Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии оценки и прогнозирования экологических эффектов выращивания лесных плантаций на основе биотехнологических форм деревьев с заданными свойствами (увеличенная скорость роста, усиленная ассимиляцией азота почвы, пониженное содержание лигнина, повышенное содержание целлюлозы).

Докладчик: Немашкалов Виталий Алексеевич

Должность: н.с., к.б.н.

Цель проекта:
1.1 В настоящее время нет методов, которые бы позволяли адекватно прогнозировать экологические эффекты лесных плантаций, созданных с использованием пород с заданными характеристиками (пониженным содержанием лигнинов, повышенной долей целлюлозы, устойчивостью к гербицидам, усиленной ассимиляцией азота почвы). В связи с этим в данном проекте мы впервые предлагаем разработать метод использования трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристиками в качестве биологических моделей, которые позволяли бы получать адекватные исходные данные для прогнозирования круговоротов азота и углерода на примере лесных экосистем. Данный метод предлагается использовать для оценки экологических эффектов лесных плантаций, созданных с использованием форм деревьев с заданными характеристиками (как трансгенных, так и нетрансгенных). 1.2 Цель проекта: разработка метода использования трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристиками в качестве биологических моделей, которые позволяли бы получать адекватные исходные данные для прогнозирования круговоротов азота и углерода на примере лесных экосистем. Данный метод предлагается использовать для оценки экологических эффектов лесных плантаций, созданных с использованием форм деревьев с заданными характеристиками (как трансгенных, так и нетрансгенных). Кроме того, второй целью данного проекта является стимулирование международных интеграционных процессов в научной сфере и поддержка кооперации между российскими и иностранными академическими институтами и организациями. Задачи научных исследований и возможные пути их решения. - Провести анализ растительных образцов (листьев, стеблей, корней) биотехнологических форм осины и березы с целью определения содержания азота, углерода, лигнинов, целлюлозы и пентозанов, а также провести расчет скоростей разложения по эмиссии углекислого газа и потере массы. - Провести анализ изменений активности почвенных ферментов в прикорневой зоне в экспериментах с контейнеризированными растениями и в полевом эксперименте. - Разработать прогнозные сценарии для различных сроков роста и способов эксплуатации лесных плантаций на основе метода использования трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристиками в качестве биологических моделей при прогнозировании круговоротов азота и углерода в искусственных лесных экосистемах. - Провести анализ экспрессии рекомбинантных генов на уровнях транскрипции и трансляции в тканях биотехнологических форм осины и березы с разными целевыми признаками. - Разработать математические модели для оценки и прогнозирования продуктивности древостоя, круговоротов азота и углерода в искусственных лесных экосистемах, созданных с использованием деревьев с заданными характеристиками. - Разработать технологию оценки и прогнозирования экологических эффектов лесных плантаций, созданных на основе деревьев с заданными характеристиками. - Провести тестирование технологии на долгосрочных экспериментов в условиях открытого и сертифицированного полигона. - Разработать программный продукт (включая интернет-версию) для оценки и прогнозирования экологических эффектов лесных плантаций, созданных на основе деревьев с заданными характеристиками. - Создать учебное пособие по пользованию разработанной системы по оценке и прогнозированию экологических эффектов лесных плантаций.

