![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Неустойчивость климатической системы планеты, таяние высокогорных ледников и сокращение ресурсов пресной воды, непрекращающийся подъем уровня мирового океана и увеличение количества стихийных бедствий в разных регионах планеты (наводнения, засухи, лесные пожары, развитие селей и т.д.) привлекают все возрастающий интерес к фундаментальной проблеме выявления климатических трендов и поиску эффективных технологий мониторинга окружающей среды и прогнозирования развития кризисных экологических ситуаций. Основным стоком планетарного органического вещества являются почвы, в которых можно обнаружить разнообразные молекулярные следы жизнедеятельности растений, животных и человека различных эпох (Ковалева, Канищев, Тютерева, Ковалев, 2016). Благодаря прочной связи с минеральной матрицей почв отдельные органические молекулы отличаются высокой степенью устойчивости к диагенезу и длительно сохраняются в почвах. Их легко распознать с помощью применения современных высокотехнологичных методов биохимических исследований (Kovalev, Kovaleva, 2008; Ковалев И.В., Ковалева И.В., 2016). Традиционно в качестве индикаторов природной среды в палеопочвенных исследованиях использовались такие группы почвенных органических соединений как гуминовые кислоты, хлорофилл, грибные меланины, липиды и т.п. (Орлов, 1990). Однако диагностическое значение молекул индивидуальной природы - биомаркеров - несравненно выше благодаря их узкой видовой специфичности. Такими соединениями являются лигниновые фенолы (сирингиловый, ванилиновый альдегиды, кумаровая, феруловая, ванилиновая, сирингиловая кислоты) - маркеры типов и видов растительности (Kovaleva, Kovalev, 2009, 2015), клеточные ДНК и РНК растений и животных (Zech, 2013), жирные кислоты (олеиновая, пальмитиновая, мирамистиновая и т.д.) - биомаркеры животного мира и микрофлоры (Kovalev, Kovaleva, 2011), аминосахара (мурамин, глюкозамин и пр.) и аминокислоты (Ковалев, Ковалева, 2014). Обнаружение и идентификация биомаркеров в образцах почв из датированных радиоуглеродным или археологическим методом почвенных горизонтов и педоседиментов позволит реконструировать палеоэкологические обстановки существования древних поселений человека (Канищев, Ковалева, Ковалев, 2012), ход изменения климата (Ковалева, Столпникова, Ковалев, 2013), особенности бытования культур и природные причины миграции этносов (Khokhlova, Khokhlov, Kuznetsova, Stolpnikova, Kovaleva, Lyubin, Belyaeva, 2016; Столпникова, Ковалева, 2014). Будeт разработаны технологии использования конкретных биомаркеров в палеоклимактических, палеоэкологических исследованиях (составлен их список для различных природных зон, типов почв, типов природных и антропогенных ландшафтов, горных и равнинных территорий, обозначены возможности и ограничения метода) и в целях прогнозирования экологических кризисов. Для верификации полученных результатов предполагается использовать анализ содержания стабильных изотопов углерода, азота и серы, анализ группового состава фосфорорганических соединений, исследование почвенного органического вещества, в том числе, с помощью методов ЯМР (по ядрам углерода и фосфора) и ИК-спектроскопии, споропыльцевой и фитолитный анализы, микробиологические, а также микроморфологические исследования почвенных проб.
The instability of Planet climate system, melting of mountain glaciers and the reduction of fresh water resources, the continuous rise in global sea level and the increase in natural disasters in various regions of the world are lead to growing interest in the fundamental problem of identifying climate trends, the search for effective environmental monitoring technologies and prediction of crisis ecological situations. Soil is the main reservoir of planetary soil organic matter. It is contain a big variety of molecular traces of plants, animals and humans life from different epochs (Kovaleva, Kanischev, Tyutereva, Kovalev, 2016). Due to the strong connection with the soils mineral matrix the individual organic molecules are highly resistant to diagenesis and long remain in the soil. They are easy to recognize by the application of modern high-tech methods of biochemical research (Kovalev, Kovaleva, 2008; 2016). Traditionally, the paleosoils studies use enviromental indicators such as organic compounds groups - soil humic acids, chlorophyll, fungal melanins, lipids etc. (Orlov, 1990). However, the diagnostic value of the individual nature of the molecules - biomarkers - much higher due to their narrow species specificity. These compounds are the lignin phenols (syringyl, vanillin aldehydes; coumaric, ferulic, vanillic, syringyl acids) - markers of plants type and species (Kovaleva, Kovalev, 2009, 2015), as well as plant, animal DNA and RNA (Zech, 2013) , fatty acids (oleic, palmitic, miramistic, etc.), amino sugars (muramin, glucosamine, etc.) and amino acids (Kovalev, Kovaleva, 2014). Detection and identification of biomarkers in soil samples (daited by radiocarbon, archeological and other methods) from the soil horizons and pedolitosediments allow us to reconstruct the paleoecological conditions of the ancient human settlements (Kanischev, Kovaleva, Kovalev, 2012), climate change direction (Kovaleva, Stolpnikova, Kovalev, 2013), causes of ethnic migration (Khokhlova, Khokhlov, Kuznetsova, Stolpnikova, Kovaleva, Lyubin, Belyaeva, 2016; Stolpnikova, Kovaleva, 2014). We will use the tehnology of specific biomarkers in paleoclimaticl and paleoecological studies and drawn up their list ( for different geographic zones, types of soils, types of landscapes, plane and mountaine territory) with capabilities and limitations of the methods and the predictive modeling . The obtained results will be verify by several methods: stable isotopes analysis of carbon, nitrogen and sulfur , analysis of organic and inorganic phosphorous group, soil organic matter including the using of NMR techniques (carbon and phosphorus nuclei spectra) and IR spectroscopy, and also palinological, phytoliths analysis, microbiological and micromorphological study of soil samples.
