CC BY
16
ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ
УДК 631.46;57.044 DOI 10.24411/0235-2516-2019-10091
ДЕЙСТВИЕ ТОКСИЧНОСТИ НАНОФОРМ НИКЕЛЯ И ОКСИДА НИКЕЛЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО
А.Н. Тимошенко, С.И. Колесников, д.с.-х.н., К.Ш. Казеев, д.г.н., Ю.В. Акименко, к.б.н., А.А. Кузина
Академия биологии и биотехнологий им. Д.И. Ивановского ЮФУ, e-mail: Aly9215@mail.ru
Проведено сравнение токсичности наночастиц Ni и наночастиц M2O3 по изменению биологических показателей чернозема обыкновенного (г. Ростов-на-Дону). В модельном опыте изучено влияние данных нанопорошков в концентрациях 100, 1000, 10000 мг/кг через 10 суток после внесения их в почву. Результаты исследования показали, что на обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы, всхожесть и длину корней редиса сильнее влияют наночастицы Ni, на общую численность бактерий и активность дегидрогеназ-наночастицы Ni2O3. Если судить по интегральному показателю биологического состояния почвы, то более токсичны наночастицы «чистого» никеля. Наиболее информативным к загрязнению наночастицами Ni и наночастицами N12O3 проявил себя показатель обилия бактерий рода Azotobacter (r от -0,96 до -0,98), а наиболее чувствительными — общая численности бактерий и длина корней редиса.
Ключевые слова, чернозем обыкновенный, наночастицы, никель, токсичность, биологические свойства почвы.
COMPARISON OF ECOTOXICITY OF Ni AND Ni2O3 NANOPARTICLES ON BIOLOGICAL INDICATORS OF THE ORDINARY CHERNOZEM
A.N. Timoshenko, Dr.Sci. S.I. Kolesnikov, Dr.Sci. K.Sh. Kazeev, Ph.D. Yu.V. Akimenko, A.A. Kuzina
Academy for Biology and Biotechnology named after D.I. Ivanovskiy of Southern Federal University,
e-mail: Aly9215@mail.ru
Comparison of toxicity of nanoparticles of Ni and nanoparticles of Ni2O3 on change of biological indicators of the ordinary chernozem in Rostov-on-Don is carried out. In model experience influence of these nanopowders in concentration 100, 1000, 10000 mg/kg in 10 days after their entering into the soil is studied. Results of a research showed that on abundance of bacteria of the sort Azotobacter, activity of a catalase, viability and length of roots of a garden radish Ni nanoparticles, influence the total number of bacteria and activity of Ni2O3 dehydro-genases nanoparticles stronger. If to judge by soil Integral parameter of biological condition, then nanoparticles of «pure» nickel are more toxic. The most informative to pollution by nanoparticles of Ni and nanoparticles of Ni2O3 the indicator of abundance of bacteria of the sort Azotobacter (r from -0.96 to -0.98), and the most sensitive - the general of the number of bacteria and length of roots of a garden radish proved.
Keywords. ordinary chernozem, nanoparticles, nickel, toxicity, biological properties of the soil.
В связи с быстро развивающимся рынком нано-технологий исследования наночастиц металлов приобретает все большую актуальность, так как это связано, прежде всего, с возможностью множественного их практического применения [1]. К наноматери-алам, активно использующимся в наиболее приоритетных отраслях развития нанотехнологий, относится оксид никеля. Нанодисперсный оксид никеля на 2014 г. получен и использован приблизительно в количестве 15 000 т, а следовательно его можно отнести к крупнотоннажному промышленному продукту [1]. Наночастицы никеля используют при приготовлении никелевой керметы для анодного слоя
твердооксидных топливных элементов, в электро-хромных покрытиях, пластмассах и тканях, в нано-проводах, нановолокнах и специфических применениях сплава и катализатора, в клее и красителях для эмалей, в керамических структурах, автомобильных зеркалах, в катодных материалах для щелочных аккумуляторов. Таким образом, поступление наноча-стиц никеля в окружающую среду, в том числе почву, происходит в результате атмосферных выбросов промышленных предприятий.
