CC BY
72
УДК 57.042
ФЕРМЕНТАТИВНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОСТАТКОВ В ПОЧВАХ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
DOI: 10.24411/1816-1863-2019-11075
о
Е. И. Новоселова, д. б. н, профессор к
Башкирского государственного о
университета, [email protected], о
Уфа, 1
О. О. Волкова, аспирант Башкирского государственного университета, [email protected], Уфа, Р. Р. Турьянова, к. б. н, доцент Башкирского государственного университета, [email protected], Уфа
Исследовали влияние тяжелых металлов I класса опасности на активность окислительно-восстановительных ферментов трех типов почв: чернозема обыкновенного, аллювиальной луговой и урбанозема, отобранных на территории Республики Башкортостан. В модельном лабораторном эксперименте в них изучалась динамика изменения активности пероксидазы и полифенолокси-дазы при внесении различных доз свинца и кадмия на 3, 90, 180 и 360 сутки с начала опыта. Показана высокая чувствительность пероксидазы и полифенолоксидазы, начиная с небольших доз металлов. В целом активность пероксидазы возрастала с увеличением содержания токсикантов, полифенолоксидазы — снижалась, что характеризует нарушение баланса трансформации органических остатков, протекающей с их участием, в загрязненных почвах относительно контрольных, усиливающееся с ростом дозы. По реакции активности пероксидазы на внесение свинца и кадмия, начиная с середины опыта, почвы можно расположить в следующий убывающий ряд: Аллювиальная > Чернозем > Урбанозем. В отношении полифенолоксидазы единой закономерности не выявлено. Рассчитан показатель, характеризующий направленность процессов трансформации органического вещества в почве, с участием этих ферментов, основанный на «коэффициенте гумификации», предложенном А. И. Чундеровой.
The effect of heavy metals of hazard class I on the activity of redox enzymes of three soil types: ordinary chernozem, alluvial meadow and urban soil, selected on the territory of the Republic of Bashkorstan, was investigated. In a model laboratory experiment, they studied the dynamics of changes in the activity of peroxidase and polyphenol oxidase upon the introduction of various doses of lead and cadmium at 3, 90, 180 and 360 days from the beginning of the experiment. The high sensitivity of peroxidase and polyphenol oxidase starting from small doses of metals was shown. In general, peroxidase activity increased with an increase in the content of toxicants, polyphenol oxidase — decreased, which characterizes the imbalance of the transformation of organic residues occurring with their participation in contaminated soils relative to the control, increasing with increasing doses. According to the reaction of perox-idase activity on the introduction of lead and cadmium, starting from the middle of the experiment, the soil can be placed in the following descending series: Alluvial > Black Soil > Urbanozem. With respect to polyphenol oxidase, no single pattern was found. The indicator characterizing the direction of the processes of transformation of organic matter in the soil, with the participation of these enzymes, based on the "coefficient of humification" proposed by A. I. Chonderova
Ключевые слова: тяжелые металлы, загрязнение, свинец, кадмий, почвенные ферменты, перок-сидаза, полифенолоксидаза, биодиагностика.
Key words: heavy metals, pollution, lead, cadmium, soil enzymes, peroxidase, polyphenol oxidase, biodiagnostics.
Одной из актуальных проблем современной экологии является увеличение площадей антропогенно-«угнетенных» почв вследствие загрязнения тяжелыми металлами (ТМ), что весьма актуально и для Республики Башкортостан, региону с хорошо развитой промышленностью по добыче, переработке и транспортировке полезных ископаемых [1]. Поступление ТМ в окружающую среду ведет к неизбежному загрязнению почвенного покрова,
они оказывают токсическое действие на биологическую активность почвы, ухудшают их физико-химические свойства и тем самым снижают плодородие [2—4]. Аккумулируясь живыми организмами, металлы включаются в биологический круговорот и, перемещаясь по пищевым цепям, затрудняют получение экологически чистой продукции.
