КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-74-00085

НазваниеОсобенности видообразования тяжелых металлов в многофазных гетерогенных системах (почва, донные отложения)

РуководительБурачевская Марина Викторовна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет", Ростовская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

КонкурсКонкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-108 - Почвоведение

Ключевые словаПочва, донные отложения, тяжелые металлы, мышьяк, загрязнение, видообразование, фракционирование, рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализ, электронная микроскопия

Код ГРНТИ87.15.03, 68.05.43


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Почвы и донные отложения, находящиеся на границе геосферы, атмосферы, биосферы и гидросферы, представляют собой основные депонирующие среды загрязняющих веществ. Аккумулируя поллютанты, поступающие из водосборов и атмосферы в течение длительного промежутка времени, почвы и донные отложения являются интегральными показателями уровня загрязненности территории. К числу наиболее опасных загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду, относятся тяжелые металлы (ТМ) и металлоиды, которые, не подвергаются процессам разложения и способны лишь к перераспределению между отдельными компонентами почв и донных отложений. Оценка экологического состояния почв и донных отложений, подверженных загрязнению ТМ и металлоидами, сводится не столько к определению увеличения общей концентрации элементов, сколько к изучению их подвижности. Подвижность, а, следовательно, токсичность элемента, определяется формой его нахождения, а также составом и свойствами депонирующей среды. В этой связи целью проекта является изучение механизмов видообразования металлов и металлоидов в открытых многофазных гетерогенных системах (почве и донных отложениях). Комплексный подход к поставленной цели позволит оценить состояние почв и донных отложений, подверженных загрязнению металлами и металлоидами как в конкретных природных условиях, так и в контролируемых условиях. Используемые методы позволят выявить особенности видообразования ТМ в почвах и донных отложениях при многолетнем и разовом загрязнении. Будет показано влияние уровня техногенной нагрузки на подвижность металлов и металлоидов в изучаемых системах, а также установлено влияние свойств почв и донных отложений на видообразование ТМ и As. Будут показаны преимущества и недостатки наиболее широко распространенных методов последовательного фракционирования: метода Макларена (McLaren, Crawford, 1976), метода Тессье (Tessier et al., 1979), метода Миллера (Miller et al., 1986) в модификации Берти, Джакобс (Berti, Jacobs, 1996), и метода BCR (Ure et al., 1993) для анализа фракционного состава Cu, Ni, Zn, Cd, Pb и As в почвах и донных отложениях. Для определения состава соединений As в черноземе обыкновенном будет апробирована схема фракционирования, предложенная Мотузовой Г.В. с соавт. (2006). Для оценки степени закрепления или доступности ТМ и As в почве и донных отложениях будет использована комбинированная схема фракционирования Минкиной Т.М. с соавт. (2008), которая основана на сочетании методов последовательного фракционирования и отдельных селективных экстракций. Применение данной схемы позволит определить компоненты почв и донных отложений, которые отвечают за процессы мобилизации и закрепления поллютантов. Будут выявлены особенности действия экстрагентов для почв и донных отложений при разных уровнях и видах загрязнения. Установлено влияние пробоподготовки почвы, процессов реадсорбции на степень извлечения соединений ТМ из почв и донных отложений. Будет изучено влияние степени дисперсности образцов на накопление поллютантов. Будут проведены уникальные исследования состояния поллютантов в почве и донных отложениях на молекулярном уровне с использованием рентгеновской адсорбционной спектроскопии (XAFS) на основе синхротронного излучения. Морфология и состав фаз, концентрирующих ТМ в образцах почвы и донных отложений будет изучена с использованием инструментальных методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) и рентгеновской дифрактометрии (XRD). Результаты, полученные данными методами, позволят дополнить и расширить информацию, получаемую на основе методов последовательного фракционирования. В результате выполнения проекта будут установлены особенности видообразования Cu, Ni, Zn, Cd, Pb и As в почвах и донных отложениях, осуществлен выбор наиболее оптимальных методов изучения состояния исследуемых поллютантов в аквальных и наземных экосистемах. Выполнение проекта даст возможность получения реальных и прогнозных оценок состояния почв и донных отложений, подверженных загрязнению металлами и металлоидами. Изученные механизмы видообразования ТМ и As в почве и донных отложениях могут стать основанием для прогноза экологического состояния наземных и водных экосистем и разработки методов их рекультивации. По результатам проекта будет опубликовано не менее 5 научных работ в рецензируемых изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science.

