АР 19679273 (руководитель Нуржанова А.)

Краткая информация о проекте

(2023-2025 г.г.)

 

Наименование проекта: ИРН АР 19679273 «Разработка технологии фитостабилизации комплексно-загрязненных токсичными веществами земель в рамках энергетического «zero-waste» подхода».

Актуальность. В Казахстане, как во многих других странах мира, высокие темпы промышленного, и сельскохозяйственного развития, нефтегазового комплекса привели к загрязнениям земель токсическими элементами (ТЭ), пестицидами и нефтепродуктами, что является серьезной экологической проблемой. Почва вокруг этих предприятий имеет поликомпонентную природу загрязнения различными ТЭ в природных условиях. Накопление ксенобиотиков в сельскохозяй­ственных почвах и попадание в пищевые цепочки становится серьезной угрозой для продовольственной безопасности. Проблема избытка двух или нескольких загрязнителей в среде закладывает фундамент для формирования инновационных подходов.

Изучение фундаментальных основ адаптации растений к ксенобиотикам, а также исследование механизмов поддержания стабильности почв и путей их реабилитации является важнейшей задачей при разработке фитотехнологии. Последние годы внимание уделяется выявлению зависимости между уровнем активности компонентов антиоксидантной защиты и устойчивостью растений к ТЭ, что очень важно при отборе устойчивых видов растений для фиторемедиации загрязненных земель. Из-за длительности периода восстановления с помощью растений и необходимости утилизации загрязненной биомассы, исследования многих ученых направлены на устранение отходов путем преобразования их в биопродукты. Такие исследования находятся в зачаточном состоянии, а сфера получения биопродуктов из сырья животного и растительного происхождения активно развивается во многих странах мира. В связи со смещением вектора исследований в биоэнергетику, одним из основных критериев получения усовершен­ствованных биопродуктов является использование непищевой лигноцеллюлозной биомассы в целях сведения к минимуму любой конкуренции с возделыванием пищевых культур. Оценка потенциала и качества биомассы энергетических растений для применения в качестве сырья в энергетической промышленности является острой необходимостью ввиду отсутствия международных и государственных стандартов и требований. Тем не менее, технология «zero-waste» была внедрена в фитотехнологию с биоэнергетическими культурами, которые имеют высокое содержание лигнина, целлюлозы и лигноцеллюлозы. Содержание этих волокон играет ключевую речь в производстве биочара и палп (волокно) из загрязненной биомассы растений, обеспечивая рациональное использование сырья и снижение затрат. Данный подход позволяет эффективно решать проблему очистки почвы и вместе с тем проводить поиск альтернативного сырья для развития биоэнергетики.

Цель проекта: оценить механизмы физиологической и биохимической толерантности Miscanthus × giganteus и Miscanthus sinensis, ассоциированные с активностью растительных и ризосферных окислительных и антиоксидантных ферментов, в условиях комплексного загрязнения почв (пестициды/ТЭ; нефтяные углеводороды/ТЭ) с учетом качественной оценки контамини­рованной биомассы в рамках «zero-waste» технологии.

Ожидаемые результаты:

Технология фитостабилизации комплексно загрязненной ксенобиотиками почвы с учетом физиолого-биохимических свойств устойчивости и энергетического потенциала контаминированной биомассы растений рода Miscanthus для биоэнергетической промышленности

Научный руководитель проекта: г.н.с. Института, д.б.н., проф. Нуржанова А.А.

 

Члены исследовательской группы:  PhD, ас. проф. Бержанова Р.Ж., PhD Мамирова А.А., НС Нурмагамбетова А.С., МНС Жумашева Ж.Е., лаборант Боранбай М.

 

 Список публикаций и патентов исполнителей проекта за период 2018-2022 гг.

