Ферментативная активность почв района Новочеркасской ГРЭС Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

АГРОЭКОЛОГИЯ

ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ РАЙОНА НОВОЧЕРКАССКОЙ ГРЭС

Т.М. Минкина1, д.б.н., А.П. Полякова1, к.б.н., С.С. Манджиева1, к.б.н., О.Г. Назаренко2, д.б.н., С.Н. Сушкова1,1Южный федеральный университет, 2Донской ГАУ

Работа выполнена при финансовой поддержке проектов Министерства образования и науки Российской Федерации № 2.1.1/3819, ГК № 1.2.1/16.740.11.0054, ГК № 1.3.1/16.740.11.0232.

Проведены исследования ферментативной активности почв мониторинговых площадок района Новочеркасской ГРЭС. Четкой зависимости в изменении ферментативной активности почв от уровня техногенной нагрузки не установлено. Большие различия в активности рассмотренных ферментов наблюдались на различных по гранулометрическому составу почвах.

Ключевые слова: почва, ферментативная активность, загрязнение, тяжелые металлы.

В последнее время все чаще используют показатели биологической активности для определения экологического состояния агроценоза при загрязненности почв тяжелыми металлами. Под действием тяжелых металлов (ТМ) происходят нарушения в структуре комплекса почвенных микроорганизмов, что находит свое отражение в изменении уровня ферментативной активности почвы [3, 16]. Активность ферментов является сравнительно более чувствительным показателем биогенности почв, чем интенсивность микробиологических процессов, «дыхание почв», количество и состав микрофлоры и фауны [4]. Вместе с тем, влияние техногенных факторов на изменение ферментативной активности почв изучено недостаточно. Это выражается в противоречивости имеющейся информации, в которой отмечается либо усиление, ослабление или отсутствие изменений ферментативной активности после поступления в почву ТМ. Это связано с различиями в условиях проведения экспериментов, интенсивности загрязнения и длительности пребывания ТМ в почве.

Промышленное загрязнение в зависимости от интенсивности может вызвать как активизацию почвенных ферментов, так и их ингибирование. Однако ингибирование может проявляться не сразу после попадания в почву металлов, а по истечении времени. Особенно сильно ингибирующий эффект выражен при повышенных концентрациях поллютантов. Разные авторы наиболее чувствительными называют разные ферменты: инвертазу [5], дегидрогеназу [8,19], уреазу [18]. В отличие от высоких концентраций, низкие концентрации ТМ могут оказывать слабое стимулирующее действие на активность ферментов [12, 20]. Например, в ряде случаев повышение активности объясняется оптимизацией почвенных условий, в частности рН, которую создают металлы в совокупности с другими соединениями.

Сложность привлечения показателей ферментативной активности почв в оценке токсичности металлов в почве состоит в том, что условия проведения эксперимента должны быть максимально приближены к полевым [2]. В то же время, в природной обстановке даже через короткий промежуток времени может проявиться явление адаптации почвенных микроорганизмов к условиям загрязнения [11], что влечет за собой особые последствия. Адаптированные микроорганизмы и, соответственно, данные по ферментативной активности могут искажать результаты процедуры диагностирования загрязнения почвы, тогда когда оно на самом деле есть и отрицательно влияет на почвенные процессы. Поэтому при определении токсического действия ТМ на живые организмы важно учитывать не только их общее содержание в почве, но и, что более важно, подвижность металлов в почвах. Таким образом, продолжение работ по данному направлению представляется весьма актуальным.

В статье приведены результаты изучения ферментативной активности почв, находящихся под воздействием аэрозольных выбросов ОАО "Новочеркасской ГРЭС (Нч ГРЭС).

Методика. В 2000 г. были заложены десять мониторинговых площадок, расположенных на разном удалении от ГРЭС (1-20 км). Площадки мониторинга располагались на участках целины или залежи на различных по гранулометрическому составу почвах. Свойства почв мониторинговых площадок, валовое содержание в них ТМ, а также численность микроорганизмов, интенсивность дыхания почв и методы определения опубликованы в предыдущем номере журнала [15].

В данной работе оценивали биологическую активность почв по ферментативной активности, а именно активности каталазы, уреазы, инвертазы. Из выбранных для анализа ферментов особый интерес представляла каталаза, поскольку этот фермент обнаруживается у всех аэробов и факультативных анаэробов, составляющих основную часть микробоценозов. Ферментативную активность определяли по общепринятым методикам [13].

