Исследование эффективности применения природных мелиорантов в загрязненной фторидом натрия почве посредством анализа активности почвенных ферментов

Сельскохозяйственные науки Agriculture

УДК 631.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ МЕЛИОРАНТОВ В ЗАГРЯЗНЕННОЙ ФТОРИДОМ НАТРИЯ ПОЧВЕ ПОСРЕДСТВОМ АНАЛИЗА АКТИВНОСТИ ПОЧВЕННЫХ ФЕРМЕНТОВ

О. А. Берсенева

Иркутский государственный университет, г. Иркутск

RESEARCH OF APPLICATION EFFICIENCY OF NATURAL AMELIORATORS, IN THE SOIL CONTAMINATED WITH SODIUM FLUORIDE, BY ANALYZING THE ACTIVITY OF SOIL ENZYMES

O. A. Berseneva

Irkutsk State University, Irkutsk

Изучена возможность ремедиации загрязненных фторидом натрия почв с помощью природных сорбентов-мелиорантов. Описан модельный эксперимент для оценки эффективности применения мелиорантов в загрязненной фторидом натрия почве посредством анализа активности окислительно-восстановительных и гидролитических почвенных ферментов. Показано, что внесение сорбентов (гипса и угля активированного) в загрязненные фторидом натрия почвы активизирует их ферментативную активность, что свидетельствует о возможности их применения для восстановления загрязненных фторидами почв.

Ключевые слова: почва, ремедиация, сорбенты, уголь, гипс, ферменты, ферментативная активность

The paper studies the possibility of remediation of soils contaminated with sodium fluoride, using natural sorbents-ameliorators. The study describes a model experiment for evaluating application efficiency of ameliorators in the soil contaminated with sodium fluoride, by analyzing the activity of redox and hydrolytic enzymes of soil. The study showed that the addition of sorbents (gypsum and activated carbon) in the soil contaminated with sodium fluoride, activated its enzymatic activity, which indicated the possibility of their application for the restoration of soils contaminated with fluoride.

Keywords: soil, remediation, sorbents, carbon, gypsum, enzymes, enzyme activity

Одной из глобальных проблем современности является загрязнение окружающей среды выбросами химических производств. Особое место среди промышленных поллютантов занимают соединения фтора. В списке вредных веществ фтор относится к I классу опасности в почве и ко II в воде, поскольку является токсичным химическим элементом, активно образующим многочисленные соединения, большая часть из которых опасна для здоровья людей [6, с. 25; 12, с. 24].

На территориях, загрязненных фторидами, наблюдается изменение физико-химического состава почв, что приводит к снижению плодородия почв и выведению их из сельскохозяйственного оборота [2, с. 20; 4, с. 190; 8, с. 200].

В научной литературе имеются сведения об использовании биоиндикационных методов, основанных на учете численности и видового состава микробиоты в загрязненных промышленными поллютантами почвах [2, с. 23; 3, с. 1479]. Реже

© Берсенева О. А., 2016

Вестник Марийского государственного университета. 2016. Т. 2. № 3

применяются методы, основанные на определении ферментативной активности почв, которые также могут дать объективную оценку степени техногенного загрязнения почв.

Снижение концентрации поллютантов до безопасного с эколого-гигиенической точки зрения уровня содержания проводят путем ремедиации загрязненных агроценозов, что положительно сказывается на физико-химическом составе почвы, населяющих ее организмов и в конечном этапе на здоровье человека [1, с. 23; 5, с. 83; 10, с. 5; 11, с. 67; 12, с. 23].

Одними из относительно новых способов ре-медиации почв, загрязненных фторидами, может являться применение гипса и угля активированного [7, с. 63; 11, с. 100].

Активированный уголь представляет собой пористое вещество, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения: древесный уголь, каменноугольный кокс, нефтяной кокс и др. Один грамм активированного угля в зависимости от технологии изготовления имеет удельную поверхность от 500 до 1500 м2. Основным преимуществом угля активированного перед органическими искусственно созданными очистителями окружающей среды являются его физико-химические свойства: большое количество пор, большая удельная поверхность на единицу массы и высокая адсорбционная способность [7, с. 64; 11, с. 67].

