Краткая информация о проекте
(продолжительность проекта 36 мес., 2021-2023 г.г.)
Наименование проекта: ИРН AP09259945 «Потенциал сладкого картофеля (Ipomoea batatas L.) для фиторемедиации загрязненных свинцом территорий южного Казахстана».
Казахстан имеет территорию 2 724 900 км2, что делает его девятой по величине страной в мире, примерно такого же размера, как западная Европа. Опустынивание больших территорий сопровождается загрязнением почвы, затоплением поверхностными и подземными водами и снижением общей региональной биологической емкости. Как известно, большая часть Казахстана пострадала от деятельности ядерного полигона, которая располагалась на территории трех регионов — Восточно-Казахстанской, Карагандинской, Павлодарской областей. Большинство отходов приходится от добычи и переработки Актюбинской, Павлодарской, Карагандинской, Восточно-Казахстанской, Жамбульской, Западно-Казахстанской и Атырауской областей, занимающиеся добычей угля, черных металлов. Земли Восточно-Казахстанской области загрязнены сочетанием меди (Cu), цинка (Zn), кадмия (Cd), свинца (Pb), мышьяка (As). Загрязнение почв в Карагандинской области вызвано отходами угольной, горнодобывающей и металлургической промышленности. Основным источником загрязнения земель в Кызылординской области является деятельность нефтяных компаний, производящих загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и нефтепродуктами. Таким образом, деятельность предприятий горнодобывающей, нефтяной и металлургической промышленности является основной причиной сильного загрязнения земель в центральной, восточной и западной частях Казахстана. Так же большой экологической проблемой являются заводы, которые активно работали в СССР. Одним из таких предприятий является Шымкентский свинцовый завод (современное название «Южполиметалл»), который в данный момент не работает, а объем отходов от него составляет 1 миллион 800 м3 и представляет собой отвал свинцового шлама в виде горы (народное название «Свинцовая гора»). Исследования по загрязнению почв вокруг данного завода серьёзно не проводились. Основные методы по очистке почвы от тяжелых металлов делят на: физико-химические и биологические. Использование физико-химических методов очистки почв, а именно промывки, химического окисления и восстановления, зачастую приводит к накоплению вторичных загрязнителей и требует дополнительных манипуляций, связанных с удалением загрязненного почвенного покрова и последующим сбором отходов. В отличие от физико-химических методов, биологическая ремедиация использует живые организмы (микроорганизмы, водоросли и растения). Одним из перспективных биоремедиационных направлений на сегодняшний день является технология фиторемедиации, которая использует живые растения. Фиторемедиация в отличие от микроорганизмов и водорослей имеет способность поглощать токсичные тяжелые металлы.
Поиск эффективных методов восстановления техногенных загрязненных почв является важной экологической задачей в Казахстане. Актуальность проблемы связана с загрязнением почв тяжелыми металлами, в частности, в районе металлургических заводов. Загрязнение воздуха, почвы, растений и воды тяжелыми металлами вблизи крупных промышленных центров стало одной из наиболее острых экологических проблем.
Цель проекта: Произвести отбор, испытание и изучение сортов сладкого картофеля устойчивых к повышенной концентрации свинца в почве, а так же способных аккумулировать свинец в тканях для фиторемедиации контаминированных территорий южного Казахстана.
Ожидаемые результаты:
Будет определён уровень загрязнения почвы свинцом и другими тяжелыми металлами Шымкентским свинцовым заводом. На уровне in vitro будет проведен скрининг и отбор не менее 2-х устойчивых сортов и не менее 2-х чувствительных сортов сладкого картофеля на устойчивость к свинцу .
Будет проведена оценка в контролируемых условиях устойчивости отобранных сортов к повышенной концентрации свинца и других тяжёлых металлов в почве заражённой Шымкентским свинцовым заводом.Будет определена разница в спектре экспрессии генов у устойчивых и чувствительных сортов сладкого картофеля методом сравнительного транскриптомного анализа.
Будет получен материал (урожай 2023 г.) для биохимических анализов на присутствие свинца и других тяжелых металлов в тканях сладкого картофеля.
Будет проведён анализ на присутствие свинца и других тяжелых металлов в тканях сладкого картофеля выращенного на загрязнённой почве свинцом и другими тяжёлыми металлами.
Сладкий картофель выращенный на загрязнённой почве свинцом и другими тяжёлыми металлами будет переработан на крахмал и другие полезные продукты переработки. Полученные продукты переработки будут проанализированы на присутствие тяжёлых металлов.
Будет определена целесообразность извлечения свинца из сладкого картофеля.
Научный руководитель проекта:
Жамбакин Кабыл Жапарович, генеральный директор ИББР, доктор биологических наук, профессор, академик НАН РК, h-index 3, под его научным руководством защищены 4 кандидатские и 3 диссертация PhD.
(https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=55331576800; https://app.webofknowledge.com/author/record/3844956)
Члены исследовательской группы:
Шамекова Малика Хабидулаевна: образование высшее (специальность Зоотехния), магистр (специальность Агроэкология), PhD (специальность Экология), ассоциированный профессор (специальность Биология), опыт научной работы 15 лет соответствует профилю научного проекта, h-index 4, под её научным руководством защищена 1 диссертация PhD.
