Учёные Южного федерального университета выяснили, что наночастицы оксида свинца ведут себя в почве и растениях гораздо опаснее, чем крупные частицы этого вещества. Их маленький размер усиливает токсичность, повышает подвижность свинца в чернозёме и даже приводит к появлению новых минеральных фаз прямо внутри тканей растений. Такие данные помогают точнее оценивать экологические риски наноматериалов и разрабатывать стратегии защиты почв и сельхозкультур.
Команда исследователей Академии биологии и медицины Д.И. Ивановского и НИИ физики ЮФУ проследила полный «жизненный путь» оксида свинца: от синтеза наночастиц до их поведения в почве и растениях. Учёные показали, что именно размер частиц определяет токсичность и способы их трансформации в агроэкосистемах. Особое внимание уделялось наночастицам, которые всё активнее применяются в промышленности и способны накапливаться в чернозёмах и тканях сельскохозяйственных культур.
В лаборатории исследователи искусственно загрязняли чернозём наночастицами свинца и отслеживали, как металл распределяется между почвой и растениями, а также как влияет на клетки корней и листьев ярового ячменя.
Для анализа исследователи применили комплекс современных методов: синхротронную порошковую рентгеновскую дифракцию и XAFS-спектроскопию на линиях НИЦ «Курчатовский институт», рентгенофлуоресцентный анализ, инфракрасную спектроскопию, динамическое рассеяние света, а также световую и электронную микроскопию. Такой подход позволил не только охарактеризовать сами наночастицы, но и выявить новые минеральные фазы свинца, формирующиеся уже внутри тканей растений. В образцах тканей ячменя были обнаружены плумбоферрит, литарж (PbO), галенит (PbS) и пироморфит (Pb5(PO4)3Cl).
Результаты показали, что наночастицы оксида свинца значительно повышают подвижность свинца в черноземе и его доступность для растений. Синхротронные данные подтвердили, что часть исходного материала в почве и тканях растений превращается в аквокомплексы Pb²⁺(H₂O)ₙ с короткими связями Pb–O, что дополнительно усиливает его биодоступность и экологический риск. Микроскопические исследования выявили, что высокие дозы оксида свинца, особенно в наноформе, оказывают выраженное токсическое воздействие: они вызывают разрушение корневых тканей, что снижает эффективность метаболических процессов, обеспечивающих рост и развитие ячменя.
«Наше исследование показывает, что нельзя рассматривать соединения свинца только через призму их химической формы — размер частиц принципиально меняет их поведение и токсичность в почве и растениях. Комбинация методов синтеза, высокоточной диагностики и моделирования загрязнения позволяет по-новому оценивать риски, связанные с наночастицами металлов в агроэкосистемах», – отмечает руководитель проекта, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НИИ физики ЮФУ Виктория Шуваева.
Полученные данные важны для развития современных подходов к оценке риска наноматериалов в сельском хозяйстве и для создания интегрированных стратегий защиты почв и продовольственной безопасности в регионах с высокой техногенной нагрузкой.
Стоит ли ужесточать контроль за использованием наноматериалов в промышленности, если они могут накапливаться в почвах и продуктах питания?
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-77-20089_продление) на базе Южного федерального университета и НИЦ «Курчатовский институт» и опубликовано в международном рецензируемом журнале Applied Soil Ecology (Q1).
Южный федеральный университет, являясь участником программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030»(нацпроект «Молодежь и дети»), концентрирует усилия на решении задач научно-технологической и гуманитарной безопасности страны. В рамках этой работы университет на основе сетевой архитектуры взаимодействия создает производственно-технологические цепочки полного цикла для ответа на «большие вызовы». Ключевые направления развития охватывают ряд критических и сквозных технологий, среди которых — технологии создания биологических и химических средств для повышения урожайности. Одним из проектов в этой области является стратегический технологический проект «Технологии биоинженерии почв», в реализации которого активное участие принимают исследователи Академии биологии и медицины им. Д. И. Ивановского ЮФУ.