Работ, посвященных изучению последствий загрязнения наночастицами никеля объектов окружающей среды, немного: исследовано влияние наноча-
стиц никеля и оксида никеля на животных [2, 3], на численность и активность бактерий [4, 5], растения [6-13] и на ферментативную активность почвы [5]. Во всех этих работах зафиксировано негативное влияние наночастиц никеля на почву и биоту.
Цель исследования - оценить экотоксичность наночастиц никеля и оксида никеля на биологические свойства чернозема обыкновенного в модельном опыте. Для этого было впервые проведено комплексное изучение биологического состояния чернозема обыкновенного после загрязнения наночастицами никеля и оксида никеля. Изучена степень зависимости влияния нанопорошка от его химической формы.
Методика. Объект исследования - чернозем обыкновенный южно-европейской фации (североприазовский). Отбор почвы проводили в Ботаническом саду Южного федерального университета (Ростов-на-Дону). Мощность гумусового горизонта чернозема составляет около 80 см, гранулометрический состав тяжелосуглинистый, pHкa 7,7, содержание гумуса - 4,1%, общий азот (по Кьельдалю) - 0,25%, общий фосфор (по Гинзбург с соавт.) - 0,18%, подвижный фосфор (по Мачигину) - 28,8 мг/кг. Валовое содержание никеля в исследованном черноземе составляет 55 мг/кг, подвижного никеля - 4,6 мг/кг.
В качестве токсикантов были выбраны нанопо-рошки, № и NiO, которые вносили в почву в концентрациях 100, 1000, 10000 мг/кг. Загрязненную почву инкубировали в пластиковых сосудах при комнатной температуре (20-22°С) и оптимальном увлажнении (60% от полевой влагоемкости). По-вторность - трехкратная. Так как исследуемые вещества не растворимы в воде, для равномерного распределения наночастиц ТМ в почве в вегетационном сосуде их сначала растирали и смешивали с небольшим количеством почвы. После перемешивания почва смешивалась с основной частью.
Исследования выполнены с использованием общепринятых в биологии, почвоведении и экологии методов. Исследования микробиоты проводили методом учета численности бактерий в почве при помощи люминесцентной микроскопии [14]. Данный метод основан на оптическом исследовании бактерий, окрашенных акридиновым оранжевым, который испускает свечение при воздействии ультрафиолетовых лучей с дальнейшим подсчетом микробных клеток (п = 720: 3 инкубационных сосуда с почвой х 3 образца почвы х 4 квадратных сантиметра на предметных стеклах х 20 полей зрения). Л2о(оЬас(ег учитывали методом комочков обрастания на непод-кисленной среде Эшби (п = 180: 3 инкубационных сосуда с почвой х 3 образца почвы в чашках Петри х 20 комочков обрастания) [14]. Активность каталазы определяли по скорости разложения перекиси водорода [15, 16], активность дегидрогеназ - по скорости превращения хлорида трифенилтетразолия в трифе-нилформазан [15] (п = 36: 3 инкубационных сосуда с
почвой х 3 образца почвы х 4 аналитические по-вторности). О фитотоксичности почв судили по всхожести семян редиса и длины корней [17] (п = 180: 3 инкубационных сосуда с почвой х 3 образца почвы в чашках Петри х 20 семян редиса).
С целью объединения большого количества показателей была использована методика определения интегрального показателя биологического состояния почвы (ИПБС). С помощью данной методики становится возможным оценить совокупность биологических показателей. Для этого в выборке максимальное значение каждого из показателей принимается за 100% и по отношению к нему в процентах выражается значение этого же показателя в остальных образцах. При расчете интегрального показателя должны использоваться наиболее информативные показатели биологической активности почв. Для оценки достоверности влияния загрязнения на исследуемые показатели использовали дисперсионный анализ. Для удобства интерпретации результатов дисперсионного анализа была вычислена наименьшая существенная разность (НСР):
НСР0.05 = Мd х Ь).05, где Мd - ошибка разности; 10.05 - критерий Стью-дента.
Для изучения тесноты и формы связи между концентрацией в почве загрязняющего вещества и исследуемыми показателями, а также между различными показателями эколого-биологического состояния почвы применяли корреляционный анализ.
