Ферментативная активность почв и почвогрунтов при хроническом воздействии экотоксикантов различной природы в условиях Центральной и Южной Якутии

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2012, №1

УДК 631.453

Ферментативная активность почв и почвогрунтов при хроническом воздействии экотоксикантов различной природы в условиях Центральной и Южной Якутии

М.М. Шашурин

Исследованы изменения ферментативной активности почв и почвогрунтов (на примере гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов) при хроническом воздействии экотоксикантов различной природы (повышенный естественный радиационный фон, цементное за-пыление, нефтяное загрязнение) в условиях Центральной и Южной Якутии. Показано, что активность почвенных ферментов может меняться как специфично, так и не специфично в зависимости от природы и концентрации (дозы) экотоксикантов, которые могут выступать по отношению к почвенным энзимам как ингибиторы, так и активаторы.

Ключевые слова: почва, ферментативная активность, хроническое загрязнение, экотоксиканты.

The changes in enzymatic activity of soils and grounds (hydrolytic and redox enzymes) in conditions of chronic exposure to ecotoxicants of different nature (high natural background radiation, cement dust, oil pollution) in Central and Southern Yakutia are investigated. It is shown that the activity of soil enzymes can change specifically and non-specifically depending on nature and concentration (dose) of the ecotoxicants which may act regarding soil enzymes as inhibitors or activators.

Key words: soil, enzymatic activity, chronic pollution, ecotoxicants.

Известно, что работа любого производства сопровождается значительным нарушением естественного почвенного покрова. В связи с этим в настоящее время уделяется большое внимание изучению процессов эволюции и восстановления техногенно-нарушенных почв. Загрязнение окружающей среды в результате техногенной деятельности человека (повышенный естественный радиационный фон, выбросы цементной пыли, нефтяное загрязнение) ухудшает экологическую обстановку на достаточно обширных территориях России. Нарушение естественных почв приводит к снижению их микробиологической и ферментативной активности. В дальнейшем по мере восстановления почв формируются новые биогеоценозы со свойственным им более высоким уровнем биологического потенциала. При этом ферментативная активность служит информативным интегральным показателем степени нарушенности и эволюционной зрелости техногенных почв [1-3].

Одной из актуальных проблем, стоящих перед регионами Арктического бассейна, включая Республику Саха (Якутия), является проблема сохранения устойчивости экосистем в условиях интенсификации внешних и внутренних, природных и антропогенных воздействий на них. Северные экосистемы обладают пониженной устойчивостью,

ШАШУРИН Михаил Михайлович - к.б.н., н.с. ИБПК СО РАН, inwertaza@mail.ru.

«причем, при достижении ими некоего критического состояния пренебрежимо малое дополнительное возмущающее воздействие способно вывести экосистемы из состояния равновесия, и никакие глобальные усилия уже не смогут повернуть их эволюцию в контролируемую область» [4]. Вместе с тем изучению процессов почвообразования, с которыми теснейшим образом связаны преобразование ферментного потенциала почв и развитие растительного покрова (особенно в условиях криолитозоны), уделяется недостаточно внимания.

Цель работы: исследование особенностей изменения ферментативной активности почв и поч-вогрунтов, на примере гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов, при хроническом воздействии экотоксикантов различной природы (цементное запыление, нефтяное загрязнение, повышенный естественный радиационный фон) в условиях Центральной и Южной Якутии.

Почва - это живая система. Она является местом обитания многих организмов, которые в процессе своей жизнедеятельности выделяют во внешнюю среду множество различных ферментов. Ферменты в почве выполняют важную роль. Они осуществляют функциональные связи между компонентами экосистемы. Под действием ферментов органические вещества почвы и остатки биоты распадаются до различных промежуточных и конечных продуктов минерализации. При

ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ ИПОЧВОГРУНГОВПРИХРОНИЧЕСКОМВОЗДЕЙСГВИИЭКОТОКСИКАНЮВ

этом для микроорганизмов и растений образуются доступные питательные вещества, а так же легко усвояемые энергоносители. Согласно теории индуцированного синтеза ферментов, микроорганизмы и растения в ответ на присутствие в среде специфического субстрата или метаболита вырабатывают соответствующие ферменты. Между интенсивностью гумификации и активностью ферментов существует прямая зависимость. С действием ферментов связаны начальное превращение органических остатков, трансформация их в гумус и дальнейшее превращение гумусовых веществ. Эти биохимические процессы контролируют эволюцию почвы и поддерживают ее в состоянии гомеостаза [5].

