Main goal of the Project is development of a novel phytoremedation technology, the essence of which is a three-stage process of biological treatment of soils and water reservoirs polluted with explosives TNT and RDX. The novel technology based on combined action of plants and microorganisms will direct their common detoxification potential to rehabilitation of the environment polluted as a result of military activities.

TNT (2,4,6-trinitrotoluene) and hexogen (hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine) or cyclonite or, according to the British code name, RDX) are the most toxic compounds among explosives in the military arsenal. Production and application of these compounds results in their dispersal in the environment, which leads to much harm to all living organisms. Undoubtedly, the most effective and economically profitable technology for rehabilitation of chemically polluted environment is phytoremediation based on the unique properties of plants and microorganisms to assimilate and degrade the wide range of toxic compounds. This approach allows without affecting soil structure complete remediation of chemically polluted sites with maintenance of ecological balance. The following major goal is pursued:

Maximal decrease in concentrations of toxic compounds in soil and water by way of their uptake and degradation by plants and microorganisms to standard cell metabolites and carbon dioxide.

The problem with phytoremediation (transformation) of TNT and RDX is their low solubility resulting in inefficient absorption by plant root system. After penetration into plant cells they remain highly stable and their degradation proceeds very slowly. These compounds undergo only partial transformation in plant cells and accumulate mainly in the form of conjugates with cell polymers. As a result, in plants the explosives maintain the most part of molecule chemical structure, which determines their toxicity. Certainly, plant biomass used in phytoremediation must undergo special processing, e.g., burning at a high temperature for complete detoxification.

The project offers a new strategy to solve the problem of phytoremediation of explosives, the essence of which is to achieve the maximal degree of neutralization of toxic compounds through creation of the following three-stage system of phytoremediation:

• At the first stage (“rhyzosphere biodegradation”), rhyzosphere microorganisms selected specifically for this purpose are introduced into a polluted object (soil, water); microorganisms realize initial transformation of explosives, converting them into comparatively less toxic, more hydrophilic compounds which are much easier assimilated by plants.
• At the second stage (“phytoextraction and phytotransformation”), plants with a high phytoremediation potential remove explosives and/or intermediates of their partial transformation from polluted object. At this stage, biostimulators (INAGROSA, Industrias Agrobiologicas, S.A.) will be used to activate metabolic processes and thus to intensify phytoremediation activity of plants.
• At the third stage (“bioutilization”), plant residues used in phytoremediation will be treated with microorganisms (basidial fungi) having powerful oxidative enzyme systems that degrade toxic compounds.

Participants of the project are scientists from IBB and IBPM.

At IBB, they have been studying detoxification abilities of plants and microorganisms since 1960 (the list of select recent publications is given in 12.2). In the past period, more than 100 chemical toxicants have been studied and about 150 representatives of annual and perennial plants have been tested on their detoxification abilities. IBB has culture collections of microorganisms of different taxonomic groups (actinomycetes, bacteria, yeast, microscopic and basidial fungi) with previously investigated bioremediation abiilties. IBB researchers have accomplished the following ISTC projects analogous in subject to the project proposed:

G-369 – “Development of methods of bioremediation of contaminated soils on former military locations and proving grounds in Georgia” (2001-2004).

G-718 – “Development of a novel strategy for phytoremediation and long-term protection of environment polluted by hydrocarbons” (2002-2005).

IBPM researchers have a many-year experience in the study of microbial biodegradation of a wide range of organic pollutants and bioremediation of soils polluted with toxic compounds such as chlorine-, sulfur- and phosphorus-containing pesticides, chlorophenols, volatile aromatic hydrocarbons, oil, creosote, PAH (the list of select recent publications is given in 12.3). The laboratory has a unique collection of microorganisms – destructors of pollutants including those with high stability in the environment, and developed approaches to purification of soil and water polluted with different toxicants.

IBPM has as its part the All-Russian Collection of Microorganisms with over 15,000 microbial cultures stored and maintained, which make up to 70% of the total species stock of Russian collections. IBPM researchers participated in the national and international projects on microbial degradation of xenobiotics, including International NATO Award “Science for Piece” SfP972294 (1999-2003) “Degradation of chlorophenols by ligninolytic fungi”, international projects Inco-Copernicus 1 and 2 #IC15-CT96-0103, ICA2-2000-10006, “Bioremediation of water”, international project INTAS #03-51-5889 “Blue and non-blue laccases of basidiomycetes”, RFBR-Germany grants #436RUS 113/59/0, SCHL 284/2-2.

The foreign collaborator, Professor E. Best, is one of the leading experts in the field of phytoremediation of explosives. Her role in the project is active participation in research work planning, discussion of results and findings, preparation of publications, consultations, participation in conferences and review of reports.

Results of the project will become a basis of a scientifically based strategy for regulation of ecophysiological characteristics of plants and microorganisms for maximal expression of their phytoremediation potential and, eventually, creation of a novel ecological biotechnology of general run for rehabilitation of soils and water on the territories of military actions, proving grounds, dislocations, military plants and storehouses.

Основная цель проекта – разработка новой фиторемедиационной технологии, суть которой заключается в трехступенчатом процессе биологической обработки почв и водных резервуаров, загрязненных взрывчатыми веществами ТНТ и RDX. Новая технология, основанная на совместном действии растений и микроорганизмов, позволит направить их общий детоксикационный потенциал на реабилитацию окружающей среды, загрязненной в результате военной деятельности.