Основные планируемые результаты проекта:
2.1 Основные планируемые результаты проекта
- Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ в соответствии с ГОСТ 7.32-2001.
- Бизнес-план (БП), включающий сквозной сетевой график выполнения проекта в целом.
- Перечень критериев для проведения оценки и прогнозирования экологических эффектов искусственных лесных экосистем.
- Опытные образцы асептических культур биотехнологических форм осины и березы.
- Опытная партия микрорастений in vitro биотехнологических форм осины и березы.
- Базовые региональные сценарии условий функционирования (сроки роста, способы эксплуатации) лесных плантаций, созданных с использованием трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристикам в качестве биологических моделей прогноза круговоротов азота и углерода в искусственных лесных экосистемах.
- Онлайн-репозитарий для обеспечения свободного доступа к версиям прогнозных моделей.
- Методы транскриптомного анализа биотехнологических форм осины и березы.
- Результаты транскриптомного анализа образцов с тепличных растений биотехнологических форм осины и березы.
- Математические модели оценки и прогнозирования продуктивности древостоя, круговоротов азота и углерода в искусственных лесных экосистемах, созданных с использованием деревьев с заданными характеристиками.
- Стандартные региональные прогнозные модели на основе метода использования трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристиками в качестве биологических моделей при прогнозировании круговоротов азота и углерода в искусственных лесных экосистемах.
- Результаты транскриптомного анализа образцов с контейнерных растений открытой площадки биотехнологических форм осины и березы.
- Результаты транскриптомного анализа образцов с полевых растений биотехнологических форм осины и березы.
- Отчет о проведении работ, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ.
- Технология оценки и прогнозирования экологических эффектов лесных плантаций, созданных на основе деревьев с заданными характеристиками.
- Программный продукт для оценки и прогнозирования экологических эффектов лесных плантаций, созданных на основе деревьев с заданными характеристиками.
- Интернет-портал для обеспечения доступа к окончательной версии программного продукта по оценке и прогнозированию экологических эффектов лесных плантаций, созданных на основе деревьев с заданными характеристиками.
- Учебное пособие по пользованию разработанной системы моделей по оценке и прогнозированию экологических эффектов лесных плантаций.
- Результаты анализа целевых и нецелевых модификаций транскриптомов биотехнологических форм осины и березы.
- Отчет о проведении работ, направленных на освещение и популяризацию окончательных результатов ПНИ.
- Отчет о технико-экономической оценке результатов ПНИ.
- Отчеты о патентных исследованиях в соответствии ГОСТ Р 15.011-96.
2.2 Метод использования трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристиками в качестве биологических моделей при прогнозировании круговоротов азота и углерода в лесных экосистемах Северной Евразии основан на получении данных от лабораторного эксперимента по длительному разложению различных органов растений с известным содержанием углерода и азота в различных условиях температуры и влажности, которые затем используются в модели динамики органического вещества почвы ROMUL, сопряженной с моделью роста отдельных деревьев через поступающий опад.
2.3 Разработанный нами метод разложения растительных остатков для использования в последующем моделировании обладает рядом преимуществ:
- высокая точность оценки скорости разложения, определяемая через эмиссию углекислого газа, анализируемой с помощью газового хроматографа;
- большая длительность эксперимента (один год), позволяющая оценить скорость разложения не только быстроразлагаемой, но и долгоразлагаемой фракции растительных остатков;
- нейтральный субстрат для разложения (песок), который в отличие от почвенного субстрата неопределенного состава позволяет сравнивать результаты различных экспериментов;
- несколько параметров физических условий разложения (температура и влажность) позволяет использовать полученные данные для моделирования в условиях изменяющегося климата;
- использование нескольких типов органов растений (листья или хвоя, стебли, корни) позволяет более точно оценить влияние растительного опада на плодородие почвы и круговорот азота и углерода.
Отличие разрабатываемой версии модели прогнозирования экологических эффектов от других моделей и ее преимущества при выполнении задач проекта заключается в следующем:
- модель разработана специально для лесных почв. Они характеризуются наличием специфических органических горизонтов – лесной подстилки. Сельскохозяйственные почвы таких горизонтов не имеют вследствие регулярной интенсивной распашки. Основные процессы по эмиссии диоксида углерода и высвобождению соединений азота, доступных для питания растений, происходят именно в лесной подстилке. Модель также может применяться для лугов и пастбищ;
- модель ориентирована на структуры входных данных, которые соответствуют материалам российской лесной таксации и почвенных исследований в лесных экосистемах. Она также соответствует Европейскому стандарту данных лесного мониторинга ICPForest (Lorenz, 2010);
-структура модели позволяет оценивать скорости преобразования органического вещества почвы совместно с оценкой эмиссии диоксида углерода, доступных растениям соединений азота по лабораторным экспериментам с разложением опада в зависимости от температуры, влажности, химического состава (азота, лигнина и зольности), что позволит применить ее для уникальной задачи сравнения круговорота элементов в плантациях трансгенных деревьев;
-методика вычисления потока опадов является уникальной и позволяет анализировать в модели смешанные леса и местообитания с высоким биоразнообразием. Число анализируемых фракций опада в модели не ограничено. Она позволяет учесть не только изменение скорости роста, но и перераспределение прироста между различными органами дерева, в то время как все разработанные в мире модели динамики органического вещества почвы (ОрВП) в качестве входного потока опадов используют сильно усредненные значения, что резко снижает точность прогноза.
2.4 Оценка технических характеристик выполненной разработки по сравнению с продукцией мировых лидеров, имеющейся на рынке, подтверждает соответствие данной разработки мировому уровню в области получения трансгенных растений древесных пород с заданными характеристиками и превосходство над мировым уровнем в области математического моделирования круговорота азота и углерода в лесных экосистемах. Полученные результаты превышают мировой уровень работ в области моделирования последствий долговременного выращивания деревьев на лесных плантациях целевого назначения, так как до настоящего времени модели с использованием деревьев с заданными характеристиками (повышенная продуктивность, усиленная ассимиляция азота, пониженное содержание лигнинов и/или гемицеллюлозы) не использовались.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
3.1 Результаты данного проекта могут быть использованы при проведении экологической экспертизы проектов по искусственным лесным насаждениям, а также для оценки экологических эффектов быстро растущих плантаций для целлюлозно-бумажных комбинатов и других предприятий лесоперерабатывающей промышленности.
3.2 Возможные потребители ожидаемых результатов, а также возможные пути и необходимые действия по доведению до потребителя ожидаемых результатов, в том числе на международной арене: предприятия лесной и деревообрабатывающей промышленности, природоохранные предприятия и территории, лесные хозяйства при закладках лесных плантаций и оценках экологической нагрузки от деятельности ЦБК, а также, экологические организации и научно-исследовательские институты.
3.3 Разработанная модель прогнозирования экологического эффекта лесных плантаций, создаваемых для нужд ЦБК с использованием деревьев для получения специально произведенной древесной биомассы (пониженное содержание лигнинов и/или гемицеллюлозы) позволит на научной основе проводить закладку данных плантаций, что позволить в соответствующем масштабе уменьшить вырубку естественных лесонасаждений.
Использование разработанной математической модели для применения на лесных плантациях целевого назначения, заложенных трансгенными деревьями с заданными характеристиками, позволит за счет более эффективного лесопользования и учета содержания питательных веществ в почве достичь значительного экономического эффекта.
Создание онлайн-репозитария позволит широкому кругу пользователей с помощью разработанной нами модели быстро оценивать и прогнозировать экологические эффекты на основе определённых экспериментальных данных.
Метод использования трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристиками в качестве биологических моделей при прогнозировании круговоротов азота и углерода в лесных экосистемах может быть применен для повышения точности прогнозирования круговорота азота и углерода в лесных насаждениях, в том числе и для прогнозирования в условиях меняющегося климата.