Гипс по своему химическому составу представляет собой (СаSО4 • 2Н2О) с содержанием 32,58 % СаО, 46,5 % SОз и 20,93 % Н2О. Кристаллическая структура гипса способна удерживать практически весь спектр опасных веществ (в том числе и фториды). Известно, что гипсование почв -применяемое в сельскохозяйственных целях внесение в почву гипса - позволяет удалить из почвы избыток обменного натрия, отрицательно влияющего на физические свойства почвы. В результате гипсования натрий, растворенный в почве, замещается кальцием. В результате улучшаются физико-химические и биологические свойства почвы, что благоприятно сказывается на ее плодородии [7, с. 62; 11, с. 62].

Еще одним несомненным плюсом использования активированного угля и гипса в качестве адсорбирующих средств является их относительная дешевизна.

Целью настоящих исследований являлось определение эффективности применения природных мелиорантов (гипса и угля активированного) в качестве возможных ремедиантов почв, загрязненных фторидом натрия, посредством анализа

активности окислительно-восстановительных и гидролитических почвенных ферментов.

Материалы и методы

Для проведения эксперимента были взяты образцы серых лесных почв с разной концентрации фторидов с территории полевой лаборатории СИФИБР СО РАН.

Для проведения полевых деляночных опытов сотрудники лаборатории агроэкологии СИФИБР СО РАН вывозили пахотный слой почвы с заброшенных сельскохозяйственных угодий, находящихся в 0,5 км от ИркАЗ, на стационар, где на экспериментальном участке устанавливали каркасы, ограничивающие площадь делянки 1 м2. Работу выполняли осенью, чтобы к началу вегетационного сезона сформировалась одинаковая влажность почв. NaF добавляли в экспериментальные почвы из расчета 500 мг фторида на 1 кг почвы, соответственно 1000 мг на 1 кг и т. д.

Условным контролем служила почва делянки № 301, т. к. внесение NaF в нее не осуществляли, а естественное содержание фторидов в ней составляло 56 мг/кг. Такая постановка эксперимента позволяет избегать неконтролируемого промышленного загрязнения почв фторидами. В качестве ремедиантов использовали уголь активированный (2 кг/0,25 м2) и гипс в виде сульфата кальция (1000 мг/кг и 3000 мг/кг), поскольку, как известно из литературных данных, данные соединения могут быть использованы в качестве сорбентов почвы, инактивируют токсическое действие соединений фтора, тем самым улучшая их физико-химические свойства.

В июне 2011 года с помощью почвенного бура нами было отобрано 9 образцов исследуемых почв из верхнего слоя толщиной 0-10 см с определенной концентрацией NaF (табл. 1).

Таблица 1

Образцы опытных почв, загрязненные различными концентрациями NaF, мг/кг

№ образца Концентрация ^Р, мг/кг

301 Контроль

305 Контроль + NaF500

303 Контроль + NaF1000

32 Контроль + NaF1000 + уголь

33 Контроль + NaF1000 + уголь+ гипс

309 Контроль + NaF 1500

307 Контроль + NaF 2000

35 Контроль + NaF3000

38 Контроль + NaF3000 + уголь+ гипс

Серия «Сельскохозяйственные науки. Экономические науки»

Эффективность применения мелиорантов в загрязненных фторидом натрия почвах, оценивалась посредством анализа активности почвенных ферментов. В ходе экспериментальной работы была исследована каталитическая активность окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов. Активность каталазы определяли методом Джонсона, пероксидазы методом К. А. Козлова. Активность амилазы определяли по методу Т. А. Щербаковой, целлюлазы - методом Конга, Баландрю и Домерга [9, с. 123].

