CC BY
20ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ЕЕ СВИНЦОМ И КАДМИЕМ
Е.В. Егорова, к.б.н., Д.Д. Госсе, МГУ им. М.В. Ломоносова
Работа выполнена под руководством акад. РАСХН В.Г.Минеева
Резюме. Применение минеральных удобрений увеличивает количество доступного растениям и микроорганизмам свинца и кадмия в легкосуглинистой почве. Гранулометрический состав дерново-подзолистой почвы оказал на дегидрогеназ-ную активность защитное влияние. Свинец снизил аскорби-натоксидазную активность сильнее, чем кадмий. Удобренная почва оказала протекторное влияние на активность аскор-бинатоксидазы.
В настоящее время почвы агроэкосистем подвергаются значительным техногенным нагрузкам. Загрязнение почв отрицательно влияет на многие почвенно-биологические процессы, что ведет к снижению плодородия и урожаев сельскохозяйственных культур [3].
Почвы имеют неодинаковую буферность в отношении загрязнителей, которая зависит от содержания органического вещества, компонентного и гранулометрического состава. Благодаря буферным свойствам почвы часть тяжелых металлов (ТМ) инактивируется, но значительное их количество сохраняется в подвижной форме и активно влияет на все почвенные процессы, в том числе ферментативные.
Для адекватной оценки воздействия токсикантов на агро-ценоз, по мнению ряда исследователей [9], необходимо знать количество токсикантов в почве, способность почвы противостоять загрязнению, оценивать влияние на биологические свойства.
Агрохимические средства снижают негативные последствия локального и глобального техногенного загрязнения ТМ, другими токсикантами [7]. Однако такая экологическая функция агрохимических средств, как улучшение биологической активности, нуждается в дополнительном экспериментальном обосновании [4].
Исследованиями кафедры агрохимии МГУ показана защитная роль утяжеления гранулометрического состава дерново-подзолистой почвы, загрязненной ТМ, на ее ферментативную активность [5]. В литературе есть данные о возможности использования показателей активности ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные процессы (оксидо-редуктаз) в почвах, загрязненных ТМ для диагностики состояния их биологических свойств в этих условиях [1].
Известно, что гранулометрический состав почв играет важную роль в снижении подвижности ТМ [2], однако в литературе нет сведений об изучении комплексного влияния удобрений на почвах разного гранулометрического состава на ферментативную активность дерново-подзолистых почв при загрязнении их ТМ [9].
Цель наших исследований - сравнить защитное влияние на активность оксидо-редуктаз агрохимических свойств и гранулометрического состава почвы при ее загрязнении ТМ.
В задачи исследований входило изучение содержания потенциального и условно доступного количества свинца и кадмия в легко- и тяжелосуглинистой дерново-подзолистой почве, активности каталазы, дегидрогеназы и аскорбинатоксидазы.
Объекты и методы исследований. Исследования проводили в 2005-2006 гг. в вегетационных (сосуды на 5 кг) опытах, заложенных на легко- и тяжелосуглинистой дерново-подзолистой почве. Растения ячменя выращивали до полной спелости зерна в условиях естественной влажности воздуха с регулярным поливом. Исследуемая культура - ячмень сорта Нур. Схема опыта: 1) контроль (без внесения удобрений); 2) РЬ; 3) Са; 4) №К; 5) №К + РЬ; 6) №К + С(±
Полное минеральное удобрение в вегетационном опыте вносили из расчета 150 мг каждого питательного элемента на 1 кг почвы; свинец и кадмий - в дозах 5 ОДК: 325 и 5 мг/кг почвы соответственно (металлы вносили в форме ацетатных солей).
Содержание свинца и кадмия в почвах определяли на 90-е сутки (срок вегетации ячменя) после искусственного загрязнения в вытяжках 1М НС1 и ацетатно-аммонийным буфером (ААБ) с рН 4,8 методом атомно-адсорбционной спектрометрии. Содержание свинца и кадмия, определяемое в вытяжке 1М НС1, характеризует потенциально доступный, а в вытяжке ААБ - условно доступный или актуальный запас металлов в почвах. Агрохимические свойства почвы и активность окси-до-редуктаз определяли изложенными методами [8].
Результаты и их обсуждение. Исходная легкосуглинистая (ЛС) почва характеризовалась меньшей кислотностью и более высоким содержанием подвижного фосфора, чем тяжелосуглинистая (ТС), что дало нам возможность сравнить защитную роль агрохимических свойств и гранулометрического состава в отношении ферментативной активности почвы.
Обменная кислотность исходной легкосуглинистой почвы, выраженная в единицах рН - 6,8, тяжелосуглинистой - 5,9; обеспеченность подвижным фосфором и калием - 18,5 и 8,8 мг/100 г почвы против 9,6 и 5,1 мг соответственно. Внесение минеральных удобрений существенно изменило кислотно-основные характеристики легкосуглинистой почвы. Это связано с меньшей ЕКО и в целом с меньшей буферностью ЛС почвы - значение рН снизилось в среднем за два года на 0,8 ед. (НСР=0,56).