Результаты. Загрязнение чернозема обыкновенного нанопорошками № и оксида № привело к ухудшению его биологического состояния. Как правило, наблюдалось достоверное снижение всех исследованных биологических показателей. Степень снижения зависела от природы загрязняющего вещества и его концентрации в почве. Так, в результате загрязнения произошло снижение общей численности бактерий (рис. 1) и обилия бактерий рода Л^о1оЬас1ет (рис. 2).
Наночастицы металлического № и оксида № оказали более сильное влияние на общую численность бактерий, чем на обилие бактерий рода Л^оШЬа^ег. Отмечается прямая зависимость между содержанием загрязняющего вещества и степенью снижения исследуемого показателя. Установлено, что на общую численность бактерий сильнее влияют наноча-стицы оксида никеля, чем металлического никеля. Бактерии рода Л2о(оЬас(ег проявляют большую чувствительность к нанопорошку оксида никеля в концентрации 100 мг/кг и 1000 мг/кг. При внесении же 10000 мг/кг исследуемых веществ нанопрошок металлического никеля оказывает более сильное воздействие, чем нанопорошок оксида никеля. Снижение общей численности и активности бактерий рода Л2о(оЬас(ег в почве после внесения в нее наночастиц отмечается и другими исследователями [18-21].
Рис. 1. Влияние загрязнения наночастицами N1 и №2О3 на общую численность бактерий в черноземе обыкновенном, % от контроля
Рис. 3. Влияние загрязнения наночастицами Ni и NÎ2O3 на активность каталазы в черноземе обыкновенном, % от контроля
Рис. 2. Влияние загрязнения наночастицами Ni и №2О3 на обилие бактерий рода Azotobacter в черноземе обыкновенном, % от контроля
Негативное воздействие наночастиц оксида никеля и никеля на ферментативную активность чернозема в большинстве случаев было менее сильное, чем на микробиологические и фитотоксические показатели. Активность каталазы (рис. 3) оказалась более чувствительна к загрязнению, чем активность дегидрогеназ (рис. 4).
Более сильное влияние на активность каталазы оказали наночастицы Ni, чем наночастицы оксида Ni. Активность дегидрогеназ, напротив, оказалась более чувствительна к загрязнению наночастицами оксида Ni. С повышением концентрации загрязняющих веществ наблюдается снижение активности ферментов. Ранние результаты исследований показывают как негативное влияние наночастиц на ферментативную активность почвы [21-23], так и стимулирующий эффект [24].
Загрязнение наночастицами Ni и наночастицами оксида Ni чернозема обыкновенного снижало всхожесть и длину корней редиса (рис. 5 и 6).
Чем выше концентрация загрязняющего вещества, тем в большей степени снижаются данные показатели. Установлено, что наночастицы «металлического» никеля оказали более сильное влияние, чем наночастицы оксида никеля. Задержка во всхожести, и ингибирование корневого роста растений, вызванное воздействием наночастиц тяжелых металлов, отмечается и другими исследователями [21, 25-27].
Рис. 4. Влияние загрязнения наночастицами
Ni и Ni2O3 на активность дегидрогеназ в черноземе обыкновенном, % от контроля
Информативность показателя оценивали по тесноте корреляции между показателем и содержанием в почве загрязняющего вещества. Коэффициенты корреляции исследованных биологических показателей представлены в таблице 1.
По информативности (по тесноте корреляции между показателем и содержанием в почве загрязняющего вещества) исследованные биологические показатели образуют следующую последовательность. При загрязнении наночастицами никеля: обилие бактерий рода Azotobacter > активность дегидрогеназ > активность каталазы > общая численность бактерий > длина корней > всхожесть. При загрязнении наночастицами оксида никеля: обилие бактерий рода Azotobacter > активность дегидрогеназ > всхожесть > активность каталазы = общая численность бактерий > длина корней. Таким образом, наиболее информативным показателем из исследованных при загрязнении черноземов наночастицами никеля и наночастицами оксида никеля было обилие бактерий рода Azotobacter (г от -0.92 до -0.96) и активность ферментов наименее информативными -общая численность бактерий и длина корней.