Ожидаемые результаты
Реализация проекта позволит разработать новые концептуальные подходы и получить новые фундаментальные результаты в области изучения состояния ТМ и металлоидов в почвах и донных отложениях при химическом загрязнении. Будут расширены представления о роли почвенных компонентов в процессах мобилизации и иммобилизации металлов, о потенциальном риске, связанном с загрязнением почв ТМ и металлоидами, об информативности использования методов последовательного фракционирования для оценки и прогноза загрязнения почв, об эффективности совместного использования результатов, полученных традиционными методами химического анализа и новейшими методами физического анализа окружающей среды. Впервые полученная в результате выполнения проекта информация о составе соединений Cu, Ni, Zn, Cd, Pb и As в почвах и донных отложениях природных и техногенных ландшафтов Ростовской области будет способствовать пониманию процессов трансформации загрязняющих веществ, что позволит регулировать их подвижность и биодоступность. Для анализа особенностей видообразования ТМ и As в почвах и донных отложениях будут использованы разные методы химического фракционирования и новейшие физические методы исследования (EXAFS, XANES и XAS спектроскопия, электронная микроскопия, атомно-абсорбционная спектроскопия). Полученные результаты позволят провести сравнительный анализ и дать оценку информативности результатов химического фракционирования ТМ и As в почве и донных отложениях. Будут выявлены факторы, влияющие на степень извлечения соединений ТМ из почвы и донных отложений. Будет показана эффективность объединения химических экстракционных методов и новейших прямых методов физического анализа, что позволит получить взаимодополняющую информацию о состоянии поллютантов в почвах и донных отложениях, механизмах физико-химической устойчивости экосистем. Использование инновационных методов электронной микроскопии с высокой чувствительностью и методов расширенного анализа рентгеновской спектроскопии позволит исследовать особенности проникновения изучаемых элементов в почву и донные отложения и образование их собственных фаз. Будут изучены особенности видообразования ТМ и металлоидов в зависимости от природы химического элемента и свойств депонирующей среды. Выявлены основные компоненты почв и донных отложений, ответственных за иммобилизацию загрязняющих веществ. Для более детального анализа влияния степени дисперсности частиц на прочность удерживания металлов будет изучен состав соединений ТМ и металлоидов в отдельных гранулометрических фракциях, выделенных из загрязненных почв и донных отложений. Полученные в результате выполнения проекта представления об участии органических и минеральных компонентов в фиксации ТМ и металлоидов в почвах и донных отложениях дадут возможность разрабатывать научно-обоснованные способы восстановления почвенных и речных экосистем при техногенном загрязнении. Впервые на основе комбинированной схемы фракционирования будут выявлены группы и фракции, ответственные за прочное удерживание загрязняющих веществ в почвах и донных отложениях. Полученная информация о механизмах видообразования ТМ и As в почве и донных отложениях имеют теоретическое и прикладное значение для прогноза экологического состояния почвенных и аквальных экосистем и разработке методов их рекультивации. Результаты проекта имеют возможность практического использования при проведении экологического мониторинга, при оценке воздействия техногенных выбросов на экологическую обстановку, разработке рекомендаций по восстановлению загрязненных почв и очищению водной среды, прогнозировании экологических последствий производственной и хозяйственной деятельности, проведении экологической экспертизы, определении степени ответственности предприятий при нерациональном природопользовании, оперативном прогнозировании продуктивности посевов и приемов оптимизации питания растений в условиях повышенной антропогенной нагрузки Результаты проекта будут использованы в учебном процессе на кафедре почвоведения и оценки земельных ресурсов Южного федерального университета при чтении курсов «Химическое загрязнение почв», «Химия почв», «Экологические функции почв», «Экология», «Почвенно-экологический мониторинг». Результаты могут быть использованы для развития и формирования ключевых сегментов рынков Национальной технологической инициативы (НТИ) «Aeronet» (Дистанционное зондирование земли и мониторинг) и «FoodNet» («Умное» сельское хозяйство, Доступная органика). Полученные результаты соответствуют государственным программам «Охрана окружающей среды» (2012-2020 годы), «Воспроизводство и использование природных ресурсов» и государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013–2020 годы, реализуемых в настоящее время в Российской федерации. Результаты проекта будут способствовать разработке информативным методов оценки и контроля наземных и водных систем.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На основе критического анализа мировой и отечественной литературы обоснованы теоретические подходы и научно-методические принципы исследования состояния тяжелых металлов (ТМ) и металлоидов в почвах и донных отложениях. Наряду с диагностикой общего содержания ТМ для комплексной фундаментальной оценки почв и донных отложений, особенно в условиях активной техногенной нагрузки, акцентировано внимание на исследовании форм их нахождения. Проведен сравнительный анализ применяемых схем последовательного фракционирования соединений ТМ почвах и донных отложениях с учетом их селективности, точности и достоверности. Проанализирован подбор оптимальных реагентов и условий экстрагирования ТМ и металлоидов. Освещены общие аналитические и инструментальные методы, используемые для определения количественного содержания и форм соединений ТМ в почвах и донных отложениях. Уделено внимание фракционированию форм As, существующего в анионных формах. Установлен выдающийся вклад синхротронных методов на рентгеновском излучении, которые за последние 25 лет предоставили важную информацию о формах соединений ТМ на молекулярном уровне для экологических полидисперсных матриц независимо от их физического состояния. Это прямые, высокотехнологичные, неразрушающие, сверхчувствительные, не требующие пробоподготовки и адаптируемые как к кристаллическим, так и к аморфным компонентам почв и донных отложений, методы на базе российских и зарубежных установок Mega-Science. Интерпретация рентгеноспектральных и рентгеноструктурных методов основана на надежных физических и статистических обработках данных. Рассмотрены дальнейшие перспективы развития гибридных технологий 3D пространственной режимной съемки, что решит трудности, связанные с минералогическими и текстурными ограничениями гетерогенных образцов почв и донных отложений. Представлены данные о мировых синхротронных центрах на источниках излучения, в которых осуществляются исследования, связанные с почвами, донными отложениями и их компонентами. Отмечены отечественные достижения в изучении почв, выполненные на базе Курчатовского синхротронного центра. Заложен модельный опыт с искусственным загрязнением почв и донных отложений легкорастворимыми соединениями Cu, Ni, Zn, Cd, Pb и As. Дозы загрязнения имитируют уровень содержания поллютантов в изучаемых почвах и донных отложениях импактных зон и соответствуют невысокому, высокому и очень высокому загрязнению. Изучен состав соединений Cu, Ni, Zn, Cd, Pb и As в почвах и донных отложениях природных и техногенных ландшафтов с использованием разных методов последовательного фракционирования. Установлено, что общее содержание ТМ и As в донных отложениях и почвах (черноземе обыкновенном карбонатном (Haplic Chernozem (WRB, 2015) и хемоземе (Spolic Technosols (WRB, 2015)) импактных зон Новочеркасской ГРЭС и поймы р. Северский Донец варьирует в очень широком диапазоне. На основе литохимических исследований выбраны площадки мониторинга почв и донных отложений с невысоким, высоким и очень высоким уровнем загрязнения поллютантами. Установлены закономерности формирования фракционного состава ТМ в