Все опыты проводили в трех повторностях. Для полученных данных рассчитывалось стандартное отклонение с помощью пакета прикладных программ «Microsoft Excel 2007». Результаты и обсуждение Результаты проведенных исследований каталитической активности ферментов в опытных серых лесных почвах, загрязненных различными концентрациями фторидов и контроле представлены в таблице 2.

Таблица 2

Ферментативная активность серых лесных почв, загрязненных различными концентрациями NaF, мг/кг

№ делянки Варианты опыта ^Р, мг/кг Количество определяемого фермента, мг/г почвы

оксидоредук-тазы гидролазы

ката-лаза перок-сидаза амилаза целлю-лаза

301 Контроль 2,8± 0,12 2,5± 0,16 1,85± 0,9 0,025± 0,001

305 Контроль +NaF500 2,2± 0,31 1,9± 0,25 1,3± 0,24 0,011± 0,084

303 Контроль +NaF1000 1,8± 0,18 1,83± 0,11 1,1± 0,31 0,005± 0,065

32 Контроль + NaF1000 + уголь 2,4± 0,1 2,0± 0,2 1,3± 0,5 0,006± 0,002

33 Контроль+NaF 1000+ уголь + гипс 2,7± 0,1 2,4± 0,26 1,7± 0,29 0,012± 0,0021

309 Контроль + NaF 1500 1,5± 0,25 1,3± 0,34 1± 0,2 0,004± 0,009

307 Контроль + NaF2000 1,4± 0,3 1,2± 0,28 0,8± 0,4 0,002± 0,0045

35 Контроль + NaF3000 0,5± 0,12 0,7± 0,1 0,5± 0,165 0,001± 0,001

38 Контроль + NaF3000+ уголь + гипс 1,2± 0,5 1,2± 0,63 1,32± 0,9 0,002± 0,006

Из данных, представленных в таблице 2, видно, что концентрация исследуемых ферментов максимальна в почвах с естественным содержанием фторидов, а с повышением концентрации

фторида натрия каталитическая активность всех анализируемых ферментов резко уменьшается. Так, активность окислительно-восстановительных ферментов (каталазы и пероксидазы) при внесении NaF в концентрации 500 мг/кг почвы снижается на 21 % и 24 %, а гидролитических - амилазы и целлюлазы - на 28 % и 40 % соответственно. Концентрация NaF 1000 мг/кг также способствует снижению активности каталазы, пероксида-зы, амилазы в 1,3-1,5 раза; активность целлюла-зы уменьшается в 5 раз.

При внесении угля (2 кг/0,25 м2) в качестве сорбента в опытный образец почвы № 32, активность ферментов повышается: каталазы - 1,3 раза, пероксидазы - 1,1 раза, амилазы - 1,2 раза, целлюлазы - 1,2 раза, что, вероятно, обусловлено высокой адсорбционной способностью угля за счет внедрения в его поры фторида натрия и образования с ним устойчивой ковалентной связи.

Совместное внесение угля и гипса в почву, загрязненную фторидом натрия, в концентрации 1000 мг/кг (NaFl000 + уголь + гипс) также способствовало увеличению ферментативной активности всех исследуемых ферментов в 1,3-2 раза, по сравнению с образцами почв без внесения ремедиантов.

Внесение фторида натрия в расчете 1500 мг/кг и 2000 мг/кг приводит к снижению активности всех исследуемых почвенных ферментов. Каталитическая активность каталазы снижается на 46 % и 50 %, амилазы - на 45 % и 52 %, пероксидазы -на 48 % и 55 %, целлюлазы - на 60 % и 92 % соответственно.

При добавлении фторида натрия в концентрации 3000 мг/кг ферментативная активность ката-лазы, пероксидазы, амилазы и целлюлазы подавляется соответственно в 5,6; 3,6; 3,7; 25 раз.

