КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 22-74-00080
НазваниеОценка экотоксичности платины по биологическим показателям состояния почв
РуководительТимошенко Алёна Николаевна, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет", Ростовская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 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, 04-302 - Химическая экология
Ключевые словаЭкотоксичность, платина, наночастицы, микрочастицы, загрязнение, почвы, биологические свойства почв, экологические функции почв, устойчивость, биотестирование, нормирование, прогнозирование
Код ГРНТИ87.21.09 68.05.45 68.33.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Платина широко применяется в промышленности, в том числе автомобильной, сельском хозяйстве, медицине, косметологии. Особенный интерес представляют наночастицы платины, благодаря своим уникальным свойствам, представляющим интерес для широкого спектра применений. Но вместе с ростом нанотехнологий растет и обеспокоенность экологическими последствиями выпущенных наноматериалов и потенциальными рисками. Почвы постоянно подвергаются загрязнению платиной, а информации о связанных с этим негативных последствиях не так много. Многие аспекты остаются малоисследованными или еще неисследованными, например, о зависимости экотоксичности платины от размера частиц, химической формы, концентрации в почве и др. Спорным остается вопрос о токсичности наночастиц платины: одни ученые свидетельствует о высокой токсичности наночастиц, другие – либо совсем отрицают влияние наночастиц платины, либо свидетельствуют об их стимулирующем эффекте.
Вследствие этого актуальным представляется провести комплексную широкомасштабную сравнительную оценку экотоксичности разных концентраций и форм платины, в том числе наночастиц, а также динамику воздействия, по широкому спектру наиболее чувствительных и информативных биологических и других показателей состояния почв, отражающих полноценность (или неполноценность) выполнения почвой своих экологических и сельскохозяйственных функций.
Цель работы — оценить экотоксичность платины по биологическому состоянию почв Юга России. Будут проведены экспедиционные полевые и лабораторные модельные исследования устойчивости основных почв Юга России к загрязнению платиной. Оценка экотоксичности платины будет проведена по реакции наиболее чувствительных и информативных показателей состояния почвы: общая численность бактерий, обилие бактерий рода Azotobacter, «дыхание» почв, содержание органического вещества, активность каталазы, дегидрогеназ, инвертазы, уреазы, фосфатазы), всхожесть, длина корней и надземной части редиса, озимой пшеницы, кукурузы. Также научная новизна заключается в комплексной оценке биологического состояния почв, разных по своим генетическим свойствам, при загрязнении платиной. Будет проанализировано три типа контрастных по своим генетическим свойствам почвы: чернозем обыкновенный (тяжелосуглинистый, рН=7,8), бурая лесная (легкосуглинистая, рН=6,8) и серопески — чернозем супесчаный (легкосуглинистый, рН=5,8). Для оценки динамики состояния почв после загрязнения платиной будет проведено исследование показателей экологического состояния на протяжении 90 суток эксперимента. По нарушению экологических и сельскохозяйственных функций почвы будут установлены экологически безопасные концентрации платины в трех типах почв, значительно различающихся по буферности к загрязнению.
Ожидаемые результаты
Будет оценено экологическое состояние чернозема обыкновенного, чернозема супесчаного и бурой лесной почвы при загрязнении платиной по различным биологическим и другим показателям, характеризующим экологическое состояние. Будет установлена зависимость экотоксичности платины от таких свойств почв как реакция среды, гранулометрический состав, содержание органического вещества, содержание карбонатов и др. Предполагается, что токсичность платины будет по-разному проявляться в зависимости от свойств почвы.
Планируется установить зависимость экотоксичности платины от таких факторов как концентрация в почве (0,01; 0,1; 1; 10; 100 мг/кг), форма соединения (наночастицы металла, хлорид и оксид), срок от момента загрязнения (10, 30, 90, суток), на основе специального одновременного, проведенного по единой методике эксперимента.
Будет проведена сравнительная оценка экотоксичности разных концентраций и химических форм платины по широкому спектру наиболее чувствительных и информативных биологических показателей состояния и функционирования почв. Будут исследованы следующие показатели: общая численность бактерий, обилие бактерий рода Azotobacter, «дыхание» почв, содержание органического вещества, активность каталазы, дегидрогеназ, инвертазы, уреазы, фосфатазы, всхожесть, длина корней и надземной части редиса, озимой пшеницы, кукурузы.
