Группа по изучению почвенных гелей

От частных экспериментов

к общим закономерностям...

тема группы

Роль почвенных коллоидов в функционировании почв

Исследуем влияние почвенных коллоидов на физические свойства почв и не только...

Направления работы группы

Исследование почвенной аллелотоксичности

Разрабатываем составы для улучшения прорастания семян зерновых культур
Исследование влияния строения коллоидов на свойства почв

Водоустойчивость, вязкость, водоудерживающая способность, прочность и другие свойства почв
Исследование механизмов эрозионной устойчивости почв

Разрабатываем составы для повышения эрозионной стойкости почв

Наши методики

Новые методы для новых результатов

Способ оценки аллелопатического почвоутомления для конкретных культур

Патент РФ №2704100. Авторы: Федотов Г.Н., Горепекин И.В., Федотова М.Ф., Шоба С.А., Ковалева Н.О., Салимгареева О.А.
Способ определения содержания физической глины в почве

Патент РФ №2860048. Авторы: Федотов Г.Н., Тюгай З., Горепекин И.В., Сухарев А.И., Тарасенко Д.А., Масалкина Е.А.
Способ определения водопрочности почвенных агрегатов

Патент РФ №2792238. Авторы: Горепекин И.В., Ушкова Д.А., Федотов Г.Н., Потапов Д.И.
Способ выбора зерновых культур для посева на конкретных почвах

Патент РФ №2690639. Авторы: Федотов Г.Н., Горепекин И.В., Федотова М.Ф., Шоба С.А., Ковалева Н.О., Салимгареева О.А.
Способ восстановления структуры почвенных гелей воздушно-сухих образцов чернозема для определения вязкости почвенных паст

Патент РФ №2823072. Авторы: Ушкова Д.А., Федотов Г.Н., Шоба С.А., Горепекин И.В., Потапов Д.И., Сухарев А.И.
Способ определения содержания илистой фракции в почвах

Патент РФ №2858825. Авторы: Горепекин И.В., Федотов Г.Н., Тюгай З., Салимгареева О.А., Сухарев А.И.

Наши результаты

Исследование почвенной аллелотоксичности

Установлено, что нейтрализация почвенной аллелотоксичности за счёт использования сорбентов в сочетании с автолизатом пивных дрожжей улучшает эффект существующих препаратов-стимуляторов, что отражается в улучшении полевой всхожести семян зерновых культур.

Узнать больше

Исследование влияния строения коллоидов на свойства почв

Установлено, что строение коллоидной составляющей почв определяет водоустойчивость, вязкость паст, гистерезис, водоудерживание и устойчивость агрегатов, а также отклик на изменения влажности и солевого состава.

Узнать больше

Исследование механизмов эрозионной устойчивости почв

Показано, что единство механизмов формирования водоустойчивости и эрозионной стойкости почв позволяет использовать методы оценки водоустойчивости для предварительной диагностики эрозионной стойкости почв.

Узнать больше

Исследование почвенной аллелотоксичности

1. Факторы, детерминирующие аллелотоксичность почв
В ходе исследований установлено, что почвенная аллелотоксичность существенно замедляет прорастание семян зерновых культур, а её проявление зависит от типа почвы, истории землепользования и сортовых особенностей растений.
2. Экспресс-диагностика аллелотоксичности методом биотестирования
Разработан высокопроизводительный метод биотестирования, базирующийся на регистрации физиологических параметров прорастания семян. Предложенный подход обеспечивает повышение точности и сокращение временных затрат при идентификации неблагоприятных почвенных условий, что делает его пригодным для скрининговых исследований и мониторинга почвенного плодородия.
3. Лимитирующие факторы эффективности предпосевных стимуляторов
Показано, что полевая эффективность предпосевной обработки семян стимуляторами роста существенно нивелируется под воздействием почвенных аллелотоксинов. В качестве механизма преодоления данного ограничения предложена концепция сорбционной иммобилизации токсических соединений непосредственно на поверхности семенного материала, что позволяет восстановить доступность экзогенных регуляторов для зародыша.
4. Создание и экспериментальное обоснование составов сорбционно-стимулирующих препаратов комплексного действия
Разработаны и экспериментально апробированы рецептуры препаративных форм, включающих в качестве активных компонентов бентонитовую глину (сорбент), гуминовые вещества (стимулятор и сорбент) и автолизат пивных дрожжей (источник аминокислот, витаминов и фитогормонов). Доказано, что предложенные композиции обеспечивают двойной эффект: селективную сорбцию почвенных аллелотоксинов, снижающую их фитотоксическое действие, и одновременное сохранение пула почвенных биологически активных веществ в ризосфере, доступном для поглощения корневой системой на ранних этапах органогенеза.
5. Прикладное значение результатов для селекции и совершенствования агротехнологий в условиях почвоутомления
Полученные результаты имеют прямую практическую значимость для решения проблемы снижения полевой всхожести зерновых культур. Они могут быть использованы в трёх ключевых направлениях:

