Влияние тяжелых металлов и их детоксикантов на ферментативную активность почв

4. Заделёнов В.А., Белов М.А. Антропогенное влияние на нельму Stenodus leucichthys nelma (Pallas) енисейской популяции // Современное состояние водных биоресурсов: мат-лы Междунар. конф. - Новосибирск, 2008. - С. 228-233.

5. Куклин А.А., Лопатин В.В. Структура нерестовой части популяции енисейской нельмы // Биологические проблемы Севера: тез. 10-го Всесоюз. симп. - Магадан, 1983. - Ч. 2. - С. 187-188.

6. Правдин И.Ф. Руководство по изучению рыб. - М.: Пищепромиздат, 1966. - 376 с.

--------♦-----------

УДК 631.46:549.25/28 Е.Н. Конышева, И.С. Коротченко

ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ИХ ДЕТОКСИКАНТОВ НА ФЕРМЕНТАТИВНУЮ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ

В полевых условиях изучено влияние солей свинца, меди, кадмия и их детоксикантов на ферментативную активность (активность каталазы, инвертазы, уреазы) почв.

Показано, что более чувствительна к загрязнению почв свинцом оказалась каталаза, кадмием -уреаза и медью - инвертаза.

Применение мелиорантов способствует снижению негативного воздействия тяжелых металлов на ферментативную активность почв.

Ключевые слова: тяжелые металлы, детоксиканты, катионит, суперфосфат, птичий помет, почва, ферментативная активность.

E.N. Konysheva, I.S. Korotchenko INFLUENCE OF HEAVY METALS AND THEIR DETOXICANTS ON SOIL FERMENTATIVE ACTIVITY

Influence of lead, copper, cadmium salts and their detoxicants on soil fermentative activity (activity of cata-lase, invertase, and urease) is studied in the field conditions.

It is shown that catalase is more sensitive to soil pollution by lead, urease is more sensitive to soil pollution by cadmium and invertase is more sensitive to soil pollution by copper.

Ameliorator application promotes decrease in heavy metal negative influence on soil fermentative activity.

Key words: heavy metals, detoxicants, cationite, superphosphate, bird's dung, soil, fermentative activity.

Введение

В условиях глобального загрязнения окружающей среды широким спектром экотоксикантов, наряду с другими, остро встает проблема ухудшения биологических свойств почв. При любых изменениях этих свойств первыми на них реагирует биота.

Известно, что исследование элементного состава почв не может дать необходимой информации о влиянии неблагоприятных факторов, связанных с хозяйственной деятельностью человека на почвы и произрастающую на них растительность. Только использование живых организмов: растений и микроорганизмов, а также показателей их активности, может дать необходимые оперативные данные о воздействии комплекса неблагоприятных факторов, которые включают в себя токсичные элементы, содержащиеся в почве [6].

В настоящее время накоплен довольно значительный объем информации о применении биохимических и биологических методов для оценки экологического состояния почв об изменении состава микробного сообщества и связанной с ним активности ферментов, сравнительной оценке их чувствительности. Показано существенное влияние высоких доз металлов на видовой состав и численность микробиоты [3,8]. Тяжелые металлы ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почвах [2], подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, вызывают микробостатический эффект [7]. Большинство тяжелых металлов в повышенных концентрациях ингибирует активность почвенных ферментов: каталазы, инвертазы, амилазы и др. [1, 8]. Установлена различная чувствительность ферментов по отношению к различным дозам металлов. Так, в дерново-подзолистой почве наиболее чувствительной считается каталаза, активность кото-

рой снижается на 25 % при концентрациях кадмия, в три раза превышающих фоновую, цинка - в десять раз, свинца - в двадцать пять раз. Несколько менее чувствительным показателем является активность инверта-зы [8]. Отмечалась высокая чувствительность нитрифицирующей способности к загрязнению почв металлами [2]. В то же время было замечено, что при изучении влияния металлов на биохимическую активность в полевых условиях обнаружить закономерную взаимосвязь значительно труднее, чем в модельных экспериментах. Это во многом объясняется высокой вариабельностью естественной природной среды. В связи с этим в большинстве работ нет достоверных данных об изменении показателей нитрифицирующей активности, выделения углекислого газа, активности ряда ферментов даже при значительном содержании тяжелых металлов в почве [8,10]. Из всех показателей биологической активности, ферментативная активность -наиболее стабильный показатель [4].

