Почвенные биомаркеры: идентификация, устойчивость, активность, возможность использования для мониторингаНИР

Soil biomarkers: identification, stability, activity, possibility of use for monitoring

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Этап 1. Разработка и модификация методов определения почвенных биомаркеров
Результаты этапа: Все запланированные на 2022 г. результаты достигнуты: проанализированы, модифицированы по мере необходимости и разработаны новые методики определения биомаркеров, необходимые для практики мониторинга объектов окружающей среды, например: 1) на основе литературного обзора предложена методика определения токсинов и патогенных организмов для почв, осадков сточных вод, разработаны критерии оценки рисков от потенциально опасных патогенных организмов в почвах и в органических удобрениях. На основе литературного обзора дана оценка обеззараживающего эффекта разных очистных сооружений, которые являются источниками биогенных элементов для почв и сырьем для производства органических удобрений; 2) на основе апробации метода метагеномного анализа проанализирована структура микробного сообщества сточных вод 3) модифицирована существующая методика определения лигниновых фенолов в почвах и тканях растений; 4) модифицирована для почв методика определения фитогормонов; 5) модифицированы для условий газо-жидкостной хроматографии методики определения аминокислот и аминосахаров; 6) обобщены существующие методические подходы к определению изотопных биомаркеров; 7) усовершенствована методика определения н-алканов в почвах; 8) разработаны новые методы определения аллелотоксинов в почвах и сопредельных средах; 9) апробированы методы ИК и ЯМР-спектроскопии для разных типов объектов (гуминовых кислот и водорастворимого органического вещества); 10) модифицированы и апробированы методы фитолитного и микроморфологического анализа для низкоуглеродных плейстоценовых почв и образцов пыли; 11) полученные результаты широко популяризованы для разных групп населения при реализации проекта "Экологическое содружество". Практическая значимость проделанной работы состоит в том, что отчет содержит готовые к практическому употреблению методики, протестированные на различных объектах зонального ряда почв, соответствующие современному уровню биохимического анализа и сопоставимые с методами мировой науки. Научная значимость исследования состоит в том, что полученные данные могут быть использованы в обновлении теоретической базы почвенной биохимии, а также в выявлении новых биомаркеров трансформации органического вещества почв. Результаты исследований опубликованы в 5 статьях WOS/SCOPUS, в том числе в 2-х статьях из списка Q1, а также в ряде статей RSCI и РИНЦ, доложены на отечественных и международных конференциях, оформлены в виде 1 патента.
2 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Этап 2. Оценка устойчивости почвенных биомаркеров в дневных и погребенных почвах естественных и урбоэкосистем, в природных водах, осадках сточных вод, в грунтах.
Результаты этапа: Целью исследования в 2023 г. стал анализ устойчивости почвенных биомаркеров в дневных и погребенных почвах естественных и урбоэкосистем Русской равнины и вертикальных зон Кавказа, а также Главной гряды Крымских гор, в природных водах, осадках сточных вод, в грунтах. На основе анализа различных резервуаров охарактеризованы пулы почвенных биомаркеров для макро-, мезо-, микро и субмикроуровней организации почвенной массы с оценкой их информативности; 3) Выполнены исследования различных биомаркеров с оценкой их устойчивости для различных почв и сопредельных сред (вода, осадки очистных сооружений, семена растений, педолитоседименты); 4) оценена степень и возможности стабилизации и сохранности биомаркеров в почвах, в разных позициях рельефа, в разных системах землепользования, в дневных и погребенных почвах разного возраста. Результаты исследований опубликованы в 3 статьях RSCI, 3 WOS, 3 SCOPUS, двух монографиях, 10 статьях РИНЦ, представлены в виде 17 докладов на отечественных и международных конференциях, оформлен патент и защищена кандидатская диссертация по теме государственного задания. Установлено, что гомологический набор н-алканов в горизонтах почвенного профиля формируется как результат эволюции фитоценоза в ходе первичной или вторичной (например агрогенной) сукцессии и определяется совместным вкладом современных надземных и подземных источников липидов, а также реликтовым органическим веществом предшествующих стадий растительной сукцессии. В зоне южной тайги следы антропогенного воздействия на почву (пашня, пастбище, сенокосный луг) могут сохраняться в химическом составе липидов не менее 200 лет, а, возможно, и до 400 лет. Показано, что среди почвенных бактерий встречаются гены, ответственные за деградацию н-аканов, что может искажать результаты анализа алканов-биомаркеров в почве. С другой стороны, доступность алканов в почве существенно ниже, чем в искусственной жидкой среде, что позволяет предполагать, что в ней скорость биодеградации будет значительно снижена. Также в данном исследовании установлено, что ускорение биоразложения наблюдается в присутствии нафталина. Выделено несколько групп аминокислот, являющихся наиболее стабильными. С глубиной по профилю содержание и разнообразие аминокислот резко снижается, при этом в общем пуле возрастает число нейтральных – устойчивых к минерализации. Неполярные (гидрофобные) варианты нейтральных аминокислот, по представленным данным, преобладают в инертном органическом веществе илистой фракции лесостепных почв и плиоценовых глин. Исследование кинетики потребления микрорганизмами разнозаряженных аминокислот позволяет отметить, что положительно заряженные аминокислоты, такие как лизин, могут прочно удерживаться почвой в обменном состоянии, в сравнении с нейтральными и отрицательно заряженными (глицин, глутамат), что может значительно влиять на их биодоступность и увеличивать время присутствия в почве. Кислые (заряженные отрицательно) аминокислоты хуже всего задерживаются в почве. Проведенное изучение существующих подходов к оценке почвенной аллелотоксичности показало, что методы химического анализа почв не позволяют оценить совместное влияние комплекса аллелотоксинов на растения, поэтому основным подходом для изучения данного свойства является биотестирование. Аллелотоксичность в большинстве случаев снижает скорость развития семян в почвах, различных по своему типу и истории землепользования. При этом замедление развития семян почвами зависит от их сорта, т.