разработка дифференцированных рекомендаций по подбору сортов, характеризующихся повышенной устойчивостью к аллелотоксическому стрессу;
адаптация систем предпосевной подготовки семян с включением сорбционно-стимулирующих препаратов;
корректировка агротехнических приёмов (севооборотов, обработки почвы, внесения органических удобрений) с целью минимизации накопления фитотоксикантов в пахотном горизонте.

Исследование влияния строения коллоидов на свойства почв

1. Почвенные гели определяют гистерезис физических свойств
Установлено, что гистерезис (зависимость свойств почвы от её предыстории увлажнения или иссушения) вязкости, водоудерживающей способности и обусловлен лабильной частью твёрдой фазы — почвенными гелями, а не стабильными минеральными частицами. Предложены два механизма, действующих в одном направлении:

кинетический — замедленность набухания и усадки гелей;
гидрофобный — изменение смачиваемости поверхности гелей и возникновение гидрофобных связей при изменении влажности.

Это позволяет говорить о единой природе гистерезиса для различных физических свойств почв.
2. Водоудерживающая способность зависит от подвижности коллоидов
Показано, что высушивание почв приводит к снижению водоудерживающей способности по сравнению со свежеотобранными образцами. Добавление пептизирующих агентов (например, аммиачной воды) увеличивает отрицательный заряд гуминовых веществ, повышает их подвижность и восстанавливает водоудерживающую способность до уровня свежих образцов. Это свидетельствует о том, что водоудерживание определяется не только термодинамикой, но и кинетическим фактором — частичной блокировкой пор мигрирующими коллоидными частицами.
3. Водоустойчивость агрегатов связана с фрактальными кластерами гуминовых веществ, а не с расклинивающим давлением
Экспериментально доказано, что добавление электролитов (KCl), усиливающих расклинивающее давление, не влияет на водоустойчивость почвенных агрегатов. Снижение водоустойчивости при контакте с водой объясняется выходом фрактальных кластеров из гелей в воду, что ослабляет внутриагрегатные связи. Этот вывод подтверждён данными электронной микроскопии.
4. Опыты по влиянию температуры подтверждают роль гидрофобных связей в формировании водоустойчивости.
Показано, что с повышением температуры водоустойчивость агрегатов свежеотобранных почв увеличивается. Так как энергия гидрофобных связей возрастает при увеличении температуры, этот опыт подтверждает роль гумуса в обеспечении водоустойчивости.
5. Классическая теория двойного электрического слоя полностью не объясняет влияние солей на свойства почв
Экспериментально показано, что повышение ионной силы почвенного раствора (добавление 1 н KCl) приводит не к снижению, а к резкому возрастанию вязкости почвенных паст (на 70–128%), а также к ослаблению реопексии. При этом водоудерживающая способность почв в диапазоне рF 3,0–3,8 под действием солей не изменяется. Эти результаты противоречат ожиданиям из теории двойного электрического слоя (ДЭС), согласно которой сжатие ДЭС должно уменьшать вязкость и снижать водоудерживание.
Объяснение найдено в гелевой модели почв: гуминовые вещества с гидрофильно-гидрофобной поверхностью при увеличении ионной силы усиливают гидрофобные взаимодействия, что приводит к защемлению свободной воды в гелях и укрупнению частиц.

