Kazakhstan region.
- Recommendations for monitoring microorganisms in water use sites in the post-flood period have been developed and tested in order to prevent outbreaks of infectious diseases in North Kazakhstan region.
- A mobile laboratory for chemical and microbiological analysis of water has been established.
- A factorial model of the vital activity of pathogens in irrigation waters of North Kazakhstan region has been developed.
- A mobile application has been created for rapid testing of an increase in the concentration of pathogens in irrigation water.
- For the first time, a conclusion was formed on the possibility of rehabilitation of water bodies exposed to toxic blooms and/or anthropogenic effects (based on changes in the hydrobiological and hydrochemical composition of water).
- Mapping of the territory was carried out, indicating the sources of microbial contamination, open water sources used for centralized domestic drinking water supply.
- Methods and criteria have been developed for bioindication of the main water bodies of North Kazakhstan region, including the Yesil, border reservoirs (Sergeyevskoye) and the largest lakes, taking into account the requirements of regulatory legal acts of the Republic of Kazakhstan and scientific recommendations.
- A nomenclature of biological species living in the reservoirs of North Kazakhstan region has been created and an assessment of the toxic and mutagenic effect of water resources on the genetic apparatus of animals has been carried out.
- For the first time, a web portal based on GIS technologies for data on reservoirs with an increased level of genotoxicity has been created and recommendations for their use in economic activities have been developed.
- For the first time in the Republic of Kazakhstan, scientifically based recommendations have been developed and a report has been prepared on the effectiveness of biological rehabilitation technology using a strain of Chlorella vulgaris microalgae SKO A RKM-0870 to improve the quality and safety of commercial fish.
- A web portal based on GIS technologies has been created on the impact of changes in the hydrological regime on the quality of life and human health, as well as on agriculture and production in North Kazakhstan region.
- An interactive map of the riverbed of the Yesil River in North Kazakhstan region has been developed with updating of data on the hydrological regime in real time.
- A promising model for assessing and predicting the processes of spring flooding has been created.
- Conceptual and legal frameworks of regulatory legal acts have been developed in order to improve the quality of life and health of the population in North Kazakhstan region.
- A hackathon was held among students to create prototypes of mobile applications for managing renewable energy sources and irrigation systems
- Innovative educational programs have been developed aimed at the formation of new personnel in the field of life sciences and healthcare.
- Course programs have been developed in the field of epidemiology and public health.
- Effective methods of water quality control for watering farm animals have been developed.
- Software and hardware tools have been developed to automate the irrigation complex, ensuring the implementation of the necessary irrigation processes, taking into account the savings in water and energy consumption.
- A scientific and technological complex with accredited laboratories has been created.
- Analytical and statistical calculations have been carried out to quickly respond to changes in the quality of water used in agricultural production.
- Provision of scientific substantiation services for the introduction of modern irrigation systems in crop production.
Project Description: The implementation of this scientific program will make a significant contribution to solving urgent problems related to providing the population of Northern Kazakhstan with water resources, strengthening food security and effective management of natural resources. In addition, the objectives of the Program will significantly strengthen the scientific and technological potential of the region, stimulating its innovative development. The program is structured in the form of five complementary blocks, each of which includes a specific list of tasks. The first four blocks are focused on the study of water resources problems and improving food security in the region, while the fifth block is focused on the creation of a scientific and technological laboratory complex:
Block I.
To develop a set of measures to protect public health by conducting epidemiological and hygienic studies of sources of centralized household and drinking water supply, drinking and irrigation water on the basis of industrial and agricultural enterprises of North Kazakhstan region:
- To investigate the chemical and microbiological composition of irrigation waters in North Kazakhstan region to assess their impact on epidemiological indicators of public health, as well as to analyze the identified pathogens transmitted through water.
- To carry out a hygienic assessment of the quality of drinking water in the settlements of North Kazakhstan region, with the creation of a register of water resources of North Kazakhstan region with a description of the sources of their pollution.
- To provide an epidemiological assessment and forecast of the impact of the water quality of underground and surface water sources of North Kazakhstan Region on the health of the population, including the risks of seasonal changes during the flood period.
- To conduct research on the possibilities of using artificial intelligence to collect and process data from IoT devices in order to timely inform consumers about the environmental condition of water bodies, including the transfer of international experience.