Nurzhanova A., Pidlisnyuk V., Abit K., Nurzhanov C., Kenessov, B., Stefanovska T., Erickson L., 2019. Comparative assessment of using Miscanthus x giganteus for remediation of soils contaminated by heavy metals: a case of military and mining sites. Environmental Science and Pollution Research, 2019. Vol.26, pp.13320-13333, https://doi.org/10.1007/s11356-019-04707-z

WoS:Q2, IF 5.053, percentile 80%,   FWCI 1.45

2. Pidlisnyuk, V., Mamirova, A., Pranaw, K., Shapoval, P. Y., Trögl, J., Nurzhanova, A. Potential role of plant growth-promoting bacteria in Miscanthus × giganteus phytotechnology applied to the trace elements contaminated soils. // International Biodeterioration & Biodegradation. — 2020. – Vol. 155. — P. 105103. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2020.105103

WoS: Q1, IF 4.32, percentile 87%,   FWCI 0.61

3. Nurzhanova A., Mukasheva T., Berzhanova R., Kalugin S., Omirbekova A., Mikolasch A. Optimization of microbial assisted phytoremediation of soils contaminated with pesticides // Int. J. Phytoremediation. Taylor & Francis, 2021.Vol. 23 (5): 482–491. https://doi.org/10.1080/15226514.2020.1825330

WoS:Q2, IF 4.003. percentile 84%,   FWCI 0.39

4. Nurzhanova A., Mamirova A., Trögl J., Nebeská D., Pidlisnyuk V.V. Plant–Microbe Associations in Phytoremediation // Phytotechnology with Biomass Production: Sustainable Management of Contaminated Sites / ed. Erickson L.E., Pidlisnyuk V.V. CRC press Taylor & Francis Group, — 2021. — P. 123–140. Web of Science database
5. Mamirova, A., Pidlisnyuk, V., Amirbekov, A., Ševců, A., & Nurzhanova, A. (2021). Phytoremediation potential of Miscanthus sinensis And. in organochlorine pesticides contaminated soil amended by Tween 20 and Activated carbon. // Environmental Science and Pollution Research. — 2021. – Vol. 28, Is. 13. – P. 16092–16106. https://doi.org/10.1007/s11356-020-11609-y

WoS:Q2, IF 5.053, percentile 80%,   FWCI 1.67

6. Tarla D.N., Erickson L.E., Hettiarachchi G.M., Amadi S.I., Galkaduwa M., Davis L.C., Nurzhanova A., Pidlisnyuk V. Phytoremediation and Bioremediation of Pesticide-Contaminated Soil // Appl. Sci. – 2020. – Vol. 10 (4) – P.1217-13333. https://doi.org/10.3390/app10041217

WoS:Q2, IF 2.838, percentile 79%,   FWCI 1.33

7. Sailaukhanuly Y, Nurzhanov Ch., Nurzhanova A., Carlsen L. Evaluation of the potential cancer risk of obsolete organochlorine pesticides in abandoned storehouses throughout the Almaty oblast, Kazakhstan // Int.J. Human and ecological risk assessment. – 2022. – Vol.28, Is.10. – P.1213-1227. https://doi.org/10.1080/10807039.2022.2136137 (

WoS:Q2, IF 4.997, percentile 61%, FWCI 0

8. 8. Nurzhanova А., Muratova A., Berzhanova R., Pidlisnyuk V., Nurmagambetova A., Mamirova A. Rhizosphere microorganisms: increasing phytotechnology productivity and efficiency – a review //Доклады национальной академии наук Республики Казахстан. – 2022–№ 3. – С. 34-58.

9.Muratova A., Lyubun Y., Sungurtseva I., Turkovskaya O., Nurzhanova A. Physiological and biochemical characteristic of Miscanthus × giganteus grown in heavy metal – oil sludge co- contaminated soil // Journal of Environmental Sciences. – 2022. – Vol. 115.– P. 114-125.

WoS Q1. IF 6.796

Достигнутые результаты за 2023 г.: завершен проект АР 09259724 «Оптимизация продуктивности Miscanthus x giganteus (мискантуса гигантского) и процесса фитореме­диации   загрязненных тяжелыми металлами почв с использованием PGPR».

Разработана технология фиторемедиации почв, загряз­ненных тяжелыми металлами, путем повышения продуктивности биоэнергетичес­кого растения-фиторемедианта Miscanthus x giganteus с помощью биопрепарата, стимулирующего рост ризобактерий (PGPR). Созданы микробные препараты для повышения урожайности биомассы биоэнергетического растения Miscanthus x giganteus для целевого управления процессом фиторемедиации: биопрепарат № 1 на основе концентрированной биомассы бактерий Rhizobium sp. Zn1-1 и дрожжей Trichosporon sp. СА1 в пастообразной форме; биопрепарат № 2 – жидкая форма на основе бактерии Pseudomonas sp. ЧА1. Получена полезная модель – Способ фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами» № 8240. от 20.04.2023

Публикации (2023 г.):

1 Muratova A., Golubev S., Romanova V., Nurzhanova A. Effect of Heavy-Metal-Resistant PGPR Inoculants on Growth, Rhizosphere Microbiome and Remediation Potential of Miscanthus × giganteus in Zinc-Contaminated Soil. // Microorganisms. – 2023. – Vol. 11.– P. 1516.

