Модель биохимических реакций на транслокацию тяжелых металлов в системе «почва-растение» в условиях урбо- и агроландшафтов (на примере г. Тюмени и Тюменского района)
Название научного проекта
Модель биохимических реакций на транслокацию тяжелых металлов в системе «почва-растение» в условиях урбо- и агроландшафтов (на примере г. Тюмени и Тюменского района)
Руководитель
Кремлева Татьяна Анатольевна, доктор химических наук, директор Института химии ТюмГУ
Номер гранта
20-45-720011
Код конкурса
р_а_Тюменская область
Основной код классификатора
05-233 Биогеохимия
Дополнительные коды классификатора
16-210 Экология биоагроценозов, механизмы формирования биоагроценозов и поддержания их стабильности и продуктивности
16-370 Устойчивость сельскохозяйственных растений к факторам биотического и абиотического стресса
Фундаментальные исследования в области моделирования живых систем, природных и техногенных объектов и явлений; технических систем и технологических процессов; социально-экономических систем и процессов в Тюменской области
Описание фундаментальной научной задачи, на решение которой направлено исследование
Загрязнение почв различными токсикантами относится к основным экологическим проблемам настоящего времени. Проект направлен на решение фундаментальной проблемы – исследование закономерностей биогеохимической миграции, форм нахождения и биоаккумуляции тяжелых металлов в системе почва-растение.
Основной задачей исследования является изучение транслокации тяжелых металлов из антропогенно загрязненных почв в травянистые растения. Поступление микроэлементов в травянистую часть растения зависит от формы, в которой они находятся в почве, от их подвижности, т.к. корневое питание растений является основным способом поступления тяжелых металлов в их ткани.
В работе предполагается изучение форм нахождения тяжелых металлов в почвах г. Тюмени и Тюменского района, выбор вида растений, способного к наибольшей аккумуляции тяжелых металлов.
К фундаментальным задачам относится изучение биохимических процессов, происходящих в клетках растений при накоплении тяжелых металлов, установление механизмов токсического действия тяжелых металлов на травянистые растения и ответных биохимических реакций.
Актуальность исследования
Актуальность исследования обусловлена необходимостью выбора растений, способных к интенсивной аккумуляции тяжелых металлов, изучению биохимических процессов, протекающих с участием микроэлементов. Глубокое понимание механизмов взаимного влияния процессов транслокации тяжелых металлов и биохимических реакций растений на этот стресс позволит расшить фундаментальные биогеохимические знания и обосновать мероприятия по снижению загрязнения почв и растений. Растения могут быть классифицированы как исключатели, индикаторы или аккумуляторы, в зависимости от их способности к накоплению тяжелых металлов (Baker 1981).
В настоящее время существует недостаточно исследований, изучающих видоспецифическую аккумуляцию тяжелых металлов в городской среде, рассматривающих подвижность тяжелых металлов и их факторы биоконцентрации (Sulaiman and Hamzah 2018).
Загрязнение почв тяжелыми металлами является весьма консервативным, под воздействием грунтовых вод возможна миграция только наиболее легкорастворимых форм, тогда как корневая система растений способна извлекать и менее доступные формы. Изучение этой миграции позволяет ответить на два вопроса: как идет извлечение тяжелых металлов из почв и насколько значительна их биоаккумуляция в растениях. Это, с одной стороны, способ уменьшения содержания тяжелых металлов в почве, с другой стороны – контроль их накопления в растениях, наблюдение за поступлением в трофические цепи.
Научная новизна проекта
Научной новизной предлагаемого проекта является интеграция результатов, полученных в комплексном исследовании процесса биогеохимической миграции микро- и макроэлементов (тяжелых металлов в том числе) в системе почва-растение. Проблема влияния транслокации тяжелых металлов из почв в травянистые растения на биохимический статус растений остается мало изученной. Для нашего региона такие работы проводятся впервые.
