Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведены комплексные экспедиционные исследования на особо охраняемой природной территории (ООПТ) государственного природного биосферного заповедника «Ростовский», являющегося первым и единственным заповедником Европейских степей России. С учетом зональных и азональных особенностей почвенного покрова заложено 4 участка мониторинга, проведено морфологическое описание почвенных разрезов и геоботаническое описание территории. Установлено, что почвенный покров ключевых участков ООПТ представлен автоморфными почвами на желто-бурых суглинках: лугово-каштановой, каштановой слабо- и среднесолонцеватыми, и солонцом каштановым. Проведено геоботаническое описание ключевых участков степного и остепненного луга По результатам экспедиционных почвенно-геоботанических исследований на биосферном заповеднике «Ростовский» заложен ряд ключевых участков с основными зональными и интразональными типами почв. Установлено, что почвы исследуемых участков относятся к: №1 – лугово-каштановая тяжелосуглинистая, №2 - солонец каштановый средний столбчатый тяжелосуглинистый, №3 - каштановая слабосолонцеватая тяжелосуглинистая, №4 - каштановая среднесолонцеватая мощная среднегумусированная тяжелосуглинистая Изучены особенности аккумуляции, профильного распределения тяжелых металлов: Pb, Ni, Cd, Zn, Ni и Mn, приоритетных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) (нафталина, аценафтилена, аценафтена, флуорена, фенантрена, антрацена, флуорантена, пирена, бенз(а)антрацена, хризена, бенз(b)флуорантена, бенз(k)флуорантена, бенз(а)пирена, дибенз(а,h)антрацена, бенз(g,h,i)перилена и индено(1,2,3-cd)пирена) в исследуемых почвах. Общей закономерностью профильного распределения содержания ПАУ и тяжелых металлов в исследуемых почвах является наличие биогенного и сорбционного барьеров в гумусовых и иллювиальных горизонтах, на карбонатных и солевых барьерах. Отмечается доминирование низкомолекулярных соединений в составе суммы 16 приоритетных ПАУ: до 67% в верхних горизонтах и до 90% в нижних горизонтах. Содержание Cu, Zn, Pb Cd, Ni и Mn в почвах каштаново-солонцовых комплексов ниже ПДК и ОДК данных элементов. Содержание непрочносвязанных соединений Cu составляет не превышает 7 % от валового содержания, более высокий процент характерен для солонцов. Путем подбора параметров температуры и времени экстракции ПАУ в среде субкритической воды с использованием метода добавок адаптирована методика экстракции полиаренов субкритической водой из почв сухостепной зоны. Установлены оптимальные параметры извлечения приоритетных ПАУ в среде субкритической воды, соответствующие 10 минутам при 200⁰С для 2-х и 3-х кольчатых ПАУ, 20 минутам при 250⁰С - для 4-х и 5-ти кольчатых ПАУ и 30 минутам при 300⁰С – для 6-ти кольчатых соединений. При сравнении субкритической водной экстракции ПАУ с ультразвуковой экстракцией и методом омыления определены коэффициенты извлечения индивидуальных полиаренов из почв и растений сухостепной зоны. Выявлено, что засоление уменьшает степень экстракции ПАУ из почв, в связи с чем, на солонцах данный показатель ниже по сравнению с каштановой почвой. Установлено, что адаптированная методика с использованием субкритических технологий более эффективна по сравнению с методом омыления и сопоставима с ультразвуковой экстракцией по наиболее распространенным и опасным высокомолекулярным 4-х и 5-ти кольчатым ПАУ. Разработана технология получения биочара из шелухи риса и определены оптимальные условия получения сорбента: 700°С, скорости нагрева - 15 °С/мин и времени выдержки биомассы - 10 минут Проведено сравнение текстурных характеристик и свойств биочара из шелухи риса и лузги подсолнечника. Общий объем пор у биочара из шелухи риса -1,48 м2/г, из лузги- 1,29 см3/г, с выраженным преобладанием мезопор. Синхронный термический анализ (СТА) показал, что для биочаров из шелухи риса и лузги были термостабильными. Методом рентгенструктурного анализа (XRD) установлено, что исследуемые биочары имеют аморфную структуру. С использованием методов сканирующей электронной микроскопии с рентгеновской энергодисперсионной спектроскопией и рентгеноспектрального микроанализа изучен качественный состав образцов биочара, полученных из отходов растениеводства. Показано, что исследуемые углеродистые сорбенты близки по элементному анализу (С - 70,4-77,3%, N – 2,1-2,4%, H - 3,0-4,8%, О – 7,3-11,8%). Разница в сорбционных характеристиках объяснялась разностью морфологии рассматриваемых биочаров. С использованием штаммов-деструкторов ПАУ Ochrobactrum anthropi, Rhizobium pusense, Pseudomonas putida, Methylorubrum extorquens, Pseudomonas chlororaphis OV17, Rhodococcus erythropolis SP1, Bacillus megaterium TR2, разработан оптимальный метод иммобилизации бактериальных штаммов на биочаре из шелухи риса. Наиболее перспективными деструкторами ПАУ в условиях сочетанного загрязнения с Cu на засоленных почвах