(https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=55617198500; https://app.webofknowledge.com/author/record/4172091).
Дауров Диас Ламзарович: бакалавр (специальность Биотехнология), магистр (специальность Биотехнология), опыт научной работы 7 лет соответствует профилю научного проекта, h-index 1,
(https://www.scopus.com/authid/detail.uri?origin=resultslist&authorId=57201666405&zone= ; https://app.webofknowledge.com/author/record/35819805?lang=ru_RU&SID=F5UIG1R9xCKg1bvOMMo)
Даурова Айнаш Кененбаевна: бакалавр (специальность Биотехнология), магистр (специальность Плодоовощеводство), опыт научной работы 7 лет соответствует профилю научного проекта, h-index 1,
(https://www.scopus.com/authid/detail.uri?origin=AuthorProfile&authorId=57201673636&zone=; https://app.webofknowledge.com/author/record/10089321?lang=ru_RU&SID=F5UIG1R9xCKg1bvOMMo)
Аргынбаева Асель Мухтаркызы: образование высшее (специальность Биотехнология), магистр (специальность Биотехнология), докторант КазНАУ 3-й курс (специальность Защита растений и карантин), стаж научной работы 2 года соответствует профилю научного проекта
Каирканов Болат Кожекбаевич: образование среднее
Список публикаций и патентов исполнителей проекта за период с 2015 по 2020 гг.
- Zhambakin, K., Zhapar, K. Current status and prospects of plant biotechnology in Kazakhstan. Plant Biotechnology Report 14, 177–184 (2020). DOI:10.1007/s11816-020-00601-0, IF-1.259, Q-3, процентиль-64
- Daurov D., Zhapar K., Daurova A., Volkov D., Bakbergenova M., Tolegenova D., Shamekova M., Zhambakin K. Production of virus-free sweet potato planting material for the southeast of Kazakhstan. International journal of agriculture and biology 20 (4) : 851-856, 2018. DOI:17957/IJAB/15.0576. IF (WoS) – 0.82, Q-3, процентиль (Scopus)-56
- Daurova Ainash, Daurov Dias, Volkov Dmitriy, Aibek Karimov, Zhandos Abai, Daniyar Raimbek,Kuanish Zhapar, Kabyl Zhambakin, Malika Shamekova. Mutagenic treatment of microspore-derived embryos of turnip rape (Brassica rapa) to increase oleic acid content. Plant Breeding. 2020; 00:1–7. DOI:10.1111/pbr.12830, IF (WoS) – 1.251, Q -3, процентиль (Scopus) – 62
- Daurov, D., Daurova, A., Karimov, A. Tolegenova, D., Volkov, D., Raimbek D., Zhambakin K.,Shamekova M. Determining Effective Methods of Obtaining Virus-Free Potato for Cultivation in Kazakhstan. Am.J.PotatoRes. 97, 367–375 (2020). DOI:10.1007/s12230-020-09787-z, IF (WoS) -1.085, Q-3, процентиль (Scopus) -57
- Daurova A, Daurov D, Volkov D, Zhapar K, Raimbek D, Shamekova M, Zhambakin K. Doubled haploids of interspecific hybrids between Brassica napus and Brassica rapa for canola production with valuable breeding traits. OCL 27: 45. DOI:10.1051/ocl/2020041; SiteCoreScopus-2.8, процентиль – 70
- Kalendar R, Muterko A, Shamekova M, Zhambakin K. In Silico PCR Tools for a Fast Primer, Probe, and Advanced Searching. (2017) Methods in Molecular Biology, 1620, pp. 1-31. DOI: 10.1007/978-1-4939-7060-5_1
Достигнутые результаты в 2021 г.: В результате анализа почвы отобранной в трёх точках частных подворьях жителей, было обнаружено превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) свинца в 83 раза, цинка в 266 и меди в 267. В результате скрининга in vitro 57 сортов сладкого картофеля, нами были отобраны 2 устойчивых генотипа (КО-12, КО-16) и 2 чувствительных (КО-5 и КО-7) к свинцу и другим тяжелым металлам.
Достигнутые результаты в 2022 г.: Был выполнен тест на рост и развитие сладкого картофеля в контролируемых условиях в почве зараженной свинцом. Для эксперимента были взяты 57 сортов сладкого картофеля и высажены в кассетные мини-парники для рассады (40х16х13). Для адаптации растений в мини-парнике первые 7 дней поливали водой, затем после потери влаги в почве, растения обрабатывали тяжелыми металлами в объеме 300 мл. Был проведён биохимический и флуориметрический анализ, где были подтверждены 2 устойчивых сорта (КО-12 и КО-16), а также 2 чувствительных сорта (КО-5 и КО-7). Было проведено экспериментальное выращивание сладкого картофеля на загрязнённой свинцом территории южного Казахстана. Выращивание производили на участках следующих координат: №1 – 42°18’30.6″N 69°31’60.0″E; №2 – 42°18’29.7″N 69°31’58.1″E; №3 – 42°18’58.4″N 69°32’42.9″E; №4 – 42°21’15.7″N 69°36’43.5″E. Был проведен анализ на анализаторе вольтамперометрический СТА на накопление тяжелых металлов в растительном материале. Результаты демонстрировали высокое накопление тяжелых металлов на экспериментальных участках.
