ИСТИНА

Целью выполнения темы государственного задания является систематизация имеющихся теоретических данных и экспериментальное выявление наиболее информативных биомаркеров и их количественных пределов для диагностики экологического состояния почв и сопредельных сред естественных и урбоэкосистем, разработка методологии их применения в оценке функционирования почв в прошлом, настоящем и будущем. Поиск новых биомаркеров будет выполнятся одновременно на разных уровнях структурной организации почв и в соответствии с различными функциями почв разных горизонтальных и вертикальных природных зон современной и палеобиосферы. Полученные результаты могут быть использованы в сельском хозяйстве, в экологии, в климатологии и т.д..

Technological progress and the development of laboratory equipment, the emergence of high-performance liquid chromatography methods that combine gas chromatography and isotope mass spectrometry, scanning electron microscopy, metagenomic studies determine the modern possibilities for studying the structure of various substances in order to search for individual markers (indicators) of soil processes, the ecological state of soils and adjacent environments, diagnosing the degree of soil toxicosis, the degree of hydromorphism, the intensity of biochemical processes over time, assessing the biological activity of soils and the degree of stability of organic matter, etc. Biomarkers are organic substances of known genesis and structure that have a specific origin, are resistant to degradation, are diagnosed on all levels of organization of the soil mass (from the atom to the horizon and the profile as a whole) and reflecting the nature of soil functioning in space and time. Meanwhile, with a large amount of information about the groups of compounds (lipids, humic acids, lignin, carbohydrates, amino acids, etc.), the modern database on the content in soils and adjacent environments of individual substances of biological origin that make up these groups is extremely scarce. The potential of soil proper (based on the study of soil properties and mechanisms of soil processes) biomarkers is not sufficiently used in agricultural practice and in the organization of rational nature management. For example, they require the development and implementation of methods for biotesting soils and soil-like bodies of beaches, treatment facilities, etc. for the content of pathogenic viruses and microbes. The effects of the impact of commercial humates on plant and microbial cenoses, the mechanisms of the occurrence and overcoming of allelopathy and toxicosis of soils, and the control of phytohormonal activity of soils require study. It is necessary to modify biopreparations used for soil remediation. Successful implementation of the developed technologies can be carried out on the basis of GIS mapping. Taking into account global climate change, it is very important to build predictive scenarios for the state of the natural environment based on a retrospective analysis. Such an analysis involves studying the evolution of soils over time. Of particular importance is the reconstruction of the paleolandscape situation during the last interglacial period (MIS5), since these landscapes were the closest to modern ones. Their dynamics can be assessed based on the study of buried soils using a set of innovative biochemical methods. The purpose of fulfilling the topic of the state assignment is to systematize the available theoretical data and experimentally identify the most informative biomarkers and their quantitative limits for diagnosing the ecological state of soils and adjacent environments of natural and urban ecosystems, develop a methodology for their application in assessing the functioning of soils in the past, present and future. The search for new biomarkers will be carried out simultaneously at different levels of soil structural organization and in accordance with the different functions of soils in different horizontal and vertical natural zones of the modern and paleobiosphere. The results obtained can be used in agriculture, ecology, climatology, etc.

2022 г. Будут проанализированы, модифицированы по мере необходимости и разработаны новые методики определения биомаркеров, необходимые для практики мониторинга объектов окружающей среды, например 1) будет разработана методика определения токсинов и патогенных организмов для почв, осадков сточных вод и пляжных грунтов, разработаны критерии оценки рисков от потенциально опасных патогенных организмов в почвах и в органических удобрениях. На основе метагеномного анализа будет дана оценка обеззараживающего эффекта разных очистных сооружений, которые являются источниками биогенных элементов для почв и сырьем для производства органических удобрений; 2) будет модифицирована существующая методика определения лигниновых фенолов в почвах и тканях растений; 3) будет модифицирована для почв методика определения фитогормонов; 4) будут модифицированы для условий газо-жидкостной хроматографии методики определения аминокислот и аминосахаров; 5) будут обобщены существующие методические подходы к определению изотопных биомаркеров; 6) будет усовершенствована методика определения н-алканов в почвах; 7) будут разработаны новые методы определения аллелотоксинов в почвах и сопредельных средах. 