Внесение угля активированного и гипса в образец почвы 38 (NaF3000+уголь+гипс) благоприятно сказывалось на каталитической активности ферментов. Так, активность каталазы повысилась на 39 %, пероксидазы на 34 %, амилазы на 31 %, целлюлазы на 50 %, по сравнению с образцом почвы без ремедиантов, что, возможно, обусловлено снижением токсического действия фторид ионов за счет очистки загрязненных почв с помощью двойного адсорбционного действия гипса и угля.

Заключение

Резюмируя полученные данные по влиянию фторида натрия и ремедиантов (активированный уголь и гипс) на ферменты почв, можно сделать следующие выводы:

1. Высокие концентрации фторида натрия (от 500 до 3000 мг/кг) вызывают достоверное снижение

Вестник Марийского государственного университета. 2016. Т. 2. № 3

каталитической активности всех исследуемых ферментов. Активность каталазы при концентрациях NaF - 500 мг/кг и 3000 мг/кг снижается от 21 % до 72 %, пероксидазы - от 24 % до 72 %, амилазы - от 30 до 72 %, целлюлазы - от 56 до 96 % соответсвенно.

2. По степени устойчивости к фториду натрия исследуемые ферменты можно расположить в следующий убывающий ряд: каталаза > пероксида-за > амилаза > целлюлаза.

3. Наибольшую чувствительность к фторид ионам проявляет фермент целлюлаза. При максимальной концентрации фторида натрия 3000 мг/кг

ферментативная активность целлюлазы снижается в 25 раз, по сравнению с контролем. Показатель каталитической активности данного фермента может быть применен в качестве одного из способов биоиндикации почв, подверженных техногенному загрязнению фторидами.

4. Добавление гипса и угля активированного в анализируемые образцы почвы положительно сказывается на динамике ферментативной активности, что экспериментально подтверждает возможность использования данных соединений в качестве ремедиантов при очистке почв от фторид ионов.

Литература

1. Берсенева О. А., Саловарова В. П. О воздействии фторида натрия на почвенные ферменты и эффективных путях снижения загрязнения почв фтором // Международный сборник научных трудов, посвященный году Германии в России. Естественные и гуманитарные науки - устойчивому развитию общества. М.: Изд-во Альтекс, 2012. С. 19-23.

2. Берсенева О. А. Характеристика прокариотного сообщества, выделенного из серых лесных почв, находящихся на территориях сопредельных с ОАО «ИркАЗ-РУСАЛ» // Вестник Марийского государственного университета. Серия «Сельскохозяйственные науки. Экономические науки». 2015. № 4 (4). С. 19-25.

3. Гришко В. Н. Влияние загрязнения почв фтором на структуру микробного ценоза // Почвоведение. 2006. № 12. С. 1478-1484.

4. Канарбаева Г. А. Галогены в почвах юга Западной Сибири. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. 200 с.

5. Крупкин П. И. Пути рационального использования почв, загрязненных фтором // Агрохимия. 2005. № 3. С. 79-87.

6. Оценка воздействия фтора на население Иркутской области / Н. В. Ефимова [и др.] // Медицина труда и промышленная экология. 2009. № 1. С. 23-26.

7. Потрошков В. А., Боев С. М. Сорбционные свойства гипса: научное издание // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1987. № 2. С. 62-64.

8. Устойчивость агроэкосистем к техногенному загрязнению фторидами / Л. В. Помазкина [и др.]. Иркутск: Институт географии СО РАН, 2004. 225 с.

9. Хазиев Ф. Х. Методы почвенной энзимологии. Ин-т биологии Уфим. НЦ. М.: Наука, 2005. 252 с.

10. Химизация сельского хозяйства. Научно-технический словарь-справочник / под ред.: Л. Л. Балашева и С. И. Вольф-ковича. 2-е изд. М., 1968. С. 5-6.

11. Янин Е. П. Ремедиация территорий, загрязненных химическими элементами: общие подходы, правовые аспекты, основные способы (зарубежный опыт) // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 2014. № 3. С. 3-105.