Использование молекулярных биомаркеров для целей диагностики природных и антропогенных процессов - одно из самых востребованных направлений современного естествознания. Их применение в почвоведении экологии позволит на новом технологическом уровне взглянуть на ранее полученные результаты, уточнить установленные стратиграфические рубежи, получить новую информацию о природных обстановках прошлого и современном состоянии окружающей среды. Авторами проекта впервые (Ковалева, Ковалев, 2003) было предложено использовать спектр лигниновых фенолов в качестве молекулярных следов растительности и оценки качества гумуса почв. В ходе реализации проекта предполагается расширить список современных биомаркеров с помощью изучения спектра аминосахаров, жирных кислот, аминокислот, микробной двухцепочечной ДНК (дцДНК), генетического маркера микробного разнообразия почв (16S рРНК), изотопного состава углерода гумуса, поиска микроморфологических индикаторов и т.д. Аналоги подобного рода исследований в мировой литературе единичны (Kovaleva N, Zech W, 2000; Zech, M., Buggle, B., Leiber, K., Markovic, S., Glaser, B., Hambach, U., Huwe, B., Stevens,T., Sümegi, P., Wiesenberg, G. and Zöller, L., 2009; Zech W, 2014). На основе литературного и собственного экспериментального материала по горной и равнинной Евразии планируется составить перечень и дать развернутую аналитическую характеристику применяемых в палеоэкологии биомаркеров с оценкой их пригодности для диагностики климатических трендов и природных условий существования поселений человека в плейстоцене и голоцене, для целей мониторинга и моделирования кризисных ситуаций. Будет выполнен изотопный анализ углерода гумуса и карбонатов и составлены изотопные кривые для наиболее чувствительных к климатическим изменениям разновозрастных природных (моренные уровни Хибин, Среднего Урала, Западного и Восточного Кавказа, Северного и Центрального Тянь-Шаня и речные террасы Цны, Москва-реки, Десны, Оки) и антропогенных (стоянки древнего человека в Дагестане и Армении, средневековые городища и оборонительные валы в Тамбовской, Брянской, Московской области) объектов. При этом будет выполнен сравнительный анализ региональных изотопных кривых для различных природных зон равнинной и горной Евразии. Планируется описать различные типы возможных климатических сценариев и сравнить полученные данные с глобальной климатической кривой плейстоцена-голоцена, вычленить региональные особенности климатических изменений и связанные с ними наиболее кризисные эпохи в развитии человека и общества. Верификация полученных результатов будет выполнена с помощью построения палеомагнитных кривых и результатов ЯМР-спектроскопии. Химический анализ содержания и хроматография липидов, спектра жирных кислот и углеводов позволит оценить информативность данных характеристик в качестве молекулярных следов почвенной биоты и на основе оценки их содержания в разных типах почв предложить новые индикаторы типов растительности, микробных сообществ, культурных слоев, типов почв, типов ландшафтов, палеоклимата. Химический анализ содержания и состава фосфорорганических соединений, в том числе ДНК, позволит оценить информативность данных характеристик в качестве молекулярных следов почвенной биоты и на основе оценки их содержания в разных типах почв предложить новые индикаторы здоровья почвы. Химический анализ содержания и состава аминосахаров позволит оценить информативность данных характеристик в качестве молекулярных следов почвенной биоты и на основе оценки их содержания в разных типах почв предложить новые индикаторы качества окружающей среды.. Будет выполнено тестирование выявленных биомаркеров на разновозрастных природных (моренные уровни, речные террасы, заболоченные ландшафты) и антропогенных объектах (археологические памятники, агроландшафты, осушенные территории) с целью выявления наиболее информативных для диагностики климата и состояния среды показателей. Например, с использованием спектра жирных кислот будет реконструирована обстановка голоцена для почв Владимирского, Коломенского и Брянского ополий. С использованием спектра лигниновых фенолов будет выполнена палеоклиматическая реконструкция экологической катастрофы, приведшей к гибели средневекового Архыза (Северный Кавказ), или наводнения, разрушевшего городище Онуза в пойме Цны (Тамбовская область). С помощью спектра аминосахаров в железо-марганцевых конкрециях будет изучен вектор эволюции осушенных ландшафтов Московской области. С помощью биомаркеров гуминовых кислот будет вскрыта причина необратимой техногенной деградации черноземов Тамбовщины и экологический кризис начала ХХ века. Микроморфология диатомей и состав конкреционных новообразований раннепалеолитической стоянки древнего человека вскроет причины засоления ландшафтов в горном Дагестане. Биомаркеры в почвах Крыма будет подобраны для диагностики водоудерживающей способности почв и вскроют причину расцвета и разрушения древнего Кырыма. Будет выполнена оценка инерционности полученных показателей и возможности их использования в прогнозном моделировании глобальных изменений климата и эволюции ландшафтов различных природных зон. Планируется составить шкалы значений биомаркеров (для разных типов природных и антропогенных ландшафтов, природных зон, типов почв) для диагностики региональных и глобальных изменений климата и особенностей бытования культур. К окончанию реализации проекта будут составлены региональных палеоклиматических реконструкций плейстоцена-голоцена для территории объектов исследования, будет выполнено их сопоставление с глобальными климатическими трендами: 1) для горных территорий Евразии, 2) для агроландшафтов Русской равнины на примере Брянской и Тамбовской областей, 3) для территорий речных долин бассейна реки Ока, 4) для осушенных территорий Московской области, 5) для Крымского полуострова. На основе статистической обработки данных будут выявлены ритмичность и региональные особенности климатических изменений, установлены причин и механизмы развития экологических кризисов в различных типах ландшафтов и природных зонах. Будут составлены прогнозные модели эволюции региональных ландшафтов в условиях меняющегося климата и опасности развития критических ситуаций.
