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 22-77-10097
НазваниеФракционный состав тяжелых металлов в почвах и лекарственных травянистых растениях степной и лесостепной зон
РуководительЧаплыгин Виктор Анатольевич, 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 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-705 - География почв, геохимия ландшафтов
Ключевые словалекарственные растения, загрязнение, микроэлементы, мониторинг, закономерности аккумуляции, трансформация, адаптация, мониторинг, формы соединений металлов
Код ГРНТИ87.21.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В условиях возрастающей техногенной нагрузки на природные ландшафты для экологического мониторинга почв и контроля безопасности произрастающих на них растений необходимы достоверные данные о механизмах аккумуляции и распределения в системе почва-растения приоритетных поллютантов – тяжелых металлов (ТМ). Еще одним важным аспектом, рассматриваемым при экологическом мониторинге, является изучение фитотоксического эффекта, оказываемого различными элементами на растения, и аллергенности пыльцы цветущих растений, подвергшихся связанным с техногенным загрязнением изменениям. Проект направлен на изучение форм соединений ТМ в почвах, их биодоступности и механизмов адаптации растений в условиях загрязнения. Объектом исследования будут почвы и дикорастущие лекарственные травянистые растения юга европейской части России и юго-востока Западной Сибири подверженные аэротехногенному загрязнению. Предметом исследования являются наиболее распространенные ТМ – Mn, Zn, Cr, Pb, Cd, Cu, Ni, поступающие в экосистему, в том числе в составе промышленных выбросов. Почвы юга европейской части России на территории Северного Приазовья представлены черноземами обыкновенными, лугово-черноземными, луговыми и аллювиальными почвами. Почвы лесостепной зоны юго-востока Западной Сибири представлены различными подтипами черноземов, дерново-подзолистых и серых лесных почв. В исследуемых регионах в изобилии произрастают лекарственные растения, эколого-биогеохимическое обследование которых приобретает особую актуальность ввиду их бесконтрольного сбора и заготовки местным населением. Будут отобраны пробы различных видов дикорастущих травянистых лекарственных растений, принадлежащих к семействам Астровые (Asteraceae), Подорожниковые (Plantaginaceae), Маковые (Papaveraceae), Крапивные (Urticaceae). Будут изучены особенности микроэлементного состава почв и дикорастущих растений, типичных для степной и лесостепной природных зон. Установлены общие закономерности и региональные особенности группового и фракционного состава соединений ТМ в почвах Юга России и юго-востока Западной Сибири. Групповой состав соединений металлов в почве, определяемый с использованием параллельных экстракций, даст возможность выявить индикаторные группы ТМ для оценки и прогноза их накопления в растениях. Фракционный состав соединений ТМ, анализируемый методом последовательных экстракций, покажет роль почвенных компонентов в закреплении металлов. На основе авторской (Сиромля, 2020) схемы фракционирования изучен состав соединений ТМ в лекарственных растениях исследуемых территорий. Будет выявлена роль фолиарного загрязнения в накоплении ТМ дикорастущими травянистыми лекарственными растениями. Изучены особенности количественного перехода рассматриваемых элементов из растительного сырья в лекарственные препараты в зависимости от способа приготовления. Определены адаптационные возможности дикорастущих растений под влиянием антропогенной нагрузки. Исследованы ультраструктурные изменения и локализация поллютантов в клетках растений. Выявлены изменения структурно-функциональной организации фотосинтетического аппарата и активности ферментов-антиоксидантов у дикорастущих растений под влиянием антропогенной нагрузки. Исследованы цитогенетические эффекты в корневой меристеме растений, произрастающих в условиях техногенного загрязнения различной интенсивности. Изучены свойства и структура пыльцевых зерен дикорастущих растений, произрастающих в разных условиях техногенной нагрузки и представляющих угрозу для здоровья населения наравне с загрязнением лекарственного сырья ТМ. Полученные результаты позволят сделать вывод об экологической безопасности лекарственных растений, определить взаимосвязи между содержанием ТМ в почвах и растениях, рассчитать биогеохимические коэффициенты, выявить их региональную и видовую биогеохимическую специфику. Полученные данные дадут подробную информацию о влиянии ТМ на растения на тканевом и клеточном уровнях организации. На основе комплекса картографических и геохимических методов будет проведена классификация опасности загрязнения почв и растений отдельными элементами и в совокупности, выявлены пространственные особенности моно- и полиэлементного загрязнения. Это позволит установить границы распространения опасного уровня техногенной нагрузки. Результаты данных исследований позволят полнее раскрыть закономерности аккумуляции ТМ в системе почва-растения, выявить зависимость данных процессов от специфических особенностей почв, видов растений и уровня техногенной нагрузки.