WoS Q2. IF 4.926/ Scopus, proc. 0.65

2 Nurzhanova A., Pidlisnyuk V., Berzhanova R., Nurmagambetova A., Terletskaya N., Omirbekova N., Berkinbayev G., Mamirova A. PGPR‑driven phytoremediation and physiobiochemical response of Miscanthus × giganteus to stress induced by the trace elements // Environmental Science and Pollution Research. – 2023.https://doi.org/10.1007/s11356-023-29031-/

WoS Q1. IF 5.8

3. Nurzhanova A., Pidlisnyuk V., Berzhanova R., Muratova A., Erickson L., Mamirova A Improving Miscanthus × giganteus phytoremediation efficiency and adaptability to trace elements by application of PGPRs // International Phytotechnology Conference 23 — 26 May 2023. Hosted by International Phytotechnology Society and the US Dept of Energy- Argonne National Laboratory Chicago, Illinois, United States – P.85

4 Муратова А.Ю., Сунгурцева И.Ю., Турковская О.В, Нуржанова А.А Влияние бактеризации на ризосферный микробиом, физиолого-биохимические и ремедиационные свойства Мiscanthus × giganteus, выращенного в загрязненной тяжелыми металлами почве // X Съезд общества физиологов растений России Всероссийская научная конференция с международным участием «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» 18-23 сентября 2023 года, Уфа: УИБ УФИЦ РАН, 2023. – С.261

Достигнутые результаты за 2023-2024 гг.

Оптимизировали условия выращивания растений Miscanthus sinensis Andersson с помощью 1% биочара Agmeco, в условиях загрязнения метаболитом 4.4ДДЕ в концентрации 105 ± 4.10 мкг/кг и ионом Ni — 93.2 ± 8.84 мг/кг; Miscanthus × giganteus с помощью березового биочара в концентрации 1% ионом Ni в концентрации 287 мг/кг, и нефти — 12890 мг/кг как по-отдельности, так и в смеси. Контроль – незагрязненная почва, загрязненная почва ионом Ni; метаболитом 4.4-ДДЕ и нефтью без добавления биочара. Установлено, эффект от биочара в условиях, комбинированного 4.4DDE+Ni загрязнения почвы выражен в повышении биомассы M. Sinensis наземной части на 120%, и корней на 205%; повышение вспомогательного пигмента хлорофилла в на 45% и снижение каратиноидов на 46%; увеличение активности КАТ в 8 раз; снижение метаболита 4.4ДДЕ в наземной части на 50%, а в корне на 38%, а ионов Ni в корнях на 24% относительно контроля. В условиях комбинации нефть+Ni, березовый биочар способствовал к снижению роста M.giganteus на 38%, а биомассы до 34%; повышению соотношения хлорофилла а/в на 66% и снижению каратиноидов на 46%; повышению активности фермента СОД на 25% и АПО на 23% и снижению КАТ на 56% и ГSТ на 47% относительно контроля; стимулировал деградацию нефти почве до 20% относительно контроля. Полученные данные важны для понимания механизмов фиторемедиации с использованием биоэнергетических видов M. giganteus и M. Sinensis.

Публикации за 2024:

Nurzhanova, A.A.; Pidlisnyuk, V.V.; Nurmagambetova, A.S.; Zhumasheva, Z.; Mamirova, A.A. Novel Phyto Plant of POP-Pesticides: Energy Crop Miscanthus sinensis. Experimental Biology 2024, 99, 140–152, https://doi.org/10.26577/eb.2024.v99.i2.012

 

 

 

Результаты за 2025 г.

Изучение фундаментальных основ адаптации растений к ксенобиотикам, а также исследование механизмов поддержания стабильности почв и путей их реабилитации является важнейшей задачей при разработке фитотехнологий. Повышение эффективности фиторемедиации является стратегически важным направлением исследований. Для улучшения наращивания биомассы, повышения эффективности очистки почв и адаптивности растений биочар рассматривается как эффективный инструмент био-/фиторемедиации органических и неорганических загрязнителей. Практическое использование биочара представляет собой инновационный подход к минимизации загрязнения почв.