Авторский коллектив работает в области тонкой биохимии почв в течение последних 30 лет. За этот период работы авторами проекта в отечественных и зарубежных лабораториях 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 толщ. Разработана концепция использования микро- и нано-признаков почв в палеоэкологических и мониторинговых исследованиях. Доказано, что свойства палеосреды полнее и долговременнее сохраняются на «внутренних» слоях почвенной памяти (молекулы гуминовых кислот, пропорции неспецифических органических соединений,изотопный состав органического вещества и карбонатов и т.д.).
Использование молекулярных биомаркеров для целей диагностики природных и антропогенных процессов - одно из самых востребованных направлений современного естествознания. Их применение в почвоведении экологии позволит на новом технологическом уровне взглянуть на ранее полученные результаты, уточнить установленные стратиграфические рубежи, получить новую информацию о природных обстановках прошлого и современном состоянии окружающей среды. Авторами проекта впервые (Ковалева, Ковалев, 2003) было предложено использовать спектр лигниновых фенолов в качестве молекулярных следов растительности и оценки качества гумуса почв. В ходе реализации проекта предполагается расширить список современных биомаркеров с помощью изучения спектра аминосахаров, жирных кислот, аминокислот, микробной двухцепочечной ДНК (дцДНК), генетического маркера микробного разнообразия почв (16S рРНК), изотопного состава углерода гумуса, поиска микроморфологических индикаторов и т.д. Аналоги подобного рода исследований в мировой литературе единичны (Kovaleva N, Zech W, 2000; Zech, M., Buggle, B., Leiber, K., Markovic, S., Glaser, B., Hambach, U., Huwe, B., Stevens,T., Sümegi, P., Wiesenberg, G. and Zöller, L., 2009; Zech W, 2014). На основе литературного и собственного экспериментального материала по горной и равнинной Евразии планируется составить перечень и дать развернутую аналитическую характеристику применяемых в палеоэкологии биомаркеров с оценкой их пригодности для диагностики климатических трендов и природных условий существования поселений человека в плейстоцене и голоцене, для целей мониторинга и моделирования кризисных ситуаций. Будет выполнен изотопный анализ углерода гумуса и карбонатов и составлены изотопные кривые для наиболее чувствительных к климатическим изменениям разновозрастных природных (моренные уровни Хибин, Среднего Урала, Западного и Восточного Кавказа, Северного и Центрального Тянь-Шаня и речные террасы Цны, Москва-реки, Десны, Оки) и антропогенных (стоянки древнего человека в Дагестане и Армении, средневековые городища и оборонительные валы в Тамбовской, Брянской, Московской области) объектов. При этом будет выполнен сравнительный анализ региональных изотопных кривых для различных природных зон равнинной и горной Евразии. Планируется описать различные типы возможных климатических сценариев и сравнить полученные данные с глобальной климатической кривой плейстоцена-голоцена, вычленить региональные особенности климатических изменений и связанные с ними наиболее кризисные эпохи в развитии человека и общества. Верификация полученных результатов будет выполнена с помощью построения палеомагнитных кривых и результатов ЯМР-спектроскопии. Химический анализ содержания и хроматография липидов, спектра жирных кислот и углеводов позволит оценить информативность данных характеристик в качестве молекулярных следов почвенной биоты и на основе оценки их содержания в разных типах почв предложить новые индикаторы типов растительности, микробных сообществ, культурных слоев, типов почв, типов ландшафтов, палеоклимата. Химический анализ содержания и состава фосфорорганических соединений, в том числе ДНК, позволит оценить информативность данных характеристик в качестве молекулярных следов почвенной биоты и на основе оценки их содержания в разных типах почв предложить новые индикаторы здоровья почвы. Химический анализ содержания и состава аминосахаров позволит оценить информативность данных характеристик в качестве молекулярных следов почвенной биоты и на основе оценки их содержания в разных типах почв предложить новые индикаторы качества окружающей среды.. Будет выполнено тестирование выявленных биомаркеров на разновозрастных природных (моренные уровни, речные террасы, заболоченные ландшафты) и антропогенных объектах (археологические памятники, агроландшафты, осушенные территории) с целью выявления наиболее информативных для диагностики климата и состояния среды показателей. Например, с использованием спектра жирных кислот будет реконструирована обстановка голоцена для почв Владимирского, Коломенского и Брянского ополий. С использованием спектра лигниновых фенолов будет выполнена палеоклиматическая реконструкция экологической катастрофы, приведшей к гибели средневекового Архыза (Северный Кавказ), или наводнения, разрушевшего городище Онуза в пойме Цны (Тамбовская область). С помощью спектра аминосахаров в железо-марганцевых конкрециях будет изучен вектор эволюции осушенных ландшафтов Московской области. С помощью биомаркеров гуминовых кислот будет вскрыта причина необратимой техногенной деградации черноземов Тамбовщины и экологический кризис начала ХХ века. Микроморфология диатомей и состав конкреционных новообразований раннепалеолитической стоянки древнего человека вскроет причины засоления ландшафтов в горном Дагестане. Биомаркеры в почвах Крыма будет подобраны для диагностики водоудерживающей способности почв и вскроют причину расцвета и разрушения древнего Кырыма. Будет выполнена оценка инерционности полученных показателей и возможности их использования в прогнозном моделировании глобальных изменений климата и эволюции ландшафтов различных природных зон. Планируется составить шкалы значений биомаркеров (для разных типов природных и антропогенных ландшафтов, природных