12. Kervern G. The alluminium industry and the environment. Ind. Environ, 2002. V. 5. № 3. P. 23-25.

References

1. Berseneva O. A., Salovarova V. P. O vozdejstvii ftorida natrija na pochvennye fermenty i jeffektivnyh putjah snizhenija zagrjaznenija pochv ftorom. Mezhdunarodnyj sbornik nauchnyh trudov, posvjashhennyj godu Germanii v Rossii. Estestvennye i gumanitarnye nauki - ustojchivomu razvitiju obshhestva. M.: Izd-vo Al'teks, 2012, pp. 19-23.

2. Berseneva O. A. Harakteristika prokariotnogo soobshhestva, vydelennogo iz seryh lesnyh pochv, nahodjashhihsja na territorijah sopredel'nyh s OAO «IrkAZ-RUSAL». Vestnik Marijskogo gosudarstvennogo universiteta. Serija «Sel'skohozjajstvennye nauki. Jekonomicheskie nauki». 2015, no. 4 (4), pp. 19-25.

3. Grishko V. N. Vlijanie zagrjaznenija pochv ftorom na strukturu mikrobnogo cenoza. Pochvovedenie. 2006, no. 12, pp. 1478-1484.

4. Kanarbaeva G. A. Galogeny v pochvah juga Zapadnoj Sibiri. Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2004. 200 s.

5. Krupkin P. I. Puti racional'nogo ispol'zovanija pochv, zagrjaznennyh ftorom. Agrohimija. 2005, no. 3, pp. 79-87.

6. Ocenka vozdejstvija ftora na naselenie Irkutskoj oblasti / N. V. Efimova [i dr.]. Medicina truda ipromyshlennaja jekologija. 2009, no. 1, pp. 23-26.

7. Potroshkov V. A., Boev S. M. Sorbcionnye svojstva gipsa: nauchnoe izdanie. Izvestija vuzov. Stroitel'stvo i arhitektura. 1987, no. 2, pp. 62-64.

8. Ustojchivost' agrojekosistem k tehnogennomu zagrjazneniju ftoridami, L. V. Pomazkina [i dr.]. Irkutsk: Institut geografii SO RAN, 2004, 225 p.

9. Haziev F. H. Metody pochvennoj jenzimologii. In-t biologii Ufim. NC. M.: Nauka, 2005, 252 p.

Серия «Сельскохозяйственные науки. Экономические науки»

10. Himizacija sel'skogo hozjajstva. Nauchno-tehnicheskij slovar'-spravochnik, pod red.: L. L. Balasheva i S. I. Vol'fkovicha. 2-e izd., M., 1968, pp. 5-6.

11. Janin E. P. Remediacija territorij, zagrjaznennyh himicheskimi jelementami: obshhie podhody, pravovye aspekty, osnovnye sposoby (zarubezhnyj opyt). Problemy okruzhajushhej sredy iprirodnyh resursov. 2014, no. 3, pp. 3-105.

12. Kervern G. The alluminium industry and the environment. Ind. Environ, 2002, v. 5, no. 3, pp. 23-25.

Статья поступила в редакцию 14.05.2016 г.

Submitted 14.05.2016.

Для цитирования: Берсенева О. А. Исследование эффективности применения природных мелиорантов, в загрязненной фторидом натрия почве, посредством анализа активности почвенных ферментов // Вестник Марийского государственного университета. Серия «Сельскохозяйственные науки. Экономические науки». 2016. № 3 (7). С. 5-9.

Citation for an article: Berseneva O. А. Research of application efficiency of natural ameliorators, in the soil contaminated with sodium fluoride, By analyzing the activity of soil enzymes. Vestnik of the Mari State University. Chapter "Agriculture. Economics ". 2016, no. 3 (7), pp. 5-9.

Берсенева Оксана Андреевна,

кандидат биологических наук, Иркутский государственный университет, г. Иркутск, berseneva-oksana@rambler.ru

Berseneva Oksana Andreevna,

Candidate of Biological Sciences, Irkutsk State University, Irkutsk, berseneva-oksana@rambler. ru