Исследовано влияние 1% коммерческого биочара SSB, полученного из осадка сточных вод, собранного на муниципальных очистных сооружениях в Карловых Варах (Чешская Республика), и 1% коммерческого берёзового биочара в условиях моно- и совместного загрязнения почв метаболитом 4,4-ДДЕ, нефтью и ионом Ni на физиологические, биохимические и фиторемедиационные параметры биоэнергетического растения рода Miscanthus в тепличных условиях.

В условиях совместного загрязнения почвы ионом Ni с 4.4-ДДЕ и нефтью внесение биочара привело к увеличению урожайности представителей рода Miscanthus до 121 %, повышению содержания свободного пролина до 366 % и общего белка до 135 %, увеличению уровня вспомогательного пигмента хлорофилла b до 154 %, частичному восстановлению электронного транспорта в фотосистеме II до 37 % и снижению активности антиоксидантных ферментов (СОД, КАТ, АПО, ГР) в листьях растений. Это свидетельствует о повышении физиологической адаптивности и смягчении реакции растения на химический стресс.

Miscanthus sinensis преимущественно аккумулировал ДДЕ в корнях (Кт=0,62). Коэффициент биоконцентрации (КБК) для ДДЭ составил 6.33 в корневой биомассе и 3.91 — в надземной. Эти результаты подчеркивают потенциал M. sinensis для фитостабилизации ДДЭ. Однако при комбинированном загрязнении (Ni/ДДЭ) наблюдалась противоположная тенденция: высокий КБК (1.64) был зарегистрирован для надземной биомассы, тогда как КБК корней составил 0.75. Значение Кт = 2.1 указывает на усиленный фитоэкстракционный потенциал растения в отношении данного метаболита. Анализ накопления Ni в биомассе M. sinensis подтверждает её потенциал для фитостабилизации Ni. Ионы Ni не обнаружены в надземной биомассе, что свидетельствует об их удержании в корневой системе.

Контрольная (фоновая) почва наряду с ионом Ni содержала и другие элементы, такие как Cu, Pb, Zn и Cr. При оценке поглощения Cu растением M. sinensis в различных условиях загрязнения выявлено, что данный элемент в основном секвестрируется в корнях (Кт = 0,33–0,44). Аналогичная тенденция наблюдалась для Zn (Кт=1.06-1.53). Pb и Cr обнаруживались исключительно в корнях во всех вариантах опыта, что дополнительно подтверждает фитостабилизационный потенциал M. sinensis в присутствии ДДЕ.

Фракционный анализ нефтяного загрязнения показал, что при культивировании Miscanthus × giganteus элиминация нефтешлама происходила преимущественно за счёт деградации фракций парафинов, нафтенов и спиртобензольных смол. Парафины разрушались наиболее интенсивно – их содержание снижалось на 42–84 %. Нафтены занимали второе место по степени деградации – 47-57 %. Максимальная убыль нефтяных углеводородов (до 32 %) наблюдалась в нефть-загрязнённой почве, тогда как в условиях Ni + нефть убыль была минимальной и составляла 15 %.

Оптимизация условий произрастания мискантуса с помощью биочара подтвердила повышение эффективности фиторемедиации. Так, в условиях Ni/ДДЕ внесение SSB-биочара значительно снизило накопление СОЗ-пестицидов как в надземной, так и в корневой биомассе M. sinensis на 50 % и 33 % соответственно, а в условиях ДДЕ на 56  и 62 % по сравнению с вариантами без биочара. Внесение данного биочара в загрязненную почву увеличивало фитостабилизационный потенциал M. sinensis для ТЭ (Ni, Cr, Cu, Zn и Pb), одновременно снижая накопление метаболита ДДЕ.

Внесение коммерческого берёзового биочара снижало эффективность очистки почвы от нефти как единственного загрязнителя, однако стимулировало деградацию нефти при комплексном загрязнении, обеспечивая 20-процентную элиминацию загрязнителя при культивировании M. × giganteus. Биочар влиял главным образом на деградацию фракции МБЦА: ароматическая фракция разрушалась на 41% и 9 % соответственно в присутствии и отсутствии Ni. В отсутствие биочара, напротив, наблюдалось увеличение доли МБЦА. Анализ содержания Ni в почве до и после выращивания мискантуса показал значительную убыль металла (72-78 %), независимо от внесения биочара.