2023 г. 1. Будет выполнено исследование различных биомаркеров с оценкой их устойчивости для различных почв и сопредельных сред (вода, осадки очистных сооружений, семена растений, педолитоседименты). 2. Будет дана оценка степени и возможности стабилизации и сохранности биомаркеров в почвах горизонтального и вертикальных зональных рядов, в интразональных почвах речных пойм Волги, Цны, Оки, Десны, Москва-реки и др., направленности процессов диагенеза биомаркеров под влиянием распашки, осушения, селитебного освоения. 3. Вскрытие механизмов и степени сохранности индикаторов послужит оценке целесообразности и возможности их использования в качестве молекулярной метки почвенных и ландшафтных процессов или климатических явлений, молекулярных следов бытования человека в количественном прогнозном моделировании, которое должно опираться на конкретные пороговые значения индикаторов. 2024 г. На основе выполненного анализа устойчивости почвенных биомаркеров будет выполнена их группировка с оценкой возможности регулирования активности, обобщены сведения о механизмах и методах управления активностью биомаркеров. 2. Будут исследованы механизмы снижения активности биомаркеров (действующей концентрации токсинов, например), вытеснения их из почвы путем обменной адсорбции. 3. Будут выполнены работы по внесению в почвы сорбентов, поглощающих и закрепляющих аллелотоксины из почв, способных активировать их разложение за счет нанесенных на них катализаторов или микроорганизмов, использующих аллелотоксины почв в качестве источников углерода. В этом случае микроорганизмы, активно развиваясь в почве, прилегающей к семенам, могут использовать аллелотоксины в качестве источника питания, снижая их концентрацию. 4. Будут продолжены работы по изучению веществ, провоцирующих структурный переход в гумусовой матрице почвенных гелей, что может приводить к усилению закрепления аллелотоксинов в почвах и снижению их активности (действующей концентрации). Это может позволить разработать технологии уменьшения негативного влияния аллелотоксинов на растительность в почвах садов, парков, в субстратах тепличных хозяйств. Особенно это важно для многолетних культур, например, ботанических садов. 5. Будет выполнена систематизация экспериментальных данных об отклике отдельных микроорганизмов и их сообществ на воздействие различных стресс-факторов (оксиданты, токсичные металлы и биологически активные органические соединения) в присутствии гуминовых веществ. 6. Будут предложены методы дезактивации н-алканов в нефтезагрязненных почвах. 2025 г. 1. Будет выполнено обобщение полученных ранее результатов и конкретизированы пулы биомаркеров для диагностики конкретных почв и сопредельных сред. 2. Будет выполнено тестирование технологий использования предложенных пулов биомаркеров на почвах зонального ряда. 3. Будут изучены закономерности биогеохимии атомарных биомаркеров в почвах горизонтального и вертикальных рядов. 4. Будут предложены наиболее эффективные молекулярные показатели для мониторинга состояния почв особо охраняемых природных территорий. 2026 г. 1. Планируется исследование фосфорсодержащих биомаркеров в культурных слоях поселений с оценкой наиболее информативных показателей. 2. Будет исследован пул н-алканов в культурных слоях стоянок первобытного человека и поселений исторического времени 3. Будет исследован изотопный состав углерода и азота в погребенных почвах и культурных слоях различных природных зон и выполнено его сравнение с изотопным составом фоновых почв. 4. Будет проведено тестирование фокусных групп биомаркеров нна погребенных почвах различного возраста. 5. Будет выполнена с использованием исследованных биомаркеров палеоклиматическая и палеоландшафтная реконструкция для стоянок древнего человека на Кавказе и в Прибайкалье, а также поселений исторического времени в Поволжье и в Причерноморье. 2027 1. Будет исследована трансформация биомаркеров в разных системах природопользования. 2. Будет выполнено тестирование разработанных пулов биомаркеров на антропогенно-преобразованных почвах и в техногенных экосистемах. 3. Будет разработана технология преодоления токсикоза почв, в том числе загрязненных. 4. Предполагается проведение модельных опытов в микрокосмах с внесением дополнительных источников углерода или предшественников фитогормонов на участках с различной антропогенной нагрузкой (заповедные и рекреационные ландшафты, урбоэкосистемы различных природных зон, переувлажненные, загрязненные территории и т.д.). 5.Будет исследован пул н-алканов в культурных слоях городских почв и получены пороговые значения показателей липидного статуса для разных уровней загрязнения почв. 6. На основе метагеномных исследований будут предложены технологии утилизации осадков сточных вод.