Ожидаемые результаты
Изучение микроэлементного состава фоновых и техногенно загрязнённых почв степной и лесостепной зон Ростовской области и юго-востока Западной Сибири позволит установить их региональные биогеохимические особенности. На основании результатов исследования влияния эдафических и экологических факторов на подвижность ТМ в почвах будет проведена оценка экологического состояния изучаемых природных территорий. Сравнительное исследование двух представленных регионов будет проведено впервые. Исследования закономерностей аккумуляции ТМ различными видами дикорастущих травянистых лекарственных растений в условиях антропогенной нагрузки дадут представление сразу о нескольких экологических аспектах текущей проблемы. Во-первых, будет изучено содержание элементов в лекарственных растениях в естественных условиях и при различных уровнях техногенной нагрузки. Во-вторых, показана зависимость распределения ТМ в надземной части и корнях дикорастущих травянистых растений от их видовых особенностей и экологических условий произрастания. В-третьих, станет возможной оценка экологических рисков для здоровья населения на основании содержания ТМ в лекарственном сырье и уровня аллергенности загрязненной пыльцы цветущих растений. В-четвертых, будут проанализированы закономерности локализации различных элементов в органеллах растительных клеток и сопутствующие ей цитологические изменения. На основе полученных результатов будет дана комплексная оценка адаптационному потенциалу исследуемых видов дикорастущих лекарственных растений, являющемуся важным показателем при проведении экологического мониторинга антропогенных территорий. Определение влияния оседающих на листьях в условиях атмосферного загрязнения пылевых частиц на результаты экстрагирования ТМ из растительных образцов даст возможность оценить потенциальную опасность лекарственных препаратов, сырье для которых отобрано в подверженных атмосферным выбросам предприятий зонах. Для этой цели будет рассмотрен фракционный и групповой состав соединений ТМ в различных видах дикорастущих лекарственных травянистых растений. Оценка экстрагируемости исследуемых ТМ из разных лекарственных видов растений будет способствовать стандартизации методик приготовления экстрактов для определения в них элементов, отсутствующих в настоящее время в Государственной Фармакопеи. Будут получены данные об изменении содержания низкомолекулярных соединений с антиоксидантными свойствами в растениях как ответной реакции на токсическое действие ТМ. Выявлены изменения активности ферментов-антиоксидантов в листьях дикорастущих лекарственных растений под влиянием антропогенной нагрузки. Определение взаимосвязи между степенью загрязненности почвы и изменениями антиоксидантной системы может быть положено в основу нового метода индикации загрязнения почвы ТМ. Исследования кинетики флуоресценции могут дать важную информацию, касающуюся характера активности фактора внешней среды по воздействию на параметры фотосинтеза, применимую в целях экологического мониторинга и оценки адаптационного потенциала растений. Будут отобраны и классифицированы образцы пыльцы ведущих аллергенных растений, произрастающих в районах с различной степенью загрязненности, а также образцы аэробиологической пыльцы. Изучение воздействия загрязнения ТМ на пыльцу позволит выявить вызываемые загрязнением изменения её антигенной структуры и химического состава. Это, в свою очередь, даст возможность оценить потенциальную опасность различных групп аллергенов для здоровья населения загрязненных территорий. Исследований подобного рода в мировой научной литературе сравнительно немного, и они носят преимущественно локальный характер. На основании данных мониторинга будут построены цифровые карты, отображающие пространственное распределение различных форм ТМ в почвах территорий, подверженных антропогенному воздействию, дана градация участков с различным уровнем загрязнения каждым отдельно взятым элементом. Также, впервые для данных регионов будут построены моноэлементные карты загрязнения отдельных видов растений, без которых масштабный экологическим мониторинг не представляется возможным. Результаты выполнения Проекта позволят полнее раскрыть характер аккумуляции ТМ в системе почва-растения в условиях техногенного загрязнения, выявить зависимость данных процессов от специфических особенностей почв, видов дикорастущих травянистых растений и уровня техногенной нагрузки. В ходе исследования будет усовершенствована существующая методика экстракции поллютантов из растительных образцов. Будут получены данные, которые лягут в основу новых методов фитоиндикации техногенного загрязнения окружающей среды и оценки потенциальной опасности растительных аллергенов для здоровья населения. Будут расширены представления о механизмах формирования у растений устойчивости к загрязнению ТМ на клеточном уровне. По результатам выполнения проекта будут подготовлены и опубликованы не менее 10 статей, индексируемых в Scopus и Web of Science, 5 из которых будут опубликованы в журналах первого и второго квартилей. Полученные результаты будут представлены на Международных и Всероссийских научных мероприятиях (Конгрессах, конференциях, симпозиумах).