Текущие результаты проекта:
4.1 Проведена работа по подбору и анализу научной литературы в соответствии с темой проекта. Были проанализированы 150 литературных источников, в результате чего были подтверждены актуальность и новизна исследований, а также выбраны современные и перспективные подходы для решения поставленных задач.
4.2 Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96. Всего было найдено и проанализировано 33 патента в российской и зарубежных патентных базах. Установлена патентная чистота темы проводимых исследований. В российской патентной базе обнаружена единственная заявка на изобретение по теме НИР, находящаяся в стадии патентования, авторами которой являются исполнителями данного проекта. Результат предыдущей работы, изложенный в этой заявке, является основой для выполнения дальнейших работ по теме настоящего проекта.
4.3 Проведены работы по подготовке образцов асептических культур биотехнологических форм осины и березы, отобраны трансгенные растения, наработана биомасса, проведена оценка асептического статуса культур.
4.4 Получена опытная партия микрорастений in vitro биотехнологических форм осины и березы методом клонального микроразмножения.
4.5 Разработаны Программа и методики исследовательских испытаний опытной партии микрорастений in vitro биотехнологических форм осины и березы.
4.6 С помощью ПЦР проведен анализ образцов биотехнологических форм осины и березы, подтверждающий их трансгенный статус, что позволяет дальше работать с этими растениями как с моделями в дальнейших экспериментах.
4.7 Сформирован перечень критериев для проведения оценки и прогнозирования экологических эффектов влияния на окружающую среду трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристиками в районах расположения лесных плантаций, которые будут определяться характером трансформации признаков, подвергавшихся модификации в сравнении с естественными видами аналогами. В данном случае, это ускоренный рост фитомассы древостоев, повышенное содержание азота в органах (в первую очередь, в листве), пониженное содержание лигнина в древесине и корнях, повышенное содержание целлюлозы в древесине. Эти изменения могут сказаться, прежде всего, на динамике органического вещества и на параметрах биогеохимического масс-баланса углерода и азота в экосистемах искусственно созданных насаждений (лесных плантаций), чему соответствуют следующие экологические критерии (ЭК).
ЭК 1. Поддержание и приумножение лесных ресурсов.
• Создание дополнительной продукции древесины с заданными характеристиками: пониженное содержание лигнина, повышенное содержание целлюлозы (прямой лесохозяйственный эффект).
ЭК 2. Вклад лесов в глобальный круговорот углерода.
• Ускоренное связывание СО2 атмосферы за счет краткосрочного депонирования углерода в древостоях лесных плантаций и долгосрочного депонирования в лесных почвах (прямой экологический эффект).
ЭК 3. Сохранение почвенного плодородия лесных почв.
• Баланс ОрВ лесных почв (включая лесную подстилку);
• Баланс элементов питания (азота).
ЭК 4. Сохранение почвозащитных и водоохранных свойств лесов.
• Экологические эффекты применения удобрений на плантациях (риски вымывания нитратов с почвенно-грунтовым стоком).
4.8 Разработаны базовые региональные сценарии условий функционирования (сроки роста, способы эксплуатации) лесных плантаций, созданных с использованием трансгенных клонов осины и березы с заданными характеристиками в качестве биологических моделей прогноза круговорота азота и углерода в искусственных лесных экосистемах.
4.9 Проведен анализ методов и подходов оценки и прогнозирования экологических эффектов искусственных лесных экосистем.
4.10 Создан онлайн-репозитарий для обеспечения доступа к версиям прогнозных моделей. В настоящее время зарегистрировано доменное имя ресурса www.forestbiotech.ru.
4.11 Выполнено материально-техническое обеспечение работ по получению опытной партии микрорастений in vitro.
4.12 Разработан бизнес-план, включающий сквозной сетевой график выполнения проекта в целом.
4.13 Проведена пробоподготовка растительных образцов биотехнологических форм осины и березы для проведения транскриптомного анализа.
4.14 Разработаны методы и подходы для транскриптомного анализа биотехнологических форм осины и березы. Проведен тестовый цикл транскриптомного анализа биотехнологических форм осины и березы.