почвах и донных отложениях, полученные на основе разных методов последовательного фракционирования (метод Макларена (McLaren, Crawford, 1976), метод Тессье (Tessier et al., 1979), метод Миллера (Miller et al., 1986) в модификации Берти, Джакобс (Berti, Jacobs, 1996), и схема BCR (Ure et al., 1993)). Выявлены общие черты и специфические особенности в распределении металлов и As по фракциям в незагрязненной и загрязненной почве и донных отложениях. Установлено, что наибольшее количество всех исследуемых металлов в почвах и донных отложениях сосредоточено в остаточной фракции. В незагрязненной почве наблюдается следующее фракционное распределение Zn и Cd: остаточная фракция > связанная с оксидами Fe-Mn > связанная с органическим веществом > связанная с карбонатами > обменная. Соединения Ni, Cu и Pb распределяется несколько иначе: остаточная фракция > связанная с органическим веществом > связанная с оксидами Fe-Mn > связанная с карбонатами > обменная. При повышении загрязнения доля остаточной фракции уменьшается и возрастает доля обменной и водорастворимой фракций. В загрязненных почвах главным фактором в распределении Zn и Ni между почвенными компонентами является взаимодействие с минеральными компонентами почвы (силикаты и оксиды Fe-Mn), при загрязнении Cu и Pb - взаимодействие с органическим веществом, при загрязнении Cd – с оксидами Fe-Mn. Изучение фракционного состава соединений ТМ в донных отложениях позволило выявить особенности в распределении металлов по сравнению с их распределением в почвах. В незагрязненных донных отложениях отмечается большая роль карбонатов в удерживании Zn и Cu. При загрязнении наиболее активную роль в закреплении Zn и Cu играют (гидр)оксиды Fe-Mn. Активная роль несиликатных соединений Fe в незагрязненных и загрязненных донных отложениях проявляется и по отношению к Pb, Ni и Cd. В случае загрязнения донных отложений самым подвижным элементом является Pb (1-10% обменных соединений), в то время как для почвы наибольшая подвижность отмечается у Cd. Результаты, полученные на основе комбинированной схемы фракционирования, выявили уменьшение прочности связи ТМ с органическим веществом и оксидами Fe с повышением уровня загрязнения почв и донных отложений. Показано, что наряду с общими закономерностями, установлены особенности действия экстрагентов, используемых в разных схемах фракционирования, в исследуемых почвах и донных отложениях. Для выделения суммарной техногенной составляющей из загрязненных почв и донных отложений лучше подходит метод Тессье за счет наличия жестких условий экстрагирования. Метод Миллера дает возможность оценить техногенную составляющую загрязнения по соотношению металла во фракциях, связанных с аморфными оксидами Fe и кристаллическими оксидами Fe. Результаты по методу BCR во многом были схожи с данными по методу Тессье. К достоинствам метода можно отнести его простоту и доступность, а также то, что в мировой практике именно он считается стандартизированным. Метод Макларена дает объективную оценку на незагрязненных почвах и донных отложениях, поскольку использует менее жесткие экстрагенты по сравнению с другими методами. Статья с подробным анализом состава соединений ТМ в черноземе обыкновенном и его изменение при техногенном воздействии с использованием разных методов последовательного фракционирования доступна по адресу http://ejss.fesss.org/10.18393/ejss.734601 Изучены закономерности формирования состава соединений As в почвах и донных отложениях с различным уровнем загрязнения. Результаты фракционирования по методу Мотузовой и др. (2006) показали, что наибольшее количество As в изучаемых компонентах сосредоточено в остаточной фракции. Заметную роль в поведении As в почвах и донных отложениях играют также (гидро)оксиды Fe-Мn. Загрязнение привело к существенным изменениям во фракционном составе соединений As в компонентах аквальных и наземных экосистем. Основные изменения произошли в содержании неспецифически и специфически сорбированных арсенат-ионов, доля которых существенно возросла. При загрязнении донных отложений увеличивается роль органических веществ в закреплении As. При этом выявлено сильное снижение доли остаточной фракции с ростом загрязнения. Показано влияние методических условий эксперимента на результаты экстракции Zn, Cu, Pb, Ni и Cd из почв и донных отложений. Выявлены различия в оценке количества непрочно связанных (обменных, комплексных и специфически сорбированных) соединений ТМ при разных вариантах пробоподготовки (общей – менее 1 мм и специальной – менее 0,25 мм) исследуемых образцов. В варианте, когда образцы измельчались до < 0,25 мм, экстрагируемость ТМ заметно выше, что связано с уменьшением размера частиц и, как следствие, возрастанием их удельной поверхности. Проведена оценка процессов реадсорбции ТМ (на примере Cu и Pb), снижающих полноту их извлечения из почв и донных отложений. Исследования показали, что в статических условиях экстракции ацетатно-аммонийным буферным растворов, используемом в практике агрохимических служб (1н NH4Ac, рН 4,8), не удается полностью извлечь изучаемые элементы. Показано, что как в статических, так и в динамических условиях наиболее эффективное извлечение Cu и Pb из образцов почв и донных отложений наблюдалось по результатам первой вытяжки. Этот факт говорит о том, что в статических условиях при более длительном взаимодействии почвы/донных отложений с экстрагентом происходят процессы реадсорбции (переосаждения) ионов металлов на поверхности твердых частиц, что снижает экстрагирующую способность ацетатно-аммонийной вытяжки. В динамических же условиях выделение металла происходит более эффективно, и влияние реадсорбции на извлечение металла существенно уменьшается. Во всех вариантах степень экстрагируемости Cu 1н раствором NH4Ac выше, чем Pb. Таким образом, при изучении форм соединений ТМ в почвах и донных отложениях с помощью вытяжек следует иметь в виду факт реадсорбции металлов. При этом значительное влияние на результаты экстракции оказывает состояние анализируемого образца (пробоподготовка). Можно сделать вывод, что достоверные данные о подвижности ТМ и формах их связи можно получить лишь в нативном образце, то есть в неизмененном состоянии. С использованием методов физического фракционирования из незагрязненных и высоко загрязненных почв (чернозем обыкновенный) и донных отложений выделены высокодисперсные гранулометрические фракции. Изучена трансформация Cu, Zn, Ni, Pb, Cd и As во фракциях тонких коллоидов (<0.08 мкм), грубых коллоидов (0.08-0.2 мкм), предколлоидной фракции (0.2-1 мкм) и мелкой пыли (1-5 мкм) методом последовательного фракционирования. Выявлено, что в незагрязненной почве тонкие фракции <1 мкм имеют равномерный характер распределения, в донных отложения преобладает фракция 1-5 мкм. Загрязнение способствует увеличению количества фракции <1 мкм, особенно тонких коллоидов (<0.08 мкм), вследствие образования металл-органических комплексов с катионами ТМ и частичного разрушения минерал-органических соединений. Накопление ТМ и As в гранулометрической фракции <1мкм регулируется процессами сорбции на минеральных и органических компонентах, которые обуславливают степень подвижности поллютантов. Установлено, что Pb, Zn, Cu, Ni и As в условиях загрязнения в большей мере сосредоточены во фракциях менее 0,02 мкм, что свидетельствует об их потенциальной подвижности и способности перемещаться без связи с минеральными компонентами почв и донных отложений. Результаты работы по проекту были освещены в СМИ: 1) Публикация интервью на сайте Русского географического общества «Исследования Ростовских почвоведов помогут спасти сельское хозяйство России» (https://www.rgo.ru/ru/article/issledovaniya-rostovskih-pochvovedov-pomogut-spasti-selskoe-hozyaystvo-rossii); 2) Публикация интервью на сайте Наука – ТАСС «Российские ученые смоделировали процесс загрязнения почв тяжелыми металлами» (https://nauka.tass.ru/nauka/8359229); 3) Подкаст с интервью на сайте хранения подкастов SoundCloud. DIGEST SFEDU EPISODE 1: Марина Бурачевская Академия биологии и биотехнологии. https://soundcloud.com/sfedu.