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведены почвенно-геоботанические экспедиционные исследования фоновых и импактных территорий степной зоны Ростовской области и лесостепной зоны Новосибирской области. Заложено 25 площадок мониторинга в импактной зоне Новочеркасской ГРЭС и 3 площадки в ООПТ «Персиановская заповедная степь» в Ростовской области и 20 площадок на антропогенно-преобразованных и 3 площадки на фоновых почвах Новосибирской области. Почвы в степной зоне представлены черноземом обыкновенным карбонатным, лугово-черноземной и аллювиальной почвами, в лесостепной - аллювиальными, дерново-подзолистыми, серыми лесными, черноземом выщелоченным, урбаноземом, агроземом. Проведено геоботаническое описание площадок мониторинга и анализ их ценофлоры. Исследованы преобладающие на данных территориях растительные ассоциации и их видовой состав, насчитывающий свыше 150 видов из 124 родов и 37 семейств в Ростовской области и 89 видов из 79 родов и 25 семейств в Новосибирской области. Выявлено, что более 120 видов растений в Ростовской области и 70 в Новосибирской области имеют лекарственные свойства. В степных и лесостепных растительных ассоциациях преобладают представители семейств Мятликовые (Poaceae) и Астровые (Asteraceae). Установлено, что факторами, определяющими видовой состав и общее состояние растительного покрова, являются мезорельеф, физико-химические свойства почвы и степень антропогенной трансформации территории. Отмечено преобладание рудеральной растительности на импактной территории НчГРЭС, Новосибирского оловянного комбината и ТЭЦ. Урбаноценофлора селитебной зоны левобережной части г. Новосибирска несет в себе черты существенной антропогенной трансформации, выражающейся в большом числе представителей семейства Brassicaceae.
Доказано, что основным агентом техногенного воздействия на почвы степной зоны Ростовской области являются выбросы НчГРЭС. Площадки, расположенные в радиусе 2 км от НчГРЭС по линии преобладающего направления ветров и близлежащие к нему, имеют наибольшее валовое содержание Cu, Zn, Pb, Ni, Mn, Cr и Cd. Концентрация элементов в почвах убывает в направлении от источника загрязнения и на наиболее удаленных площадках соответствует фоновому уровню. В песчаных и супесчаных почвах Новосибирской агломерации установлено превышение ОДК Ni, Zn, Cd и Pb.
Для оценки подвижности тяжелых металлов (ТМ) в почвах определяли состав их непрочно связанных (НС) соединений: обменные, комплексные и специфически сорбированные. Выявлено увеличение подвижности ТМ в почве с повышением техногенной нагрузки (доля НС соединений ТМ повышается до 77% от общего содержания Pb в почвах Новосибирской области и до 73% от общего содержания Cd в зоне воздействия НчГРЭС). Установлено превышение ПДК обменных форм Cu, Zn, Pb, Ni, Cr в почвах импактной зоны НчГРЭС, Pb и Mn в почвах Новосибирской агломерации. Выявлено, что на накопление и распределение ТМ в почве по формам соединений оказывают влияние свойства почв. В условиях одинаковой техногенной нагрузки подвижность металлов в аллювиальных почвах выше, чем в черноземе обыкновенном тяжелосуглинистом и лугово-черноземной почве, что связано с высокой буферностью почв. Группа НС соединений ТМ в изучаемых почвах в основном представлена специфически сорбированными формами (29-87% от группы НС соединений). Среди рассматриваемых металлов для Zn, Mn и Cd отмечена наибольшая подвижность. Также для этих металлов характерна высокая доля обменных соединений в группе НС соединений. Для Cu и Pb характерна большая доля комплексных соединений, активно растущая при увеличении загрязнения.
Фракционирование соединений Cu, Ni, Zn, Cd, Pb, Mn, Cr в почвах при использовании метода Тессье (Tessier et al., 1979) позволило детально проследить трансформацию ТМ в почвах, подверженных техногенному загрязнению. Наибольшую роль в поглощении Cu и Pb играет органическое вещество: при загрязнении доля данной фракции увеличивается до 37%. Специфической особенностью Zn, Mn и Cd является их активное взаимодействие с (гидр)оксидами Fe-Mn. При загрязнении наблюдаются изменения фракционного состава для Cr: доля металлов во фракции, связанной с (гидр)оксидами Fe-Mn, превышает содержание металла во фракции, связанной органическим веществом. Для Ni и Cr в почвах Новосибирской области отмечается наименьшая подвижность. Активная роль несиликатных соединений Fe в аллювиальной супесчаной и песчаной почвах проявляется по отношению ко всем металлам.