Таким образом, наши исследования подчеркивают двойную роль биочара в содействии росту M. sinensis и M. × giganteus в условиях загрязнения и снижении биодоступности загрязнителей, что демонстрирует его потенциал для улучшения фиторемедиации комплексно загрязнённых почв пестицидами и металлами.

Баллы за заключительный отчет — 35.

Информация для потенциальных пользователей

1. Химический анализ, проведённый до и после эксперимента, выявил отчётливые закономерности взаимодействия тяжёлых элементов (ТЭ) и СОЗ-пестицидов с биочаром. Статистически значимое увеличение (p < 0,001) сорбции Ni на поверхности биочара, достигающее 75 %, наблюдалось как в контрольной почве, так и в почве с добавлением Ni, что подтверждает способность биочара поглощать ионы Ni. В условиях совместного загрязнения Ni/ДДЕ биочар продемонстрировал выраженную абсорбцию пестицидов, тогда как сорбция металлов оставалась на уровне контрольных значений.

Анализ динамики содержания СОЗ-пестицидов в почве, загрязнённой ДДЕ, до и после вегетационного периода M. sinensis показал снижение их биодоступности для растений на 39 %, тогда как при загрязнении только ДДЕ на 59 % относительно исходного значения (рис. 1).

При изучении адсорбционно-десорбционного потенциала биочара после вегетации растений было выявлено, что он способен сорбировать ионы Ni и Cr (r = 0,86, p < 0,05) из почвы, одновременно десорбируя ионы Cu (r = −0,72, p < 0,05) и Zn (r = −0,96, p < 0,05), и не оказывает влияния на сорбцию Pb независимо от характера загрязнения.

Учитывая, что Zn и Cu являются необходимыми микроэлементами для растений, биочар SSB может быть рекомендован в качестве почвенной добавки для почв с дефицитом Zn и/или Cu.

Рисунок 2 – Создание биочара с помощью пиролиза из стеблей M×giganteus

С помощью карбонизации стеблей M×giganteus объёмом 29 кг при заданном режиме пиролиза (t 600⁰C^, скорость подачи 2.1 кг в час, скорость нагрева 5 градусов в минуту, время удержания в атмосфере аргона 1 час) было получено 14 кг биочара. Выход биочара составил 48.3%. При изучении физико-химических свойств установлено, что площадь поверхности биочара составляет 672 м² г⁻¹, размер пор 0.85 нм, влажность 4.5%, содержание летучих веществ 13.8%, зольность 9.9%, рН. 9.98, электропроводность 553 мСм м^−1.

Полученный биочар является экологически безопасным и предназначен для применения на маргинальных, деградированных и загрязнённых землях, что определяет его основную целевую область использования.

Публикации 2025 г.

Список публикаций в рецензируемых зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и (или) Scopus

1. Nurzhanova A.; Pidlisnyuk V.; Nurmagambetova A.; Zhumasheva Z.; Naizabayeva L.; Mamirova A. Biochar as a Tool to Optimise Miscanthus sinensis Resilience and Phytoremediation Efficiency: Case Study of Contamination by Mixture of Ni and 4.4′-DDE. Environ. Chem. Ecotoxicol. 2025, 7, 802–818, https://doi.org/10.1016/j.enceco.2025.04.006. WoS Q1; IF = 9.0; Percentile 97%.

Тезисы международной конференции (с указанием формы доклада)

1 Нуржанова А.А., Мамирова А.А., Нурмагамбетова А, Жумашева Ж. Оптимизация эффективности фиторемедиации и устойчивости биоэнергетического растения Miscanthus sinensis к метаболиту 4.4ДДЕ и ионом Ni с помощью биочара // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 30-летию со дня основания Института общей генетики и цитологии и 80-летию Института физиологии человека и животных «Генетика и физиология: прошлое, настоящее, будущее» (IGPH2025) – Алматы: ИГФ, 2025. С. 56. Доклад онлайн

2 Доклад Нуржанова А.А. (онлайн) на тему «Оптимизация эффективности фиторемедиации и устойчивости биоэнергетического растения Miscanthus sinensis к метаболиту 4.4ДДЕ и ионом Ni с помощью биочара» на Семинаре по использованию умного сельского хозяйства: технологии интернета вещей и применение биочара. 9 Сентября 2025. Казахский национальный аграрный исследователтский университет. Алматы.