Чувствительность показателя определяли по степени снижения его значений в вариантах с загрязнением по сравнению с контролем. Средние значения степени их уменьшения для всех доз на-ночастиц ТМ представлены в таблице 2.
Рис. 5. Влияние загрязнения наночастицами N1 и №2Оз на всхожесть редиса в черноземе обыкновенном, % от контроля
Рис. 6. Влияние загрязнения наночастицами Ni и №2Оз на длину корней редиса в черноземе обыкновенном, % от контроля
Чувствительность показателя определяли по степени снижения его значений в вариантах с загрязнением по сравнению с контролем. Средние значения степени уменьшения исследованных биологических показателей для всех доз наночастиц ТМ представлены в таблице 2. По чувствительности (по степени снижения значений) к загрязнению наночастицами никеля и наночастицами оксида никеля исследованные биологические показатели образуют следующие ряды: по отношению к загрязнению наночастицами никеля: длина корней > всхожесть > общая численность бактерий > активность каталазы > обилие бактерий рода Azotobacter> активность дегидрогеназ; при загрязнении наночастицами оксида никеля: общая 1. Коэффициент корреляции (r) между содержанием в черноземе наночастиц Ni и Ni2O3 и его биологическими свойствами
Показатель Ni Ni2O3 Среднее
Общая численность бактерий -0,66 -0,63 -0,65
Обилие бактерий рода Л2о1оЬа&ег -0,96 -0,92 -0,94
Активность каталазы -0,83 -0,63 -0,73
Активность дегидрогеназ -0,84 -0,89 -0,87
Всхожесть -0,51 -0,82 -0,67
Длина корней редиса -0,59 -0,49 -0,54
ИПБС -0,74 -0,67 -0,71
P < 0.05
численность бактерий > длина корней > всхожесть > активность каталазы = активность дегидрогеназ > обилие бактерий рода Лхо^Ьа^ет. Таким образом, наиболее чувствительными к загрязнению наноча-стицами никеля и оксида никеля являлись показатели общей численности бактерий и длины корней редиса.
По чувствительности (по степени снижения значений) к загрязнению наночастицами никеля и нано-частицами оксида никеля исследованные биологические показатели образуют следующие ряды: по отношению к загрязнению наночастицами никеля: длина корней > всхожесть > общая численность бактерий > активность каталазы > обилие бактерий рода Л2о(оЬас(ег > активность дегидрогеназ; при загрязнении наночастицами оксида никеля: общая численность бактерий > длина корней > всхожесть > активность каталазы = активность дегидрогеназ > обилие бактерий рода Лхо^Ьа^ет. Таким образом, наиболее чувствительными к загрязнению наночастицами никеля и оксида никеля являлись показатели общей численности бактерий и длины корней редиса.
Как видно из полученных рядов, наиболее чувствительные показатели были наименее информативны, и наоборот, что наблюдалось и при исследовании загрязнения почв ТМ, металлоидами, нефтью и нефтепродуктами [28]. Это связано с тем, что чем чувствительнее показатель, тем сильнее он варьирует и поэтому его коэффициент корреляции с концентрацией загрязняющего вещества ниже. Особенно, когда наблюдается увеличение значений биологического показателя относительно контроля на малых дозах и только затем снижение на больших дозах. Однако, если варьирование слишком сильное, то такие показатели становятся неинформативными, так как имеют слабую связь с дозой загрязняющего вещества. Так, например, высокой чувствительностью к загрязнению ТМ и низкой информативностью обладают такие показатели, как численность микромицетов и аммонифицирующих бактерий. В то же время, некоторые информативные показатели, имеющие тесную связь с концентрацией ТМ, снижают свои значения в очень малой степени и только на высоких дозах. Например, высокой информативностью и низкой чувствительностью к загрязнению
2. Значения биологических показателей чернозема при загрязнении наночастицами № и наночастицами оксида №, % от контроля
Показатель Ni Ni2O3 Среднее
Общая численность бактерий 75 65 70
Обилие бактерий рода Л2о1оЬа&ет 85 86 86
Активность каталазы 80 83 82
Активность дегидрогеназ 88 83 86
Всхожесть 73 81 77
Длина корней редиса 58 74 66
ИПБС 57 63 60
ТМ обладает активность инвертазы. Исходя из этого, в настоящем исследовании были использованы биологические показатели, отличающиеся одновременно и чувствительностью, и информативностью.