 

Публикации

1. - Исследования Ростовских почвоведов помогут спасти сельское хозяйство России Русское географическое общество, - (год публикации - ).

2. - Российские ученые смоделировали процесс загрязнения почв тяжелыми металлами Наука - ТАСС, - (год публикации - ).

3. - DIGEST SFEDU EPISODE 1: Марина Бурачевская Академия биологии и биотехнологии SoundCloud, - (год публикации - ).

4. Бауэр Т.В., Минкина Т.М., Бурачевская М.В., Лобзенко И.П. Оценка степени загрязнения почв тяжелыми металлами с использованием геохимических показателей Материалы VII Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 30-летию научной школы чл.-корр. РАН А.К. Темботова и 25-летию Института экологии горных территорий им. А.К. Темботова РАН, С. 22-24 (год публикации - 2019).

5. Бауэр Т.В., Минкина Т.М., Бурачевская М.В., Манджиева С.С. Эколого-геохимические исследования почв окрестностей г. Новочеркасска (в зоне влияния ПАО «ОГК-2» «Новочеркасская ГРЭС») Материалы международной научной конференции I НИКИТИНСКИЕ ЧТЕНИЯ «Актуальные проблемы почвоведения, агрохимии и экологии в природных и антропогенных ландшафтах». Пермь, 19-22 ноября 2019 г., С. 237-242. (год публикации - 2020).

6. Бирюкова О.А., Бурачевская М.В. Валовой химический состав чернозема южного при разном сельскохозяйственном использовании -, - (год публикации - ).

7. Бурачевская М.В., Манджиева С.С., Бауэр Т.В., Минкина Т.М., Чаплыгин В.А., Федоренко А.Г., Сушкова С.Н., Черникова Н.П., Замулина И.В., Калиниченко Н.П. The effect of carbon sorbents on the mobility of Cu and Zn in the soil and their accumulation in Hordeum Sativum distichum Environmental Geochemistry and Health, - (год публикации - 2020).

8. Бурачевская М.В., Манджиева С.С., Минкина Т.М., Микайлсой Ф., Барахов А.В. Cu speciation in model soil contamination Book of Full Text III. International Eurasian Agriculture and Natural Sciences Congress. Turkey Antalia 17 - 20 October 2019, P. 263-270. (год публикации - 2019).

9. Бурачевская М.В., Минкина Т.М., Бауэр Т.В., Манджиева С.С., Гюлсер С., Кизилкая Р., Сушкова С.Н., Раджпут В. Assessment of extraction methods for studying the fractional composition of Cu and Zn in uncontaminated and contaminated soils Eurasian Journal of Soil Science, Vol. 9, Is. 3 (год публикации - 2020).

10. Бурачевская М.В., Минкина Т.М., Бауэр Т.В., Петухова В.Н., Погонышев П.Д. Влияние процессов реадсорбции на извлечение тяжелых металлов из почвы Сборник научных трудов XIII Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса». Ростов-на-Дону, 26 – 28 февраля 2020 г., С. 971-973. (год публикации - 2020).

11. Бурачевская М.В., Минкина Т.М., Манджиева С.С., Бауэр Т.В., Невидомская Д.Г., Шуваева В.А., Сушкова С.Н., Кизилкая Р., Гюльсер К., Раджпут В. Transformation of copper oxide and copper oxide nanoparticles in the soil and their accumulation by Hordeum sativum Environmental Geochemistry and Health, - (год публикации - 2020).

12. Бурачевская М.В., Минкина Т.М., Манджиева С.С., Калиниченко В.П. Methodological aspects in the study of extraction of heavy metals from soils and sediments Geophysical Research Abstracts. EGU General Assembly 2020. Vienna, Austria, online 4 – 8 May 2020., EGU2020-635. (год публикации - 2020).

13. Бурачевская М.В., Минкина Т.М., Манджиева С.С., Назарян Л.Л. Cостав соединений цинка в почве импактной зоны при использовании разных методов фракционирования Материалы международной научной конференции I НИКИТИНСКИЕ ЧТЕНИЯ «Актуальные проблемы почвоведения, агрохимии и экологии в природных и антропогенных ландшафтах». Пермь, 19-22 ноября 2019 г., С. 377-381. (год публикации - 2020).