зон, типов почв) для диагностики региональных и глобальных изменений климата и особенностей бытования культур. К окончанию реализации проекта будут составлены региональных палеоклиматических реконструкций плейстоцена-голоцена для территории объектов исследования, будет выполнено их сопоставление с глобальными климатическими трендами: 1) для горных территорий Евразии, 2) для агроландшафтов Русской равнины на примере Брянской и Тамбовской областей, 3) для территорий речных долин бассейна реки Ока, 4) для осушенных территорий Московской области, 5) для Крымского полуострова. На основе статистической обработки данных будут выявлены ритмичность и региональные особенности климатических изменений, установлены причин и механизмы развития экологических кризисов в различных типах ландшафтов и природных зонах. Будут составлены прогнозные модели эволюции региональных ландшафтов в условиях меняющегося климата и опасности развития критических ситуаций.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | этап 2017 года |
Результаты этапа: Использование молекулярных биомаркеров для целей диагностики природных и антропогенных процессов - одно из самых востребованных направлений современного естествознания. Их применение в почвоведении экологии позволит на новом технологическом уровне взглянуть на ранее полученные результаты, уточнить установленные стратиграфические рубежи, получить новую информацию о природных обстановках прошлого и современном состоянии окружающей среды. Авторами проекта впервые (Ковалева, Ковалев, 2003) было предложено использовать спектр лигниновых фенолов в качестве молекулярных следов растительности и оценки качества гумуса почв. В ходе реализации проекта предполагается расширить список современных биомаркеров с помощью изучения спектра аминосахаров, жирных кислот, аминокислот, микробной двухцепочечной ДНК (дцДНК), генетического маркера микробного разнообразия почв (16S рРНК), изотопного состава углерода гумуса, поиска микроморфологических индикаторов и т.д. Аналоги подобного рода исследований в мировой литературе единичны (Kovaleva N, Zech W, 2000; Zech, M., Buggle, B., Leiber, K., Markovic, S., Glaser, B., Hambach, U., Huwe, B., Stevens,T., Sümegi, P., Wiesenberg, G. and Zöller, L., 2009; Zech W, 2014). На основе литературного и собственного экспериментального материала по горной и равнинной Евразии планируется составить перечень и дать развернутую аналитическую характеристику применяемых в палеоэкологии биомаркеров с оценкой их пригодности для диагностики климатических трендов и природных условий существования поселений человека в плейстоцене и голоцене, для целей мониторинга и моделирования кризисных ситуаций. Будет выполнен изотопный анализ углерода гумуса и карбонатов и составлены изотопные кривые для наиболее чувствительных к климатическим изменениям разновозрастных природных (моренные уровни Хибин, Среднего Урала, Западного и Восточного Кавказа, Северного и Центрального Тянь-Шаня и речные террасы Цны, Москва-реки, Десны, Оки) и антропогенных (стоянки древнего человека в Дагестане и Армении, средневековые городища и оборонительные валы в Тамбовской, Брянской, Московской области) объектов. При этом будет выполнен сравнительный анализ региональных изотопных кривых для различных природных зон равнинной и горной Евразии. Планируется описать различные типы возможных климатических сценариев и сравнить полученные данные с глобальной климатической кривой плейстоцена-голоцена, вычленить региональные особенности климатических изменений и связанные с ними наиболее кризисные эпохи в развитии человека и общества. Верификация полученных результатов будет выполнена с помощью построения палеомагнитных кривых и результатов ЯМР-спектроскопии. Химический анализ содержания и хроматография липидов, спектра жирных кислот и углеводов позволит оценить информативность данных характеристик в качестве молекулярных следов почвенной биоты и на основе оценки их содержания в разных типах почв предложить новые индикаторы типов растительности, микробных сообществ, культурных слоев, типов почв, типов ландшафтов, палеоклимата. Химический анализ содержания и состава фосфорорганических соединений, в том числе ДНК, позволит оценить информативность данных характеристик в качестве молекулярных следов почвенной биоты и на основе оценки их содержания в разных типах почв предложить новые индикаторы здоровья почвы. Химический анализ содержания и состава аминосахаров позволит оценить информативность данных характеристик в качестве молекулярных следов почвенной биоты и на основе оценки их содержания в разных типах почв предложить новые индикаторы качества окружающей среды.. Будет выполнено тестирование выявленных биомаркеров на разновозрастных природных (моренные уровни, речные террасы, заболоченные ландшафты) и антропогенных объектах (археологические памятники, агроландшафты, осушенные территории) с целью выявления наиболее информативных для диагностики климата и состояния среды показателей. Например, с использованием спектра жирных кислот будет реконструирована обстановка голоцена для почв Владимирского, Коломенского и Брянского ополий. С использованием спектра лигниновых фенолов будет выполнена палеоклиматическая реконструкция экологической катастрофы, приведшей к гибели средневекового Архыза (Северный Кавказ), или наводнения, разрушевшего городище Онуза в пойме Цны (Тамбовская область). С помощью спектра аминосахаров в железо-марганцевых конкрециях будет изучен вектор эволюции осушенных ландшафтов Московской области. С помощью биомаркеров гуминовых кислот будет вскрыта причина необратимой техногенной деградации черноземов Тамбовщины и экологический кризис начала ХХ века. Микроморфология диатомей и состав конкреционных новообразований раннепалеолитической стоянки древнего человека вскроет причины засоления ландшафтов в горном Дагестане. Биомаркеры в почвах