Почвенная биота испытывает негативное действие тяжелых металлов не только
IK
О ^
m О ш
при высоких, но и при низких дозах загрязнения, которое можно уловить на самом нижнем уровне организации жизни — молекулярном, определяя активность внеклеточных почвенных энзимов [5]. Высокая чувствительность ферментов к антропогенному воздействию позволяет оценить степень влияния загрязнителей на почвенные процессы, протекающие с их участием [6, 7].
Воздействие ТМ на активность ферментов разных типов почв зависит от их буферных свойств и токсичности металлов [8, 9]. В связи с этим цель наших исследований: проведение сравнительного анализа влияния различных доз свинца и кадмия на активность пероксидазы и по-лифенолоксидазы трех типов почв в годовой динамике.
Модели и методы. В серии модельных экспериментов в лабораторных условиях изучали влияние монозагрязнения свинцом и кадмием, относящихся к I классу опасности, на активность пероксидазы (ПРО) и полифенолоксидазы (ПФО) среднесуглинистых почв: аллю-виально-луговой (А) (гумус — 6,9 %; рНн2о 6,5), чернозема обыкновенного (Ч) (гумус — 8,6 %; рНн2о 7,8) и урбанозема (У) (гумус — 5,6 %; рНН20 7,5) в годовой динамике.
Почвенные образцы для модельного эксперимента отбирали из горизонта 0— 20 см. Их предварительно очистили от механических примесей, просеяли через сито (3 мм) и увлажнили до 60 % от пол-
ной влагоемкости. Свинец и кадмий вносили в виде солей (РЬ(СНзСОО)2 '3^О, Сё(СНзСОО)2 '2^0), растворенных в воде, в дозах 5, 10, 20 и 40 мг/кг почвы. Активность ферментов определяли по методам, описанными Ф. Х. Хазиевым [10], на 3, 90, 180 и 360 сутки с начала эксперимента. Полученные результаты обрабатывались в программе Excel методом корреляционного анализа Пирсона и учитывали отличие опытных значений от контрольных, при р < 0,05.
Результаты и обсуждение. Окислительно-восстановительные ферменты играют важную роль в формировании гумусового потенциала почв [10, 11], участвуя на отдельных этапах трансформации органического вещества, в процессах разложения и синтеза органических соединений ароматического ряда. Их многообразие, количественное содержание и участие в трансформации органических веществ зависит от типа почв.
Загрязнение свинцом повышало активность пероксидазы в изучаемых почвах в течение первых трех сроков наблюдения, это является отражением интенсификации процессов разложения органических веществ с ростом дозы металла (рис. 1).
На 3 и 90 сутки этот процесс протекал активнее в черноземе обыкновенном, в меньшей степени в урбаноземе и аллювиальной почве. Полученную закономерность можно представить в виде убывающего ряда Ч > У > А. В дальнейшем на 180 и 360 сутки характер влияния свинца
3 суток
Ж ^ А^ А^
^ е/ ^ ^
180 суток
^ А^ # А^ А^ ^ <-/ г/ ^
90 суток
% 20 ■ 01
А -20 -
/ / ^ ^
-А
Ч -У
-А
4 -У
360 суток
76
Рис. 1. Процент изменения активности пероксидазы в почвах, загрязненных различными
дозами свинца:
Ч — чернозем обыкновенный; А — аллювиально-луговая почва; У — урбанозем
№1, 2019
s </ У У У
-А
Ч
3 суток
90 суток
%
100
50 0
# # # # Г ^ И
180 суток
-У ^ Л^ л^ л^
^ с/ е/ ^
360 суток
-А
Ч -У
CD О Ф
О
о -1
Рис. 2. Процент изменения активности пероксидазы в почвах, загрязненных различными
дозами кадмия:
Ч — чернозем обыкновенный; А — аллювиально-луговая почва; У — урбанозем
изменился, и последовательность почв имела следующий вид А > Ч > У (рис. 1).
С увеличением срока наблюдения загрязнение свинцом на 180 и 360 сутки активность фермента в урбаноземе была ниже по сравнению с двумя другими почвами, и на 360 сутки с ростом дозы она резко снижалась. Это может свидетельствовать о меньшей устойчивости пероксидазы в данной почве к длительному воздействию токсиканта, несмотря на то, что она представлена насыпным плодородным слоем почвы. Предположительно одной из причин снижения устойчивости фермента при длительном сроке загрязнения является нарушение генетической связи между горизонтами, так как исторически на этой территории были сформированы серые лесные почвы [12].
