Олег Сутормин и Марина Слуковская о перспективных направлениях в области биоинженерии почв и совершенствовании природоохранных технологий

Олег Сутормин: «Важны не только сами микроорганизмы в почве, но и функции, которые они выполняют»

Микробиом почвы — это невидимая живая составляющая, объединяющая бактерии, археи, микроскопические грибы и другие микроорганизмы, которые определяют, как почва функционирует. Именно они обеспечивают разложение органического вещества, участвуют в круговороте углерода, азота и фосфора, влияют на структуру почвы, ее устойчивость к внешним воздействиям и способность к самоочищению. Сегодня наука позволяет смотреть на микробные сообщества гораздо глубже, чем раньше. Это особенно важно для задач восстановления почв. Речь идет о создании условий, при которых естественная микрофлора может активнее вовлекаться в процессы самоочищения.

Развитию этого направления способствует ряд фундаментальных открытий и системных изменений. Прежде всего это переход к массовому использованию методов изучения ДНК и генетических процессов. Ученые ушли от анализа отдельных микроорганизмов, выращенных в лабораториях, и получили возможность видеть структуру сообщества в целом, отслеживать его устойчивость и реакцию на различные типы загрязнений. Кроме того, почва сегодня рассматривается не просто как субстрат, а как сложная биогеохимическая система. Стало очевидно, что последствия загрязнения зависят не только от концентрации вещества, но и от типа почвы, ее структуры по размеру частиц (песка, ила и глины), содержания органического вещества, влажности и активности микробиоты. И, конечно, все большую роль играют вычислительные методы, которые позволяют моделировать взаимодействие загрязняющих веществ с биологическими системами и лучше понимать механизмы токсичности. 

Лабораторные исследования биологических процессов в контролируемой среде. Источник: медиа-центр СурГУ

В рамках проекта, поддержанного РНФ, мы ставим задачу комплексно оценить влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на сообщества микроорганизмов в почве и ее токсичность, а также разработать научно обоснованные методы контроля и повышения эффективности очистки и восстановления загрязненных почв. Практически это означает формирование базы данных почв Ханты-Мансийского автономного округа — Югры и их микробиоты, а также проведение модельных экспериментов и токсикологической оценки.

На начальном этапе в 2024 году мы сформировали базу данных по почвам региона. Всего было отобрано и охарактеризовано более семидесяти образцов почв и почвенных грунтов из условно чистых зон, представляющих основные типы почв региона: подзолистые, дерново-глеевые, болотные и аллювиальные. Это позволило задать корректный фон и избежать одной из типичных ошибок экологических исследований, когда последствия загрязнения оцениваются без учета исходных свойств почвы. В модельных экспериментах мы показали, что уже при относительно умеренной нагрузке нефти (около 50 г/кг) происходят заметные изменения физико-химических свойств почвы. Было установлено, что загрязнение нефтью изменяет кислотность почвы, снижает ее способность удерживать питательные вещества и воду. При увеличении концентрации нефти эффект усиливался не всегда, что указывает на пороговый характер реакции почвенной системы. В 2025 году мы подтвердили, что чувствительность к загрязнению зависит от типа почвы: подзолистые почвы наиболее уязвимы, тогда как более гумусированные почвы изменяются слабее, но дольше удерживают загрязнители.

Метагеномный анализ показал, что нефтяное загрязнение снижает разнообразие микробных сообществ и усиливает преобладание устойчивых микроорганизмов. Загрязнение сырой нефтью более выраженно изменяет структуру микробных сообществ по сравнению с дизельным топливом. При умеренных концентрациях заметны признаки восстановления, а при высоких — разнообразие микроорганизмов резко уменьшается.

Анализ и обсуждение результатов научных исследований. Источник: медиа-центр СурГУ 

Сегодня исследования в области почвенной микробиологии и ремедиации становятся все более комплексными. Если раньше микробиолог, почвовед и химик работали параллельно, то сейчас это единая система анализа. Мы постепенно переходим от описания состава микробных сообществ к пониманию их функций и устойчивости. В фокусе находятся состав микробных сообществ, их функции и то, насколько быстро система способна восстановиться после воздействия. Это особенно важно для территорий с интенсивной добычей углеводородов и для северных регионов, где процессы восстановления протекают медленнее из-за климатических условий.

В ближайшие 5–10 лет можно ожидать развития так называемой точной биоремедиации. Под этим я понимаю подход, при котором стратегия восстановления подбирается с учетом типа почвы, ее буферных свойств, состава загрязнителя и динамики токсичности. Уже сейчас становится очевидно, что универсальных решений не существует — подзолистые, болотные и аллювиальные почвы реагируют принципиально по-разному.