14. Бурачевская М.В., Минкина Т.М., Невидомская Д.Г., Манджиева С.С., Сушкова С.Н., Микайлсой Ф., Гюлсер С., Кизилкая Р. Study of Cu interaction with soil solid-phases components using chemical fractionation and synchrotron radiation XANES spectroscopy Book of Full Text III. International Eurasian Agriculture and Natural Sciences Congress. Turkey Antalia 17 - 20 October 2019, P. 538-546. (год публикации - 2019).

15. Бурачевская М.В., Минкина Т.М., Невидомская Д.Г., Манджиева С.С., Сушкова С.Н., Микайлсой Ф., Гюлсер С., Кизилкая Р. Study of Cu interaction with soil solid-phases components using chemical fractionation and synchrotron radiation XANES spectroscopy Book of Abstracts III. International Eurasian Agriculture and Natural Sciences Congress. Turkey Antalia 17 - 20 October 2019., P. 188. (год публикации - 2019).

16. Бурачевская М.В., Невидомская Д.Г., Цицуашвили В.С., Раджпут В., Брень Д.В. Lead compounds in bottom sediments of the Seversky Donets floodplain E3S Web of Conferences, - (год публикации - 2020).

17. Бурачевская М.В., Петухова В.Н., Бауэр Т.В., Назарян Л.Л., Погонышев П.Д., Хассан Т.М. Оценка информативности разных методов фракционирования при изучении соединений цинка в черноземе обыкновенном Материалы Международной научной конференции XXIII Докучаевские молодежные чтения «Почва в условиях глобального изменения климата» / Под ред. Б.Ф. Апарина. Санкт-Петербург, С. 15-17. (год публикации - 2020).

18. Бурачевская М.В.,Минкина Т.М.,Манджиева С.С.,Цицуашвили В.С.,Федоренко Е.С.,Погонышев П.Д., Гюльсер К., Кизилкая Р. The influence of sample preparation on the extraction results of metals from the soil (Влияние пробоподготовки на результаты экстракции тяжелых металлов из почвы) AER-Advances in Engineering Research, - (год публикации - 2020).

19. Горовцов А.В., Бауэр Т.В., Минкина Т.М., Сушкова С.Н., Бурачевская М.В., Лобзенко И.П. Получение биоуглей с заданными характеристиками пористой структуры и перспективы их применения в сельском хозяйстве Материалы I Всероссийской конференции молодых ученых АПК «Актуальные вопросы развития отраслей сельского хозяйства: теория и практика». Ростов-на-Дону- Рассвет. 1-3 октября 2019г., C. 33-37 (год публикации - 2019).

20. Д.Г. Невидомская, Т.М. Минкина, В.А. Шуваева, М.В. Бурачевская Применение методов рентгеновской спектроскопии XAFS и последовательного фракционирования для исследования механизмов сорбции Cu (II) почвами и минеральными фазами Горные экосистемы и их компоненты: Материалы VII Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 30-летию научной школы чл.-корр. РАН А.К. Темботова и 25-летию Института экологии горных территорий им. А.К. Темботова РАН, С. 38-39 (год публикации - 2019).

21. Замулина И.В., Бурачевская М.В.. Манджиева С.С., Бауэр Т.В., Барахов А.В., Мазаржи М. Metodological aspects in the studying of soil particle size distribution under contamination and after reclamation E3S Web of Conferences, - (год публикации - 2020).

22. Константинова Е.Ю., Бурачевская М.В., Манджиева С.С., Бауэр Т.В., Минкина Т.М., Чаплыгин В.А., Замулина И.В., Константинов А.О., Сушкова С.Н. Geochemical transformation of soil cover and vegetation of a drained floodplain lake affected by long-term dumping of effluents from rayon industry plant (lower Don Basin, Southern Russia) Environmental Geochemistry and Health, - (год публикации - 2020).

23. Минкина Т.М., Невидомская Д.Г., Подковырина Ю.С., Бурачевская М.В., Бауэр Т.В., Чаплыгин В.А., Манджиева С.С. Анализ молекулярно-структурного состояния меди в загрязненном черноземе обыкновенном при поступлении металла в форме легко- и труднорастворимых соединений Материалы международной научной конференции I НИКИТИНСКИЕ ЧТЕНИЯ «Актуальные проблемы почвоведения, агрохимии и экологии в природных и антропогенных ландшафтах». Пермь, 19-22 ноября 2019, С. 263-267. (год публикации - 2020).

24. Федоренко Е.С., Зинченко В.В., Горовцов А.В., Минкина Т.М. Влияние тяжелых металлов на микробиологическую активность почв поймы реки Северский Донец Сборник трудов Международной молодежной научной конференции «Генетическая и агрономическая оценка почв» / Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К. А. Тимирязева. - Москва: РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева. 2019., С. 107-110. (год публикации - 2019).

25. Федоренко Е.С., Зинченко В.В., Пахота А.А., Горовцов А.В., Бурачевская М.В. Влияние биочара и штаммов металлоустойчивых бактерий на уреазную активность почв поймы реки Северный Донец Материалы Международной научной конференции XXIII Докучаевские молодежные чтения «Почва в условиях глобального изменения климата» / Под ред. Б.Ф. Апарина. Санкт-Петербург, С. 236-238. (год публикации - 2020).

26. Цицуашвили В.С., Минкина Т.М., Невидомкая Д.Г., Шуваева В.А., Бурачевская М.В., Солдатов А.В. Применение метода рентгеноспектральной диагностики при загрязнении растений Cu (II) Материалы X Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Устойчивое развитие территорий: теория и практика», Том 2, С. 276-277 (год публикации - 2019).