- To create a mobile application for rapid testing of increasing the concentration of pathogens in irrigation water with the participation of students as part of their development of interdisciplinary competencies.
- To conduct experimental work to determine the effectiveness of the use of the technology of rehabilitation and purification of reservoirs using the strain of microalgae Chlorella vulgaris SKO A RKM-0870 for the implementation of a large-scale project for the rehabilitation of water bodies of North Kazakhstan region exposed to toxic blooming and/or anthropogenic pollution, including during extreme weather conditions, prolonged floods and floods in order to reduce risks threats to public health.
- To develop, taking into account international best practices, recommendations on monitoring the microbiological composition of waters for various purposes to support public health and rapid response measures in the context of infectious outbreaks and pandemics.
- To create a web portal based on GIS technologies containing information on the presence of bacteria and viruses in wastewater of North Kazakhstan region to monitor changes in the composition of waters affecting public health and prompt response of sanitary and epidemiological services.
- To create a mobile laboratory for chemical and microbiological analysis of water using innovative test systems in the conditions of North Kazakhstan region.
To conduct comprehensive studies of reservoirs of North Kazakhstan region in order to determine their suitability for use by the population:
- To conduct research to assess changes in hydrological processes in the Esil River basin in order to bioindicate changes in the hydrological regime of the river basin affecting water quality and to develop scientifically sound recommendations for reducing anthropogenic impact on water bodies in North Kazakhstan region.
- To develop new scientifically based adaptive methods for monitoring biological species living in the studied reservoirs, taking into account seasonal changes.
- To prepare scientifically based recommendations to support students' educational programs aimed at a specialized assessment of the toxic and mutagenic effects of water resources on the genetic apparatus of animals.
- To conduct experimental work to determine the effectiveness of biological rehabilitation technology using a strain of microalgae Chlorella vulgaris SKO A RKM-0870 to increase the productivity of fisheries reservoirs, reduce the risks of mass starvation of fish and maintain normal oxygen concentrations.
- To develop methods and criteria for bioindication of the main water bodies, including the river Yesil, border reservoirs (Sergeyevskoye) and the largest lakes, taking into account the requirements of regulatory legal acts of the Republic of Kazakhstan and scientific recommendations. Create a database in the form of a web portal of reservoirs with a high level of genetic toxicity and develop recommendations for their use in economic activities.
- To develop a web portal based on GIS technologies that displays operational and historical data on the physical parameters and changes in the hydrological regime of the Esil riverbed within North Kazakhstan region to reduce the risks of floods and emergencies that have a direct impact on the epidemiological situation and the health of the region's population.
III. Block.
To develop technologies for sustainable water use based on advanced international standards to ensure public safety and health, organic farming and environmental protection:
- To investigate the influence of water indicators on the quality of feed and the safety of livestock products in order to eliminate the risks of a threat to human health.
- To develop water purification and treatment systems for technological processes at processing plants, including physico-chemical and biological water purification, in order to prevent harmful effects on human health and ensure the safety of finished products.
- To develop a plant water consumption management model adapted to the climatic conditions of North Kazakhstan region in order to optimize irrigation regimes aimed at increasing productivity, quality of agricultural products and achieving sustainable development goals, conserving water resources and minimizing negative impacts on human health and the environment.
- To analyze the regulatory framework in the field of human health and environmental protection of the Republic of Kazakhstan. To develop a conceptual and legal framework to improve the quality of life and health of the population in North Kazakhstan region.
IV. Block.
To develop and create methods to increase crop yields and minimize the impact of anthropogenic factors on the environment using digital solutions:
- To carry out an analysis of world practices and research on the collection and processing of telemetry data for the implementation of irrigation processes in order to efficiently allocate water resources.
- To introduce innovative technologies for automation of irrigation complexes through optimization of water and energy supply using renewable energy sources in order to minimize the environmental impact on the territory of North Kazakhstan region.
- Students create prototypes of mobile applications for managing irrigation systems based on renewable energy sources as part of their qualification work.
- To develop innovative educational programs aimed at the formation of new personnel in the field of life sciences and healthcare.
Opening of new laboratories:
- Water quality assessment laboratory.
- Laboratory of Multimodal Microscopy and Biosensor Technologies.
- GIS Technology Laboratory.