При загрязнении свинцом неудобренной легкосуглинистой почвы в потенциально доступной форме содержалось 57% от внесенного количества металла, в условно доступной форме -25% (табл. 1).
Плодородие 4*2008
This document was created using
43
Solid Converter PDF
1. Содержание свинца и кадмия (мг/кг почвы) в дерново-подзолистых почвах в вытяжках 1 М HCl (1) и ААБ (2), средние данные за два года
Вариант Легкосуглинистая Тяжелосуглинистая
1 2 1 2
Pb
0 25,0 1,6 30,5 6,5
Pb 187,3 83,5 169,1 86,1
NPK 20,0 4,3 24,0 8,9
NPK+Pb 173,5 94,7 167,1 79,3
Cd
0 0,01 0,00 0,02 0,00
Cd 3,39 2,6 3,21 2,36
NPK 0,08 0,00 0,19 0,1
NPK+Cd 3,22 2,38 3,31 2,13
При загрязнении свинцом удобренной легкосуглинистой почвы в потенциально доступной форме определилось 53% от внесенного количества металла, в условно доступной форме -29%. Количество свинца в условно доступной форме на легкосуглинистой почве имеет тенденцию быть выше при внесении удобрений (НСР=12,6). В загрязненной неудобренной и удобренной тяжелосуглинистой почве в потенциально доступной форме РЬ содержалось около 52% от внесенного при закладке опыта, в условно доступной 19-27%, что достоверно ниже, чем в легкосуглинистой. Таким образом, при загрязнении свинцом почвы более тяжелого гранулометрического состава, отмечается его более прочное связывание в неподверженные кислотному растворению соединения.
При загрязнении обеих неудобренных почв кадмием в потенциально доступной форме определялось около 66%, а в условно доступной форме 52 и 46% соответственно от внесенного количества. При внесении удобрений в загрязненные кадмием легко- и тяжелосуглинистую почвы в условно доступной форме обнаружено, соответственно, 47 и 42% от внесенного количества металла (НСР=0,18).
Таким образом, более тяжелая по гранулометрическому составу почва в целом прочнее удерживает кадмий, чем более легкая. Это связано с большим значением минералов илистой фракции в закреплении кадмия дерново-подзолистыми почвами. При внесении удобрений эта разница становится ещё сильнее, что может быть связано с большей подверженностью ЛС почвы комплексному подкисляющему действию минеральных удобрений [6], а закрепление кадмия, в свою очередь, сильно зависит также и от кислотного состояния почв. Ферменты класса оксидо-редуктаз играют важную роль в процессах превращения органических веществ в почве и служат показателем состояния ее биологических свойств (табл. 2).
2. Активность оксидо-редуктаз в легкосуглинистой (1) и тяжелосуглинистой (2) дерново-подзолистой почве
^т^паза (мл Дегидрогеназа Аскорбинатокси-
1M KMnO.,/^ (мг ТФФ/10 г даза (мг дегидро-
Вариант почвы за почвы за аскорбиновой
20 мин.) 24 часа) к-ты /10 г почвы)
1 2 1 2 1 2
Kонтроль Pb 1,6 1,3 1,5 1,5 5,0 3,8 6,3 3,8 78 82 44 42
Cd 1,3 1,5 3,7 3,5 66 83
NPK 1,3 1,3 5,3 5,8 84 80
NPK+Pb 1,4 1,5 4,2 3,6 78 89
NPK+Cd 1,4 1,4 3,9 3,3 84 81
НС? 0,2 0,8 16
Роль фермента каталазы в почвах заключается в разложении избыточного количества перекиси водорода, токсичной для растений и микроорганизмов. Показатели каталазной активности (КА) почвы могут быть использованы в качестве предварительной оценки воздействия неблагоприятных факторов, в частности, загрязнения ТМ на биологическую активность.
Каталазная активность неудобренной ЛС почвы под влиянием свинца и кадмия снизилась на 20%. Внесение МРК снизило КА. На этом фоне ТМ не оказали отрицательного влияния. Каталазная активность неудобренной и удобренной ТС
44
почвы при загрязнении свинцом и кадмием по сравнению с незагрязненными вариантами не снизилась. Таким образом, агрохимические свойства и более тяжелый гранулометрический состав оказали сравнимое защитное влияние на КА почвы при загрязнении ее ТМ.
В неудобренной тяжелосуглинистой почве каталазная активность под влиянием РЬ и С(( практически не изменилась. Влияние МРК было таким же, как на легкосуглинистой - абсолютная величина КА была ниже, чем в неудобренной почве. Наблюдали защитное действие полного минерального удобрения на этот фермент в загрязненной РЬ и С( почве.
Дегидрогеназы - ферменты, участвующие в процессе дыхания. Они отщепляют водород от окисляемых субстратов и переносят его на органические акцепторы типа хинонов, катализируя дегидрирование органических веществ. В почве активно действуют дегидрогеназы углеводов и органических кислот. Дегидрогеназная активность (ДА) почвы является показателем жизнедеятельности микроорганизмов и количества гумусовых веществ, поддающихся разложению микробами.
