Экобиотехнологии для повышения качества и безопасности почв и сельскохозяйственной продукции

Почвы юга России играют огромную роль в обеспечении экологической и продовольственной безопасности страны. Здесь расположены и занимают наибольшую территорию самые плодородные почвы мира – черноземы. Особенно велика доля черноземов в Ростовской области – 64,4 %, в то время как в Краснодарском крае – 59,7%, а в Ставропольском крае – 34,0%. В настоящее время почвенный покров подвержен колоссальному антропогенному воздействию. Этому способствует развитый промышленный сектор, в том числе металлургической, химической, угле- и рудодобывающей отраслей, а также наличие крупнейших предприятий энергетической и нефтеперерабатывающей промышленности, высокая плотность населения и масштабный рост урбанизированных территорий. Значительные площади загрязнены свалками коммунальных, строительных и промышленных отходов, хвостохранилищами и породными отвалами угледобывающей промышленности. Существует проблема детоксикации, утилизации и уничтожения опасных ядохимикатов. Тесное соседство промышленности и сельского хозяйства выводит проблему сохранения качества и безопасности почв на первый план. Неблагоприятное фитосанитарное состояние сельхозугодий, вызванное болезнями растений, патогенными грибами, бактериями и вирусами, сорными растениями и вредителями и традиционные методы борьбы с ними не способствует получению экологически чистой и качественной сельскохозяйственной продукции. Цель проекта - разработка комплексных ресурсосберегающих и экологически чистых технологий повышения качества и безопасности почв и сельскохозяйственной продукции. Предложенные решения позволят увеличить продуктивность почв агроценозов и обеспечить получение экологически чистой сельскохозяйственной продукции, разработать и апробировать эффективные способы ремедиации почв в условиях антропогенной нагрузки. Выбор разработанных экобиотехнологий будет научно обоснован с учетом функционального назначения почв, их свойств и уровня антропогенной нагрузки. Будут даны рекомендации способов и приёмов повышения качества почв, позволяющие планировать рациональную систему землепользования и технологические процессы в конкретных условиях по критериям эффективности и экологической безопасности. Реализация проекта будет способствовать решению проблем обеспечения продовольственной и экологической безопасности Российской Федерации. На основе изучения агрохимического и экологического состояния почв природных территорий будут разработаны методические основы технологии повышения качества и безопасности почв при различных антропогенных нагрузках. Изучены агрохимические свойства и подвижность микроэлементов в черноземе обыкновенном при применении ресурсосберегающих технологий. Будут предложены новые методы анализа почв, основанные на использовании субкритических, синхротронных, нейтронных и нанотехнологий. Разработанный экспресс-метод извлечения приоритетных ПАУ из почв и растений будет адаптирован для экстракции полиаренов из почв с различным уровнем и характером антропогенного воздействия. Использование инновационных экологически чистых субкритических технологий с целью извлечения целевых компонентов из почв и растений позволит повысить степень экстракции органических поллютантов, сократить время анализа и перейти к использованию нового экологически чистого метода взамен традиционных с применением большого объема токсичных органических растворителей. Использование новейших синхротронных методов анализа позволит на порядки поднять эффективность проводимых исследований и идентифицировать формы нахождения и локализации металлов в такой сложно организованной системе как почва. Использование спектральных и структурных методов: рентгеновской спектроскопии поглощения (XAFS-спектроскопии, включающей EXAFS и XANES) и порошковой дифракции (XRD,) дополненные методами квантово-химического и молекулярно-динамического моделирования, позволит исследовать параметры локального окружения поглощенных атомов металлов в почвах, органических и минеральных фазах, изучить преобразования кристаллических компонентов почв и отдельных слоистых минералов, происходящих под воздействием насыщения соединениями металлов. Будет показана перспективность совместного использования традиционных методов химической экстракции и новейших инструментальных физических методов анализа тяжелых металлов в почвах. Данный подход будет реализован как для макродисперсных форм тяжелых металлов, так и для, набирающих все большую актуальность в современных условиях и имеющих больший токсический эффект и опасность для окружающей среды, нанодисперсных форм металлов. Планируемые исследования являются пионерскими в России. Для анализа большого массива данных по состоянию почв исследуемых территорий будут использованы методы математической статистики и математического моделирования, а также технология искусственного интеллекта. Успешному применению данной технологии будет способствовать имеющийся в распоряжении коллектива дата-центр, хранящий атрибутивную информацию о состоянии почвенных ресурсов Ростовской области. Будет проведено геохимическое картографирование территорий с различной антропогенной нагрузкой в пределах Ростовской области, что даст возможность установить пространственные тренды загрязнения компонентов антропогенно-преобразованных ландшафтов, выявить экологически неблагополучные зоны с наиболее интенсивным техногенным воздействием, определить их размеры и конфигурацию. Методы биоремедиации загрязненных почв будут основаны на применении углеродистых сорбентов полученных из отходов АПК, для ускорения микробного разложения деградабельных органических поллютантов и/или прочного связывания стойких органических веществ и тяжелых металлов. Будет разработана авторская технология получения углеродистых сорбентов с заданным балансом микро, мезо- и макропор и высокой площадью удельной поверхности, способного одновременно сорбировать различные классы