- Microbiology laboratory.
- Agrochemanalyst's laboratory.
- Laboratory of Environmental Toxicology and Biodiversity.
Список лабораторий проекта:
1. Лаборатория АгроХимАналитика (АХА) (УЛК, 1 этаж)
Цель лаборатории: Оценка агроэкологических и радиологических характеристик почв и кормов, мониторинг загрязнителей вс/х экосистемах, обеспечение устойчивого агроводопользования и безопасности продукции животноводства.
Зав. лабораторией: Алмауль Бегалинова
Сотрудники: м.н.с Усеинов Азамат Айсаевич
Основные задачи лаборатории:
Физико-химический анализ почв и кормов: Определение pH, органического вещества, макро- и микроэлементов.
Используемое оборудование:
- ВЭЖХ с УФ-детектором, атомно-абсорбционный спектрометр МГА-1000, спектрофотометр PE-5300 VI.
- Мобильная лаборатория - экспресс-оценка в полевых условиях.
Определение остаточных загрязнителей: Хроматографический анализ пестицидов, тяжёлых металлов и органических соединений, Оценка биоаккумуляции загрязняющих веществ в почве и корме.
Приборы:
- ГХ/МС Agilent 5977B,
- газовый хроматограф Agilent 8890,
- анализатор ртути РА-915М.
2. Лаборатория оценки качества воды (УЛК, 1 этаж)
Цель лаборатории: Комплексная оценка физико-химического, органического и микробиологического состава питьевой и поверхностной воды, включая определение загрязнителей и санитарно-эпидемиологическую безопасность.
Зав. лабораторией: Гордиенко Оксана Геннадьевна
Состав лаборатории: Dr. Bachir Yaou Balarabe ( в.н.с., h-index 10), Dr. В.н.с. Gadetskaya Anastassiya (h-index 8), Масалимова Бакытгуль Кабыкеновна, (к.х.н., h-index 8, в.н.с.), Мещанова А.Г. (м.н.с.), Рубе Варвара Анатольевна (н.с.), Чемчик Дмитрий к.х.н. (с.н.с), Караубаева А А (н.с.), Шарипова С.А. (с.н.с.) к.х.н., Топорков Илья (лаборант).
Основные задачи лаборатории:
Физико-химический анализ воды:
- Определение мутности, солености, жесткости, растворённого кислорода, содержания тяжёлых металлов, анионов (нитраты, сульфаты, фосфаты и др.).
- УФ-спектрофотометр (Shimadzu UV-1900i) - анализ сложных систем методом дифференциальной спектрофотометрии.
- Ионный хроматограф 940 Professional IC Vario - определение ионного состава питьевой и поверхностной воды.
- Спектрометр атомно-абсорбционный с электротермической атомизацией МГА-1000,
- Анализатор ртути «РА-915М»
Органический состав и пестициды:
- ВЭЖХ с Масс детектором (Жидкостной хромато-масс-спектрометр модель Triple Quad 5500+, AB Sciex, 5062231 +EXION AC);
- Электрофорезная система - анализ органических молекул (белки, ДНК).
- ИК-фурье спектрометр ALPHA II с ATR модулем обладает широким спектром применения, включая анализ зерна, молока и молочных продуктов.
Молекулярно-генетический анализ:
- Nano DNA/RNA спектрометр - определение микроконцентраций нуклеиновых кислот, экспресс-оценка микробного загрязнения воды.
Микробиологический контроль:
- Фильтрация проб воды для выявления санитарно-индикаторных микроорганизмов (кишечная палочка, энтерококки и др.).
- Прямой флуоресцентный микроскоп - визуализация флуоресцентно-меченых микроорганизмов.
- Анализ нормальной микробиоты и определение биологической активности водных микробов.
3. Лаборатория экологической токсикологии и биоразнообразия (Корпус №2, 3 этаж, каб. 306)
Цель лаборатории: Разработка и внедрение научно обоснованных методов биоиндикации и водных экосистем СКО, включая реку Есиль, пограничные водохранилища (Сергеевское) и крупнейшие озера, с целью оценки и минимизации антропогенного воздействия на качество воды и биологическое разнообразие.
Зав. лабораторией: Корнилова Анна Александровна
Сотрудники: Зубань И. А. (h-index 4), Маратова, Кондратьева Екатерина Сергеевна (лаборант).