Исследование механизмов эрозионной устойчивости почв

Единство механизмов водоустойчивости и эрозионной стойкости. Вопреки существующим представлениям, различающим эти свойства, исследование показало, что они имеют единую природу. Обнаружена экспоненциальная корреляция (коэффициент 99%) между показателями критической скорости смыва (эрозионная стойкость) и водоустойчивости агрегатов (метод «лезвий») для почв, обработанных полимерными мелиорантами. Это позволяет предположить, что как внутриагрегатные (водоустойчивость), так и межагрегатные (эрозионная стойкость) связи формируются одним и тем же механизмом.
Ключевая роль гидрофобных взаимодействий и почвенных гелей. Основой для формирования агрегатных связей служат органоминеральные почвенные гели и входящие в их состав надмолекулярные образования (НМО) гуминовых веществ. В модельных экспериментах показано, что увеличение гидрофобности полимера (в ряду ПЭГ → ПАА → ПВС) приводит к укрупнению частиц при взаимодействии с гуматами и одновременному росту водоустойчивости почвенных агрегатов. Это подтверждает, что гидрофобные связи между органическими компонентами гелей являются определяющим фактором устойчивости.
Влияние эрозии на структуру почвенных гелей. Эксперименты с обдувом влажных почвенных агрегатов воздушным потоком показали, что это приводит к выносу из них гелевых плёнок и НМО, что снижает водоустойчивость агрегатов примерно в 1.5 раза по сравнению с высушиванием в неподвижном воздухе. Это доказывает, что процесс эрозии напрямую разрушает и удаляет «связующее» вещество почвы — почвенные гели.
Разная эффективность полимерных структурообразователей. Упрочнение гелей с помощью гидрофобных полимеров (например, ПВС) значительно повышает механическую прочность агрегатов и их устойчивость к дефляции. Однако эффективность таких полимеров существенно зависит от влажности почвы на момент внесения: эффект на влажных почвах (повышение прочности до 45%) значительно выше (примерно в 1.8–2 раза), чем на воздушно-сухих. Это связано с тем, что во влажном состоянии НМО в гелях более подвижны, что позволяет полимерным молекулам лучше с ними взаимодействовать.
Практические выводы для оценки и борьбы с эрозией. Высокая корреляция между эрозионной стойкостью и водоустойчивостью позволяет использовать простой и быстрый метод «лезвий» для скрининга и подбора эффективных составов полимерных мелиорантов, что сокращает время оценки примерно в 20-30 раз по сравнению с гидролотковыми испытаниями. При подборе таких составов предлагается в качестве «мишени» рассматривать не отдельные глинистые минералы, а комплексные почвенные гели, а для получения максимального эффекта вносить полимеры во влажную, а не в воздушно-сухую почву.

Органоминеральные гели как форма существования коллоидов в почвах

В 2025 году мы разработали метод выделения гелей из почв, что позволило нам количественно определять содержание и состав гелей в почвах. Так как размеры фрагментов гелей могут быть больше размеров отдельных коллоидных частиц, т.е. больше 1-2 микрон, мы решили исследовать их методами оптической микроскопии.

Гелевая суспензия каштановой почвы

В исходно выделенной суспензии преобладают частицы размером первые единицы микрон. Это согласуется с информацией о том, что размер коллоидных частиц хотя бы в одном из трех измерений должен быть менее 1-2 микрон.

Гелевая суспензия каштановой почвы после высушивания

После высыхания исходный слой частиц формирует ветвящиеся структуры. Переферия этих структур покрыта сферическим образованиями, полупроницаемыми для света. Исходя из размера, местоположения, формы и проницаемости этих частиц для света можно заключить, что это гуминовые вещества

Гелевая суспензия серой лесной почвы

В исходно выделенной суспензии, также как и в каштановой почве, преобладают частицы размером первые единицы микрон. Это согласуется с информацией о том, что размер коллоидных частиц хотя бы в одном из трех измерений должен быть менее 1-2 микрон. Наряду с этим, на заднем плане прослеживаются и частицы более крупного размера.

Гелевая суспензия серой лесной почвы после коагуляции

Для проверки коллоидных свойств, мы добавили к выделенной суспензии раствор 1 н КCl. По сравнению с предыдущим изображением мы можем увидеть изменения в области видимости: частицы сформировали компактные ажурные структуры. Это говорит о коагуляции, произошедшей в суспензии.

На видео представлено поведение гелевой суспензии, выделенной из каштановой почвы. Область исследования состоит из неподвижных участков, конгломератов частиц размером сотни микрон. Между этими конгломератами находятся пустые промежутки, по которым вместе с водой мигрируют конгломераты меньшего размера. Причину формирования подобных потоков нам только предстоит выяснить.