27. Цицуашвили В.С., Невидомская Д.Г., Шуваева В.А., Бурачевская М.В., Минкина Т.М Особенности трансформации меди в черноземе обыкновенном Актуальные вопросы экологии и природопользования : сборник материалов / отв. ред. К.Ш. Казеев; Южный федеральный университет. Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, С. 227-231. (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Изучен фракционный состав Cu, Zn, Ni, Pb, Cd и As в искусственно загрязненных почвах в условиях модельного опыта. Сопоставлены результаты фракционного состава тяжелых металлов (ТМ) и As в почвах при техногенном и искусственном загрязнении. Установлено, что закономерности формирования фракционного состава Cu, Ni, Zn, Cd, Pb в почвах и донных отложениях, полученные на основе разных методов последовательного фракционирования (метод Макларена (McLaren, Crawford, 1976), метод Тессье (Tessier et al., 1979), метод Миллера (Miller et al., 1986) в модификации Берти, Джакобс (Berti, Jacobs, 1996), и схема BCR (Ure et al., 1993)), в целом, аналогичны. В почве природных ландшафтов, не подверженной загрязнению, и контрольном варианте модельного опыта металлы, в основном, сосредоточены во фракции, связанной с алюмосиликатами (до 79% от суммы фракций). Содержание обменной фракции низкое (не более 2% Cu, Zn, Ni, Pb, до 5% As и до 10% Cd). При загрязнении почвы происходит перераспределение фракционного состава металлов: значительно увеличивается доля наиболее подвижных (обменной и связанной с карбонатами) фракций. Наибольший вклад в поглощение и удерживание Cu, Ni, Pb поступающей из техногенных источников вносит органическое вещество и полуторные оксиды, для Zn, Cd, As –Fe-Mn оксиды). Отмечается большая подвижность ТМ при полиэлементном загрязнении и меньшее содержание их остаточной фракции как в почвах, так и донных отложениях. При высоком загрязнении (10 ОДК) отмечается более активное взаимодействие Cu и Pb c Fe-Mn оксидами и Zn с органическим веществом. На основе результатов химического фракционирования установлена роль почвенных компонентов в закреплении металлов в незагрязненной и загрязненной почве. Вне зависимости от уровня концентрации элемента в почве главным фактором в распределении Zn и Cd, Ni и As между почвенными компонентами является его приоритетное взаимодействие с минеральными компонентами почвы (силикаты и оксиды Fe-Mn, карбонаты), а для Cu, Pb – с минеральными компонентами и органическим веществом. Для Zn и Cd характерна высокая подвижность, которая резко возрастает как при техногенном загрязнении, так и в моделируемых условиях при искусственном загрязнении. В целом получены схожие закономерности в распределении исследуемых ТМ по фракциям при применении разных методов последовательного экстрагирования на почве и донных отложениях модельного опыта и при техногенном загрязнении ландшафтов. Среди особенностей модельного загрязнения можно отметить большую подвижность изучаемых элементов. Результаты химического фракционирования Cu, Zn, Pb, Ni и Cd в почве и донных отложениях модельного опыта с искусственным загрязнением позволили установить долевое участие компонентов в закреплении металлов в составе образцов. В среднем доля металлов, связанных с минеральными фракциями для исследуемых металлов составила для: Cu – 55-96%, Zn – 63-93%, Pb –48-84%, Ni – 68-91%, Cd – 61-85%. Накопление металлов в составе органических компонентов составило: Cu – 11-35%, Zn –5-18%, Pb –11-40%, Ni – 6-15%, Cd – 7-29%. Близкие результаты получены при анализе образцов почв и донных отложений, отобранных в импактных зонах с различным уровнем загрязнения. Исследования проведенные на основе комплекса методов рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа (XANES - анализа тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения в ближней к краю поглощения области; EXAFS - анализа протяженной структуры спектра рентгеновского поглощения; XRD - порошковой рентгеновской дифракции) позволили с высокой точностью определить межатомные расстояния в положении поглощенных атомов ТМ на фоне атомов легких элементов, что имеет высокое диагностическое значение. На основании проведенного молекулярно-структурного анализа исследованных металлов определены основные барьерные фазы, которые предпочтительнее других закрепляют и связывают металлы. Выявлено, что для Zn и Ni характерен механизм закрепления с алюмосиликатами с образованием Ме-Al слоистых структур. Для Cu и Pb основополагающим выступает закрепления органическим веществом с формированием аморфных комплексных соединений с органическими лигандами. Установлено, что Cd проявляет сродство и к специфическим органическим веществам, а также к карбонатному барьеру. Изучена морфология и состав фаз, концентрирующих тяжелые металлы, в образцах почвы и донных отложений с использованием новейших инструментальных методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) и рентгеновской дифрактометрии (XRD). Анализ показал, что чернозем обыкновенный карбонатный, используемый в качестве незагрязненной почвы в модельном эксперименте, сложен агрегатами, содержащими наряду органическими и глинистыми компонентами, терригенные минералы. Цементирующей массой выступают водные оксиды железа или карбонатно-железистые образования. Содержание ТМ в составе органических и минеральных частиц находится ниже предела обнаружения. В составе почвенных агрегатов, загрязненных As, отмечают микротрубчатые агрегаты и сростки микрокристаллов, содержащие As и Ca, возможно, в виде минерала феррарзита. В составе почвенного образца, загрязненного ТМ, наблюдаются многочисленные плотные глинистые агрегаты и фрагменты растительных