Ферментативная активность почв в зоне загрязнения выбросами медеплавильного завода

- - Аграрный вестник Урала № 01 (143), 2016 г. - * ^^^

Экология iy

УДК 631.465

ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ В ЗОНЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВЫБРОСАМИ МЕДЕПЛАВИЛЬНОГО ЗАВОДА

И. А. ХЛЫСТОВ,

аспирант,

Л. А. СЕНЬКОВА,

доктор биологических наук, профессор, М. Ю. КАРПУХИН,

кандидат сельскохозяйственных наук, декан факультета, Уральский государственный аграрный университет

Ключевые слова: атмосферное загрязнение, медеплавильный завод, дерново-подзолистые почвы, полифенолок-сидаза, пероксидаза.

Многолетние атмосферные выбросы со Среднеуральского медеплавильного завода оказали существенное влияние на окружающую территорию, в частности на почву и биоту. Поскольку в последнее время происходит значительное сокращение количества выбросов с завода, в наиболее загрязненной территории вероятно изменение некоторых почвенных показателей в наиболее загрязненной зоне до фонового уровня. Поэтому на разных удалениях (30, 4 и 1 км от завода), различающихся уровнем содержания тяжелых металлов в почве и различной степенью деградации лесных биоценозов, были отобраны образцы из трех верхних почвенных горизонтов. В образцах были измерены показатели активной реакции почвенной среды и активности почвенных ферментов полифенолоксидазы и перокси-дазы. По результатам исследования выявлено, что на первом километре от завода произошло снижение кислотности почвы, в то время как кислотность почвы буферной зоны на четвертом километре возросла. В наиболее приближенной к заводу зоне активность полифенолоксидазы снижается только в подстилке, активность пероксидазы снижается в двух верхних горизонтах. Снижение активности ферментов на первом километре происходит вследствие нарушения почвенных и биохимических процессов на данной территории. Преобладание активности пероксидазы над по-лифенолоксидазой в двух верхних горизонтах свидетельствует о процессах окислительного разрушения гумусовых веществ. Сокращение количества выбросов в течение нескольких лет оказало воздействие на уровень активной реакции среды в почве, а для восстановления активности ферментов до фонового уровня может потребоваться более длительное время.

ENZYMATIC ACTIVITY OF SOILS AT THE AREA OF POLLUTION BY THE COPPER SMELTING PLANT EMISSIONS

I. A. HLYSTOV, graduate student, L. A. SENKOVA,

doctor of biological sciences, professor, M. Yu. KARPUKHIN,

candidate of agricultural sciences, dean of the faculty, Ural State Agrarian University

Keywords: atmospheric pollution, copper smelting plant, sod-podzolic soils, polyphenoloxidase, peroxidase. Long-term air emissions from the Middle Ural' copper smelting plant had a significant impact on the surrounding area, in particular on the soil and biota. As in recent years there is a significant reduction in emissions from the plant, it can be expected to change some soil parameters in the most contaminated area in comparison to the background level. In areas (30, 4 and 1 km from the plant) with different levels of soil heavy metals content and varying of forest ecosystems degradation degrees, samples were taken from the three upper soil horizons. The parameters of the active reaction of soil environment and activity of soil enzymes polyphenoloxidase and peroxidase were measured in the samples. The investigation found that at first kilometer from the plant acidity of the soil decreased, while the acidity of the soil of a buffer zone on the fourth kilometer increased. Polyphenoloxidase activity decreases only in litter, and peroxidase activity is reduced in the two upper horizons in the closest to the smelter area. Reducing the activity of enzymes in the first kilometer is due to soil disturbance and biochemical processes in the territory. Prevalence of peroxidase over polyphenoloxidase activity in the two upper horizons indicates on humus oxidative degradation processes. Reducing the number of emissions for several years affected on the level of active acidity in the soil, but recovery of enzyme activity to background level may require a longer time.

Положительная рецензия представлена Л. И. Аткиной, доктором сельскохозяйственных наук, профессором кафедры лесоводства, заведующей кафедрой ландшафтного строительства Уральского государственного лесотехнического университета.

ЗЗЗЭ1 * - Аграрный вестник Урала № 01 (143), 2016 г. - . ^СС^

Экология {у

Почвенные ферменты катализируют важные биохимические процессы, выступают посредником и регулятором круговорота и минерализации питательных веществ, разложения и образования органического вещества почвы [8, 13]. Такие ферменты, как полифенолоксидаза и пероксидаза выполняют в почве двойную функцию: катализируют окисление и деполимеризацию природных полимеров, входящих в состав растительных и животных тканей, а также участвуют в сборке молекул гумуса [6, 8]. Вместе с тем действие пероксидазы может быть направлено на окисление гумусовых веществ как единственного источника энергии [1], и поэтому считается, что она влияет на минерализацию гумусовых веществ.