Ферментативная активность почвы - чувствительный индикатор на возникновение в почве стрессовой ситуации и изменяется она раньше, чем другие почвенные характеристики. Она является показателем воздействия тяжелых металлов на микроорганизмы. Токсическое действие тяжелых металлов проявляется в ингибировании и блокировании некоторых процессов метаболизма микроорганизмов, а также изменении численности почвенной микрофлоры и ее состава.

Цель настоящей работы - оценка влияния тяжелых металлов и их детоксикантов на каталазную, уреазную и инвертазную активность почв.

Объекты и методы

В вегетационных модельных опытах с выщелоченным черноземом изучали изменения биологической активности почв, по каталазной, уреазной и инвертазной ферментативной активности почв, под действием тяжелых металлов и их мелиорантов при выращивании сельскохозяйственных культур.

Почва на опытном участке имеет следующую характеристику: гумус - 7,7%, рН - 7-8, подвижный фосфор - 300 мг/кг, обменный калий - 150 мг/кг. Исследования проведены на опытном поле в с. Зыково (Березовский район Красноярский край). Тяжелые металлы вносились в 0-20 слой почвы в виде хорошо растворимых солей: CuS04^5H20, (СНзСОО)2РЬ, 3СdS04•8Н20 в концентрациях 5 ПДК. Расчет концентраций проводили согласно данным ПДК [5]. Одновременно, согласно схеме опыта, вносились детоксиканты: гумат натрия в количестве 0,15 г/кг, 0,3 г/кг; суперфосфат - 3,75 г/кг, 7,5 г/кг; катионит - 1,5 г/кг, 3 г/кг; птичий помет

- 15 г/кг, 30 г/кг. После внесения тяжелых металлов и детоксикантов почва инкубировалась в течение 7 дней. В сентябре, до уборки урожая, с каждого участка была отобрана средняя проба почвы из верхнего слоя толщиной 0-5 см. В этих образцах определяли ферментативную активность. Исследования проводились в четырехкратной повторности.

При изучении ферментативной активности почвы активность каталазы определялась перманганатометрическим методом Джонсона и Темпле [9], уреазы фотоколориметрическим методом, который основан на измерении количества аммиака, образующегося при гидролизе мочевины, путем образования окрашенных компонентов с реактивом Несслера и фенолятами, а также остатка негидролизованной части субстрата

- мочевины [9], инвертазы - по учету восстанавливающих сахаров, образующихся при расщеплении сахарозы [4, 9].

Статистическую обработку проводили при помощи пакета Microsoft Excel 97 для Windows и компьютерного пакета статистических программ «Snedecor».

Результаты исследований

Анализ ферментативной активности почв свидетельствует о неоднозначном влиянии тяжелых металлов и их детоксикантов на биологические свойства почвы (табл. 1-3).

Каталазная активность на фоне составляла 2,38 мл KMnO4 / г почвы. При загрязнении почв свинцом установлено достоверное (Р<0,01) повышение этого показателя (табл. 1). Увеличение составляет более 7,5%. Другие металлы (кадмий и медь) не оказали существенного влияния на каталазную активность почв. Внесение всех исследуемых детоксикантов привело к значимому (Р< 0,01) снижению активности каталазы по сравнению с фоном и с вариантами без использования детоксикантов, за исключением опыта с катионитом на почве, загрязненной свинцом. Наиболее низкие значения каталазной активности отмечены на почвах, загрязненных свинцом и кадмием, с применением двойной дозы мелиорантов (рис. 1). Так, внесение в почву загрязненную свинцом и кадмием гумата натрия в концентрации 0,3 г/кг почвы и суперфосфата - 7,5 г/кг приводит к снижению каталазной активности более чем в два раза.