В неудобренной легкосуглинистой почве свинец и кадмий снизили ДА в сравнении с незагрязненным контролем в равной степени на 24-25%. Внесение МРК в почву легкого гранулометрического состава увеличило ДА по сравнению с контролем, что свидетельствует о защитной роли минеральных удобрений на проявление активности этого фермента.
В неудобренной тяжелосуглинистой почве дегидрогеназ-ная активность была выше, чем в соответствующих вариантах легкосуглинистой. Свинец и кадмий снизили ДА этой почвы на 29 и 40% соответственно. В незагрязненной тяжелосуглинистой почве удобрения уменьшили ДА по сравнению с контролем на 15%. При внесении МРК токсическое влияние свинца на ДА не изменилось, а кадмия - снизилось.
Аскорбинатоксидаза - аэробная дегидрогеназа, отщепляет водород от органических соединений и переносит на кислород воздуха с образованием воды. Активность аскорбинаток-сидазы (АА) в неудобренной легкосуглинистой почве при загрязнении свинцом снизилась на 43%. Загрязнение кадмием меньше угнетало фермент: снижение АА составило 15%. Внесение МРК оказало положительное, защитное влияние на активность фермента как при загрязнении свинцом, так и кадмием.
В тяжелосуглинистой почве аскорбинатоксидазная активность была приблизительно одинакова во всех вариантах опыта, исключение составляет вариант с внесением свинца на неудобренном фоне, где снижение активности фермента составило 35%. Аскорбинатоксидазная активность неудобренной и удобренной почвы более тяжелого гранулометрического состава выше, чем легкого. Загрязнение неудобренной почвы свинцом снизило аскорбинатоксидазную активность сильнее, чем кадмий; удобренная почва оказала протекторное влияние на аскорбинатоксидазную активность.
Выводы. При одинаковом уровне загрязнения свинцом легко- и тяжелосуглинистой почв условно доступное количество металла в них было примерно одинаково. При загрязнении кадмием тяжелосуглинистая почва в целом прочнее фиксирует металл, чем легкосуглинистая. При внесении минеральных удобрений условно доступное количество свинца и кадмия в почве более легкого гранулометрического состава возрастает и достоверно превышает таковые показатели в тяжелосуглинистой почве. На каталазную активность удобренной легкосуглинистой и тяжелосуглинистой почв свинец и кадмий не оказали отрицательного влияния.
Гранулометрический состав дерново-подзолистой почвы оказал на дегидрогеназную активность защитное влияние. Внесение полного минерального удобрения повысило дегид-рогеназную активность легкосуглинистой почвы. Загрязнение свинцом и кадмием снизило активность дегидрогеназы. Ас-корбинатоксидазная активность неудобренной и удобренной тяжелосуглинистой почвы выше, чем легкосуглинистой. Загрязнение неудобренной почвы свинцом снизило аскорбина-токсидазную активность сильнее, чем при загрязнении ее
This document was created using
Плодородие 4*2008
Solid Converter PDF
кадмием; удобренная почва оказала протекторное влияние на активность аскорбинатоксидазы.
Литература
1. Галиулин Р.В. Индикация загрязнения почв тяжелыми металлами путем определения активности почвенных ферментов. Агрохимия, 1989, № 11, С.133-142. 2. Госсе Д.Д., Голятина С.В. Динамика состояния тяжелых металлов в дерново-подзолистой почве и поступление их в растения. В кн. «Экологическая агрохимия», 2006, С.123-134. 3. Егоров В.С. Агроэкологическая оценка действия и последействия разных систем удобрения в агроценозах на дерново-подзолистых почвах. Ав-тореф.докт.дисс., М., 2006, 47 с. 4. Егоров В.С. Последействие разных
систем удобрения на состояние и баланс тяжелых металлов в дерново-подзолистой почве. В кн. «Роль почвы в биосфере» Тр. ИП МГУ-РАН, вып.2, 2002, С.167-182. 5. Егорова Е.В., Натенадзе Л.Ю. Оптимизация биологической активности дерново-подзолистой почвы, загрязненной кадмием. В кн. «Идеи В.В.Докучаева и современные проблемы развития природы и общества» Смоленск, 2006, С.59-64. 6. Карпова Е.А. Эколого-агрохимические аспекты длительного применения удобрений: состояние тяжелых металлов в агроэкосистемах. Автореферат д.б.н., Москва, 2006. 7. Минеев В.Г. «Агрохимия», изд-во МГУ-250 лет, 2006. 8. Практикум по агрохимии. Под ред. В.Г.Минеева, изд. 2-е, 2001. 9. Ха-зиев ФХ., Гулько А.Е. Ферментативная активность почв агроценозов и перспективы ее изучения. Почвоведение, 1991, № 8, С. 8-17.
Плодородие 4*2008
45
Solid Converter PDF
This document was created using