Гелевая суспензия, выделенная из каштановой почвы

Структурная организация почвы с позиции наличия органоминеральных гелей

В этом разделе мы собрали и проиллюстрировали представления о том, какие уровни структурной организации почвы мы выделяем и используем для объяснения наших результатов. Иллюстрации выполнены при помощи нейросети ChatGPT

Мицеллы гуминовых веществ

Мицеллярная модель строения молекул гуминовых веществ сформировалась в начале XXI века и пришла на смену макромолекулярной модели. В новой модели гуминовые вещества могут формировать мицеллы, в которых гидрофобное ядро находится внутри, а гидрофильная оболочка снаружи. Подробнее о модели можно прочитать в работе: Sutton R., Sposito G. Molecular structure in soil humic substances: the new view //Environmental science & technology. 2005. V. 39. №. 23. p. 9009-9015.

Фрактальный кластеры гуминовых веществ

О наличии фрактальной размерности у гуминовых веществ известно с 80-90х годов XX века из работ R. Österberg и N. Senesi. Одной из последних работ, резюмирующих достижения в области фрактального строения гуминовых веществ стала публикация Angelico R. et al. Humic substances: from supramolecular aggregation to fractal conformation—is there time for a new paradigm? //Applied Sciences. 2023. V. 13. №. 4. P. 2236.

Надмолекулярное образование гуминовых веществ

При взаимодействии фрактальных кластеров между собой формируются надмолекулярные образования гуминовых веществ, которые имеют более крупные размеры и теряют фрактальные характеристики. Их внешний вид в растровом электронном микроскопе можно увидеть в публикации: Федотов Г. Н. и др. Надмолекулярные образования из молекул гуминовых веществ и их фрактальная организация //Почвоведение. 2023. №. 8. С. 903-910.

Фрагмент органоминерального геля

При взаимодействии надмолекулярных образований между собой, а также с глинистыми минералами формируются коллоидные структуры - органоминеральные гели. Подробнее о том, как выглядят гели в просвечивающем электронном микроскопе можно увидеть в публикации: Fedotov G. N. et al. Gel structures in soils //Eurasian Soil Science. 2006. V. 39. №. 7. p. 738-747.

Почвенный агрегат

При включении в состав геля более крупных минеральных частиц возникают почвенные агрегаты. Подробнее о роли органоминеральных гелей в формировании почвенной структуры можно узнать из монографии: Вершинин П.В. Почвенная структура и условия её формирования. Изд-во АН СССР. 1958.188 с.

Статистика группы

С 2020 года

40+

Всего статей опубликовано
30+

Из них индексируются в БД Scopus/Web of Science
40+

Патентов на изобретения получено

Наши публикации

Здесь мы собрали часть статей, которые помогут понять, чем занимается наша научная группа

Шоба С.А., Салимгареева О.А., Горепекин И.В., Федотов Г.Н., Степанов А.Л.; Закрепление аллелотоксинов почв гуминовыми веществами как основа стимуляции прорастания семян; Доклады Академии наук; 2020; Подробнее button=https://istina.msu.ru/publications/article/223020325/ Федотов Г.Н., Горепекин И.В., Лысак Л.В., Потапов Д.И.; Аллелотоксичность почв и разработка сорбционно-стимулирующего препарата для ускорения начальной стадии развития растений из семян яровой пшеницы; Почвоведение; 2020; Подробнее button=https://istina.msu.ru/publications/article/313628183/ Горепекин И.В., Федотов Г.Н., Шоба С.А.; Аллелотоксичность почв (обзор); Почвоведение; 2022; Подробнее button=https://istina.msu.ru/publications/article/508118466/ Федотов Г.Н., Шеин Е.В., Ушкова Д.А., Салимгареева О.А., Горепекин И.В., Потапов Д.И.; Надмолекулярные образования из молекул гуминовых веществ и их фрактальная организация; Почвоведение; 2023; Подробнее button=https://istina.msu.ru/publications/article/564517553/ Федотов Г.Н., Шоба С.А., Ушкова Д.А., Горепекин И.В., Шваров А.П.; Природа связей в формировании водоустойчивости почвенных агрегатов; Доклады Российской академии наук. Науки о Земле; 2023; Подробнее button=https://istina.msu.ru/publications/article/621342388/ Федотов Г.Н., Тарасенко Д.А., Демидов В.В., Горепекин И.В., Егорова М.Н., Сухарев А.И.; Взаимосвязь механизмов формирования эрозионной стойкости и водоустойчивости почв; Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение; 2024; Подробнее button=https://istina.msu.ru/publications/article/679362418/ Федотов Г.Н., Шоба С.А., Горепекин И.В., Грачева Т.А., Качалкин А.В., Конкина У.А., Ушкова Д.А.; Структура гуматов в водных растворах и их биологическая активность; Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах; 2024; Подробнее button=https://istina.msu.ru/publications/article/710501227/ Федотов Г.Н., Демидов В.В., Шоба С.А., Горепекин И.В., Тарасенко Д.А., Салимгареева О.А., Сухарев А.И., Егорова М.Н.; Влияние почвенных гелей на устойчивость почв; Доклады Российской академии наук. Науки о Земле; 2025; Подробнее button=https://istina.msu.ru/publications/article/813137662/ Федотов Г. Н., Горепекин И. В., Сухарев А. И.; Влияние коллоидной составляющей почв на влажность разрыва капилляров и водоудерживание; Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение; 2026; Подробнее button=https://istina.msu.ru/publications/article/814895940/