Результаты и их обсуждение. По степени обеспеченности ферментами незагрязненные ТМ почвы мониторинговых площадок № 9, 10, находящиеся на расстоянии 15-20 км от Нч ГРЭС, можно охарактеризовать как среднеобеспеченные [9] каталазой и уреазой, и очень бедные инвертазой (табл. 1). В черноземе обыкновенном площадок № 4, 5 и 6, наиболее близко расположенных по линии генерального направления от НчГРЭС, наблюдается уменьшение каталазной и инвертаз-ной активности и тенденция к уменьшению уреазной активности по сравнению с активностью данных ферментов на наиболее удаленных аналогичных почвах (пл. № 9, 10).

1. Ферментативная активность почв мониторинговых площадок района НчГРЭС (2007 г.)

(Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках — ЧО-ТС; Аллювиаль-но-луговая карбонатная слабогумусированная песчаная на аллювиальных отложениях — АЛ-Пс; Лугово-черноземная пойменная мало-гумусная легкоглинистая на аллювиальных отложениях — ЛЧ-Лг; Лугово-черноземная среднемощная малогумусная тяжелосуглинистая на лессовидных суглинках-ЛЧ-ТС)

№ площадки, расстояние от источника, км, направление Тип, подтип почвы Каталаза, мл О2/г почвы Уреаза, мгМИ4+/10 г почвы Инвертаза, мг глюкозы/г почвы

1. 1,0 СВ ЧО-ТС 5,0±1,7 28,4±30 1,62±0,04

2. 3,0 ЮЗ АЛ-Пс 7,0±1,0 14,4±3,2 3,73±0,08

3. 2,7 ЮЗ ЛЧ-Лг 8,3±2,4 20,1±2,0 1,09±0,02

4. 1,6 СЗ ЧО-ТС 4,0±0,05 21,9±3,3 1,71±0,3

5. 1,2 СЗ ЧО-ТС 3,4±0,4 22,7±3,7 2,11±0,5

6. 2,0 ССЗ ЛЧ-ТС 3,6±0,09 20,7±2,5 1,10±0,08

7. 1,5 С ЧО-ТС 4,9±1,0 22,0±1,3 1,97±0,4

8. 5,0 СЗ ЛЧ-ТС 8,4±1,1 23,4±4,5 1,09±0,07

9. 15,0 СЗ ЧО-Тс 4,0±0,3 25,6±5,0 1,45±0,09

10. 20,0 СЗ ЧО-ТС 5,1±0,7 23,1±2,8 2,56±0,06

НСР05 1,1 4,5 0,4

Причиной снижения ферментативной активности почв под действием повышенных концентраций ТМ может служить

как прямое ингибирование каталитической активности энзимов, их частичная или полная инактивация, так и задержка синтеза ферментов микроорганизмами при подавлении их роста [3, 10, 17]. Ингибирование ферментативной активности почвы ТМ происходит также вследствие их реагирования с субстратом, энзим-субстратным комплексом или самим энзимом [7].

Ионы металлов ингибируют ферментативные реакции, образуя комплексы с субстратом путем соединения с активной группой ферментов или путем реакции с комплексом фермент-субстрат [1].

Наибольшая каталазная активность наблюдалась в лугово-черноземных почвах (пл. № 3, 8). При приближении к НчГРЭС каталазная активность уменьшается (пл. № 6). Снижение каталазной активности отмечено в аллювиально-луговой почве (пл. № 2). Несмотря на то, что аллювиально-луговая песчаная почва площадки № 3 испытывает сходный техногенный прессинг с лугово-черноземной легкоглинистой почвой площадки № 2 из-за близости расположения от

В целом в исследуемых образцах активность уреазы отличалась мало и колебалась в пределах 20-23 МН4+/10 г. Вероятно, на активность уреазы влияет численность микро- и ме-зофауны, а также других представителей животного мира, обитающих на данной территории и являющихся поставщиками специфического субстрата для данного фермента. В отличие от рассмотренных ферментов, наибольшая активность инвертазы отмечается в аллювиально-луговой почве и наименьшая - в лугово-черноземной (пл. № 3, 8). Данные по корреляционной зависимости между ферментативной активностью и свойствами почв приведены в таблице 2. Установлена высокая корреляционная зависимость между каталазной активностью и емкостью катионного обмена. Рассчитанный коэффициент корреляции показывает очень тесную отрицательную зависимость между содержанием физической глины и ила в почвах и активностью инвертазы (г = -0,9).

Нами не выявлено четкой зависимости активности ферментов от степени техногенной нагрузки на систему, что может быть объяснено влиянием следующих факторов. 1. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах на некоторых площадках мониторинга лишь незначительно превышает соответствующие им ПДК (табл. 3).