Активность ферментов можно использовать в качестве индикатора, отражающего естественные и антропогенные нарушения [11], в частности, при загрязнении почвы тяжелыми металлами. Как правило, тяжелые металлы оказывают ингибирующее воздействие на ферменты. Ранние исследования почв с разных удалений от Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ) выявили снижение активности дегидрогеназы, фосфатазы, целлюлазы и инвертазы [4]. Но активность ферментов, катализирующих превращение гумусовых веществ в почве на данном объекте, не исследовали.

Исследования проведены на территории СУМЗ, подверженной многолетнему загрязнению выбросами, который расположен возле г. Ревда Свердловской области, в 50 км к западу от Екатеринбурга. СУМЗ - одно из крупнейших предприятий цветной металлургии России; действует с 1940 г., выбрасывая в атмосферу соединения серы, азота и фтора, а также твердовзвешенные частицы с сорбированными тяжелыми металлами (Си, РЬ, Cd, 2п, Со, Fe) и металлоидами (As). Максимальные объемы выбросов приходились на 1980-е гг. (до 200 тыс./т в год), а в 2010 г. после реконструкции их объем значительно сократился.

Роза ветров в районе исследований асимметрична: преобладающее направление ветра - восточное. В западном направлении от СУМЗ по содержанию поллютантов в депонирующих средах и состоянию растительности ранее были выделены три зоны техногенной нагрузки - импактная (до 2 км от завода), буферная (до 7 км) и фоновая (далее 7 км).

Работы проведены на удалениях 30, 4 км и 1 км к западу от завода, в елово-пихтовых разновозрастных лесах с элементами неморального флористического комплекса, произрастающих в нижних частях пологих склонов увалов. С уменьшением расстояния до завода прослеживается закономерная трансформация растительности: древесный ярус деградирует, уменьшается видовое разнообразие травяно-кустарничко-вого яруса, лесное разнотравье замещается злаками

и хвощами. В непосредственной близости от завода (1 км) преобладают мертвопокровные леса с сильно развитым моховым слоем. Почвенный покров исследованных удалений представлен дерново-подзолистыми типичными (30 км) и дерново-подзолистыми глееватыми (4 и 1 км) почвами. Почвы импактной зоны (1 км) можно отнести к категории химически преобразованных. Диагностика почв и их морфологическое описание были сделаны С. Ю. Кайгородо-вой (лаборатория экотоксикологии популяций и сообществ, ИЭРиЖ УрО РАН).

Цель и методика исследований. Цель данной работы состояла в изучении активности почвенных ферментов в условиях сокращения объемов выбросов с крупного металлургического завода.

В 2014 г. на каждом удалении были заложены по шесть прикопок, и произведен отбор образцов из трех генетических горизонтов (лесная подстилка, гумусовый и гумусово-элювиальный; всего 54 образца). Отбор образцов для ферментного анализа осуществлялся с генетических горизонтов, что отличается от общепринятой схемы отбора проб из определенного слоя почвы. Это связано с тем, что почвенные горизонты различаются по количеству содержащихся в них тяжелых металлов, физико-химическим параметрам, интенсивностью деструкции и формам органического углерода, что в итоге может отразиться на ферментной активности.

После отбора образцы помещали в темное место с температурой 10 ± 3 °С. В лаборатории образцы высушивали при температуре 25-30 °C без доступа солнечного света в течение недели, размельчали на механической мельнице MF 10 basic (IKA Werke, Германия) и просеивали через сито диаметром 2 мм. Затем их консервировали при постоянной температуре 4 °С. Активность ферментов полифенолокси-дазы (PPO) и пероксидазы (PO) определена йодо-метрически с добавлением пирокатехина в качестве субстрата и акцептора кислорода. Активность обоих ферментов выражали в мл 0,005 йода на 1 г почвы в час (с поправкой на титр 0,005 йода), что позволило рассчитать их соотношение. Измерения активности PPO и PO выполнены двукратно для каждого образца. Реакция среды (pHH2O) измерена потенциометри-чески на иономере И-160МИ.

Для анализа значимости различий параметров между участками использовали непараметрический критерий Краскела - Уоллиса в программе Statistica 6.0. Все химические анализы выполнены в лаборатории экотоксикологии популяций и сообществ Института экологии растений и животных УрО РАН.