каштаново-солонцового комплекса являются megaterium TR2, численность которых значительно выше, чем у Ochrobactrum anthropi, Rhizobium pusense, Pseudomonas putida, Methylorubrum extorquens. В условиях фитотестирования с тест-культурой ячменем яровым (Hordeum sativum vulgare), на каштановой слабосолонцеватой и солонце каштановом, загрязненных различными дозами бенз(а)пирена и Cu при раздельном и совместном их внесении, разработана технология комплексного применения биочара, с фосфогипсом и штаммами ПАУ-деструкторами. С использованием дисперсионного анализа с последующим аппостериальным критерием Тьюки и на основе результатов расчета интегрального показателя – индекса токсичности фактора установлено, что ремедиация снижает токсичность почвы на 1-2 класса в зависимости от вида, дозы загрязнении и типа почвы. Для ремедиации почв с невысоким загрязнением Cu (300 мг/кги/или ПАУ (400 мкг/кг бенз(а)пирена) рекомендуется технология внесения 1 % биочара. При ремедиации почв с высоким уровнем загрязнения (800 мкг/кг бенз(а)пирена и/или 2000 мг/кг Cu) рекомендовано внесение биочара в дозе 5%. При более высоких концентрациях бенз(а)пирена (1200 мкг/кг) и Cu (10000 мг/кг), наиболее целесообразно применение 5% биочара в сочетании с бактериями ПАУ-деструкторами и фосфогипсом. При сочетанном загрязнении почв 800 мкг/кг бенз(а)пирена и 2000 мг/кг Cu, или БаП 1200 мкг/кг и 10000 мг/кг Cu, для снижения фитотоксичности почвы предпочтительнее комплексное применение 5% биочара в сочетании с фосфогипсом и бактериями ПАУ-деструкторами. На основании результатов фитотестирования почв заложен модельный опыт с загрязнением каштановой слабосолонцеватой почвы и солонца каштанового. Опыт включает загрязнение почв БаП в дозах 400 мкг/кг, 800 мкг/кг и 1200 мкг/кг по отдельности и сочетано с Cu, внесенной в дозах 300 мг/кг, 2000 мг/кг и 10000 мг/кг, а также применение различных доз (1% и 5%) внесения биочара из риса или сочетании биочара с фосфогипсом (1%) и/или бактериями – деструкторами ПАУ. За отчетный период опубликовано 14 научных работ в ведущих индексируемых журналах и материалах конференций, в том числе 6 статей в изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science. Результаты представлены научному сообществу на 7 Международных конференциях. Создана база данных «Валовое содержание Cd техногенно загрязненных почвах Ростовской области». Материалы по проекту с информацией об исследованиях размещены в 2 публикациях СМИ, и представлены в файле Приложения к отчету. Результаты представлены в 21 таблице и 46 рисунках и 3 приложениях.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
По результатам эксперимента с искусственным загрязнением почв сухостепной зоны бенз(а)пиреном (БаП) и Cu установлены основные закономерности трансформации поллютантов при различном уровне и виде загрязнения с использованием различных способов ремедиации. Внесение поллютантов приводит к повышению содержания БаП до 1170нг/г и валового содержания Cu – до 10323 мг/кг при загрязнении ими почв в дозах 1200 нг/г и 10000 мг/кг соответственно. Наблюдается увеличение подвижности Cu, что выражается в повышении доли обменных и комплексных соединений в составе группы непрочно связанных в каштановой почве и обменных – в солонце. Показано, что внесение 1% биочара для почв с начальным уровнем загрязнения 400 нг/г БаП отдельно и в сочетании с 300 мг/кг Cu, 5% биочара в сочетании с бактериями деструкторами - 800-1200 нг/г БаП, а также 5% биочара, фосфогипса и бактерий – деструкторов ПАУ - 800 нг/г БаП + 2000 мг/кг Cu и 1200 нг/г БаП + 10000 мг/кг Cu увеличивает скорость разложения БаП в 3,5-12,2 раза, что позволяет снизить содержание БаП на 28-47% с почвой вариантов без применения ремедиантов при прогнозируемом периоде полуразложения 1,5 года. По мере уменьшения содержания БаП в почве наблюдается перераспределение группового состава ПАУ в сторону увеличения количества низкомолекулярных соединений. Применение ремедиантов в загрязненных почвах уменьшает подвижность Cu, что выражается в снижении суммарного содержания группы НС и прежде всего обменных форм соединений металла Cu на 6,8-25,5%, Эффект в большей степени проявляется для более засоленного солонца, по сравнению с каштановой почвой. Снижение подвижности металла происходит преимущественно за счет уменьшения доли обменных соединений в составе группы НС. В вариантах с внесением биочара в почвы, загрязненные 300 мг/кг Cu отдельно и в сочетании с 400 нг/г БаП, доля обменных форм соединений Cu в составе суммы НС сопоставима с контрольными вариантами каштановой почвы и солонца под различными культурами. При большем начальном внесении поллютантов (2000-10000 мг/кг Cu отдельно и в сочетании с 800-1200 нг/г БаП) доля обменных соединений снижается на 0,1-7,1% по сравнению с вариантами опыта без внесения ремедиантов, но не достигает уровня контрольных образцов. Анализ биодоступности ПАУ растениям на