Основные задачи лаборатории:
- Разработать и апробировать методы и критерии биоиндикации основных водных объектов СКО, учитывая сезонные и гидрологические изменения.
- Провести комплексные исследования изменений гидрологических процессов в бассейне реки Есиль и оценить их влияние на качество воды и состояние экосистем.
- Разработать адаптированные методики биологических видов, обитающих в ограниченных водоемах, с учетом сезонных изменений и экологических факторов.
- Подготовить научно обоснованные рекомендации для сопровождения образовательных программ, направленных на изучение токсичного и мутагенного водных ресурсов на генетических аппаратах животных.
- Провести экспериментальные исследования по эффективности биологической реабилитации водоемов с использованием штамма микроводоросли Chlorella vulgaris SKO A RKM-0870 для повышения продуктивности рыбохозяйственных водоемов, снижения риска массового замора рыбы и поддержания нормального здоровья населения.
4. Лаборатория микробиологии
Цель лаборатории: Проведение комплексных исследований и гигиенических оценок качества воды из централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, питьевого водоснабжения и поливной воды в СКО, а также эпидемиологической оценки качества подземных и надземных водоисточников на здоровье населения с учетом сезонных изменений и прогнозированием рисков ухудшения качества воды.
Зав. лабораторией: с.н.с., Dr. Yerkanat Kanafin (h-index 10)
Состав лаборатории: Стогниев Иван Михайлович, Садовская Мария Николаевна (врач эпидемиолог, н.с.), Звенигородская Марина Викторовна (н.с.), Охмат Ирина Сергеевна (лаборант).
Основные задачи лаборатории:
- Провести микробиологический и гигиенический анализ качества воды в источниках централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также питьевой и поливной воды на территории СКО.
- Оценить сезонные колебания показателей качества воды, особенно в паводковый период, с выявлением периодов повышенного загрязнения.
- Выполнить эпидемиологический анализ качества водоисточников (подземных и поверхностных) на состояние здоровья населения.
- Разработать методики Диптихов и оценки качества воды, адаптированные к региональным особенностям СКО и современным экологическим условиям.
- Прогнозировать потенциальные риски и угрозы, связанные с воздействием качества воды, с осторожностью принятия мер по предотвращению негативных последствий для здоровья населения.
- Подготовить научно-обоснованные рекомендации для органов здравоохранения и водоснабжения по обеспечению безопасности водных ресурсов и снижению санитарно-эпидемиологического риска.
5. Лаборатория ГИС-технологий (УЛК, 1 этаж)
Цель лаборатории: мониторинг экологического состояния окружающей среды (вода, почва, воздух, биоразнообразие) с использованием технологий дистанционного зондирования и геоинформационных систем (ГИС) для оперативного выявления и картирования экологических рисков.
Зав. лабораторией: Доскенова Бану Бейсеновна, к.б.н.
Состав лаборатории: Сартин Сергей Александрович, Исмагулова Салтанат Макановна, PhD с.н.с., Алешин Д.В., Мажитова Гульнур Забихуллаевна н.с., Шогжанова Меруерт Болатовна м.н.с., Гололобова Евгения Георгиевна м.н.с., Седельников Игорь Александрович м.н.с., Касимова Светлана Александровна, Шугулова Дина Каировна, м.н.с.
Основные задачи лаборатории:
- Сбор и интерпретация пространственных экологических данных:
Использование программного обеспечения ЭРА для сбора, анализа и визуализации данных по качеству воды, воздуха и почвы. Проведение экологического мониторинга с последующей интеграцией данных в ГИС-платформы.
- Аэрофотосъёмка и мультиспектральное картирование: Получение высокоточных мультиспектральных и RGB-снимков с БПЛА:
- Геоскан 201 - для мультиспектральной съёмки;
- Геоскан 401 Геофизика и Геоскан 401 с GNSS - для геофизических и топографических измерений;
- ВВ4-Mini с AlphaAir - лазерное сканирование и построение 3D-моделей;
- Геоскан Пионер - учебно-методическая платформа;
- Камера Sony ZV-E10 - фотосъёмка в высоком разрешении.