остатков. В составе агрегатов в рассеянной форме отмечаются Cu, Zn, Ni. В образцах донных отложений, удаленной от всех источников техногенного загрязнения, наблюдаются микроагрегаты глинистых минералов, содержащие тонкие зерна кварца, кальцита, пленки оксидов железа и марганца, органические соединения Образец донных отложений, загрязненный ТМ и As, представлен плотными частицами с обилием фрагментов разлагающегося растительного материала. Пленки водных оксидов железа содержат Ni, Cu Zn. Характерно концентрирование в форме микрокристаллических фаз Pb, являющихся, возможно, водными сульфатами металла. Фазовый анализ микроагрегатов всех изученных образцов определил наличие от 3 до 6 фаз, в зависимости от присутствия в системе металлов и As: кварца SiO2, альбита, Al1.02Ca0.02Na0.98O8Si2.98, Al3NaO11Si3, Al3NaO11Si3, AlO4P, весселсита Ba0.5CuO12Si4Sr0.5, Ba25Cu18O49Zn4., Cu4Si2Zr3 и Cu0.92Mn1.08O7P2. С использованием комбинированной схемы фракционирования выявлены индикаторные группы и фракции Cu, Zn, Ni, Pb и Cd для оценки и прогноза экологического состояния почв и донных отложений, подверженных техногенной нагрузке. Определены основные компоненты, характеризующие накопление ТМ в незагрязненных и загрязненных почвах и донных отложениях, и состав образуемых ими соединений. Установлено, что в незагрязненных образцах подвижность ТМ низка (до 21% в почве и до 24% в донных отложениях) и обусловлена в основном соединениями металлов, связанных с карбонатами. Прочно связанные формы ТМ преимущественно представлены соединениями в составе первичных и вторичных минералов. При моно-и полиэлементном видах загрязнения почв и донных отложений увеличивается общее содержание ТМ, что сопровождается значительным повышением их подвижности. Основную роль в повышении подвижности Cu, Pb и Zn, Ni и Cd в почве и донных отложениях играют органическое вещество и оксиды Fe в результате образования непрочно связанных соединений. В условиях одинаковой техногенной нагрузки прочность удерживания металлов выше при моноэлементном загрязнении в связи с отсутствием конкурентных взаимоотношений между элементами. Установлена полифункциональность компонентов почв и донных отложений, способных и к прочному, и к непрочному удерживанию металлов. Показано, что в незагрязненных почвах и донных отложениях основная часть соединений ТМ, связанных с органическим веществом и несиликатными соединениями Fe, удерживается прочно. При искусственном загрязнении почв и донных отложений повышается доля непрочно связанных соединений ТМ с данными компонентами. Наиболее активное участие в увеличении подвижности в почве и донных отложениях Cu и Pb вносят органическое вещество, Zn, Ni и Cd - Fe-Mn (гидр)оксиды. На основе применения схемы последовательного фракционирования, разработанной Мотузовой Г.В. с соавт. (2006) изучен состав соединений As в почвах и донных отложениях при моделируемом загрязнении и выявлены фракции, являющиеся индикаторными при техногенной нагрузке. Установлено, что основными компонентами в поглощении и удержании As являются Fe-Mn (гидр)оксиды как в почвах, так и в донных отложениях. В результате комплекса проведенных исследований обосновано использование системного подхода для анализа состава соединений ТМ и As в наземных и аквальных экосистемах. Данный подход включает сопряженное использование методов химического фракционирования и новейших инструментальных методов. Установлено, что среди широкого разнообразия методов последовательного фракционирования комбинированная схема Т.М. Минкиной с соавт. (2008) является наиболее информативной для изучения ТМ. Для изучения состав соединений As оптимальным и информативным является специально разработанный метод Мотузовой Г.В. с соавт. (2006). Результаты работы по проекту представлены в приложении к отчету, который включает 20 таблиц и 61 рисунок. Результаты широко представлены научной общественности и освещены в СМИ. За 2-й этап выполнения проекта опубликовано15 работ, из них 3 Wos и scopus (из них 2 относятся к Q1), результаты представлены на 5 Международных и всероссийских конференциях и опубликовано 7 заметок на сайте РНФ, ЮФУ, naked-science, Наука – ТАСС, Агропромышленный портал (Публикация интервью на сайте РНФ «Ученые выяснили, какой размер частиц меди наносит наибольший вред почве и растениям» (https://rscf.ru/news/release/uchenye-vyyasnili-kakoy-razmer-chastits-medi-nanosit-naibolshiy-vred-pochve-i-rasteniyam/); Публикация интервью на сайте ЮФУ «Ученые выяснили, какой размер частиц меди наносит наибольший вред почве и растениям» (https://sfedu.ru/www2/web/press-center/news/65317); Публикация интервью на сайте naked-science «Выяснилось, какой размер частиц меди наносит наибольший вред почве и растениям» (https://naked-science.ru/article/column/vyyasnilos-kakoj-razmer-chastits-medi-nanosit-naibolshij-vred-pochve-i-rasteniyam); Публикация интервью на сайте Наука – ТАСС «Ученые определили наиболее вредный для почвы и растений размер загрязняющих частиц» (https://nauka.tass.ru/nauka/11026035); Публикация на сайте Агропромышленный портал AgroXXI «Размер частиц меди имеет важнейшее значение в АПК» (https://www.agroxxi.ru/zhurnal-agroxxi/novosti-nauki/razmer-chastic-medi-imeet-vazhneishee-znachenie-v-apk.html); Публикация интервью на сайте РНФ «Ученые нашли дешевый и эффективный способ восстановления почвы после загрязнения тяжелыми металлами» (https://www.rscf.ru/news/release/sposob-vosstanovleniya-pochvy/?sphrase_id=89214); Публикация интервью на сайте Наука – ТАСС «Найден дешевый способ восстановления почвы после загрязнения тяжелыми металлами» (https://nauka.tass.ru/nauka/11339799).)