В работе разрабатывается оригинальный методический подход, обеспечивающий на «выходе» формирование целостного представления о механизмах биогеохимических процессов в условиях современных нагрузок, определяющих аккумуляцию микроэлементов в травянистые растения и влияние на их биохимический статус. Определение широкого набора биохимических показателей растений, отобранных на одной и той же территории, в течение нескольких лет позволит выделить влияние климатических факторов и установить значимость антропогенного воздействия, в первую очередь от поступления тяжелых металлов.
Ожидаемые результаты реализации проекта и их научная и прикладная значимость
Основным фундаментальным результатом реализации проекта будет создание комплексной модели биохимических процессов, протекающих в системе почва-растение с участием микроэлементов, тяжелых металлов в том числе, результатом исследования должно стать установление подходящих биомаркеров и изучение биохимических процессов, происходящих в клетках растений при накоплении тяжелых металлов. Исследование и трактовка механизмов токсического действия тяжелых металлов на травянистые растения. Установление результирующих и объясняющих переменных в корреляционном анализе для разных биомаркеров, нахождение и трактовка парных и множественных корреляций, синергизма и антагонизма. Установление механизмов влияния тяжелых металлов на биохимический статус является фундаментальной проблемой, исследование которой позволяет разрабатывать стратегии по уменьшению стресса растений от произрастания в неблагоприятных условиях. Кроме того, биохимическое состояние растений может служить индикатором накопления тех или иных тяжелых металлов.
Практически значимым результатом должно стать установление видов растений, способных к наибольшей аккумуляции тяжелых металлов. Это позволит использовать их для рекультивации загрязненных территорий в условиях городской среды. Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях является индикатором экологического состояния города, позволяющим оценить риски передачи загрязнителей по пищевым цепочкам к животным и человеку.
Ожидаемые научные результаты за первый год реализации проекта
По результатам исследований планируется публикация статей и материалов конференций, текстов интервью о результатах проекта в открытых источниках массовой информации, позволяющих представить полученные данные широкой научной общественности.
Ожидаемые результаты экспериментальной работы за первый период исследований:
Определение содержания тяжелых металлов (Cu, Zn, Fe, Mn, Pb, Cd и др.) в почвах и травянистых растениях г. Тюмени, выявление наиболее распространенных тяжелых металлов и наиболее загрязненных районов г. Тюмени. На основании этих результатов – расчет коэффициентов накопления ранжирование растений по способности к аккумуляции тяжелых металлов.
Исследовать состояние прооксидантных-антиоксидантных процессов в клетках растений при накоплении тяжелых металлов и изучить влияние накопления тяжелых металлов на содержание пигментов фотосинтеза в растениях. Предложить модель отклика биохимической реакции растений на транслокацию тяжелых металлов в условиях антропогенных нагрузок на территории г. Тюмени и Тюменского района. Дать эколого-агрохимическую оценку содержания и распределения микроэлементов в системе почва-растение с учетом биогеохимических условий Тюменского региона.
Впервые в условиях Тюменского региона с будет разработана интеграционная система критериев и параметров действия тяжелых металлов в системе почва-растение, позволяющая учитывать разные цели нормирования с учетом экологических, агрохимических, биохимических, токсикологических показателей, что позволит предотвращать негативные последствия несбалансированного поступления микроэлементов в почву и растения.
Оформление результатов в виде публикаций статей и тезисов конференций.
Актуальность исследования для Субъекта РФ
Содержание тяжелых металлов в почвах г. Тюмени и Тюменского района было ранее проанализировано в некоторых работах, однако, ситуация по поступлению и накоплению металлов за последние годы значительно изменилась, ранее не было учтено загрязнение вблизи металлургического, моторостроительного и нефтеперерабатывающего заводов. Кроме того, не было найдено исследований по содержанию тяжелых металлов в растениях г. Тюмени, а также по исследованию биохимических показателей в условиях накопления тяжелых металлов, хотя эти исследования имеют важное значение для аграриев региона.
Особенностью данной работы является комплексный подход, основанный на системном изучении состояния почв и биохимических процессов, протекающих в растениях, выращенных на этих почвах. В исследовании будут использованы растения, широко распространенные на территории юга Тюменской области, являющиеся типичными представителями данной климатической зоны.