- Геопривязка и навигация: Получение точных координат (X, Y, Z) загрязнённых объектов (водоёмы, сточные выбросы и т.п.) с использованием высокоточного геодезического оборудования:
- CHCNAV iBASE и CHCNAV i73+.
- Оценка геннотоксичности и биологических угроз: Выявление водоёмов с повышенной геннотоксичностью и наличием патогенов путём дистанционного и контактного анализа. Поддержка других лабораторий путём предоставления пространственно-точных данных для химико-биологических анализов.
Ожидаемые результаты:
- Создание эколого-гидрологической ГИС-карты региона с указанием координат загрязнённых точек и уровней риска.
- Выявление и регулярный мониторинг зон с повышенной токсичностью, микробиологической угрозой и загрязнением.
6. Лаборатория многомодальной микроскопии и биосенсорных технологий (2 корпус, 1 этаж, каб 106а)
Цель лаборатории: разработки и внедрения современных методов анализа и мониторинга качества воды, биологических жидкостей и окружающей среды на основе мультисенсорных подходов, микроскопии высокого разрешения и передовых технологий пробоподготовки в перспективе для поточного анализа клинических образцов.
Зав. лабораторией: Dr. Sulemenova Akmaral (h-index 5), Dr Neda Eghtesadi (h-index 6)
Состав лаборатории: Семенюк Владислав Владимирович н.с., Ташибаев Рустем Маратович (м.н.с.), Dr.Y.Veera Manohara Reddy(в.н.с., h-index 21), Dr. S. Lokeswara Reddy (в.н.с., h-index 10), Ricoveer (Rico) Shergill (с н.с., h-index 7).
Основные задачи лаборатории:
- Разработка и валидация биосенсорных систем нового поколения, в том числе: электрохимических биосенсоров с использованием молекулярно импринтированных полимеров (MIPs) для селективного обнаружения токсикантов (пестицидов, тяжелых металлов, бактериальных токсинов); Потенциостатических и импедансных сенсоров для анализа вод различного происхождения и биологических образцов.
- Пробоподготовка и концентрирование образцов: Разработка фильтрующих материалов и адсорбентов (например, на основе криогелей) для предварительного концентрирования низкоуровневых загрязнителей; использование криотермостатов, лиофильной сушки и вакуумной плазменной очистки для подготовки образцов к микроскопии и электрохимическому анализу.
- Микроскопический и спектроскопический анализ: Применение флуоресцентной и конфокальной микроскопии для анализа клеток, микроорганизмов, растительных и биологических тканей; Использование сканирующего электронного микроскопа для морфологического анализа фильтров, образцов почв, минералов и бактерий до и после процессов очистки и биоремедиации.
- Физико-химическое и термодинамическое исследование биопроцессов: Измерение тепловых эффектов роста микроорганизмов с помощью изотермического калориметра (ТАМ III) для мониторинга процессов биоремедиации и контроля микробиологической активности.
- Анализ качества воды и контроль наночастиц: Определение размера, заряда и распределения наночастиц с использованием Zetasizer Lab; Разработка методов экспресс-контроля питьевой, сточной и поверхностной воды.
- Разработка методологии калибровки и подтверждающего анализа: Использование высокоэффективной жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией (ВЭЖХ-МС) как подтверждающего метода для верификации данных биосенсоров и построения калибровочных моделей.
Запланированные Startup
- Startup Фильтры для очищения воды и для очищения технической воды для с/х
- Startup Влагоудерживающие полимеры для почв и защита от эрозии почвы
- Startup Биотехнологическая переработка с/х отходов в органические удобрения
- Startup Создание мобильного сенсора для мониторига качества воды в водоемах
Коммерциализация
- Предоставление услуг по анализу воды и с/х продукции 2-мя аккредитоваными лабораториями
- Консалгинговые услуги по системам для очищения воды «КызылЖарСу», «ЕвразияМилк», «Радуга» и др.
- Предоставление услуг по анализу образцов в рамках выполнения других ГФ, ПЦФ, ГМУ и ЖасГалым и внутривузовских грантов выполняемые через приобретение расходных материалов для аккредитованных лабораторий согласно общему прейскуранту цен за анализ
- Консалтинговые услуги по мониторингу
- Привлечение инвестиций в Стартап компании
- Подача заявок на коммерциализацию разработок в Фонд Науки РК
Планы на подготовку докторантов до конца 2027 года