Кадмий на 3 сутки с начала эксперимента вызывал рост активности перокси-дазы в большей степени в опыте с черноземом и урбаноземом, по сравнению с аллювиальной. В последующие сроки на 90, 180 и 360 сутки активность фермента была выше в аллювиальной почве. На 90 и 180 сутки однозначной зависимости ее изменения в урбаноземе и черноземе не установлено (рис. 2).
Во время опыта активность фермента в почвах была представлена на 90 и 360 сутки следующим рядом А > Ч > У, за исключением вариантов с высокой дозой кадмия на 90 сутки.
Для урбанозема характерно снижение интенсивности процессов разложения
органических веществ относительно контроля на 360 сутки, как в опыте со свинцом, так и с кадмием (рис. 1, 2). Воздействие этих металлов на активность пе-роксидазы в изученных почвах совпадало на 3 (Ч > У > А), 180 (А > Ч > У) и 360 (А > Ч > У) сутки. Менее устойчивой к ним на 3 сутки была пероксидаза в аллювиальной почве, на 180 и 360 сутки — в урбаноземе (рис. 1, 2).
В целом установлена достоверная положительная корреляционная зависимость между активностью пероксидазы и дозой металлов в почвах, отрицательная в ур-баноземе на 360 сутки при воздействии свинца.
В отношении полифенолоксидазы выявлена обратная реакция по сравнению с пероксидазой при внесение свинца и кадмия. Ее активность в почвах ингибирова-лась в течение опыта (рис. 3, 4).
Не выявлено единого характера изменений в активности ПФО при воздействии свинца в почвах в период исследования по сравнению с ПРО. Ее максимальное подавление с увеличением дозы свинца установлено в черноземе на 3 и 180 сутки, в урбаноземе на 90 и 360; меньшее негативное воздействие в аллювиальной почве — на 3 и 90 сутки, в урбанозе-ме — на 180 (рис. 3).
Активность фермента в почвах в годовой динамике можно представить в следующих убывающих рядах: на 3 сутки А > У > Ч, на 90 — А > Ч > У, на 180 — У > А > Ч и на 360 — Ч > А > У. Большая
О ^
т О ш
активность ПФО в аллювиальной почве по сравнению с черноземом и урбанозе-мом на 3 и 90 сутки и промежуточное положение во второй половине эксперимента свидетельствуют о его лучшей устойчивости к загрязнителю в течение опыта в данной почве по сравнению с черноземом и урбаноземом.
В годовой динамике кадмий снижал активность ПФО в почвах (рис. 4).
По росту токсического эффекта металла на 90 и 180 сутки почвы располагались в ряд Ч > У > А. В начале и конце эксперимента токсичность была выше в урба-ноземе: на 3 сутки Ч > А > У, на 360 — А > Ч > У (рис. 4). Загрязнение почв кадмием выявило большую устойчивость
ПФО в черноземе по сравнению с урбаноземом и аллювиальной почвой.
Получена достоверная отрицательная корреляционная зависимость между активностью ПФО и дозой.
Направленность процессов трансформации органического вещества в почве, протекающих с участием этих ферментов, можно охарактеризовать с помощью коэффициента К, который рассчитывался по формуле К = ПФО/ПРО, основанной на «коэффициенте гумификации», предложенном А. И. Чундеровой [13].
Наименьшие значения коэффициента при внесении различных доз свинца на разных этапах эксперимента выявлены в черноземе и урбаноземе, что характеризу-
> ^ ^
180 суток
360 суток
Рис. 3. Процент изменения активности полифенолоксидазы в почвах, загрязненных
различными дозами свинца: Ч — чернозем обыкновенный; А — аллювиально-луговая почва; У — урбанозем
%
.А л^ А^
^ ^ ^ **
%
О
-10 -20 -30
%
О
-10 -20 -30
X/
3 суток
А^
/
А 0
Ч -20
У
-60
%
А 0
Ч -10
-20
У -30
180 суток
90 суток
360 суток
Рис. 4. Процент изменения активности полифенолоксидазы в почвах, загрязненных
различными дозами кадмия: Ч — чернозем обыкновенный; А — аллювиально-луговая почва; У — урбанозем
-А
Ч -У
-А
Ч
3 суток
J? У J?