Результаты исследований. Максимальные значения pHH2O обнаружены в лесной подстилке на тридцатом и первом километрах; с глубиной на этих

- - Аграрный вестник Урала № 01 (143), 2016 г. - > ^^^

Экология ¿у

удалениях происходит увеличение кислотности. На четвертом километре от завода показатель практически не меняется между горизонтами (табл. 1). Значимые различия рНН20 между удалениями выявлены для лесной подстилки и гумусово-элювиально-го горизонта (табл. 2): наименьшие значения зарегистрированы на четвертом километре. Реакция среды всех горизонтов на всех участках кислая. За весь период исследований почв района СУМЗ неоднократно регистрировали снижение значений рНН20 с приближением к заводу [2, 3]. Зафиксированное нами уменьшение уровня рНН20 на четвертом километре может происходить вследствие подкисления горизонтов опадом хвои еловых и пихтовых насаждений, обильно произрастающих на этом удалении, а также избыточной переувлажненности, что может привести к появлению восстановительных условий в почве. Уменьшение подкисления верхних почвенных горизонтов на рервом километре, вероятнее всего, связано с сокращением количества выбросов в течение последних лет.

На всех удалениях максимальная активность по-лифенолоксидазы выявлена в подстилке, в гумусовом горизонте она заметно снижена, а в гумусово-элювиальном снова возрастает (табл. 1).

Активность фермента в гумусовом горизонте четвертого километра выше по сравнению с остальными удалениями. Различия между удалениями статистически значимы (табл. 2): в лесной подстилке на первом километре активность РР0 ниже по сравнению четвертым и тридцатым. Активность РР0 снижается в лесной подстилке по мере приближения к заводу, что особенно выражено на первом километре.

Активность Р0 на всех удалениях наиболее высокая в лесной подстилке, по сравнению с нижними горизонтами. На четвертом и первом километре в гумусовом горизонте она несколько снижается, а в гуму-сово-элювиальном вновь возрастает. На тридцатом километре активность фермента снижается равномерно вниз по профилю.

Выявлены значимые различия (табл. 2): в гумусовом горизонте первого километра активность Р0 минимальна по сравнению с остальными удалениями. С приближением к заводу активность перок-сидазы снижается в лесной подстилке и гумусовом горизонте.

В почвах района СУМЗ активность полифенолок-сидазы и пероксидазы не изучали. Становится очевидным факт, что активность ферментов в градиенте загрязнения зависит от реакции среды в меньшей степени, чем от других факторов, поскольку снижение кислотности на первом километре не привело к увеличению активности ферментов. Можно выделить две наиболее вероятные причины снижения активности обоих ферментов в импактной зоне. Во-первых, снижение активности может быть следствием уменьшения видового разнообразия, биомассы растений и почвенной биоты по мере приближение к заводу, как было отмечено в ряде работ [4, 5], поскольку биологические организмы являются основным поставщиком ферментов в почву. Известно, что ферменты выделяются в почву древоразрушаю-щими базидиомицетами, актиномицетами, моллюсками, олигохетами и дождевыми червями [8, 10]. Во-вторых, подавление ферментной активности также может происходить вследствие ингибирования

Таблица 1

Активность почвенных ферментов и реакция среды

Удаление от завода, км Горизонт Глубина, см РНН20 Активность РР0, мл 0,005 1-/г почвы в час Активность Р0, мл 0,005 1-/г почвы в час

30 О 0-2 5,5 ± 0,04 1 1371,5 ± 112,1 1 368,7 ± 47,0 1

AY 2-10 5,0 ± 0,08 1 30,3 ± 17,5 111 113,5 ± 18,0 1

AYEL 10-20 5,1 ± 0,07 1 162,4 ± 64,0 1 65,4 ± 14,1 1

4 О 0-4 4,8 ± 0,06 1 1173,6 ± 174,0 1 235,2 ± 64,7 1

AY 4-11 4,7 ± 0,08 1 142,3 ± 37,1 1 49,2 ± 17,6 11

AYEL 11-18 4,9 ± 0,04 1 245,3 ± 46,9 111 71,4 ± 12,1 11

1 О 0-4 5,3 ± 0,10 1 109,3 ± 25,1 11 173,1 ± 37,8 11

AY 4-9 5,0 ± 0,09 1 12,5 ± 1,9 1У 33,2 ± 4,4 1

AYEL 9-17 4,9 ± 0,03 1 240,4 ± 29,9 11 58,2 ± 8,1 1

Примечание: приведены средние значения ± ошибка среднего. РРО - полифенолоксидаза; РО - пероксидаза. I - п = 6; II - п = 5; III -п = 4; IV - п = 3.