3. Содержание подвижных форм ТМ в 0-20 см слое почв _мони торинговых площадок, мг/кг (2007 г.)_

№ площад-

ки, направ-

ление и расстояние Мп Сг 7п N1 Си РЬ са

от источни-

ка, км

1. 1,0 СВ 21 3,5 10,6 2,1 2,4 3,6 0,03

2. 3,0 ЮЗ 29 2,3 11,4 1,7 3,6 2,1 0,03

3.2,7 ЮЗ 17 1,8 4,5 1,4 1,9 1,7 0,02

4. 1,6 СЗ 61 6,9 15,6 3,5 4,5 6,6 0,15

5. 1,2 СЗ 68 7,0 24,9 3,7 3,5 6,2 0,19

6. 2,0 ССЗ 51 4,9 12,7 2,9 3,7 4,6 0,14

7. 1,5 С 28 3,8 5,3 1,8 1,3 3,3 0,03

8. 5,0 СЗ 20 2,6 14,2 1,5 3,2 2,9 0,02

9. 15,0 СЗ 12 1,9 2,0 0,6 1,0 1,0 0,01

10. 20,0 СЗ 10 1,7 1,2 0,6 0,7 3,0 0,01

НСР05 3,4 0,3 0,5 0,2 0,3 0,3 0,01

ПДК 700 6,0 23 4,0 3,0 6,0 0,05

В проведенных нами ранее [14] исследованиях в условиях модельного лабораторного эксперимента существенное сни-

НчГРЭС, различия в показателях ферментативной активности у них более выраженные по сравнению со всеми исследуемыми почвами мониторинговых площадок. Данный факт доказывает значительное влияние свойств почв на каталазную активность. Это обусловлено тем, что ферменты, как белковые вещества обладают некоторой лабильностью, связанной с гибкостью их структуры и локальным состоянием активного центра, поэтому их каталитическая активность существенно зависит от условий, в которых протекают ферментативные реакции [6].

Уреазная активность лугово-черноземных почв (пл. № 3, 8) несколько ниже активности данного фермента в черноземе обыкновенном. Наименьшей уреазной активностью среди исследуемых почв обладают аллювиально-луговые почвы (пл. № 2), что связано с очень низким показателем численности микромицетов в данной почве, так как продуктом жизнедеятельности грибов является мочевина - субстрат для работы данного фермента, а также с высокой численностью актино-мицетов - потребителей аммиака.

жение ферментативной активности наблюдали лишь при внесении 300 мг/кг Си, 2п и РЬ в чернозем обыкновенный. Наблюдали снижение целлюлозоразлагающей активности, активности инвертазы и уреазной активности при внесении РЬ, соответственно, на 17%, 58% и 27%, при внесении Си снижение биохимической активности составило, соответственно, 28, 68 и 30%, а при внесении 2п - 49, 44 и 31%. По данным мониторинговых наблюдений и лабораторного эксперимента уреаза является менее чувствительным ферментов по сравнению с инвертазой и каталазой. 2. В условиях длительного многолетнего поступления ТМ с аэрозольными выбросами НчГРЭС (более, чем 45-летний период работы станции) возможно проявление адаптации микроорганизмов к загрязнению почв. В модельном же лабораторном эксперименте в течение всего периода наблюдений (30-360 дней) отмечали стабильное ингибирование микробиологической активности почвы. 3. Проявление ферментативной активности почв зависит не только от уровня техногенной нагрузки, но и от химических свойств почв. Химические свойства почв оказывают как прямое влияние на активность ферментов, так опосредованное, путем прочного закрепления ТМ в почве.

Таким образом, полученные результаты позволяют говорить лишь о тенденции ингибирующего действия ТМ на ферментативную активность почв. Значительные отличия ферментативной активности отмечали в почвах, различающихся по своим физико-химическим характеристикам. Наиболее тесная корреляция установлена между показателями ферментативной активности и гранулометрическим составом почв. В целом, по результатам изучения микробиологической и ферментативной активности почв техногенных территорий можно заключить, что выбор биологического индикатора загрязнения почв требует проведения дополнительных исследований.

Литература

1. Асеева И.В., Бабьева И.П., Марфенина О.Е., Умаров М.М. Тяжелые металлы как фактор антропогенного воздействия на почвенную мик-робиоту. // Микроорганизмы и охрана почв. М.: МГУ, 1989. С. 5-47.