 

Публикации

1. - Ученые выяснили, какой размер частиц меди наносит наибольший вред почве и растениям Пресс-служба РНФ, - (год публикации - ).

2. - Ученые выяснили, какой размер частиц меди наносит наибольший вред почве и растениям Пресс-центр Южного федерального университета, - (год публикации - ).

3. - Выяснилось, какой размер частиц меди наносит наибольший вред почве и растениям naked-science, - (год публикации - ).

4. - Ученые определили наиболее вредный для почвы и растений размер загрязняющих частиц Наука - ТАСС, - (год публикации - ).

5. - Размер частиц меди имеет важнейшее значение в АПК Агропромышленный портал AgroXXI, - (год публикации - ).

6. - Ученые нашли дешевый и эффективный способ восстановления почвы после загрязнения тяжелыми металлами Пресс-служба РНФ, - (год публикации - ).

7. - Найден дешевый способ восстановления почвы после загрязнения тяжелыми металлами ТАСС-Наука, - (год публикации - ).

8. Бурачевская М., Манджиева С., Бауэр Т., Минкина Т., Раджпут В., Чаплыгин В., Федоренко А., Черникова Н., Замулина И., Колесников С., Сушкова С., Переломов Л. The Effect of Granular Activated Carbon and Biochar on the Availability of Cu and Zn to Hordeum sativum Distichum in Contaminated Soil Plants, Volume 10, Issue 5, No 841 (год публикации - 2021).

9. Бурачевская М., Минкина Т., Манджиева С., Бауэр Т., Невидомская Д., Шуваева В., Сушкова С., Кизилкая Р., Гюльсер К., Раджпут В. Transformation of copper oxide and copper oxide nanoparticles in the soil and their accumulation by Hordeum sativum Environmental Geochemistry and Health, Vol. 43. P. 1655-1672. (год публикации - 2021).

10. Бурачевская М.В., Барахов А.В., Северина В.И. Состав соединений мышьяка в почве при моделируемом загрязнении Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2021» / Отв. ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, Е.И. Зимакова. [Электронный ресурс] – М.: МАКС Пресс, - (год публикации - 2021).

11. Бурачевская М.В., Манджиева С.С., Бауэр Т.В., Замулина И.В., Минкина Т.М., Мазарджи М. Comparative analysis of the Cd fractional composition in soils under anthropogenic and artificial pollution IOP Сonference Series: Earth and Environmental Science, - (год публикации - 2021).

12. Бурачевская М.В., Минкина Т.М., Манджиева С.С., Петухова В.Н. Особенности влияния пробоподготовки на экстрагируемость тяжелых металлов при разном уровне загрязнения почвы Сборник тезисов VIII съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева, - (год публикации - 2021).

13. Бурачевская М.В., Невидомская Д.Г., Бауэр Т.В., Цицуашвили В.С., Брень Д.В. Состав соединений свинца в донных отложениях поймы реки Северский Донец Актуальные проблемы экологии и природопользования: сборник научных трудов XXI Международной научно-практической конференции: в 3 т. – Москва: РУДН, Том 1, с. 265-269 (год публикации - 2020).

14. Бурачевская М.В., Северина В.И., Барахов А.В. Фракционный состав мышьяка в черноземе обыкновенном карбонатном XVII Ежегодная молодежная научная конференция «Наука и технологии Юга России»: тезисы докладов (г. Ростов-на-Дону, 15–30 апреля 2021 г.). – Ростов-на- Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, С. 90 (год публикации - 2021).

15. Горовцов А.В., Зинченко В.В., Федоренко Е.С., Бурачевская М.В. Влияние биочара и микроорганизмов на накопление тяжелых металлов в тканях ячменя в условиях загрязнения Материалы VII Международной научно-практической конференции молодых ученых “Экология и мелиорация агроландшафтов: перспективы и достижения молодых ученых”, посвященная 120-летию со дня рождения Альбенского А.В., г. Волгоград, с. 250-251 (год публикации - 2019).

16. Замулина И.В., Бурачевская М.В., Минкина Т.М, Манджиева С.С., Бауэр Т.В., Барахов А.В. Влияние углеродистых сорбентов на гранулометрический состав чернозема при загрязнении медью Актуальные проблемы экологии и природопользования: сборник научных трудов XXI Международной научно-практической конференции: в 3 т. – Москва : РУДН, Том 1, с. 336-341 (год публикации - 2020).

17. Зинченко В.В., Федоренко Е.С., Горовцов А.В., Минкина Т.М. Влияние штаммов микроорганизмов на дегидрогеназную активность почв импактных зон Материалы XVI Ежегодной молодежной научной конференции «Юг России: вызовы времени, открытия, перспективы»: , Изд-во ЮНЦ РАН, г. Ростов-на-Дону, Материалы конференции, с. 41 (год публикации - 2020).

18. Зинченко В.В., Федоренко Е.С., Горовцов А.В., Минкина Т.М. Дегидрогеназная активность почв импактной зоны на фоне внесения штаммов металлоустойчивых микроорганизмов Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2020» [Электронный ресурс] / Отв.ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов., - (год публикации - 2020).

19. Манджиева С.С., Бурачевская М.В., Минкина Т.М., Замулина И.В., Брень Д.В., Мальцева Т.А. Применение комбинированной схемы фракционирования в условиях экстремальной техногенной нагрузки на почвы черноземной зоны Сборник тезисов VIII съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева, - (год публикации - 2021).

20. Федоренко Э., Бурачевская М., Северина В., Барахов А., Цицуашвили В., Минкина Т., Савин И. Nickel and cadmium speciation in soils under long-term aerosol pollution EGU General Assembly 2021, online, 19–30 Apr 2021, EGU21-11836 (год публикации - 2021).

21. Цицуашвили В.С., Бурачевская М.В., Невидомская В.А., Бауэр Т.В., Шуваева В.А., Минкина Т.М. Оценка процедуры последовательной экстракции с использованием XANES-спектроскопии анализа Сборник тезисов VIII съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева, - (год публикации - 2021).

22. Цицуашвили В.С., Минкина Т.М., Невидомкая Д.Г., Бурачевская М.В., Шуваева В.А. Ренгеноструктурный анализ монтмориллонита при насыщении медью Материалы VII Международной научно-практической конференции молодых ученых “Экология и мелиорация агроландшафтов: перспективы и достижения молодых ученых”, посвященная 120-летию со дня рождения Альбенского А.В., г. Волгоград, с.311-312 (год публикации - 2019).