Крыма будет подобраны для диагностики водоудерживающей способности почв и вскроют причину расцвета и разрушения древнего Кырыма. Будет выполнена оценка инерционности полученных показателей и возможности их использования в прогнозном моделировании глобальных изменений климата и эволюции ландшафтов различных природных зон. Планируется составить шкалы значений биомаркеров (для разных типов природных и антропогенных ландшафтов, природных зон, типов почв) для диагностики региональных и глобальных изменений климата и особенностей бытования культур. К окончанию реализации проекта будут составлены региональных палеоклиматических реконструкций плейстоцена-голоцена для территории объектов исследования, будет выполнено их сопоставление с глобальными климатическими трендами: 1) для горных территорий Евразии, 2) для агроландшафтов Русской равнины на примере Брянской и Тамбовской областей, 3) для территорий речных долин бассейна реки Ока, 4) для осушенных территорий Московской области, 5) для Крымского полуострова. На основе статистической обработки данных будут выявлены ритмичность и региональные особенности климатических изменений, установлены причин и механизмы развития экологических кризисов в различных типах ландшафтов и природных зонах. Будут составлены прогнозные модели эволюции региональных ландшафтов в условиях меняющегося климата и опасности развития критических ситуаций. | ||
2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | этап 2018 года |
Результаты этапа: Биомаркеры, или вещества индивидуальной природы -это органические молекулы известного строения и происхождения. Отдельные молекулы фенолов, аминосахаров, липидов могут быть достоверно обнаружены в живых организмах, в их останках и опаде, в почве, в сложных ассоциатах гуминовых веществ. Многие биомаркеры устойчивы к деградации и служат молекулярными следами палеобиоты и наземной растительности, а также индикаторами интенсивности биохимических процессов, протекающих в биосфере в настоящем и в прошлом. Рассмотрены основные пути и механизмы, обеспечивающие стабильность и сохранность почвенного органического вещества. Установлено, что самая высокая биологическая стабильность почвенного органического вещества характерна для чернозема обыкновенного, самая низкая – для дерново-подзолистой почвы (Семенов В.М., Лебедева Т.Н., Паутова Н.Б. «Дисперсное органическое вещество в необрабатываемых и пахотных почвах»). Органо-минеральные частицы почв или почвенные новообразования способствуют сохранению индивидуальных органических молекул во времени, маркируя условия сформировавшей их палеосреды. В качестве биомаркеров палеосреды и палеоклимата предложено использовать содержание и композиционный состав таких устойчивых к минерализации соединений почвенного органического вещества как лигниновые фенолы и алканы, жирные кислоты, фосфорорганические соединения, гуминовые кислоты почв. Информационная емкость меланинов, хлорофилла, аминосахаров меньше. Установлено (Kovalev I.V., Kovaleva N.O. «Lignin in the organic matter of the soils of the Russian plain as biomarker of palaeoenvironment», 2018 г.), что с увеличением степени трансформации органического вещества в ряду «ткани растений – подстилка – почва – гуминовые кислоты – погребенные гуминовые кислоты» увеличивается количество ароматических кислот по отношению к альдегидам во всех типах объектов независимо от общего количества лигнина в них и достигает максимума в препаратах гуминовых кислот из погребенных почв. По величинам лигниновых параметров VSC (общее количество продуктов окисления лигнина) С/V (циннамилы/ванилины), S/V (сирингилы/ванилины), К/F (кумарилы/ферулы), кислоты/альдегиды можно выделять разные типы растительных тканей (хвойные и лиственные, древесные и недревесные, травянистые разнотравные и злаковые). Установлены разные типы трансформации лигнина в почвах зональных экосистем. Степной тип биотрансформации лигнина характеризуется средними величинами показателя измененности биополимера (Т, %) – около 5-10 % и максимальными величинами показателя окисленности (0,10-0,60) в черноземах и черноземовидных почвах. Лесной тип разложения лигнина отличает величина Т около 10-15 % для серых почв и средние значения отношения ванилиновые кислоты/ванилин. Луговый тип биотрансформации лигниновых структур характеризуется близкими к 0 цифрами показателя трансформации лигнина и минимальными значениями отношений кислот к альдегидам в высокогорных луговых экосистемах. Тропический тип отличается наивысшими цифрами изменнености боковых цепок биополимера по отношению к исходным растительным тканям – до 50 % в красноземах. В агроэкосистемах разных природных зон показатели трансформации молекул лигнина близки к цифрам степного типа. Показано, что содержание лигниновых фенолов в гранулометрических фракциях почв снижается по мере уменьшения размера фракций в ряду: крупный песок – мелкий песок – пыль – ил в почвах равнинных и горных территорий. С уменьшением размера элементарных почвенных частиц увеличивается степень окисленности лигниновых фенолов, что способствует их стабилизации глинистыми минералами. В почвах с контрастным окислительно-восстановительным режимом складываются благоприятные условия для вхождения фенольных соединений в состав органо-железистых комплексов, вероятно, за счет усиления микробиологической активности. В Fe-Mn конкреционных новообразованиях суглинистого состава обнаружен «лигнин» высших растений. Его фракционный состав соответствует типу господствующей растительности. Показано, что распашка и осушение (14 лет последействия дренажа) вызывает глубокую разрушительную трансформацию лигниновых фенолов в ортштейнах, особенно в крупных фракциях конкреций. Ванилиновые фенолы оказывают аллелопатическое действие на рост культурных растений, поддерживая токсикоз почв (Федотов Г.