Таблица 2

Значения коэффициентов критерия Краскела - Уоллиса

Параметр Значения по горизонтам

О AY AYEL

РНН20 12,32 1 * 4,29 1 7,90 1 *

Активность РР0 10,84 11; * 4,35 у 2,01 111

Активность Р0 5,84 11 7,76 * 0,94 11

Отношение активностей РР0 и Р0 10,84 11; * 4,01 У1 3,22 1У

Примечание: * - р < 0,05; РРО - полифенолоксидаза; РО - пероксидаза. I - п = 18; II - п=17; III - п = 15; IV - п = 14; V - п = 13; VI - п = 12.

Аграрный вестник Урала № 01 (143), 2016 г.

Экология I у

4 км 1 км

Рис. 1. Отношение активностей РРО и РО. Планки погрешностей - ошибка среднего ферментов высокими концентрациями тяжелых ме- лительного разрушения гумусовых веществ над таллов в почве, что было показано в исследованиях новообразованием.

[12]. Увеличение активности полифенолоксидазы и пероксидазы в гумусово-элювиальном горизонте, по сравнению с гумусовым, может происходить вследствие изменения гранулометрического состава почвы, в частности содержания физической глины.

Максимальные отношения активностей РРО и РО обнаружены в подстилке по сравнению с нижними горизонтами на тридцатом и четвертом километре. На всех участках в гумусовом горизонте отношение снижается по сравнению с лесной подстилкой, а в гумусово-элювиальном горизонте снова возрастает (рис. 1).

На первом километре от завода отношение активностей РРО и РО снижается от лесной подстилки к гумусовому горизонту, при этом величины отношений в этих горизонтах от 5 до 10 раз ниже в сравнении с гумусово-элювиальным горизонтом. Кроме

Следовательно, одним из факторов деградации гумуса в импактной зоне может быть активность почвенной пероксидазы. Более широкие отношения РРО и РО в лесной подстилке удаленных от завода территорий, наоборот, свидетельствуют о процессах накопления гумуса. За все время наблюдения почвенного покрова на данных территориях фиксировали снижение содержания углерода гумуса в верхних горизонтах, а также изменения в его составе с приближением к заводу [7, 9]. Уменьшение отношения РРО/РО в гумусовом горизонте фоновой зоны может быть связано с составом поступающих органических остатков на данном удалении, а также повышенной скоростью деструкции органического вещества в подстилке.

Выводы.

1. В результате многолетнего загрязнения по-

того, значения РРО/РО в верхних горизонтах меньше чвы выбросами СУМЗ произошло снижение актив-

единицы. Обнаружены значимые различия между удалениями (табл. 2): в лесной подстилке первого

ности почвенных ферментов полифенолоксидазы и пероксидазы в наиболее приближенной к заводу

километра отношение активностей ферментов го- территории. раздо уже по сравнению с тридцатым и четвертым. Низкие отношения активностей ферментов в под- отразившееся на изменении уровня рНН2О, стилке и гумусовом горизонте первого километра свидетельствуют о преобладании процессов окис-

2. Несмотря на снижение количества выбросов,

низкая

активность почвенных ферментов в импактной зоне свидетельствует о сильном уровне загрязнения почвы с долговременными последствиями.

Литература

1. Аюпов З. З., Сидорова Л. В., Анохина Н. С. и др. Органическое вещество и ферментативная активность чернозема выщелоченного в зависимости от приемов основной обработки почвы и удобрения // Вестник БГАУ. 2010. № 2. С. 11-16.

2. Воробейчик Е. Л. Изменение мощности лесной подстилки в условиях химического загрязнения // Экология. 1995. № 4. С. 278-284.

3. Воробейчик Е. Л. Изменение пространственной структуры деструкционного процесса в условиях атмосферного загрязнения лесных экосистем // Известия Академии наук. Серия биологическая. 2002. № 3. С. 368-379.

4. Воробейчик Е. Л., Садыков О. Ф., Фарафонтов М. Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень). Екатеринбург : Наука, 1994. 280 с.

5. Воробейчик Е. Л., Хантемирова Е. В. Реакция лесных фитоценозов на техногенное загрязнение: зависимости доза - эффект // Экология. 1994. № 3. С. 31-43.