Таблица 1

Влияние тяжелых металлов и их детоксикантов на каталазную активность почв, мл KMnO4 за 1 мин / г

воздушно-сухой почвы

Вариант Доза внесения детоксикантов, г/кг почвы Вариант загрязнения почвы

Pb Отличие от фона, % Отличие от фона, % Cd Отличие от фона, %

Без детоксиканта - 2,56±0,05а 7,5 2,36±0,05 -0,84 2,37±0,03 -0,42

Гумат натрия 0,15 2,18±0,04*а -8,4 1,61±0,04*а -32,3 2,23±0,04аа -6,3

Гумат натрия 0,3 1,03±0,07*а -56,7 1,38±0,06*а -42,0 1,68±0,04*а -29,41

Суперфосфат 3,75 1,31±0,04*а -44,9 1,69±0,04*а -28,9 1,50±0,04*а -36,97

Суперфосфат 7,5 1,06±0,08*а -55,4 1,51±0,04*а -36,5 1,09±0,06*а -54,2

Катионит 1,5 2,51 ±0,06 5,4 2,15±0,06*а -9,66 1,70±0,06*а -28,57

Катионит 3,0 1,21±0,04*а -49,1 1,94±0,06*а -18,48 1,48±0,04*а -37,81

Птичий помет 15 2,05±0,06*а -13,8 1,52±0,06*а -36,13 1,39±0,04*а -41,6

Птичий помет 30 1,44±0,06*а -39,4 1,49±0,04*а -37,4 1,39±0,04*а -41,6

Примечания:

* значения достоверны при Р<0,01; ** значения достоверны при Р<0,05 (в качестве контроля выступает металл);

а значения достоверны при Р<0,01;аа значения достоверны при Р<0,05 (в качестве контроля выступает фон).

РЬ  Си 1С(1

Рис. 1. Изменение каталазной активности под влиянием тяжелых металлов и их детоксикантов

В результате оценки экспериментальных данных по влиянию тяжелых металлов на уреазную активность (табл. 2) установлены достоверно высокие значения (Р<0,01) данного фермента на почвах загрязненных кадмием и свинцом. Превышение фонового значения (0,96 мг аммиака /100 г.) составляет более 57 и 23 % соответственно, что свидетельствует о высокой токсичности указанных металлов.

Внесение детоксикантов привело к неоднозначному их влиянию на уреазную активность почв. Так, под действием гумата натрия и птичьего помета в двойной концентрации происходит достоверное (Р<0,01) увеличение уреазы, поскольку они способствуют повышению содержания гумуса в почве. Минимальная ак-

тивность фермента отмечена в вариантах с минеральным удобрением, причем с увеличением концентрации суперфосфата в почве происходит значимое (Р<0,01) снижение этого показателя.

Таблица 2

Влияние тяжелых металлов и их детоксикантов на уреазную активность почв,

мг аммиака /100 г в сутки

Вариант Доза внесения детоксикантов, г/кг почвы Варианты загрязнения почвы

РЬ Отличие от фона, % Си Отличие от фона, % Сс1 Отличие от фона, %

Без детоксиканта - 1,18±0,04а 22,9 0,99±0,05 3,1 1,52±0,04а 58,3

Гумат натрия 0,15 1,02±0,04 6,2 0,96±0,04 0 1,1 ±0,04* 47,9

Гумат натрия 0,3 1,24±0,06а 29,2 1,30±0,04*а 35,4 1,42±0,04а 47,9

Суперфосфат 3,75 1,09±0,04 13,5 0,92±0,04 -4,1 1,08±0,04* 12,5

Суперфосфат 7,5 0,88±0,04* -8,3 0,81 ±0,04*аа -15,6 0,81 ±0,05*аа 15,6

Катионит 1,5 1,04±0,06 8,3 1,30±0,04*а 35,4 1,16±0,02* 20,8

Катионит 3,0 0,94±0,06* -2,0 1,10±0,04 14,5 0,90±0,04* -6,25

Птичий помет 15 1,28±0,04а 33,3 1,12±0,04 16,6 1,38±0,04а 43,7

Птичий помет 30 1,41±0,04*а 46,8 1,58±0,04*а 64,5 1,88±0,04*а 95,8

Примечания см. табл. 1.

Оценка отличий значений изменения уреазной активности под влиянием тяжелых металлов и их детоксикантов от соответствующего показателя на загрязненной почве (рис. 2) свидетельствует о положительном влиянии детоксикантов на содержание фермента в почве. Наибольший эффект отмечен на почвах, токсичных медью.

РЬ «Си ШСЛ

^ «Г # ^

СД

/ & / , ч ^

/

Л*

Рис. 2. Изменение уреазной активности под влиянием тяжелых металлов и их детоксикантов

Активность инвертазы на фоне составляет 10,18 мг глюкозы / г почвы. Установлено, что под влиянием токсикантов происходит достоверное (Р<0,01) снижение фермента (табл. 3). Так, на почвах, загрязненных свинцом, угнетается инвертазная активность более чем на 30 %, кадмием - 44 %, медью - 47 % соответственно.