Н., Шоба и др. «Влияние токсичности почв на прорастание семян», 2019, № 4). Анализ фракционного состава липидов обнаружил, что в серых лесных почвах Брянского ополья абсолютно доминируют углеводороды, среди них сквален, и алкоксиглицериды. В первую очередь из состава липидной фракции в результате биохимического разложения выбывают полярные, более реакционно способные соединения - стерины, триглицериды и эфиры стеринов. Эти различия в составе почвенных липидов и липидов органических остатков могут служить в качестве метки интенсивности трансформации органического вещества. Среди жирных кислот преобладают соединения с четным числом атомов углерода в цепи. При этом происходит отбор кислот с наименьшей длиной цепи – это миримистиновая с четырнадцатью и пальмитиновая с шестнадцатью атомами углерода. (Ковалева Н.О., Ковалев И.В. «Почвенные биомаркеры в диагностике эволюции почв и экосистем», 2018 г.). В формирование углеводородного состава верхних горизонтов почвы более значительный вклад, по сравнению с наземным опадом, вносит микробная биомасса, что выражается в увеличение в спектре линейных алканов доли четных и среднецепочечных (<C25) гомологов. Существенным является также вклад корневой биомассы, что приводит к изменению соотношения в составе липидной фракции верхнего горизонта н-алканов с длиной цепи С29 и С31. Продукты микробиологического окисления н-алканов выступают более динамичным и чувствительным показателем изменений липидного комплекса почвы по сравнению с длинноцепочечными линейными алканами (Anokhina N.A., Demin V.V., Zavgorodnyaya Yu.A. «Compositions of n-Alkanes and n-Methyl Ketones in Soils of the Forest-Park Zone of Moscow», 2018) . Верификация полученных результатов выполнена с помощью химических, микроморфологических, микрофаунистических, фитолитного и изотопного анализов. Определение группового состава фосфора в вертикальном ряду почв Крыма обнаружило, что высокое содержание органического фосфора в средней части профиля краснозема соответствует и максимумам на кривой магнитной восприимчивости, оптической плотности, отношения Сгк/Сфк, регистрируя условия развития дернового процесса и накопления гуматного гумуса 7060 ± 260 лет назад. Фитолиты злаковых растений (Koeleria cristata, Avena sativa и др.) и утяжеление изотопного состава почв подтверждает идею средиземноморского генезиса коричневых почв Крыма. В светло-серых лесных почвах Коломенского ополья (пашня на месте сведенного леса) величина отношения сирингилов к ванилинам (S/V) – около 1. Эти цифры соответствуют значениям, типичным для свежих тканей березы, характеризующихся эквивалентным вкладом сирингиловых и ванилиновых единиц. По-видимому, времени освоения этих, в прошлом лесных, почв оказалось недостаточно для полной трансформации устойчивых к разложению соединений лигнина древесных тканей. Более того, характерные березовым экосистемам южной тайги композиционные соотношения лигниновых фенолов остались неизменными не только в почвах, но и в ортштейнах, возраст гумуса которых составил от 1600 до 1990 лет. Изотопный состав органического углерода ортштейнов соответствует палеоэкологическому сценарию их формирования в условиях переменной влажности, соответствующих современной экосистеме мелколиственного (березового или осинового) леса. Молекулярные следы повышения границы леса удалось зафиксировать на Северном Кавказе по типичным для лесных почв (4:2:1) соотношениям лигниновых фенолов в нижней части гумусовых горизонтов горно-луговых почв. При этом композиционный состав лигниновых фенолов в гумусовом горизонте горно-луговой почвы, сформированном около 3600 лет назад, совпадает с облегчением значений δ 13С, диагностируя этап наступания границ всех поясов на вышележащие экосистемы. Это время распространения буроземных почв на склонах и продвижения степных злаковых ассоциаций на черноземах (2:2:1) по горным долинам. Именно этот период совпадает со становлением аланских городских поселений в низко- и среднегорье Северного Кавказа. Композиционные соотношения лигниновых фенов, свойственные разнотравным луговым ассоциациям (3:3:1) устанавливаются после окончания средневекового климатического оптимума (архызского перерыва в оледенении горных вершин) 500-300 лет назад, что подтверждает и облегчение изотопных отношений в дневных гумусовых горизонтах исследованных почв. Композиционный состав лигниновых фенолов с явным преобладанием циннамилов в погребенных горизонтах черноземовидных субальпийских почв (3:1:3)Тянь-Шаня подтвердил предположение о наличии черноземной стадии педогенеза в среднем голоцене (около 5500 лет назад) и обнаружил лесной генезис иллювиальных горизонтов, возраст которых около 7000 лет. Соотношение ванилиновых, сирингиловых и циннамиловых фенолов в последних оказалось типичным для древесных растений: 5:2:1. Облегчение изотопных отношений в обсуждаемом горизонте подтверждает гипотезу о распространении хвойного леса в горных долинах в начале голоцена. Напротив, факты накопления циннамиловых фенолов во вторых гумусовых горизонтах позднего голоцена (3:1:3) и отсутствие ванилиновых структур на ЯМР-спектрах гуминовых кислот из них хорошо согласуются с доказанным нами ранее положением о степном периоде формирования ландшафтов горных долин. Молекулярные следы сдвига растительных зон вверх законсервированы и в изотопном составе гумуса субальпийских черноземовидных почв. | ||
3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | этап 2019 года |