В результате геоботанических обследований с площадок мониторинга отобраны дикорастущие травянистые лекарственные растения: тысячелистник щетинистый (Achillea setacea); тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.); цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.); пижма обыкновенная (Tanacetum vulgare L.); ромашка лекарственная (Matricaria chamomilla L.); подорожник большой (Plantago major L.); полынь горькая (Artemisia absinthium); полынь австрийская (Artemisia austriaca); полынь Сиверса (Artemisia sieversiana Willd); чистотел большой (Chelidonium majus L.); одуванчик (Taraxacum officinale Wigg. s.l.); крапива двудомная (Urtica dioica L.). Изучены особенности микроэлементного состава корней и надземной части данных видов растений фоновых территорий степной и лесостепной природных зон во взаимосвязи с условиями произрастания и свойствами почв. Установлено, что содержание Mn, Zn, Ni, Cu и Cd в лекарственных растениях степной зоны ООПТ «Персиановская заповедная степь» и лесостепной зоны Новосибирской области соответствуют нормальным концентрациям в растениях (Cabata-Pendias, 2010) и кларкам элементов в растительности суши (Добровольский, 2003). Видовые особенности лекарственных растений, произрастающих в одинаковых условиях, и физиологические свойства микроэлементов играют ключевую роль в распределении ТМ по органам растений.
Изучены закономерности биоаккумуляции ТМ различными видами дикорастущих лекарственных травянистых растений в условиях антропогенной нагрузки. Установлено превышение ПДК и МДУ Pb, Cd и Ni в изучаемых растениях на импактной территории НчГРЭС. Для всех видов растений наблюдается превышение фонового содержания элементов, для пижмы обыкновенной, подорожника большого и ромашки лекарственной в 3 раза. Наибольшая концентрация ТМ в растениях отмечается на площадках мониторинга, наиболее приближенных к НчГРЭС. Полынь горькая, цикорий обыкновенный и пижма обыкновенная аккумулируют металлы преимущественно в надземной части, полынь австрийская, тысячелистник щетинистый, подорожник большой и ромашка лекарственная – в корнях.
Среди исследованных видов растений Новосибирской области отмечается превышение ПДК и МДУ Cd. Наибольшие концентрации Cd в надземной части характерны для полыни Сиверса (1,6 мг/кг), подорожника (0,9 мг/кг), крапивы (0,9 мг/кг) и одуванчика (0,9 мг/кг). Установлено превышение МДУ Ni и Zn для полыни Сиверса и МДУ Ni для крапивы. Полынь характеризуется самым высоким содержанием в надземной части Mn, Zn, Cu, Ni, Pb и Cd среди изучаемых видов Новосибирской области, крапива двудомная – наибольшим содержанием Cr.
Выявлена роль фолиарного загрязнения в изменении зольности растений, особенностях поступления ТМ и их содержании в пылевых частицах, смытых с надземной части лекарственных растений импактной зоны НчГРЭС. При сравнительном анализе импактных зон, установлена меньшая суммарная токсическая нагрузка на лекарственные растения Новосибирской области и большая биогеохимическая подвижность Cd, Cu, Ni и Zn в лесостепной зоне по сравнению со степной.
Полученные результаты приведены в приложении в виде таблиц (19) и рисунков (32). Всего за отчетный период опубликовано 12 научных работ в ведущих индексируемых журналах (4 статьи в изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science, включенные в 1 квартиль) и материалах конференций. Результаты представлены научному сообществу на 7 Международных конференциях. Материалы по проекту с информацией об исследованиях размещены в 2 публикациях СМИ (https://sfedu.ru/press-center/news/69152; https://vk.com/wall-119230253_3795).