2. Благодатская Е.В., Пампура Т.В., Мякшина Т.Н., Демьянова Е.Г. Влияние свинца на дыхание и биомассу микроорганизмов серой лесной почвы в многолетнем полевом эксперименте // Почвоведение, 2006. № 5. С. 559-568. 3. Галиулин Р.В., Галиулина Р.А. Ферментативная индикация загрязнения почв тяжелыми металлами // Агрохимия. 2006. № 11. С. 84-95. 4. Галстян А.Ш. Унификация методов определения активности ферментов почв // Почвоведение. 1978. № 2. С. 107-114. 5. Григорян К.В. Экологическая оценка компоненте биоценоза по активности ферментов почв в условиях техногенного загряз-

Свойства почвы--'''^ Ферменты Физ. глина Ил Гумус СаС03 рн №Н4+ Р2О5 К2О Са2++ Mg2+ ЕКО

% мг/100 г мг-экв/100 г

Каталаза 0,5 0,6 0,6 - -0,5 -0,6 0,7 - 0,7 0,7

Уреаза 0,6 0,6 0,5 - - - 0,5 - 0,5 0,5

Инвертаза -0,9 -0,9 -0,8 - - - -0,8 - -0,8 -0,8

нения: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. М.: МГУ, 1990. 32 с. 6. Диксон М., Уэбб Э. Ферменты. М.: Мир, 1982. 345 с. 7. Егорова Е.В., Касатиков В.А., Фокин С.А. Влияние осадка сточных вод на уреаз-ную активность дерново-подзолистой почвы // Вест. Моск. Ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2001. № 1. С. 32-35. 8. Ефремова Л.Л., Обухов А.И., Дерябин Н.Ф. Реакция растений на повышенное содержание свинца в почвах. // Экотоксикология и охрана природы. Рига, 1988. С. 67-69. 9. Звягинцев Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей // Почвоведение. 1978. № 6. С. 4854 10. Кобзев В.А. Взаимодействие загрязняющих почву тяжелых металлов и почвенных микроорганизмов (обзор) // Загрязнение атмосферы, почвы и растительного покрова. Вып. 10 (86). М.: Гидроме-теоиздат, 1980. С. 51-66. 11. Ковалевский А.Л. Биогеохимические поиски рудных месторождений. - М.: Недра, 1974. - 144 с. 12. Краснова И.М. Активность почвенных ферментов в условиях техногенного загрязнения. // Химия в с.-х. 1982. №3.С. 28-30. 13. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред Д.Г.Звягинцева.- М.: Изд-во МГУ, 1991. - 304 с. 14. Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Наза-ренко О.Г. Взаимодействие тяжелых металлов с органическим веще-

ством чернозема обыкновенного // Почвоведение. 2006. № 7. С. 804811. 15. Минкина Т.М., Полякова А.П., Манджиева С.С., Назаренко О.Г., Антоненко Е.М. Микробиологическая активность почв, прилегающих к Новочеркасской ГРЭС. Плодородие. 2010. №°6.-С. 40-42. 16. Паникова Е.Л., Перцовская А.Ф. Влияние тяжелых металлов на ферментативную активность почвы // Микроорганизмы как компонент биогеоценоза. Алма-Ата, 1982. С. 103-104. 17. Селивановская С.Ю., Киямова С.Н., Латыпова В.З., Алимова Ф.К. Влияние осадков сточных вод, содержащих металлы, на микробные сообщества серой лесной почвы // Почвоведение. 2002. № 5. С. 588 - 594. 18. Hertkort-Obst U., Frank H.K. Hemmtest mit Bacillus stearothermophilus in vivo und Urease in vitro - zwei einfache, schenelle und billige Verfahren zur toxikologischen Voruntersuchung von Wasser proben // Forum Mikrobiol. 1980. Bd 3, №2 6, S. 376-378. 19. Rogers J.E., Li S.W. Effect of metals and other inorganic ions on soil microbial activity: soil dehydrogenase assay as a simple toxicity test // Bull. Environ. Contam. a. Toxicol. 1985. Vol. 34, N° 6. P. 858-865. 20. Wainwright M. Effect of exposure to atmospheric pollution on microbial activity in soil. // Plant Soil. 1980. Vol.55. P.199-204.

ENZYMATIC ACTIVITY OF SOILS IN THE REGION OF THE NOVOCHERKASSK STATE DISTRICT POWER PLANT

T.M. Minkina1, A.P. Polyakova1, S.S. Mandzhieva1, O.G. Nazarenko2, S.N. Sushkova1 1Southern Federal University, ul Bol'shaya Sadovaya 105/42, Rostov-on-Don, 344006 Russia, 2Don State Agrarian University, Persianovskii, Oktyabr'skii raion, Rostov oblast, 364493 Russia,

e-mail: [email protected]

The enzymatic activity of soils on monitoring plots in the region of the Novocherkassk power station was studied. No clear relationship between the changes of enzymatic activity and the technogenic load was found. Higher differences in enzymatic activity were observed between the soils with different textures. Keywords: soil, enzymatic activity, pollution, heavy metals.