В каждом типе почвы накапливается определенная совокупность ферментов, качественный и количественный состав которых характерен для него. Однако интенсивность ферментативных процессов зависит от конкретных условий: наличия и концентрации субстрата, температуры, влажности рШ и др. Ферментативная активность - один из показателей потенциальной активности почв, характеризующий потенциальную способность системы сохранять гомеостаз [6]. Уровень ферментативной активности почв определяется активностью различных ферментов (инвертазы, протеаз, уреазы, дегидрогеназ, каталазы, фосфатаз), выражаемой количеством разложенного субстрата в единицу времени на 1 г почвы. Источниками ферментов служат населяющие почву живые макро-и микроорганизмы и растения. При участии ферментов осуществляется разложение и синтез органических веществ почвы. Активность ферментов отражает генетические особенности почв. Ее можно рассматривать как дополнительный диагностический показатель, характеризующий различные почвенные типы. Ферменты связаны с наиболее важными биохимическими процессами почвы: корневым питанием растений, плодородием почвы, превращением гумусовых веществ и окислительно-восстановительным режимом почвы [7]. Важнейшими ферментами, от которых зависит образование гумуса, являются полифенолоксидаза и пероксидаза, которые участвуют в процессах синтеза и деструкции гумуса. В процессе формирования гумуса происходит конденсация структурных единиц с участием микробных ферментов полифенолоксидаз [8].

Материал и методы

Уровень естественного радиационного фона в местах отбора почвенных проб (от 20 до 1000 мкР/ч) определяли радиометром-дозиметром МКС-14ЭЦ на территории Алданского уранового месторождения. Для определения запыления по

снежному покрову в зоне воздействия цементного завода использовали методику, описанную в работе [9]. Нефтяное загрязнение супесчаной почвы моделировали в вегетационных сосудах, внося в неё водно-нефтяную эмульсию для достижения концентрации нефти в почве в интервале от 0 до 12,04 г/кг.

Для определения активности почвенных ферментов проводили отбор проб до глубины 20 см. Почвенные образцы высушивали до воздушно-сухого состояния и просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм. В образцах определяли активность гидролитических ферментов - уреазы и инвертазы и оксидоредуктаз - каталазы и поли-фенолоксидазы. Инвертаза - фермент, гидроли-зующий сахарозу на глюкозу и фруктозу, разрывая связь, находящуюся у р-глюкозидного углеродного атома остатка фруктозы в молекуле сахарозы. Уреаза - высокоспецифичный гидролитический фермент, катализирующий расщепление мочевины до доступного растениям аммиака. Каталаза является одним из ключевых ферментов при защите организмов от токсичной перекиси водорода, образующейся в метаболических процессах или, например, при радиолизе воды. Полифенолокси-даза - фермент, который участвует в превращении органических соединений ароматического ряда в компоненты гумуса. Она катализирует окисление фенолов (моно-, ди-, три- ) до хинонов в присутствии кислорода воздуха. Хиноны в соответствующих условиях при конденсации с аминокислотами и пептидами образуют первичные молекулы гуминовой кислоты [10]. Преимуществом использования этих показателей является не только возможность быстрого определения изменений в экосистемах на очень ранних стадиях, но и возможность прогнозирования степени и направленности изменений, происходящих в них.

Уреазная активность почвы определялась колориметрическим методом [5], инвертазная и полифенолоксидазная - колориметрическим [11], каталазная - газометрическим методом [7].

Анализ и оценка достоверности результатов проводились по [12].

Результаты и обсуждение

Исследования по выявлению влияния повышенного естественного радиационного фона на ферментативную активность почв проводили на тех-ногенно нарушенных участках (отвалах) уранового месторождения Эльконского горста, характеризующихся разными мощностями экспозиционных доз (МЭД) у-фона.