Публикации
1. Бурачевская М.В., Чаплыгин В.А., Минкина Т.М., Бауэр Т.В., Северина В.И. Изменения фракционно-группового состава соединений свинца в условиях загрязнения почв Проблемы загрязнения объектов окружающей среды тяжелыми металлами: тр. междунар. конф., Тула: Тул. гос. пед. ун-т им. Л. Н. Толстого, 2022. – С. 151-154. (год публикации - 2022)
2. Виноградова Н., Глухов А., Чаплыгин В., Кумар П., Манджиева С., Минкина Т., Раджпут В.Д. The Content of Heavy Metals in Medicinal Plants in Various Environmental Conditions: A Review Horticulturae, Vol. 9, Is. 2. 239 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/horticulturae9020239
3. Манджиева С., Чаплыгин В., Черникова Н., Федоренко А., Волошина М., Минкина Т., Раджпут В.Д., Элинсон М., Вонг М.Х. Responses of Spring Barley to Zn- and Cd-Induced Stress: Morphometric Analysis and Cytotoxicity Assay Plants, Vol. 11(23). 3332 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/plants11233332
4. Чаплыгин В., Дудникова Т., Манджиева С., Минкина Т., Барахов А., Невидомская Д., Раджпут В., Литвинов Ю., Бурачевская М., Черникова Н., Назаренко О., Барбашев А., Сушкова С. A 10-Year Ecological Monitoring of Soils and Triticum aestivum in the Impact Zone of a Power Station Agriculture, Vol. 13(3), 722 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/agriculture13030722
5. Чаплыгин В., Дудникова Т., Черникова Н., Федоренко А., Манджиева С., Федоренко Г., Сушкова С., Невидомская Д., Минкина Т., Сатишкумар П., Раджпут В.Д. Phragmites australis cav. as a bioindicator of hydromorphic soils pollution with heavy metals and polyaromatic hydrocarbons Chemosphere, Vol. 308, Part 2. 136409 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.136409
6. Чаплыгин В.А., Бурачевская М.В., Черникова Н.П., Яковленко А.Ю., Мальцева Т.А., Барахов А.В. Накопление Cu и ПАУ в почвах и растениях территорий, подверженных техногенному загрязнению атмосферными выбросами Новочеркасской ГРЭС Мониторинг, охрана и восстановление почвенных экосистем в условиях антропогенной нагрузки: материалы Международной молодежной научной школы, Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2022. – С. 258-263. (год публикации - 2022)
7. Черникова Н.П., Чаплыгин В.А., Бурачевская М.В., Мальцева Т.А., Манджиева С.С., Кесвани С., Северина В.И., Бауэр Ю.В., Минкина Т.М. Оценка миграции тяжелых металлов в системе «почва – травянистые растения» Мониторинг, охрана и восстановление почвенных экосистем в условиях антропогенной нагрузки: материалы Международной молодежной научной школы, Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2022. – С. 267-272. (год публикации - 2022)
8. Чаплыгин В., Манджиева С., Минкина Т., Федоренко А., Черникова Н. The morphology of roots and leaves of Verbascum thapsus L. under soil pollution Abstract book 6 th International and 25 th National Conference on Environmental Health, P. 12 (год публикации - 2022)
9. Чаплыгин В.А., Бауэр Т.В., Загурская Ю.В., Сиромля Т.И., Черникова Н.П., Волошина М.С., Яковленко А.Ю. К вопросу об элементном химическом составе тысячелистника СТЕПНАЯ ЕВРАЗИЯ – УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ: сборник материалов международного форума, Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2022. – С. 99. (год публикации - 2022)
10. Чаплыгин В.А., Черникова Н.П., Литвинов Ю.А., Барахов А.В., Волошина М.С., Манджиева С.С., Северина В.И. Accumulation and distribution Zn and Cd in wild medicinal herbs under power station influence Abstract book International Conference on Biotechnology and Human Welfare: Vision 2030 and Beyond (ICBHW-2023), P. 29 (год публикации - 2023)
11. Чаплыгин В.А., Щербаков А.П., Барахов А.В., Лёвушкина И.Е., Черникова Н.П., Литвинов Ю.А. Содержание Cd в лекарственных травянистых растениях устья реки Дон Материалы Международной научной конференции XXVI Докучаевские молодежные чтения «Матрица почвоведения», С. 179-181. (год публикации - 2023)
12. Черникова Н.П., Чаплыгин В.А., Невидомская Д.Г., Литвинов Ю.А., Манджиева С.С., Барахов А.В., Щербаков А.П. Сукцессии растительного покрова в пойме реки Северский Донец при химическом загрязнении почвы Развитие водных транспортных магистралей в условиях глобального изменения климата на территории Российской Федерации (Евразии) («Опасные явления – IV») памяти члена-корреспондента РАН Д.Г. Матишова: материалы IV Международной научной конференции, Ростов-на-Дону: Издательство ЮНЦ РАН, 2022. – С. 362-364. (год публикации - 2022)
13. - Мы хотим понять, становится ли пыльца аллергенных растений еще более опасной https://vk.com - «ВКонта́кте» — российская социальная сеть, Деловая газета «Город N» (год публикации - )
14. - 17 молодых ученых ЮФУ стали победителями «молодежных» конкурсов 2022 года Президентской программы РНФ https://sfedu.ru/ - официальный сайт Южного федерального университета, - (год публикации - )