Когда чем больше, тем хуже: биологи исследовали опасные свойства серебра в почве

С давних времен серебро известно своими антимикробными свойствами. Его используют в противовирусных препаратах, косметической продукции, медицинских устройствах. Однако этот металл не всегда приносит пользу.

Так, попадая в почву, он может навредить микроорганизмам и испортить урожай. Ученые Южного федерального университета (ЮФУ) решили узнать, как серебро влияет на развитие различных культур. В результате им удалось впервые в мире разработать экологически безопасные концентрации серебра в почвах.

Подробнее об этом рассказала автор проекта, победитель грантового конкурса Президента РФ для господдержки молодых ученых в 2022 году, научный сотрудник ЮФУ, кандидат биологических наук Наталья Цепина.

Опасный элемент

По словам специалистов, влияние таких тяжелых металлов на почву, как свинец, медь, цинк, кадмий и ртуть, уже хорошо изучено. Серебром заинтересовались только в последние годы — с развитием технологий его все чаще стали использовать в виде наночастиц.

«До сих пор были известны только положительные свойства серебра. Но вопрос, может ли оно в форме наночастиц негативно влиять на почву, ранее не изучался», — объясняет эксперт.

Зачастую этот металл попадает в землю из-за выбросов теплоэлектростанций при сжигании угля, предприятий цветной и черной металлургии, цементных заводов, полигонов твердых бытовых отходов, производства различной техники и применения осадков сточных вод для удобрения.

Специалисты провели в лаборатории эксперимент с помощью методов биотестирования. Для этого отобрали образцы почвы. В качестве основного выбрали чернозем как один из самых плодородных видов: его состав напрямую влияет на качество и безопасность продуктов питания. Также взяли образцы бурой лесной кислой почвы и серопеска, отличающихся своей буферностью (способностью противостоять изменению свойств при воздействии различных факторов). Тяжелые металлы в такой земле ведут себя по-разному, например, в одной из них могут оказаться более устойчивыми.

Затем в образцы добавляли серебро в различных концентрациях из расчета фонового содержания (на территории, не испытывающей техногенной нагрузки) на отдельных участках в регионе — один, десять и сто миллиграмм на килограмм. Спустя десять, тридцать и девяносто дней в почву посадили семена редиса, гороха и пшеницы.

Исследователям важно было оценить динамику экотоксичности (разные сроки с момента загрязнения), реакцию на химические формы серебра (наночастицы, нитраты, оксиды или судьфиды), всхожесть растений, а также численность бактерий, ферментов и дыхание почв.

Всего в меру

В ходе исследования авторы пришли к неутешительному выводу: чем сильнее загрязнение почвы серебром, тем больше снижается ее плодородие. Семян проросло меньше, чем было посажено. При этом с увеличением дозы металла длина корней проросших растений уменьшалась. Это значит, что культура слабо сопротивляется загрязнению. Самой чувствительной к серебру оказалась пшеница. Изучая выживаемость дождевых червей в образцах, биологи заметили, что увеличение дозы серебра приводит к гибели особей.

Наиболее активно отравляющее действие проявлялось в первый месяц эксперимента. Позднее экологические функции почвы частично восстанавливались, но безопасного уровня не достигали.

«Важно учитывать, что серебро обладает так называемым эффектом гормезиса — усиливает защитные функции в ответ на небольшой стресс. В данном случае оно стимулирует биологическую активность почвы, в частности, ее ферментов. Такой эффект характерен для многих тяжелых металлов», — поясняет собеседница.

По ее словам, серебро действительно нередко используется в составе удобрений и положительно влияет на всхожесть. Однако все дело в количестве. Применение подобных препаратов в разных формах и с разной частотой может привести к непредсказуемым результатам.

«Представьте, что такие пестициды применяют в течение первого года, затем второго, третьего на одном и том же участке. Металл имеет свойство накапливаться, что в конечном итоге может пагубно отразиться на качестве земли и урожая. То же самое касается донных удобрений. Концентрации серебра в них на сельскохозяйственных полях превышали фоновое содержание», — рассказывает автор работы.

Создать новые стандарты

Исследование позволило биологам впервые установить экологически безопасные концентрации серебра в черноземах — 4,4 мг/кг, серопесках — 0,9 мг/кг и бурых лесных почвах — 0,8 мг/кг. Специалисты уверены, что превышение этих показателей приведет к серьезным последствиям.

Проект стартовал в 2017 году на базе Южного федерального университета. Авторы продолжают работу в рамках грантов Российского научного фонда (РНФ), Президента РФ и проектов Минобрнауки России. По их словам, подобных исследований ранее не проводилось и ни в одной из стран мира предельно допустимой концентрации (ПДК) серебра в почве не определяли.

«Наиболее важный результат — это установленные нами экологически безопасные концентрации серебра для разных типов почв, которые могут быть использованы как региональные ПДК. До сих пор в России не было официально утвержденного показателя. Мы планируем предложить экологические нормативы в Министерство природных ресурсов и экологии РФ», — делится специалист.

Сейчас ученые проводят новый эксперимент, чтобы выяснить, влияет ли размер наночастиц серебра на его экотоксичность. Кроме того, работа позволит подобрать наиболее эффективные способы восстановления почвы. Итоги планируют подвести в конце этого года.

По мнению биологов, в будущем полученные результаты будут полезны для мониторинга экологического состояния наземных экосистем, загрязненных серебром. Также с их помощью можно оценить возможные риски и последствия загрязнения, определить подходящие способы санации почв и самое главное — выращивать экологически чистые продукты.

Анна Шиховец