Растительность этого района исследования представлена редкими зарослями ольховника кустарникового ^ш^екла fruticosa ^ирг) Ро^аг],

сосны стланиковой ^тш pumila), единичными лиственницами Гмелина (Larix gmelinii) и березой шерстистой (Betula lanata), встречаются брусника (Vaccinium vitis-idaea L.), голубика (Vaccinium uliginosum L.), мхи (Bryophyta) и лишайники (Lichenes). Травянистая растительность на отвалах развита слабо, в основном редкими злаковыми (Poбceae). На территориях, прилегающих к отвалам, и на самих отвалах почвогрунты щебнисто-каменистые, с толщиной гумусного слоя до 3 см, местами - до 10 см. Материнская порода начинается после десятисантиметрового слоя. Ненарушенные почвы (контроль - МЭД 20 мкР/ч) в окрестностях отвалов представлены таежными подбурами без дифференциации на горизонты, с толщиной гумусосодержащего слоя не более 20 см, под которым находится материнская порода.

На рис.1 показаны активности четырех почвенных ферментов в слое 0-10 см при различных ин-тенсивностях хронического у-фона, в диапазоне МЭД от 20 до 1200 мкР/ч. Установлено, что повышение мощности экспозиционной дозы у-излу-чения понижало на 76-90% уровень активности почвенной инвертазы (рис.1, А). Активность остальных трех почвенных ферментов, относительно увеличения МЭД, изменялась нелинейно. Можно отметить, что минимальные уреазная, каталазная и полифенолоксидазная активности почв были зафиксированы при МЭД около 340 мкР/ч, тогда как активности этих почвенных ферментов статисти-

чески достоверно увеличились при МЭД около 750 мкР/ч относительно контроля (рис.1, Б-Г).

Таким образом, показано, что увеличение мощности экспозиционной дозы природного естественного радиационного у-фона в районе уранового месторождения изменяет уровень ферментативной активности исследованных почвогрунтов. Это касается как гидролитических, так и окислительно-восстановительных изученных нами ферментов: инвертазы, уреазы, каталазы и полифенолок-сидазы. Установлено, что самым чувствительным к повышенному естественному радиационному фону почвенным ферментом является инвер-таза. Каталаза, уреаза и полифенолоксидаза в зависимости от мощности дозы излучения изменяются нелинейно. Эти почвенные ферменты активируются при МЭД 750 мкР/ч, а их значительная инактивация происходит при мощности у-фона 340 мкР/ч.

Для выявления влияния цементного запыления на ферментативную активность почв отбор проб проводили на различном расстоянии от Мохсо-голлохского цементного завода Республики Саха (Якутия). Контролем служили пробы почв, взятые на удалении 4 км от завода, с учетом «розы ветров».

В районе цементного завода были выделены три зоны с высоким уровнем запыления - 300, 800 и 1200 м от завода с запылением 2,1, 3,4 и 6,7 г/м2 пыли в сутки, соответственно. В точках отбора

Рис. 1. Активности четырех почвенных ферментов в слое 0-10 см при различных интенсивностях хронического у-фона. По оси абсцисс - МЭД, мкР/ч; по оси ординат - активности: А - инвертаза, мг /г ч; Б - уреаза, мгЫН4+/ г 24ч; В - каталаза,

7 г г 7 глюкоза почвы 7 ^г 7 почвы 7 7

млО„/ г

2 почвы

мин; Г - полифенолоксидаза, мг

/10г ч

бензохинон почвы

ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ ИПОЧВОГРУНГОВПРИХРОНИЧЕСКОМВаЗДЕЙСГВИИЭКОТОКСИКАНЮВ

проб основным типом почвы была палево-карбонатная среднесуглинистая. Ранее, если судить по оставшейся растительности, территория цементного завода была размещена в редколесье, состоящем из березы бородавчатой (Betula pendula), сосны (Pinus sylvestris) и ивняка (Salix taraikensis Kimura). Травянистая растительность - разнотравье, представленное ковылем (Stipa capillata L.), кострецом безостым (Bromopsis inermis), мятликом (Poapratensis L.), кровохлебкой (Sanguisorba officinalis L.). Подлесок преимущественно состоял из шиповника (Rosa acicularis Lindl), спиреи (Spiraea alba), поэтому мощность сформированного гумусосодержащего слоя была зафиксирована в пределах 15-20 см.