Команда

Сотрудники и студенты нашей рабочей группы

Федотов Геннадий Николаевич

д.б.н., в.н.с.
E-mail: gennadiy.fedotov@gmail.com

IstinaResearcherID (IRID): 499215
ResearcherID: L-4346-2017
Scopus Author ID: 7003630407
ORCID: 0000-0001-8910-3433
Горепекин Иван Владимирович

к.б.н., н.с.
E-mail: decembrist96@yandex.ru

IstinaResearcherID (IRID): 149104463
ResearcherID: AAF-5368-2021
Scopus Author ID: 57209242429
ORCID: 0009-0000-1016-1906
Сухарев Алексей Игоревич

студент
E-mail: suharevai@my.msu.ru

IstinaResearcherID (IRID): 444848555
ORCID: 0000-0002-7596-423X

Студентам и аспирантам

Темы работ, которые защитили наши студенты

Стимуляция прорастания семян зерновых культур в почвах

Руководитель: Федотов Г.Н., Автор: Горепекин И.В.
Подходы к изучению механизма водоустойчивости почвенной структуры

Руководитель: Федотов Г.Н., Автор: Ушкова Д.А.
Корреляция водоустойчивости почвенных агрегатов и их устойчивости к водной и ветровой эрозии: уточнение механизмов разрушения с учетом организации почвенных гелей

Руководители: Федотов Г.Н., Демидов В.В., Автор: Егорова М.Н.
Аллелотоксичность почв и поиск способов повышения эффективности применения стимуляторов, используемых для предпосевной обработки семян яровой пшеницы

Руководитель: Федотов Г.Н., Автор: Горепекин И.В.
Влияние механоактивации на свойства почв и развитие растений

Руководители: Федотов Г.Н., Горепекин И.В. Автор: Конкина У.А.
Восстановление некоторых физических свойств высушенных почвенных образцов

Руководители: Федотов Г.Н., Горепекин И.В. Автор: Сухарев А.И.

Организации, с которыми мы сотрудничаем

РГАУ МСХА имени К.А.Тимирязева

Проводим исследования по влиянию аллелотоксичности на развитие растений в теплицах

ФИЦ Немчиновка

Проводим исследования по влиянию почвенной аллелотоксичности на развитие зерновых культур

Каракалпакский институт сельского хозяйства и агротехнологий

Проводим исследования по влиянию фитогормонов на развитие зерновых, а также изучаем влияние засоления на свойства почв

МГТУ имени Н.Э.Баумана

Сотрудничество ведется с Мытищинским филиалом, который ранее был Московским государственным университетом леса. Перечень совместных работ охватывает спектр от стимуляции семян до исследования физических свойств почв.

Наши контакты

Мы будем рады, если Вы решите с нами сотрудничать!

Федотов Геннадий Николаевич

E-mail: gennadiy.fedotov@gmail.com

Горепекин Иван Владимирович

E-mail: decembrist96@gmail.com

Сухарев Алексей Игоревич

E-mail: suharevai@my.msu.ru