е. сорт, проявляющий наибольшую устойчивость к комплексу аллелотоксинов одной почвы, будет сохранять это свойство относительно других сортов при переходе к другой почве. Использование сорбционных составов для стимуляции семян за счёт сорбции аллелотоксинов эффективно для яровой пшеницы сортов Лиза и Злата. Добавление автолизата пивных дрожжей в бентонито-гуматовую смесь позволяет повысить универсальность препарата за счёт заполнения активных центров сорбента, которые могут закреплять стимулирующие вещества, поступающие из почв в семена. Совместное применение состава на основе бентонита кальция, гумата и автолизата пивных дрожжей в сочетании с субстратами дыхательного метаболизма, гормонами роста растений, стимуляторами широкого спектра действия, исследованными в работе, позволяет значительно увеличить эффективность их использования для предпосевной обработки семян. Апробация препарата-стимулятора на основе глино-гумусового комплекса с добавлением автолизата пивных дрожжей, полиэтиленгликоля и гиббереллина в лабораторных и полевых условиях показала статистически значимое увеличение полевой всхожести и проективного покрытия побегов при применении состава. Установлено, что происходит уменьшение удельной поверхности пахотных горизонтов почвы при интенсивной распашке типичных черноземов в следствие потери органического вещества, ухудшения агрегатного, микроагрегатного состояния и структуры порового пространства, особенно значительное на бессменном пару. Пахотные типичные черноземы опыта имеют более высокие значения по сравнению с бессменным паром. На водоразделе участка с лесополосой превышение величины удельной поверхности пахотного горизонта чернозема типичного является незначительным по сравнению с контролем. Исследования, выполненные в 2023 г. с помощью биомаркеров в низовьях Волги на геоархеологическом памятнике Водянское городище, расположенном на ежегодно разрушающемся абразивном берегу, обнаружили, что гумидные и аридные климатические эпизоды ритмично чередовались во времени, сопровождаясь повышением-понижением уровня грунтовой воды, что подтверждаются и обратной корреляцией изотопных отношений углерода с величинами магнитной восприимчивости почв (коэффициенты корреляции –0,53 - –0,96). В эпохи повышенного увлажнения и подъема уровня воды в реках жизнь городищ становилась невозможной вплоть до полного уничтожения детинцев, и культуры сменяли друг друга. Капиллярное подтопление городища наряду с прогрессирующем засолением почв в засушливые эпохи способствует развитию оползней и обрушений берега. Исследованные свойства почв подтверждают существование аридного климатического эпизода в позднем средневековье, пришедшего на смену более влажному периоду средневекового климатического оптимума, а также увеличение увлажненности климата в Малый ледниковый период и современную эпоху. Сравнительный анализ вариаций изотопного состава насыпей геоархеологических памятников разных природных зон обнаруживает некоторые общие закономерности. Утяжеление изотопных отношений характерно для культурных слоев геоархеологических памятников во всех природных зонах и маркирует эпохи бытования культур, однако, механизмы этого процесса требуют дальнейших исследований. Во-вторых, зигзагообразные формы изотопных кривых позволяют выявить этапы стабильного почвообразования на поверхности насыпей и этапы подсыпки сооружений. Несмотря на преимущественное распространение травяной растительности на дневной поверхности памятников, изотопная подпись погребенных почв отражает тип господствующей зональной растительности и через особенности типа фотосинтеза позволяет реконструировать особенности климата региона различных хроноэтапов существования объектов. В ходе выполненных в 2023 г. исследований дневных и погребенных почв кургана Шумный в центре степной части Краснодарского края впервые установлено, что изменение климата в сторону засушливости и увеличения теплообеспеченности характерны для степной зоны в целом в атлантический период голоцена (AT-3), 5700-5500 л.н.; для Кубано-Приазовской низменности и Закубанской равнины – в суббореальный период (SB-1), 4300-4200 л.н., а также более мягкие с возросшей влагообеспеченностью и менее контрастные условия - в суббореальный период (SB-3), 3500-3000 л.н., - для Закубанской равнины.
3 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Этап 3. Механизмы регулирования активности биомаркеров в почвах и сопредельных средах.
Результаты этапа:
4 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Этап 4. Технологии использования биомаркеров в мониторинге почв и сопредельных сред.
Результаты этапа:
5 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Индикация экологического состояния почв и сопредельных сред палеоэкосистем.
Результаты этапа:
6 1 января 2027 г.-31 декабря 2027 г. Биомаркеры в индикации экологического состояния антропогенных экосистем
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".