В таблице представлены данные активностей почвенных ферментов в зависимости от степени запыления в зоне цементного завода (п.Мохсогол-лох, Центральная Якутия). Активность почвенной инвертазы в контрольной точке от слоя 0-5 см до 5-10 см снижалась в 6,8 раза. В точках с запыле-нием 2,1,3,4 и 6,7 инвертазная активность ингиби-ровалась в 17,8; 12,7 и 22,3 раза.

Уреазная активность (0-5) изменялась нелинейно. Наименьшая ее активность была зафиксирована при запылении 3,4 (г/м2сут) - 4,3 (мг NH4+/ г 24 ч), а при более высоком уровне запыле-

почвы 0

ния (6,7 г/м2) она была меньше контрольного значения всего на 5,9%. Следует отметить, что при всех исследованных интенсивностях цементного запыления уреазная активность сохранялась достаточно высокой в верхнем слое почвы (0-5 см) и резко в 7,2-27,5 раза (таблица) снижалась в нижнем (5-10 см).

Активность почвенной каталазы при различных уровнях запыления в верхнем слое почвы (5 см) изменялась также нелинейно. В точке с запыле-нием 3,4 г/м2сут она была статистически достоверно неотличима от контрольного значения. В точках с запылением 2,1 и 6,7 г/м2сут активность каталазы снижалась в 1,6 и 5,6 раза. Причем изменения каталазной активности в почвенном слое 5-10 см в зависимости от уровня запыления синх-

* Стандартная ошибка < 1%. ** Стандартная ошибка < 10%.

ронно повторяли изменения этого параметра в верхнем слое почвы (таблица).

Полифенолоксидазная активность в зависимости от степени запыления практически не изменялась. Можно отметить только точки запыления 2,1 и 3,4 (г/м2сут), где активность полифенолоксида-зы в верхнем слое почвы (5 см) снизилась на 10%. В нижнем слое почвы активность этого фермента изменялась нелинейно и не зависела от степени поверхностного запыления (таблица).

Таким образом, установлено, что степень цементного запыления влияет на активность почвенных ферментов. Активность почвенной инверта-зы резко снизилась, незначительно повысилась активность полифенолоксидазы, а уреазная и ка-талазная активности немонотонно уменьшались при увеличении уровня запыления.

Разливы нефти и нефтепродуктов в последнее время становятся наиболее частыми причинами загрязнения окружающей среды. В условиях крио-литозоны биодеградация нефтезагрязнений в почвах идет очень медленно, вследствие этого на местах аварий требуется проведение работ по рекультивации и восстановлению почв [13]. Для эффективного контроля качества восстановительных работ необходима информация о допустимом уровне загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами, в связи с этим был поставлен лабораторный эксперимент по изучению влияния нефтяного загрязнения на ферментативную активность почв.

Проведен камеральный эксперимент по изучению способности дерново-луговой почвы, взятой в пойме р. Лена, к утилизации нефти. Верхний слой отобранной почвы (10 см) был высушен до воздушно-сухого состояния, измельчен и просеян через сито с диаметром пор 2 мм. Просеянной воздушно-сухой почвой заполняли пластмассовые контейнеры по 300 г и вносили в нее различные количества нефти от 0 до 12,04 г/кг (в виде водно-нефтяной эмульсии). На загрязненную почву высеяли семена (по 100 штук в каждый контейнер) полыни чернобыльник (Artemisia vulgaris L.). Эксперимент длился 60 дней, по окончании которого

Активности почвенных ферментов при различных уровнях цементного запыления п. Мохсоголлох

Запыление, г/м2-сут Глубина, см Активность

Инвертаза, мгглюк/гпочвы'ч Уреаза, мг NH4+/гПочвы '24 ч Каталаза, мл О2/ г почвы - мин Полифенолоксидаза, мгбензох /10г почвыч