основе расчета КН и АК в сочетании с коэффициентом корреляции Спирмена показал, что по мере уменьшения содержания поллютантов в почве под влиянием различных способов ремедиации их биодоступность растениям снижается. При этом существенное влияния на накопление поллютанта растениями оказывает тип и уровень загрязнения, степень засоления почвы, а также индивидуальные особенности растений. Для контрольных вариантов опыта значения КН и АК БаП не превышают 0,11 и 0,28. Вследствие большей растворимости Cu по сравнению с ПАУ КН и АК металла выше, чем у органических загрязнителей и достигает 11,9. Данные показатели по суммарному содержанию ПАУ выше в 1,1-3,8 раз, чем КН и АК БаП, что обусловлено наличием в составе суммы 16 полиаренов менее ядерных и более биодоступных соединений. При загрязнении почвы наблюдается уменьшение показателя КН БаП и суммы 16 ПАУ относительно контроля и увеличение показателя АК, что свидетельствует о менее выраженном биологическом барьере в системе корень-стебель по сравнении с системой почва-корень. Применение ремедиантов к загрязненным почвам ограничивает биодоступность поллютантов корневой части растений и как следствие их дальнейшую транслокацию в надземную часть. Наблюдается уменьшение значения КН БаП у растений, произрастающих на загрязненной почве с внесением ремедиантов на 0,01-0,05, а Cu на 0,02-1,18 единиц по сравнению с культурами, выращенными в условиях загрязнения без применения биочара, фосфогипса и бактерий-деструкторов ПАУ. При этом показатель АК БаП и Cu практически не меняется. Изучение адаптационного потенциала ячменя и томата показало, что загрязнение почв 2000-10000 мг/кг Cu и/или 800-1200 нг/г БаП приводит к существенному угнетению роста и развития, а также гибели тест-культур, что более выражено для томата, особенно в вариантах с загрязнением солонца. В условиях среднего (2000 мг/кг Cu и 800 нг/г БаП) уровня загрязнения каштановой слабосолонцеватой почвы выявлены структурные особенности тканей и клеток органов тест-культур. В тканях корней и листьев томата установлены большие структурные изменения, по сравнению с ячменем. Электронно-микроскопический анализ показал значительные структурные изменения в пластидах клеток хлоренхимы томата. Внесение ремедиантов способствует улучшению морфометрических характеристик и посевных качеств тест-культур, увеличивает выживаемость растений в условиях среднего (2000 мг/кг Cu и/или 800 нг/г БаП) и высокого (10000 мг/кг Cu и/или 1200 нг/г БаП) уровней загрязнения почв. При относительно низком исходном содержании поллютантов (300 мг/кг Cu и/или 400 нг/г БаП) применение биочара способствует снижению класса токсичности почвы до класса «норма». При оценке влияния загрязнения и ремедиации на биологическую активность почв установлено, что активность окисления нитрита более чувствительна к загрязнению, чем окисление аммония. Для базального и субстрат-индуцированного дыхания отмечалось двукратное снижение активности при сочетанном загрязнении, а наиболее чувствительным показателем была дегидрогеназная активность. При ремедиации исследованные показатели биологической активности восстанавливаются, но не достигают исходных значений. Сравнительный анализ устойчивости чернозема обыкновенного карбонатного, каштановой слабосолонцеватой и солонца каштанового с использованием многофакторного дисперсионного анализа показал, что уровень загрязнения, свойства почв и свойства и ремедиантов оказывают решающее значение на содержание БаП и суммы 16 ПАУ, валовое содержание Cu и его подвижность. По мере повышения степени засоления почв наблюдается снижение устойчивости почв к загрязнению, наблюдается снижение скорости деструкции БаП, а также повышение подвижности Cu в следующем ряду: чернозем обыкновенный > каштановая слабосолонцеватая > солонец каштановый. Применение биочара в совокупности с фосфогипсом и бактериями – деструкторами ПАУ значительно повышают устойчивость каштановой слабосолонцеватой почвы и солонца каштанового к загрязнению, что выражается в снижении содержания БаП и суммарного содержание ПАУ, а также подвижности Cu Показано, что почвы сухостепной зоны крайне уязвимы к загрязнению и их ремедиация усложнена повышенным количеством солей по сравнению с черноземами. Так, активность дегидрогеназ при загрязнении чернозема, каштановой почвы и солонца 10000 мг/кг Cu снижалась в 4,67, 6,64 и 9,3 раза относительно контроля, а при загрязнении 1200 нг/г БаП в 4,9, 5,4 и 6 раз, соответственно. При сочетанном загрязнении солонца активность фермета снижалась до нуля. Эффективность ремедиации снижалась по При помощи факторного анализа, проведенного на основании результатов широкомасштабного модельного эксперимента с искусственным загрязнением почв БаП и/или Cu показано, что их устойчивость, в первую очередь солонца увеличивается при использовании ремедиантов, наблюдается снижение влияния степени и химизма засоления на подвижность металла.