Будут выявлены информативные и чувствительные показатели состояния почв, которые необходимо использовать для индикации загрязнения почв и оценки восстановления экологического состояния почв.
Впервые по оригинальной авторской методике будут установлены различия в закономерностях и механизмах влияния загрязнения платиной на экосистемные (биологические, химические, физические, целостные и др.) и сельскохозяйственные функции почв по интегральному показателю биологического состояния (ИПБС) почвы.
В ходе реализации проекта впервые будут сопоставлены экологически безопасные концентраций разных форм платины (наночастиц металла, оксидов и хлоридов) в черноземах обыкновенных, бурых лесных кислых почвах и серопесках, установленные на основе уравнений регрессии по степени нарушения экологических функций почв, отражающих зависимость свойств и функций почв от концентрации в почве поллютанта. Это поможет в разработке экологических нормативов безопасного содержания платины в почве.
Предлагаемые лабораторные методы выполнения данного проекта соответствуют мировому уровню исследований в данной области. Область практического применения результатов выполнения данного проекта - природоохранная деятельность и сельское хозяйство. Полученные результаты смогут быть использованы научными, природоохранными и сельскохозяйственными организациям при оценке экологического состояния почв и наземных экосистем, загрязненных платиной, разработке методов мониторинга, диагностики и нормирования загрязнения почв, оценке устойчивости разных почв к загрязнению, прогнозировании экологических рисков в результате загрязнения, разработке предельно допустимых концентраций, определении путей и способов реабилитации почв.
Использование результатов исследования будет способствовать переходу к высокопродуктивному и экологически чистому сельскому хозяйству, получению конкурентно-способной экологически чистой сельскохозяйственной продукции, обеспечению продовольственной и экологической безопасности Российской Федерации.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Установлены закономерности влияния загрязнения чернозема обыкновенного, бурой лесной кислой почвы и серопесков соединениями платины на показатели их состояния и функционирования: микробиологические показатели (численность бактерий и методом люминесцентного микроскопирования, обилие бактерий рода Azotobacter, методом комочков обрастания); биохимические показатели (интенсивность выделения СО2 хроматографически); показатели ферментативной активности (активность дегидрогеназ, каталазы, инвертазы, уреазы, фосфатазы фотоколориметрически); химические показатели (содержание Сорг фотоколориметрически); показатели фитотоксичности (всхожесть, длина корней и надземной части морфометрически). Загрязнение чернозема обыкновенного, бурой лесной почвы и серопесков платиной приводит к ухудшению биологических и других свойств почв.
Установлены закономерности изменения состояния и функций чернозема обыкновенного в зависимости от различных параметров загрязнения Pt: концентрация в почве (контроль + 5 доз), форма соединения (наночастицы металла, хлорид и оксид), срок от момента загрязнения (10, 30 и 90 суток), на основе специального одновременного, проведенного по единой методике эксперимента.
Загрязнение чернозема обыкновенного платиной в форме оксида, хлорида и наночастиц, в большинстве случаев, привело к снижению активности каталазы и дегидрогеназ, всхожести и длины корней семян редиса, общей численности бактерий и обилия бактерий рода Azotobacter. Отмечается прямая зависимость степени снижения показателя от концентрации загрязняющего вещества. Однако в ряде случаев наблюдался эффект «гормезиса» на 10 сутки после загрязнения для концентраций 0,01 и 0,1 мг/кг. Для остальных сроков такой эффект зафиксирован не был. Наибольшую токсичность платина проявила через 30 суток после загрязнения, а на 90 сутки отмечалась тенденция к восстановлению.
Наиболее чувствительными (наибольшая степень снижения) к загрязнению чернозема обыкновенного платиной во всех исследуемых формах показателями были общая численность бактерий, всхожесть и длина корней редиса, наименее чувствительным – обилие бактерий рода Azotobacter и интенсивность выделения СО2.