Результаты этапа: Использование молекулярных биомаркеров для целей диагностики состояния природных и антропогенных экосистем - одно из самых востребованных направлений современного естествознания. Их применение в почвоведении и экологии позволяет на новом технологическом уровне взглянуть на ранее полученные результаты и базы данных о состоянии окружающей среды, уточнить региональные особенности проявления природных процессов (их амплитуду, инерционность и интенсивность), корректировать установленные стратиграфические рубежи, получать новую информацию о природных обстановках прошлого и разработать новые технологии мониторинга и прогнозного моделирования состояния окружающей среды. Считается, что биомаркеры– это органические молекулы известного строения и происхождения. Однако, в ходе выполнения проекта было установлено, что к почвенных биомаркерам помимо геомолекул необходимо относить и атомарные биомаркеры, так как сохранность информации повышается по мере уменьшения размеров ее носителей Kovaleva N., Stolpnikova E., Kovalev I. Палеоэкология Верхнего палеолита Подесенья, по результатам изотопных исследований лессово-почвенных серий Трубчевского ополья. https://www.archaeolog.ru/media/2019/konferencii_2019/gavrilov_mikok/Gavrilov_Tezis_2019.pdf). Исследовательские работы 2019 г. были посвящены изучению механизмов записи информации почвенными биомаркерами в антропогенно-нарушенных ландшафтах и завершению тестирования индикаторов не только в почвах естественных территорий, но и в почвах пашни Русской равнины, в осушенных ландшафтах ( Kovalev I.V., Kovaleva N.O. Evaluation of the effect of modern drainage technologies on the physical properties and productivity of mineral hydromorphic soils. // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science (2019 г.) https://iopscience.iop.org/issue/1755-1315/368/1), в почвах сенокосов и пастбищ, вторичных лесов, в культурных слоях поселений. Целью исследования была оценка развития кризисных явлений и процессов антропогенного происхождения с помощью почвенных биомаркеров, а также продолжение работ по тестированию биомаркеров в качестве индикатора изменений климата. Так, было выяснено, что культурные слои средневекового возраста Волжского бассейна обладают общими чертами: темный цвет, структура, наличие артефактов, повышенные величины магнитной восприимчивости и содержание органического фосфора, - и демонстрируют больший биоклиматический потенциал, чем дневные почвы. Корреляция максимумов на кривых содержания органического фосфора и магнитной восприимчивости, вероятно, диагностируют средневековый климатический оптимум, с которым связан расцвет поселений ( Решетникова Р.А., Ковалева Н.О. Свойства почв и культурных слоев городищ Поволжья как источник палеоэкологической информации http://jess.msu.ru/wp-content/uploads/2019/12/sbornik-SEI-2019-01.12.19.pdf). В коричневых почвах заповедника Мыс Мартьян (Крым) зафиксированы максимум величины магнитной восприимчивости в средней части профиля, что связано с одновременным накоплением гумуса и магнитных минералов, максимум содержания органического фосфора, высокое содержание окристаллизованного железа, высокие величины оптической плотности гуминовых кислот. В красноцветной почве, буроземе и горно-луговых почвах были найдены фитолиты злаковых растений (Koeleria cristata, Avena sativa и др.), растущих в теплом сухом климате. На изотопных кривых прослеживается утяжеление изотопного состава углерода вниз по профилю. Полученные факты о свидетельствуют о высокой биологической активности исследованных коричневых почв Мыса Мартьян (Крым) в настоящем и о существовании в середине голоцена еще более теплого периода (климатического оптимума), способствующего «остепнению» экосистем. Возраст органического вещества в средней части профиля составил около 7 тыс. лет. , что соответствует атлантическому периоду – климатическому оптимуму в Северной Европе. Таким образом, установлено, что уникальные экосистемы сухих субтропиков на мысе Мартьян сохраняются в неизменном виде уже более 7 тысяч лет. Решетникова Р.А., Ковалева Н.О. Почвы Южного берега Крыма (на примере почв Мыса Мартьян) как источник палеоэкологической информации. http://www.dokuchaevskie.ru/wp-content/uploads/2018/09/DMH_2019_cut.pdf В ходе реализации проекта в 2019 г. список современных биомаркеров был расширен с помощью изучения спектра n-алканов, гормонов, аминокислот, микробной двухцепочечной ДНК (дцДНК). В результате исследования биомаркерной роли гормонов было установлено, что многие микроорганизмы способны к синтезу растительных гормонов, и эта способность характерна не только для тесно ассоциированных с растениями видов. Набор из 76 штаммов 36 видов дрожжей (23 родов), выделенных из различных природных субстратов, был протестирован на продуцирование зеатина с использованием ВЭЖХ-МС / МС (Streletskii R.A., Kachalkin A.V., Glushakova A.M., Yurkov A.M., Demin V.V. "Yeasts producing zeatin", (2019 г.) https://peerj.com/articles/6474/) . Зеатин был обнаружен более чем в половине (55%) изученных штаммов и чаще встречался среди базидиомицетов, чем среди аскомицетов. Количество зеатина, накопленного в ходе эксперимента, варьировалось в зависимости от вида и штамма. Самые высокие значения содержания зеатина были зарегистрированы для базидиомицетов Sporobolomyces roseus и аскомицетов Taphrina. В среднем способность продуцировать зеатин была более выраженной среди видов, выделенных из аркто-альпийской зоны, чем среди штаммов тропического и умеренного климата. Исследование также продемонстрировало, что эпифитные штаммы и виды пигментированных дрожжей, как правило, типичны для филосферы и способны вырабатывать растительный гормон зеатин более активно, чем другие дрожжи. Так как было обнаружено, что связанные с растением дрожжи из холодных регионов были активными продуцентами зеатина, было высказано предположение, что короткий вегетационный период требует быстрого роста растений, и микробный симбиоз растений с пигментированными дрожжами может иметь важное значение для экологической адаптации растений к жизни в холодных условиях. Установлено, что почвенные дрожжи ускоряют развитие семян распространенных сельскохозяйственных культур (пшеницы, ячменя, ржи). Показано, что культуры дрожжей разной таксономической принадлежности (представители родов