Достигнутые результаты в 2023 г.:
- Определен уровень загрязнения почвы свинцом и другими тяжелыми металлами Шымкентским свинцовым заводом, где были выявлены высокие концентрации тяжелых металлов свинца (Pb), цинка (Zn) и кадмия (Cd). Анализ почвы, отобранный из 4 точек частных подворьях жителей, было обнаружены превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) в почве свинцом на загрязненном участке №4 и кадмия практически на всех участках отобранных проб.
- На уровне in vitro проведен скрининг, где из 57 сортов были отобраны 32 сорта сладкого картофеля. Затем для отбора из 32 сортов устойчивых и чувствительных растений была проведена фенотипическая оценка на повреждение листьев по шкале от 0 до 10. Кроме того, благодаря физиологическим и биохимическим анализам были отобраны устойчивые сорта (КО-12 и КО-16) и чувствительные сорта (КО-7 и КО-5).
- Проведены экспериментальные выращивания сладкого картофеля на загрязненной свинцом территории южного Казахстана. По результатам анализа атомно-абсорбционной спектроскопии было показано, что участок №4 был самым загрязненным тяжелыми металлами, превышающие ПДК.
- Определена разница в спектре экспрессии генов у самого устойчивого сорта КО-12 и у самого чувствительного сорта КО-5 методом сравнительного транскриптомного анализа. На молекулярном уровне были исследованы 4 гена: Metallothionein (IbMT1), ATPase 3 (HMA3) homolog gene, PODs (swpb3 и swpa4). Из полученных результатов было выявлено, что обработка свинцом показала различные изменения экспрессии генов между двумя сортами, высокий уровень экспрессии наблюдался в устойчивом сорте КО-12.
- Для переработки сладкого картофеля на крахмал, были использованы два различных метода. В результате первого метода было получено до 3 г крахмала, использование второго метода позволило получить 10–12 г крахмала. После переработки сладкого картофеля на крахмал и проведения анализа на содержание тяжелых металлов из двух методов предпочтительнее был второй метод, который был наилучшим как в переработке, так и для анализа на содержание тяжелых металлов в сладком картофеле.
- Для изучения возможности извлечения свинца из биомассы сладкого картофеля были взяты устойчивый (KO-12) и чувствительный (KO-5) сорт и обработаны повышенной концентрацией свинца 30 мМ в течение 10 дней. В результате проведенного анализа было выявлено, что сорт КО-5 демонстрировал меньшее количество адсорбции в корнях по сравнению с КО-12. Также, как и в корнях, сорт КО-12 показывал высокую способность к адсорбции в листьях и показывал примерно в 1.9 раза больше содержание свинца в сравнении с сортом КО-5 на 10 день после обработки (ДПО).
- Исходя из всех полученных результатов можно уверено предположить, что сладкий картофель обладает хорошей адсорбцией свинца корнями и листьями, а также к способности ремедиации свинца и других тяжелых металлов
Публикации за 2023 г.
Статьи в реферируемых журналах, признанных КОКСНВО:
Zh.K. Abilda, D.L. Daurov, A.K. Daurova, K.K. Zhapar, Z.B. Sapakhova, K.Zh. Zhambakin, M.Kh. Shamekova. Construction of a geoecological map of dust particles transfer from the surface of the Shymkent lead (plumbum) factory dump // Eurasian Journal of Ecology. –2023. – Vol. 74(1). – P. 4-15.
Тезисы зарубежных и отечественных международных конференций:
Жамбакин К.Ж., Дауров Д.Л. Загрязнение почвы тяжелыми металлами в г. Шымкент // Материалы международной научно-практической конференции «Экологическая генетика и здоровье населения: достижения и перспективы», 18 января 2023 г., посвященной 80-летию доктора биологических наук, профессора, академика Национальной Академии Наук Высшей Школы РК и МАИН Бигалиева Айтхажи Бигалиевича. C. 23–27.
Статьи в зарубежных журналах:
- Daurov D., Zhambakin K., Shamekova M. Phytoremediation as a way to clean technogenically polluted areas of Kazakhstan // Brazilian Journal of Biology = Revista Brasleira de Biologia. – – Vol. 83. – P. e271684. Процентиль на момент подачи (Scopus) – 68; https://doi.org/10.1590/1519-6984.271684
- Toishimanov M., Abilda Z., Daurov D., Daurova A., Zhapar K., Sapakhova Z., Kanat R., Stamgaliyeva Z., Zhambakin K., Shamekova M. Phytoremediation Properties of Sweet Potato for Soils Contaminated by Heavy Metals in South Kazakhstan // Applied Sciences. – 2023. Vol. 13. – P. 9589. IF (WoS) – 2.7, Q-2, процентиль (Scopus) — 75; https://doi.org/10.3390/app13179589