Взрывчатые вещества тротил (2,4,6-тринитротолуол – ТНТ) и гексоген (гексагидро-1,3,5-тринитро-1,3,5-триазин, или циклонит, или по Британскому кодовому названию – RDX), являются самыми токсичными соединениями, имеющимися в арсенале военных. Производство и использование этих соединений приводит к распространению их в окружающей среде, что наносит значительный ущерб всем живым организмам. Несомненно, самой эффективной и экономически выгодной технологией для реабилитации химически загрязненной среды является фиторемедиация, основанная на уникальных способностях растений и микроорганизмов, усваивать и деградировать широкий спектр токсичных соединений. Данный подход позволяет, не затрагивая структуру почвы, полноценно восстанавливать химически зараженные участки, сохраняя экологический баланс. При этом преследуется следующая основная цель:

Максимальное уменьшение концентрации токсичных соединений в почве и воде путем их деградации растениями и микроорганизмами до стандартных клеточных метаболитов и углекислого газа.

Проблема фиторемедиации (трансформации) TНT и RDX заключается в их малой растворимости, в результате чего они неэффективно поглощаются корневой системой растений, а после проникновения в растительные клетки отличаются высокой стабильностью и очень медленно поддаются деградации. В растительной клетке они подвергаются лишь частичным превращениям и преимущественно накапливаются в связанном (конъюгированном) с клеточными полимерами виде. В результате, взрывчатые вещества в растениях сохраняют большую часть той химической структуры молекулы, которая определяет их токсичность. Несомненно, что растительная биомасса, использованная в фиторемедиации, для полной детоксикации, должна подвергаться специальной обработке, например, сжиганию при высокой температуре.

В представленном проекте предложена новая стратегия решения проблемы фиторемедиации взрывчатых веществ, суть которого заключается в достижении максимальной степени обезвреживания токсичных соединений путем создания трехступенчатой системы фиторемедиации, действующей по следующему принципу:

• На первой стадии ("ризосферная биодеградация") в загрязненный объект (почва, вода) вносят специально для этих целей подобранные ризосферные микроорганизмы, которые в околокорневой системе осуществляют начальную трансформацию взрывчатых веществ, превращая их в сравнительно менее токсичные, более гидрофильные соединения, значительно легче усваиваемые растениями.
• На второй стадии ("фитоэкстракция и фитотрансформация") растения, имеющие высокий фиторемедиационный потенциал, удаляют взрывчатые вещества и/или продукты их частичного превращения из загрязненного объекта. На этой стадий будут также использованы биостимуляторы (INAGROSA, Industrias Agrobiologicas, S.A.), активирующие метаболические процессы, и тем самым, усиливающие фиторемедиационную активность растений.
• На третьей стадии ("биоутилизация") остатки растений, используемые в фиторемедиации, будут обработаны микроорганизмами (базидиальными грибами), имеющими мощные окислительные ферментные системы, разрушающие токсические соединения.

Участники проекта, ученые из ИББ и ИБФМ. В ИББ с 1960-ых годов проводят исследования детоксикационных способностей растений и микроорганизмов (список отобранных публикаций последних лет прилагается в разделе 12.2). За прошедший период изучены более 100 химических токсикантов, испытаны около 150 представителей одно- и многолетних растений. В ИББ имеются богатые коллекции культур микроорганизмов разных таксономических групп (актиномицеты, бактерии, дрожжи, микроскопические грибки, базидиомицеты), обладающие высокими биоремедиационными свойствами. Сотрудниками ИББ были выполнены проекты МНТЦ, аналогичные по тематике представленному проекту:

G-369 – "Разработка методов биоремедиации химически загрязненных почв на бывших местах дислокаций военных частей и полигонов в Грузии" (2001–2004 гг.)

G-718 – "Разработка новой стратегии фиторемедиации и долгосрочной защиты окружающей среды загрязненной углеводородами" (2002–2005 гг.)

Сотрудники ИБФМ имеют многолетний опыт исследований в области микробной биодеградации широкого спектра органических загрязнителей и биоремедиации почв, подвергшихся загрязнению токсичными веществами, такими как хлор-, серу-, фосфор-содержащими пестицидами, хлорфенолами, летучими ароматическими углеводородами, нефтью, креозотом, ПАУ (список избранных публикаций последних лет прилагается в разделе 12.3).В лаборатории имеется уникальная коллекция микроорганизмов-деструкторов поллютантов, в том числе и очень устойчивых в окружающий среде,разработаны подходы очистки почвы и воды, загрязненных различными токсикантами.

В состав ИБФМ входит Всероссийская коллекция микроорганизмов, в фондах которой храниться и поддерживается более 15000 микробных культур, что составляет до 70% от видового фонда, поддерживаемого в российских коллекциях. Сотрудники ИБФМ принимали участие в ряде национальных и международных проектов по микробной деградации ксенобиотиков, в том числе в международном гранте НАТО “Наука для мирных целей” SfP972294 (1999-2003 г.г.) “Разложение хлорфенолов лигнолитическими грибами”, международных проектах Инко-Коперникус 1 и 2 №IC15-CT96-0103,ICA2-2000-10006, «Биоремедиация воды», международном проекте ИНТАС №03-51-5889 «Голубые и неголубые лакказы базидиомицетов», грантах РФФИ-Германия №436RUS 113/59/0, SCHL 284/2-2.

Зарубежный коллаборатор – проф. Э. Бест является одним из ведущих специалистов в области фиторемедиации взрывчатых веществ. Ее роль в проекте заключается в активном участии в планировании научно-исследовательских работ, обсуждении отчетов и полученных результатов, подготовке публикаций, консультациях, участии в конференциях.

Результаты проекта позволят создать научно обоснованную стратегию регуляции экофизиологических характеристик растений и микроорганизмов для максимального выявления их фиторемедиационного потенциала и получить практически новую, имеющую широкий спрос экологическую биотехнологию, направленную на реабилитацию почв и воды на территориях военных действий, полигонов, мест дислокации военных частей, военных заводов и складов.