Наиболее информативным показателем (самые высокие коэффициенты корреляции) был также показатель общей численности бактерий, наименее информативными – активность ферментов, интенсивность выделения СО2
Однако все исследуемые показатели, за исключением обилия бактерий рода Azotobacter и интенсивность выделения СО2, обладали высокой степенью чувствительности и информативности, что позволяет их использовать в дальнейшей диагностике загрязнения почв соединениями платины.
Показатель интенсивности выделения СО2 («дыхание почв») был как малочувствителен, так и малоинформативен, не коррелировал с дозой загрязняющих веществ, поэтому при расчете ИПБС использован не был. Все остальные исследуемые показатели были использованы при расчете ИПБС.
Анализ устойчивости почв к загрязнению наночастицами платины показал, что чернозем обыкновенный проявил большую устойчивость к загрязнению наночастицами платины, чем бурая лесная почва и серопески. Через 10 суток после загрязнения наночастицами платины ИПБС чернозема обыкновенного снизился на 6% от контроля, бурой лесной почвы – на 11% от контроля, серопесков - на 11%, через 30 суток – на 19%, 23% и 27% соответственно, через 90 суток – на 14%,19% и 24% соответственно.
Как правило, степень ухудшения биологических показателей исследуемых почв находилась в прямой зависимости от концентрации наночастиц платины в почве. Однако в ряде случаев наблюдался эффект «гормезиса», для концентраций 0,01 и 0,1 мг/кг.
Хлорид платины был более токсичен, чем оксид. По степени токсичности по отношению к чернозему обыкновенному исследуемые химические формы платины образуют следующий ряд хлориды (74) > оксиды (84) > наночастицы (88). В скобках указаны ИПБС, усредненные по 5 дозам и трем срокам.
Токсичность платины по отношению к чернозему обыкновенному во всех исследуемых формах была самой высокой через 30 суток от момента загрязнения, а через 90 суток наблюдалось восстановление биологических свойств почв, но не до контрольных значений в незагрязненной почве. При загрязнении чернозема обыкновенного хлоридом платины ИПБС через 10 суток после загрязнения составлял 76%, через 30 суток – 69%, через 90 суток – 76%, при загрязнении оксидом и наночастицами платины наблюдалась аналогичная закономерность. Через 10 суток после загрязнения ИПБС составлял 91 и 93% от контроля соответственно, через 30 суток – 78 и 82% соответственно, через 90 суток -83 и 88 % соответственно.
Был проведен сравнительный анализ токсичности платины на всхожесть, длину корней и зеленых проростков редиса, озимой пшеницы, кукурузы. Негативное воздействие платины проявилось в ингибировании ростовых процессов сельскохозяйственных культур на ранних этапах онтогенеза.
Степень воздействия зависела от концентрации Pt в почве, формы химического соединения и вида растений. Установлена прямая зависимость ухудшения показателей фитотоксичности от дозы загрязняющего вещества: чем выше концентрация, тем сильнее происходит угнетение показателей. Наиболее чувствительной культурой к загрязнению платины оказался редис, в меньшей степени — пшеница и наименее чувствительной – кукуруза. Наибольшую фитотоксичность Pt оказала при поступлении в почву в форме хлорида, в меньшей степени – в форме оксида и в наименьшей – в форме наночастиц.
Лабораторные модельные эксперименты и лабораторно-аналитические исследования продолжаются и будут завершены во второй год исследования. Более детальный анализ экспериментального материала, собранного в первый год исследования, запланирован на второй год исследования.
Публикации
1. А. Н. Тимошенко, С. И. Колесников, В. С. Кабакова, Н.А. Евстегнеева, Т. В. Минникова, К. Ш. Казеев, Т. М. Минкина Оценка устойчивости почв к загрязнению наночастицами платины методами биодиагностики Почвоведение, №8 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0032180X23600221
2. Тимошенко А.Н., Колесников С.И., Кабакова В.С., Евстегнеева Н.А., Минникова Т.В., Цепина Н.И., Казеев К.Ш. Оценка фитотоксичности платины для разных сельскохозяйственных культур Агрохимический вестник, №2 (год публикации - 2023)
3. - «Понять или простить» наночастицы платины Ростовский деловой портал "ГородN", - (год публикации - )