0 0-5 8,9±0,09* 6,8±0,07* 11,8± 1,18** 1,6±0,02*

5-10 1,3±0,01 3,5±0,03 7,4±0,74 1,2±0,01

2,1 0-5 0,5±0,01 5,5±0,06 7,2±0,72 1,5±0,02

5-10 0,8±0,01 0,2±0,01 2,2±0,22 1,2±0,01

3,4 0-5 0,7±0,01 4,3±0,04 12,0±1,20 1,5±0,02

5-10 0,8±0,01 0,6±0,01 7,0±0,70 1,6±0,02

6,7 0-5 0,4±0,01 6,4±0,06 2,1±0,21 1,6±0,02

5-10 0,7±0,01 0,7±0,01 1,4±0,14 1,8±0,02

Рис. 2. Активности четырех почвенных ферментов при различных интенсивностях нефтяного загрязнения.

По оси абсцисс - содержание нефти в почве, г/кг; по оси ординат - активности: А - инвертаза, мг /г ч; Б - уреаза, мгЫН4+/

r т 77 r г 7 глюкоза почвы 7 J г 7

г 24ч; В - каталаза, млО„/ г мин; Г - полифенолоксидаза, мг_ /10г ч

почвы 2 почвы бензохинон почвы

определялась активность ряда почвенных энзимов: инвертазы, уреазы, каталазы, полифенолоксидазы.

На рис. 2 показана активность четырех почвенных ферментов (инвертазы, уреазы, каталазы, по-лифенилоксидазы) при различных интенсивнос-тях нефтяного загрязнения. Показано, что инвер-тазная активность почв увеличилась при внесении в нее от 0,6 до 3,1 г/кг нефти на 30-80% по отношению к ее активности в чистой почве. При дальнейшем повышении содержания нефти в почве активность инвертазы плавно снижается на 20% относительно контроля.

При увеличении содержания нефти в почве от 0,6 до 3,1 г/кг уреазная активность почв статистически достоверно не изменялась, снизилась она на 17-32% при концентрации нефти в почве от 4,1 до 12,1 г/кг. С увеличением концентрации нефтяного загрязнения от 0,6 до 12,1 г/кг каталазная активность почв нелинейно уменьшалась на 42,985,7% по отношению к контрольному значению.

Полифенолоксидазная активность равномерно уменьшалась с увеличением содержания нефти в почве, начиная с концентрации нефти 0,8 г/кг, на 12-44% относительно контроля

Таким образом, выявлено, что нефтяное загрязнение может активировать гидролитические почвенные ферменты (инвертаза, уреаза) при относительно малых и средних концентрациях, а высокие понижают их на 20-32%. Активность окисли-

тельно-восстановительных почвенных ферментов при любых концентрациях нефти в почве ниже контрольного значения на 42,9-85,7%.

Заключение

Проведенное исследование позволяет выявить особенности изменения ферментативной активности почв и почвогрунтов при хроническом воздействии экотоксикантов различной природы в условиях Центральной и Южной Якутии.

Изучение изменения ферментативной активности мерзлотных почв и почвогрунтов при действии на них различных типов загрязнения показало, что любой из изученных типов загрязнения изменяет ферментативную активность почв. При увеличении дозы загрязнителя активность изученных почвенных ферментов может изменяться нелинейно и может варьировать в диапазоне 140 - 10% от контрольных значений. Активность разных почвенных ферментов может изменяться как одинаково с увеличением уровня загрязнения, так и иметь индивидуальный характер. Например, при повышенных уровнях природного у-излучения наблюдаются аналогичные друг другу изменения трех из четырех изученных активностей ферментов -уреазы, каталазы, полифенолоксидазы, тогда как инвертазная активность имеет свою специфическую динамику.

ПРИПОВЕРХНОСТНАЯ ГЕОТЕРМОСЪЕМКА. ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

Наиболее чувствительным ферментом к цементному и радиоактивному факторам является инвертаза, ее активность снижается при данных типах загрязнения до 22 раз. Нефтяное загрязнение может активировать гидролитические почвенные ферменты (инвертаза, уреаза) при относительно малых и средних концентрациях. Активность окислительно-восстановительных почвенных ферментов при любых концентрациях нефти в почве ниже контрольного значения на 42,9-85,7%, по-видимому, это может быть связано с тем, что нефтяная пленка на частицах почвы перекрывает доступ кислорода к ферментам.