:Аграрный вестник Урала № 01 (143), 2016 г. -. ^^^

_Экология * :

6. Демин В. В., Жуков А. В., Завгородняя Ю. А. Взаимодействие пероксидазы с биополимерами: гуминовы-ми кислотами, лигнином и меланином // Роль почв в биосфере. Труды института экологического почвоведения МГУ : сб. 2005. Т. 6. С. 63-77.

7. Прокопович Е. В., Кайгородова С. Ю. Трансформация гумусного состояния почв под действием выбросов Среднеуральского медеплавильного завода // Экология. 1999. № 5. С. 375-378.

8. Тейт Р. Органическое вещество почвы / пер. с англ. М. : Мир, 1991. 400 с.

9. Хлыстов И. А. Углерод и азот органических соединений почвы в условиях загрязнения выбросами медеплавильного завода // Вестник КрасГАУ. 2015. Вып. 5. С. 17-22.

10. Gramss G., Voigt K.-D., Kirsche B. Oxidoreductase enzymes liberated by plant roots and their effects on soil humic material // Chemosphere. 1999. Vol. 38. № 7. P. 1481-1494.

11. Karaca A., Cetin S. C., Turgay O. C. et al. Effects of heavy metals on soil enzyme activities // Soil Heavy Metals. 2010. Vol. 19. P. 237-262.

12. Nwaugo V. O., Onyeagba R. A., Akubugwo E. I. et al. Soil bacterial flora and enzymatic activities in zinc and lead contaminated soil // Biochemistry. 2008. Vol. 20. № 2. P. 77-84.

13. Wang Q., Xiao F., He T. et al. Responses of labile soil organic carbon and enzyme activity in mineral soils to forest conversion in the subtropics // Annals of Forest Science. 2013. Vol. 70. № 6. P. 579-587.

References

1. Ayupov Z. Z., Sidorova L. V., Anokhina N. S. et al. The organic matter and enzymatic activity of leached chernozem, depending on the methods of the basic processing of soil and fertilizer // Bulletin of BSAU. № 2. P. 11-16.

2. Vorobeichik E. L. Changes in the thickness of the forest floor in the conditions of chemical pollution // Ecology. 1995. № 4. P. 278-284.

3. Vorobeichik E. L. The change of the spatial structure of the destruction process under atmospheric pollution conditions of forest ecosystems // Proceedings of the Academy of Sciences. Biological Series. 2002. № 3. P. 368-379.

4. Vorobeichik E. L., Sadykov O., Farafontov M. G. Environmental rationing of technogenic pollution of terrestrial ecosystems (local level). Ekaterinburg : Science, 1994. 280 p.

5. Vorobeichik E. L., Khantemirova E. V. Reaction of forest phytocenoses to technogenic pollution: dose - effect dependences // Ecology. 1994. Vol. 25. № 3. P. 171-180.

6. Demin V. V., Zhukov A. V., Zavgorodnyaya Yu. A. Peroxidase interaction with biopolymers: humic acids, lignin and melanin // The role of soil in the biosphere. Proceedings of the Institute of Environmental Soil Science, MSU : collection. 2005. Vol. 6. P. 63-77.

7. Prokopovich E. V., Kaygorodova S. Yu. Transformation of humus status of soils under the influence of emissions of Middle Ural smelter // Ecology. 1999. № 5. P. 375-378.

8. Tate R. Soil organic matter / transl. from English. M. : Mir, 1991. 400 p.

9. Hlystov I. A. Carbon and nitrogen organic compounds in the soil under pollution emissions smelter conditions // Bulletin of KrasSAU. 2015. Issue 5. P. 17-22.

10. Gramss G., Voigt K.-D., Kirsche B. Oxidoreductase enzymes liberated by plant roots and their effects on soil humic material // Chemosphere. 1999. Vol. 38. № 7. P. 1481-1494.

11. Karaca A., Cetin S. C., Turgay O. C. et al. Effects of heavy metals on soil enzyme activities // Soil Heavy Metals. 2010. Vol. 19. P. 237-262.

12. Nwaugo V. O., Onyeagba R. A., Akubugwo E. I.et al. Soil bacterial flora and enzymatic activities in zinc and lead contaminated soil // Biochemistry. 2008. Vol. 20. № 2. P. 77-84.

13. Wang Q., Xiao F., He T. et al. Responses of labile soil organic carbon and enzyme activity in mineral soils to forest conversion in the subtropics // Annals of Forest Science. 2013. Vol. 70. № 6. P. 579-587.