Rhodotorula, Cystofilobasidium, Sporobolomyces, Metschnikowia, Saccharomyces, Aureobasidium, Debaryomyces, Cryptococcus) оказывают стимулирующее влияние на прорастание семян за счет выделения грибами амилолитических ферментов и физиологически-активных веществ (Shoba S.A., Salimgareevaa O.A., Gorepekin I.V., Fedotov G.N., Stepanov A.L.) Stimulation of Seed Germination by Humic Substances: On the Nature of the Phenomenon. //Doklady Biological Sciences. Pleiades Publishing, Ltd. Road Town, United Kingdom (2019 г.), https://link.springer.com/article/10.1134%2FS0012496619040021). При поддержке гранта РНФ № 17-14-01120 оформлено 2 патента: "Способ оценки аллелопатического почвоутомления для конкретных культур" (№ 2 704 100) и "Способ оценки снижения токсикоза почв при внесении молочной сыворотки или навоза" (№ 2696440). Систематизированы ранее полученные данные о составе, содержании и пропорциях аминокислот в почвах, выполнена оценка их пригодности как биомаркеров палеоклимата. Химический анализ содержания и состава фосфорорганических соединений, в том числе ДНК, позволил оценить информативность данных характеристик в качестве молекулярных следов почвенной биоты и на основе оценки их содержания в разных типах почв предложить новые индикаторы здоровья почвы. Так, совместно со Сколковским институтом науки и технологий из древесных гнезд муравьев Camponotus vagus заповедника «Брянский лес» был выделен новый штамм актинобактерий, вырабатывающий вещество с антибиотическим действием – небомицин (Zakalyukina Yuliya V., Birykov Mikhail V., Shiriaev Dmitrii I., Komarova Ekaterina S., Skvortsov Dmitry A., Tashlitsky Vadim N., Polshakov Vladimir I., Sergiev Petr V., Osterman Ilya A. "Nybomycin-producing Streptomyces isolated from carpenter ant Camponotus vagus". // Elsevier BV. Netherlands, 2019 г. , https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0300908419300495?via%3Dihub). В ходе работы над проектом изучена антагонистическая активность выделенных из лигноцеллюлозы актинобактерий. Самым эффективным оказался штамм Streptomyces sp. Pe6. . Методами масс-спектрометрии и ядерно-магнитного резонанса участники проекта и специалисты Сколтеха идентифицировали действующее вещество как нибомицин. Было высказано предположение, что нибомицин представляет собой специфический ингибитор устойчивой к фторхинолонам ДНК-гиразы. Однако удалось продемонстрировать, что нибомицин подавляет рост штаммов кишечной палочки, обладающих ДНК-гиразой чувствительной к действию фторхинолонов. Это наблюдение ставит под сомнение предложенный ранее механизм действия антибиотика. Выяснилось, что эукариотические топоизомеразы также могут быть мишенями нибомицина, а он сам — рассматриваться как противораковый агент. Авторы проекта выявили высокую информативность спектра почвенных n-алканов. Было установлено, что информационная роль алканов зависит от характера природной обстановки и механизмов их стабилизации в почве. В ходе исследований 2019 г. с помощью исследования н-алканов в погребенных почвах Брянского ополья (Kovaleva N.O., Stolpnikova E.M., Kovalev I.V. "n-Alkane distribution in buried soils: implication for paleoecology." http://www.humus.ru/hit-2019/abstractbook/HIT-2019-abstractbook.pdf.) удалось подтвердить ранее высказанную гипотезу об умеренно-влажных условиях интерстадиалов последней волны вюрмского оледенения на рубеже плейстоцена и голоцена для территории Русской равнины. Межстадил Беллинг, наступивший 12930 лет назад, исходя из полученных данных, характеризуется более сухим и теплым климатом, чем интерстадиал Ласко (Трубчевский межстадиал). Травянистая растительность преобладала при возможном участии луговых видов, так как состав н-алканов более разнообразен и характеризуется преобладанием нечетных алканов (С31--33). Алканы с длиной цепи 29 и 31 зафиксированы в максимальных количествах по сравнению с почвой эпизода Ласко. Видимо, продуктивные луговые травянистые ландшафты были распространены в долине Десны и диагностируют необратимое разрушение вечной мерзлоты на рубеже плейстоцена-голоцена, установление новых высокопродуктивных типов фотосинтеза и растительных ассоциаций с хорошо развитыми корневыми системами. Kovaleva N.O., Kovalev I.V. Solid phase characteristics of the Greyzemic Phaeozems Albic as a reflection of their polygenesis (Bryansk region, Russia). // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, https://iopscience.iop.org/issue/1755-1315/368/1). Особенно ярко максимумы содержания среднецепочечных алканов проявились в культурном слое палеолитической стоянки древнего человека на Малом Кавказе, что говорит о формировании горизонта в условиях сильного переувлажнения, а возможно и периодического затопления. Состав н-алканов указывает на вклад водных высших растений, микроорганизмов и мхов в формировании органического вещества культурных слоев и на отсутствие саванных и степных трав. Таким образом, палеопочвы можно соотнести с современными лугово-болотными почвами, которые могли быть, в том числе, и карбонатными, и засолёнными, в зависимости от степени минерализации грунтовых вод. (Stolpnikova E.M., Kovaleva N.O.) Paleoenvironmental reconstruction for Early Pleistocene Paleolithic site Mukhkai II using the methods of stable isotope composition and n-alkans. (2019). Одной из самых популярных идей мировой науки является изучение стабилизирующей роли органического вещества в агрегатообразовании . Нашими исследованиями, посвященными агрегатообразованию, показана не только роль органических соединений в формировании почвенной структуры, но и вскрыты механизмы и время стабилизации наиболее устойчивых биомолекул в элементарных почвенных частицах. (Kovalev I.V., Kovaleva N.O. Lignin phenols content and distribution in gran-size fractions of soils. http://www.humus.ru/hit-2019/abstractbook/HIT-2019-abstractbook.pdf.) |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".