Полученные данные в целом укладываются в общую схему негативного воздействия экотокси-кантов различной природы в условиях Центральной и Южной Якутии на биологическую активность почв, но нуждаются в дополнительной информации относительно численности микроорганизмов и дальнейшей детализации. Различные антропогенные воздействия существенным образом изменили облик окружающей среды, отчуждая и разрушая биогенно-активные экосистемы и почвы. Но в то же время на современном этапе развития техногенного процесса человечеству предстоит организовать целесообразные взаимоотношения между биосферой, экосистемами, почвами и техногенными факторами по типу биогеохимических циклов, функционирующих в природе.

Литература

1. Напрасникова Е.В. Биохимическая активность молодых техногенных почв //Динамика веществ в геосистемах. - Иркутск: Ин-т географии СО РАН СССР, 1983. -С.55-61.

2. Засорина Э.В. Биохимическая активность молодых техногенных почв (на примере Стойлинского ГОКа) // Рекультивация земель, нарушенных горными работами на КМА (Курск). - Воронеж: Изд-во ВСХИ, 1985. - С.74-84.

3. Kiss B. Enzymological study of the evolution of technogenic soils // Evolution and adaptation. - 1985. - V2.

- P. 159-186.

4. Ларионов В. П., Михайлов В. Е., Иванов А. М. Главный приоритет - новые технологии // Наука и образование. - 1998. - №4. - С. 10-13.

5. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. - М.: Наука, 1990. -186 с.

6. Звягинцев Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей // Почвоведение. - 1978. - №№6. - С. 63-66.

7. Галстян А.Ш. Итоги изучения биологической активности почв // Итоги научно-исслед. работ по генезису, биохимии, мелиорации, агрохимии и эрозии почв. -Ереван, 1983. - С.41-59.

8. Susan, Isaac. To what does fungal, activity contributes to the processes of decomposition of soil in composts? // Mycologist. - 1998. - V 12, № 4. - P. 185-186.

9. Макаров В.Н. Геохимия снежного покрова вблизи угольного разреза // География и природные ресурсы.

- 1990. - № 1. - С. 37-44.

10. Ковриго В.П., Ковриго В.П., Кауричев И.С., Бур-лакова Л.М. Почвоведение с основами геологии. - M.: Колос, 2000. - 416 c.

11. Хазиев Ф.Х., Агафарова Я.М., Гулько А.Е. Ускоренный колориметрический метод определения инвер-тазной активности почв // Почвоведение. - 1988. - N° 11.

- С.119-121.

12. ЛакинГ.Ф. Биометрия. - М.: Высшая школа, 1980.

- С. 40-54, 270-271.

13. Лифшиц С.Х., Чалая О.Н., ШашуринМ.М. и др. Трансформация нефтезагрязнения и формирование адаптивной реакции растений в модельном эксперименте с мерзлотной почвой Якутии // Химия в интересах устойчивого развития. - 2011. - №19. - С. 169-178.

Поступила в редакцию 23.12.2011

УДК 504.55:550.3

Приповерхностная геотермосъемка. Возможности применения

и усовершенствования

А.А. Ахметшин, Г.Н. Саввинов, В.В. Иванов

Даются предложения по усовершенствованию одного из перспективных направлений экологической геофизики - приповерхностной геотермосъемки. Вносящее помехи изменение температуры во время съемки предлагается учитывать с помощью измерения вариаций температуры станциями, позволяющими производить автоматические режимные измерения температуры.

Ключевые слова: геоэкология, экологическая геофизика, приповерхностная геотермосъёмка, солнечная радиация, внутриземной тепловой поток, термометры.

АХМЕТШИН Ахат Акдасович - к.г.-м.н., доцент, в.н.с. НИИ прикладной экологии СВФУ, sahati@mail.ru; САВВИНОВ Григорий Николаевич - д.б.н., директор НИИ прикладной экологии СВФУ; ИВАНОВ Василий Васильевич - к.т.н., зам. директора НИИ прикладной экологии СВФУ, v.v.ivanov@mail.ru.