Работа будет выполнена на основе достижений экологического почвоведения, так как коллектив лаборатории экологического почвоведения факультета почвоведения МГУ, являясь правопреемником Института экологического почвоведения МГУ, более 20 лет успешно работает в области исследования функций почв, обладает необходимым высокотехнологичным оборудованием и накопил значительную теоретическую и практическую научную базу в области технологий регулирования функций почв в биосфере и жизни человека. Традиционно в лаборатории экологического почвоведения в соответствии с концепцией структурно-функциональной роли почвы в биосфере исследования выполняются на различных уровнях (от микроуровня почвенных биомов до макроуровня почвенного покрова) организации почвенной массы и с позиций многообразия различных экосистемных функций почв. Авторский коллектив работает в области тонкой биохимии почв в течение последних 30 лет. За этот период работы авторами темы в накоплена обширная база данных о наиболее инерционных почвенных органических соединениях, их свойствах, о составе гумуса и путях трансформации растительных остатков в современных и погребенных горизонтах почв и педолитоседиментационных толщах разных временных срезов и природных зон. Накоплен банк данных по изучению изотопного состава биогенных элементов. Аналитическая база лаборатории включает электронный микроскоп, высокотехнологичное хроматографическое и спектрофотометрическое оборудование, оборудование для метагеномных исследований.

Все запланированные на 2022-2024 гг. результаты достигнуты. В 2022 г. проанализированы, модифицированы по мере необходимости и разработаны новые методики определения биомаркеров, необходимые для практики мониторинга объектов окружающей среды, например: 1) на основе литературного обзора предложена методика определения токсинов и патогенных организмов для почв, осадков сточных вод, разработаны критерии оценки рисков от потенциально опасных патогенных организмов в почвах и в органических удобрениях. На основе литературного обзора дана оценка обеззараживающего эффекта разных очистных сооружений, которые являются источниками биогенных элементов для почв и сырьем для производства органических удобрений; 2) на основе апробации метода метагеномного анализа проанализирована структура микробного сообщества сточных вод 3) модифицирована существующая методика определения лигниновых фенолов в почвах и тканях растений; 4) модифицирована для почв методика определения фитогормонов; 5) модифицированы для условий газо-жидкостной хроматографии методики определения аминокислот и аминосахаров; 6) обобщены существующие методические подходы к определению изотопных биомаркеров; 7) усовершенствована методика определения н-алканов в почвах; 8)разработаны новые методы определения аллелотоксинов в почвах и сопредельных средах; 9) апробированы методы ИК и ЯМР-спектроскопии для разных типов объектов (гуминовых кислот и водорастворимого органического вещества); 10) модифицированы и апробированы методы фитолитного и микроморфологического анализа для низкоуглеродных плейстоценовых почв и образцов пыли; 11) полученные результаты широко популяризованы для разных групп населения при реализации проекта ”Экологическое содружество”. Практическая значимость проделанной работы состоит в том, что отчет содержит готовые к практическому употреблению методики, протестированные на различных объектах зонального ряда почв, соответствующие современному уровню биохимического анализа и сопоставимые с методами мировой науки. Научная значимость исследования состоит в том, что полученные данные могут быть использованы в обновлении теоретической базы почвенной биохимии, а также в выявлении новых биомаркеров трансформации органического вещества почв. Результаты исследований опубликованы в 10 статьях WOS/SCOPUS, в том числе в 3-х статьях из списка Q1, а также в ряде статей RSCI и РИНЦ, доложены на отечественных и международных конференциях, оформлены в виде 6 патентов. В 2023г. выполнен 1) анализ устойчивости почвенных биомаркеров в дневных и погребенных почвах естественных и урбоэкосистем Русской равнины и вертикальных зон Кавказа, а также Главной гряды Крымских гор, в природных водах, осадках сточных вод, в грунтах. 2) На основе анализа различных резервуаров охарактеризованы пулы почвенных биомаркеров для макро-, мезо-, микро и субмикроуровней организации почвенной массы с оценкой их информативности; 3) Выполнены исследования различных биомаркеров с оценкой их устойчивости для различных почв и сопредельных сред (вода, осадки очистных сооружений, семена растений, педолитоседименты); 4) оценена степень и возможности стабилизации и сохранности биомаркеров в почвах, в разных позициях рельефа, в разных системах землепользования, в дневных и погребенных почвах разного возраста. Результаты исследований опубликованы в 3 статьях RSCI, 3 WOS, 3 SCOPUS, двух монографиях, 10 статьях РИНЦ, представлены в виде 17 докладов на отечественных и международных конференциях, оформлен патент и защищена кандидатская диссертация по теме государственного задания. В 2024 г. 1)изучены и протестированы на конкретных примерах физические, химические и биологические механизмы регулирования активности биомаркеров в почвах и сопредельных средах. 