При использовании детоксицирующих препаратов происходит закономерное значимое (Р<0,01) увеличение инвертазной активности с повышением концентрации мелиорантов почве.

Наибольший эффект от применения детоксикантов отмечен в варианте с гуматом натрия в концентрации 0,3 г/кг почвы и птичьего помета - 30 г/кг на почвах, загрязненных свинцом и медью (рис. 3).

Таблица 3

Влияние тяжелых металлов и их детоксикантов на инвертазную активность почв,

мг глюкозы / 100 г почвы в сутки

Вариант Доза внесения детоксикантов, г/кг почвы Вариант заг эязнения почвы

РЬ Отличие от фона, % Си Отличие от фона, % Сс1 Отличие от фона, %

Без детоксиканта - 7,32±0,08а -28,0 5,46±0,05а -46,4 5,67±0,05а -44,3

Гумат натрия 0,15 8,18±0,04*а -20,4 7,11±0,04*а -30,1 8,57±0,06*а -15,8

Гумат натрия 0,3 10,47±0,05*а 2,8 10,74±0,06*а 5,5 9,58±0,04*а -5,89

Суперфосфат 3,75 7,18±0,04**а -29,4 6,11 ±0,04*а -39,9 7,12±0,04*а -30,0

Суперфосфат 7,5 7,78±0,04*а -23,5 7,38±0,04*а -27,5 8,11±0,04*а -20,3

Катионит 1,5 7,94±0,06*а -22,0 6,38±0,04*а -66,0 7,48±0,04*а -26,5

Катионит 3,0 9,60±0,03*а -5,7 7,31 ±0,04*а -28,0 8,14±0,05*а -20,0

Птичий помет 15 9,11±0,04*а -10,5 8,11±0,04*а -20,3 7,36±0,05*а -27,7

Птичий помет 30 10,39±0,04* 2,0 10,28±0,04* 0,9 8,29±0,04*а -18,5

Примечания см. табл. 1.

Рис. 3. Изменение инвертазной активности под влиянием тяжелых металлов и их детоксикантов

Таким образом, изменение уровня ферментативной активности может служить показателем антропогенного воздействия на почву. Проведенное исследование демонстрирует различное влияние тяжелых металлов и их инактиваторов на содержание ферментов в почве. Так, под действием свинца активность ката-лазы и уреазы увеличивается, что является свидетельством ее наибольшей чувствительности к исследуемой концентрации токсиканта.

Под действием кадмия происходит наибольшее увеличение уреазной и снижение инвертазной активности, что говорит об избирательном действии токсиканта.

Применение детоксикантов способствует снижению негативного действия токсикантов на исследуемые показатели ферментативной активности почвы. Наибольший положительный эффект отмечен при использовании мелиорантов органического происхождения.

Литература

1. Григорян К.В. Влияние загрязненных оросительных вод на биологическую активность почвы. - Минск, 1997. - 259 с.

2. Евдокимова, Г.А., Кислых, Е.Е., Мозгова, Н.П. Биологическая активность почв в условиях аэротехно-генного загрязнения на Крайнем Севере. - Л.: Наука, 1984. - 120 с.

3. Тяжелые металлы как фактор антропогенного воздействия на почвенную микробиоту / С.В. Левин [и др.] // Микроорганизмы и охрана почв. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - С. 5-46.

4. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: Изд-во МГУ, 1991. -

304 с.

5. Химическое загрязнение почв и их охрана: слов.-справ. / Д.С. Орлов [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1991. - 303с.

6. Почва. Город. Экология / под ред. Г.В. Добровольского. - М., 1997. - 320 с.

7. Скворцова И.Н., Ли С.К., Ворожейкина И.П. Зависимость некоторых показателей биологической активности почв от уровня концентрации тяжелых металлов // Тяжелые металлы в окружающей среде. -М., 1980. - 121 с.

8. Стефурак В.П. Влияние техногенного загрязнения на численность и состав микробных сообществ почв. - Киев, 1982. - 230 с.

9. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. - М.: Наука, 1990. - 189 с.

10. Manual for the integrated monitoring. Programme Phase 1993-1996. // Environment Data Center. - Helsinki,

1993.

----------♦'-----------