Еще одно направление — расширение инструментов экспресс-оценки. Биотесты, ферментативные системы и интегральные показатели токсичности будут все активнее использоваться не только в научных исследованиях, но и в экологическом мониторинге. Параллельно будут развиваться вычислительные методы и прогнозные модели, позволяющие оценивать траекторию восстановления системы во времени. Для северных территорий ключевым станет создание технологий, адаптированных к низким температурам, высокой влажности и специфике органического вещества. Именно здесь научно обоснованные решения могут дать наибольший экологический эффект и снизить риски долгосрочного разрушения экосистем.

Марина Слуковская: «Слоистые силикаты помогают восстановить загрязненные территории Крайнего Севера»

Арктический регион сегодня находится в фокусе внимания всей страны. Здесь сосредоточены крупные месторождения полезных ископаемых и горнопромышленные предприятия. Поэтому особенно важно понять, в чем состоит специфика восстановления ландшафтов, загрязненных при освоении и переработке природных ресурсов. 

Почему нарушенные земли в Арктике не могут восстановиться сами по себе? Существует две весомые причины. Первая причина кроется в природных условиях: суровый климат, короткое лето и мерзлота делают арктические экосистемы чрезвычайно хрупкими. Вторая причина связана с состоянием почв: изначально бедные почвы после техногенного воздействия — механических нарушений, загрязнений, эрозии — теряют плодородие и становятся непригодными для жизни растений. В то же время, наличие разнообразных техногенных отходов и вскрышных пород, позволяет получать из них материалы, потенциально пригодные для использования в природоохранных технологиях. 

Коллектив проекта. Источник: Андрей Новиков 

Наш междисциплинарный коллектив занимается получением и тестированием сорбционно активных материалов, мелиорантов и удобрений длительного действия, полученных из бедных руд, содержащих слоистые силикаты (вермикулит, серпентины), в условиях высокого уровня загрязнения и нарушения почв вблизи действующего комбината цветной металлургии. 

Цель нашего проекта, поддержанного РНФ, состоит в разработке стратегии и научно-методическом обосновании технологических приемов ускоренного восстановления почвенно-растительного покрова в Арктической зоне России с применением модифицированных гидросиликатов магния. 

Одними из самых сложных объектов с точки зрения восстановления растительности считаются территории с загрязнением сразу несколькими металлами. Поскольку мы находимся в Мурманской области, ключевым объектом наших исследований стала зона воздействия предприятия Кольской горно-металлургической компании, расположенной в Мончегорске. Наибольший интерес представляет зона вокруг комбината, где на протяжении десятилетий формировались устойчивые геохимические аномалии с экстремально высоким содержанием никеля, меди, кобальта и серы в почвах.

Для наших экспериментальных площадок мы выбираем участки без растительности, с различными типами почв и ландшафтов на разном расстоянии от предприятия, что позволяет проводить широкий круг химических, микробиологических, биохимических и почвенных исследований. 

Мы создаем на них геохимические барьеры с искусственно созданным растительным покровом и таким образом формируем участки рекультивации. Параллельно вместе с московскими коллегами — специалистами по ГИС-технологиям и геоморфологами, мы провели картографирование нарушенной территории и выделили на ней типовые кластеры. К окончанию проекта мы сформируем алгоритм по выбору стратегии восстановления растительности на основе характеристик рельефа, оптимальной с точки зрения максимальной реализации экосистемных функций при минимальных затратах. 

Слева – экспериментальный участок на нарушенном подзоле в 1,5 км от комбината, июнь 2025 года; справа – внешний вид экспериментальной делянки на нарушенном подзоле в 500 м от комбината, июнь 2025 года. Источник: Марина Слуковская 

Наша задача носит комплексный характер. Созданные нами геохимические барьеры, помимо удержания металлов и перевода их в нетоксичную форму, должны быть благоприятными для развития растений с точки зрения обеспечения элементами питания, а также формировать условия для развития микроорганизмов и протекания процессов гумификации. И все это должно устойчиво функционировать в долгосрочной перспективе без дальнейшего вмешательства человека, что в условиях большого количества осадков — задача непростая. Именно поэтому мы дополнительно разрабатываем приемы, направленные на длительное действие вносимых азотных удобрений и ускоряющие разложение органических остатков в щелочных условиях. 

Среди наиболее перспективных технологиях в нашей сфере я могу выделить производство удобрений с контролируемым высвобождением элементов питания. Сейчас во всем мире эта ниша активно развивается, в том числе для сельхозугодий, чтобы минимизировать азотное загрязнение почв и грунтовых вод. Разрабатываются комплексные удобрения длительного действия, например нанокомпозит на основе глинистых минералов, созданный коллегами из Томского политехнического университета. Также сейчас активно развиваются и внедряются в практику цифровые инструменты и ИИ-технологии для оценки агрохимических параметров почв. Такие приемы в сочетании с экспресс-методами анализа почвенных образцов могут быть крайне полезны и при решении задач рекультивации, особенно в северных регионах с очень коротким летним сезоном. Все эти технологии в комплексе создают перспективу точного и эффективного подхода к восстановлению субарктических и других техногенно нарушенных территорий.