Таким образом, загрязнение чернозема обыкновенного наночастицами Ni и наночастицами оксида Ni привело к уменьшению общей численности бактерий, обилия бактерий рода Azotobacter, активности каталазы1 и дегидрогеназ, всхожести и длины1 корней семян редиса. Наблюдалось достоверное снижение всех исследованных биологических показателей. Достоверных случаев гормезиса зафиксировано не было. Наиболее информативным к загрязнению был показатель обилия бактерий рода Azotobacter (r от -0.96 до -0.98), а наиболее чувствительными были общая
численности бактерий и длина корней редиса. По результатам исследования влияния загрязнения чернозема обыкновенного наночастицами Ni и наночастицамиNiO можно сказать, что на обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы, всхожесть и длину корней редиса сильнее влияют наночастицы Ni, на общую численность бактерий и активность дегидрогеназ-наночастицы1 NiO. Если судить по ИПБС почвы, то более токсичны1 наночастицы1 «чистого» никеля.
Исследование выполнено при государственной поддержке ведущей научной школы Российской Федерации (НШ-3464.2018.11) и Министерства образования и науки Российской Федерации (5.5735.2017/8.9).
Литература
1. Макаров Д.В. Прогноз развития мирового рынка нанопорошков // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки, 2014, № 1(8). - C. 97-102.
2. Jayaseelan C., Abdul Rahuman A., Ramkumar R., Perumal P., Rajakumar G., Vishnu Kirthi A., Santhoshkumar T., Marimuthu S. Effect of subacute exposure to nickel nanoparticles on oxidative stress and histopathological changes in Mozambique tilapia, Oreochromis mossambicus // Ecotoxi-cology and Environmental Safety, 2014, V. 107, № 9. - P. 220-228.
3. Kanold J.M., Wang J., Brummer F., Siller L. Metallic nickel nanoparticles and their effect on the embryonic development of the sea urchin Paracentrotus lividus // Environ. Pollut., 2016, № 212. - Р. 224-229.
4. Мамонова И.А., Бабушкина И.В. Антибактериальная активность наночастиц никеля // Инфекция и иммунитет, 2012, Т. 2, № 1-2. -С. 225.
5. Avila-Arias H., Nies L.F., Gray M.B., Turco R.F. Impacts of molybdenum-, nickel-, and lithium- oxide nanomaterials on soil activity and microbial community structure // Sci. Total. Environ., 2018, V. 652. - P. 202-211.
6. Faisal M., Saquibb Q., Alatara АА., Al-Khedhairyb A.A., Hegazya A.K., Musarratd J. Phytotoxic hazards of NiO-nanoparticles in tomato: a study on mechanism of cell death // Journal of Hazardous Materials, 2013, № 250-251. - Р. 318-332.
7. Josko I., Oleszczuk P. Influence of soil type and environmental conditions on ZnO, TiO2 and Ni nanoparticles phototoxicity // Chemosphere, 2013, V. 92, № 1. - P. 91-99.
8. Михайлова С.И., Буренина А.А., Моргалев Ю.Н., Зотикова А.П., Моргалева Т.Г., Астафурова Т.П. Влияние наночастиц платины и никеля на урожайность кормовых культур // Кормопроизводство, 2013, № 7. - С. 13-15.
9. Wu J., Xie Y., Fang Z., Cheng W., Tsang P.E. Effects of Ni/Fe bimetallic nanoparticles on phototoxicity and translocation of polybrominated diphenyl ethers in contaminated soil // Chemosphere, 2016, V. 162. - P. 235-42.
10. Буренина А.А., Воронова А.О. Влияние наночастиц никеля и платины на урожайность амаранта // Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования, 2017, № 12. - С. 39-41.