2)Выполнено обобщение сведений о механизмах и методах управления активностью биомаркеров. Установлено, что природные (избыток или недостаток увлажнения, колебания температуры, выпадение осадков) и агротехнические (обработка почвы, обработка семян, внесение удобрений) воздействия способны оказывать дестабилизирующее воздействие на пул биологически активных веществ в почвах и сопредельных средах (в сточных водах, активном иле и пр.). 3) Исследованы механизмы регулирования активности биомаркеров путем механоактивации, промораживания, увлажнения почв. Продолжены работы по изучению физико-химических условий и веществ, провоцирующих структурный переход в гумусовой матрице почв, что может приводить к усилению закрепления аллелотоксинов в почвах и снижению их активности и действующей концентрации. Показано, что замораживание увлажненных воздушно-сухих образцов чернозема, серой лесной и дерново-подзолистой почв позволяет приблизить структурную организацию их гелей к состоянию образцов, не подвергавшихся высушиванию, однако, это восстановление характерно не для всех почв. При высушивании почвенных образцов происходит укрупнение выделяемых из них надмолекулярных образований гуминовых веществ. Нагрев и ультразвуковая обработка укрупняют размер надмолекулярных образований гуминовых веществ и не позволяют вернуть организацию почвенных гелей к состоянию образцов, не подвергавшихся высушиванию. Показана возможность восстановления замораживанием структурной организации почвенных гелей высушенных почв: дерново-подзолистой, серой лесной почвы и чернозема до состояния не подвергавшихся высушиванию образцов. 4) На основе предложенной теоретической концепции выполнен экспериментальный поиск технологий регулирования (снижения) активности биомаркеров за счет сорбентов, поглощающих и закрепляющих аллелотоксины в почвах, бактериальных технологий, внесения удобрений. 5) Показано, что индуцированный синтез ауксина является маркером нарушения состава почвенного микробного сообщества, например, вследствие интенсивного сельскохозяйственного использования или при загрязнении нефтепродуктами. 6) Разработаны и запатентованы технологии уменьшения негативного влияния аллелотоксинов на растения путем предпосевной обработки семян. Показан эффект от применения автолизата дрожжей с живыми клетками дрожжей штамма Sporobolomyces roseus ВКМ Y-4063D, который оказался в 2,5-3 раза выше по сравнению с использованием одного автолизата. Разработана технология «Способ стимулирующей предпосевной обработки семян злаковых культур суспензией автолизата дрожжей с добавлением живых дрожжевых клеток Sporobolomyces roseus» (патент № 2826587 от 12.09.2024). 7) Выполнена систематизация экспериментальных данных об отклике отдельных микроорганизмов и их сообществ на воздействие различных стресс-факторов на примере очистных сооружений, разработаны технологии применения микроорганизмов, использующих токсины в качестве источников углерода, в регулировании активности биомолекул. Предложенная технология регистрации фотосинтетической активности по параметрам флуоресценции хлорофилла в сточных водах очистных сооружений позволяет неинвазивно контролировать жизнеспособность микроводорослей в процессе водоподготовки. Показано, что бактериоценоз активного ила очистных сооружений меняет свою структуру по ходу движения через технологические стадии аэротенка в согласии с изменением условий аэрации. 8) На примере фенольных соединений лигниновой природы продолжены работы по изучению процессов лигнификация растительных тканей – физиологической реакции растений на изменение факторов окружающей среды. При похолодании и аридизации климата, в присутствии вредителей и патогенов, и злаковые и разнотравные растения наращивают содержание лигнина. Поэтому максимальное количество лигнина свойственно одревесневшим тканям и подземным органам растений всех видов. Антропогенное воздействие меняет состав и структуру растительных ценозов и вызывает изменения биохимического состава растительных тканей. Обнаружена взаимосвязь между содержанием азота в почвах и растениях и интенсивностью процесса синтеза лигнина. , Установлено, что применение азотных удобрений увеличивает кормовую ценность травостоев и подавляет лигнификацию тканей злаков. По результатам работ сотрудниками лаборатории в 2024 г. опубликовано 5 статей в журналах из списка WOS, 2 статьи - SCOPUS, 5 статей - РИНЦ, 3 главы – в монографиях, подготовлена и передана в печать монография, сделано 19 докладов на отечественных и международных конференциях, оформлен патент. Полученные сведения используются в учебных курсах факультета почвоведения и географического факультета МГУ, в подготовке заданий Олимпиад школьников и педагогической практике студентов факультета почвоведения МГУ. Результаты исследований широко обнародованы в ведущих отечественных СМИ ("Маяк", "Москва 24","МИР24", "Планета новостей", "ТАСС Наука", "Удачная правда" и др.), в том числе и на Новых территориях РФ ("Новое. Медиа").