поллютантов и выступать в качестве носителя почвенных микроорганизмов. Внесение сорбентов в процессе биоремедиации загрязненных почв обеспечит более благоприятные условия для активизации микроорганизмов-деструкторов и антагонистов патогенных микроорганизмов (аборигенных или инокулированных в виде биопрепаратов). Будут синтезированы нанокомпозитные сорбенты, обладающие уникальными сорбционными свойствами и изучено их действие на высоко загрязненных почвах, что откроет новые возможности их применения. Для создания композитных материалов на основе углеродистых сорбентов будут синтезированы гидротермальным или сольвотермальным методом высокопористые металлорганические координационные полимеры (МОКП), успех практического применения которых обусловлен гибкостью модульной структуры, позволяющей создавать материал с предсказуемыми свойствами. Внедрение синтезированного металлорганического каркаса в углеродистую матрицу биосорбента позволит получить материалы с рекордно высокой удельной площадью поверхности и большим количеством координационно-активных групп, что определяет их использование в качестве эффективных сорбентов. Также будут синтезированы композиты на основе ряда оксидов со структурой шпинели. Будут изучены качественный и количественный состав и свойства применяемых сорбентов, проведен микроскопический анализ морфологии поверхности с использованием инструментальных методов просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии (TEM и SEM) высокого разрешения, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDXS), рентгеноструктурного анализа (XRD), ИК-спектроскопии с Фурье-преобразованием (FTIR), синхронный термический анализ сорбентов, включающий в себя термогравиметрический анализ (ТГА) и дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК). Методом БЭТ (Брунауэра-Эммета-Теллера) будет определена удельная поверхность и порозность сорбентов. Будет изучено время, необходимое для взаимодействия поллютантов с используемыми сорбентами, длительность сохранения их инактивирующего действия, определены условия, способствующие пролонгированному действию сорбентов на загрязненных почвах. Полученные результаты позволят наиболее эффективно подобрать дозы вносимого сорбента, изучить его действие и последействие, а также разработать рекомендации по применению углеродистых и нанокомпозитных сорбентов в условиях различной антропогенной нагрузки. Будут рассмотрены преимущества и недостатки фиторемедиации по сравнению с другими методами ремедиации загрязненных почв in situ. Будет выявлена эффективность фитоэкстракции и фитостабилизации дикорастущих травянистых растений. Предложены хелатообразующие агенты, способствующие увеличению степени транслокации поллютантов в растения, и дана оценка их эффективности при разных уровнях техногенного загрязнения. Изучено влияние корневых экссудатов на поглощение органических и неорганических поллютантов, а также на устойчивость растений к стрессовым факторам. С целью разработки препаратов, повышающих иммунитет культурных растений к патогенным микроорганизмам и их устойчивость к негативным биотическим и абиотическим факторам, будет проведена иммобилизация на поверхности углеродистых сорбентов консорциума выделенных из почвы штаммов микроорганизмов с фитостимулирующими свойствами или проявляющие антагонизм по отношению к фитопатогенам. На основе выделенных штаммов будут разработаны иммунизирующие фунгициды, препятствующие заражению сельскохозяйственных культур бактериальными и грибными болезнями или нарушающие течение патогенеза заболевания и повышающие их продуктивность и устойчивость к стрессовым факторам, а также сохранению и возобновлению плодородия почв. Для создания удобрения пролонгированного действия будет проведена иммобилизация на поверхности углеродистых сорбентов консорциума выделенных из почвы свободноживущих азотофиксаторов, что позволит реализовать технологию биологического земледелия с получением высокой урожайности сельскохозяйственных культур. Помимо биологической модификации углеродистых сорбентов за счет иммобилизации микроорганизмами будут рассмотрены возможности их химической модификации путем добавления азотно-фосфорно-калийных удобрений. Это будет способствовать снижению затрат на применение минеральных удобрений и пролонгированному стимулирующему воздействию на урожайность и качество сельскохозяйственной продукции. Будет создана база данных, описывающая потенциал биоразнообразия техногенно преобразованных почв, а также использование этого потенциала для выделения штаммов-деструкторов органических поллютантов. Уникальность создаваемой базы данных связана с многообразием и плодородием почв юга России, имеющих большое сельскохозяйственное и экологическое значение. Для изучения фитосанитарного состояния почв будут применены современные биологические методы. Будет изучено влияния ресурсосберегающих технологий на агрохимические, биологические свойства и экологическое состояние черноземных почв юга России. Разработаны региональные нормативы содержания и сбалансированности химических элементов в почвах и экологически чистой растительной продукции. Таким образом, будет разработана и апробирована система применения комплексных методов повышения качества и безопасности почв, что будет способствовать внедрению экологически безопасных и экономически обоснованных экобиотехнологий на почвах различного землепользования. В результате будет создана перспективная, конкурентоспособная экобиотехнология, основанная на использовании новых экологически чистых и высокоэффективных методов и технологий, применении биоудобрений биосорбентов и созданных на их основе нанокомпозитов с широким спектром действия, направленных на повышение плодородия почв, снижение секвестрации углерода и получение экологически чистой продукции. Разработанные технологии и полученные на их основе результаты позволят сделать вклад в систему обеспечения продовольственной и экологической безопасности Российской Федерации.