11. Вардуни Т.В., Капралова О.А., Дмитриев П.А., Середа М.М. Влияние наночастиц оксида никеля на рост и развитие растений // Хроники объединенного фонда электронных ресурсов наука и образование, 2017, № 8. - С. 38.
12. Короткова А.М., Лебедев С.В., Каюмов Ф.Г., Сизова Е.А. Морфофизиологические изменения у пшеницы (triticum vulgare l.) под влиянием наночастиц металлов (Fe, Cu, Ni) и их оксидов (Fe3O4, CuO, NiO) // Сельскохозяйственная биология, 2017, Т. 52, № 1. - С. 172-182.
13. Андреева И.В. Сравнительная характеристика растений - гипераккумуляторов по накоплению никеля для целей фиторемедиации // Агрохимический вестник, 2013, № 6. - С. 31-33.
14. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: МГУ, 1991. - 304 с.
15. Галстян А.Ш. Унификация методов определения активности ферментов почв // Почвоведение, 1978, № 2. - С. 107-114.
16. Мокриков Г.В., Казеев К.Ш., Мясникова М.А., Акименко Ю.В., Колесников С.И. Влияние технологии прямого посева на почвенную мезофауну, дыхание и ферментативную активность черноземов южных // Агрохимический вестник, 2019, № 5. - С. 31-36.
17. Казеев К.Ш., Колесников С.И. Биодиагностика почв: методология и методы исследований. - Ростов-на-Дону: Изд-во Южного федерального университета, 2012. - 260 с.
18. Neal A.L. What can be inferred from bacterium-nanoparticel interactions about the potential consequences of environmental exposure to nanoparticles? // Ecotoxicology, 2008, V. 17. - P. 362-371.
19. Padmavathy N., Vijayaraghavan R. Enhanced bioactivity of ZnO nanoparticles - an antimicrobial study // Sci. Technol. Adv. Mater., 2008, V. 9, № 3. - Р. 035-040.
20. Мамонова И.А. Действие наночастиц меди на клинические штаммы Staphylococcus epidermidis // Вестник новых медицинских технологий, 2011, Т. XVIII, № 1. - С. 27-28.
21. Колесников С.И., Тимошенко А.Н., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В., Мясникова М.А. Оценка экотоксичности наночастиц меди, никеля и цинка по биологическим показателям чернозема // Почвоведение, 2019, № 8. - С. 986-992.
22. Kim S., Kim J., Lee I. Effects of Zn and ZnO nanoparticles and Zn2+ on soil enzyme activity and bioaccumulation of Zn in Cucumis sa-tivus // Chemistry and Ecology, 2011, Vol. 27, № 1. - P. 49-55.
23. Kim S., Sin H., Lee S., Lee I. Influence of Metal Oxide Particles on Soil Enzyme Activity and Bioaccumulation of Two Plants // J. Microbiol. Biotechnol., 2013, V. 23, № 9. - P. 1279-1286.
24. Asadishad B, Chahal S, Akbari A, Cianciarelli V, Azodi M, Ghoshal S, Tufenkji N. Amendment of Agricultural Soil with Metal Nanoparticles: Effects on Soil Enzyme Activity and Microbial Community Composition // Environ Sci Technol., 2018, V. 52, № 4. - P. 1908-1918. doi: 10.1021/acs.est.7b05389.
25. Manceau A., Nagy K.L., Marcus M.A., Lanson M., Geoffroy N., Jacquet T. Formation of metallic copper nanoparticles at the soil-root interface // Environ. Sci. Technol., 2008, V. 42, № 5. - P. 1766-1772.
26. Ali S., Farooq M.A., Yasmeen T., Hussain S., Arif M.S. The influence of silicon on the growth of barley, photosynthesis and ultrastructure in chromium-stress // Ecotoxicol. Environ. Saf., 2013, V. 89. - P. 66-72.
27. Yadav G., Shrivastava P.K., Singh V.P., Prasad S.M. The intensity of light changes the degree of arsenic toxicity in seedlings Helianthus annuus L // Biological Trace Element Research, 2014, № 158. - P. 410-421.
28. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного // Экология, 2000, № 3. - С. 193-201.