90 суток
S S
-А
Ч -У
1,5 1
0,5 0
• -г
180 суток
J1* # # А^ А^ 360 суток
-А
Ч -У
Рис. 5. Коэффициент, характеризующий направленность процессов трансформации органического вещества в почвах, загрязненных различными дозами свинца: Ч — чернозем обыкновенный; А — аллювиально-луговая почва; У — урбанозем
' S//s
3 суток
-А
Ч -У
/VVVV
90 суток
-А
Ч -У
& # # Л^ ¿Ф
f J ^ ^ И
180 суток
& # # Л^ &
f J ^ ** И
360 суток
-А
Ч -У
Рис. 6. Коэффициент, характеризующий направленность процессов трансформации органического вещества в почвах, загрязненных различными дозами свинца: Ч — чернозем обыкновенный; А — аллювиально-луговая почва; У — урбанозем
Ф О Ф
О
О -1 S
ет смещение направленности процессов трансформации органического вещества в этих почвах в сторону интенсификации их разложения с ростом дозы загрязнения по сравнению с незагрязненной почвой (рис. 5).
Больший д исбаланс в соотношении активности ферментов вызвал кадмий в первые три срока наблюдения в урбаноземе, на 360 сутки его значения во всех почвах были примерно на одном уровне (рис. 6).
Из графиков на рисунках 5 и 6 следует, что различия в интенсивности этих процессов в почвах нивелируются к концу опыта с обоими металлами.
Заключение. Проведенные исследования в годовой динамике на разных ти-
пах почв показали высокую чувствительность ферментов к загрязнению свинцом и кадмием, начиная с минимальных доз, используемых в опыте. Установлена положительная корреляционная зависимость между ПРО (г = 0,51—0,99) и отрицательная между ПФО и дозой металлов (г = (-0,61) - (-0,99)), при р > 0,05. Полученные результаты могут являться основанием к использованию активности данных ферментов в качестве биодиагностического критерия загрязнения почв свинцом и кадмием.
В загрязненных почвах активность ПРО и ПФО проявлялась неоднозначно. Свинец и кадмий повышали пероксидазную активность с ростом их дозы во всех поч-
IK
О ^
m О ш
вах, что можно представить в следующих убывающих рядах на 3 сутки Ч > У > А, на 180 — А > Ч > У и 360 — А > Ч > У. Единой закономерности в отношении ПФО не установлено. Отличия в активности ферментов разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами, могут быть связаны с их генетическими особенностями и комплексом взаимодействующих факторов.
Изменение коэффициента трансформации органического вещества в загрязненных почвах относительно контроль-
ных свидетельствует о нарушении его баланса в загрязненных свинцом и кадмием почвах, которое усиливалось с ростом дозы. Показателем направленности этих процессов является снижение рассчитанного нами коэффициента. Он является отражением преобладания процессов распада органических веществ над их синтезом, протекающих при участии изученных энзимов, что в свою очередь ведет к изменению качественного состава органического вещества относительно контрольной почвы.
Библиографический список
1. Ахметшин Р. Р. Экологические проблемы Республики Башкортостан // Научно-практические исследования. — 2017. — № 4 (4). — С. 6—7.
2. Галиулин Р. В., Галиулина Р. А. Ферментативная индикация загрязнения почв тяжелыми металлами // Агрохимия. — 2006. — № 11. — С. 84—96.
3. Пляскина О. В., Ладонин Д. В. Загрязнение городских почв тяжелыми металлами // Почвоведение. — 2009. — Т. 42. — № 7. — С. 877—875.
4. Мосина Л. В., Довлетярова Э. А., Ефремова С. Ю., Норвосурэн Ж. Экологическая опасность загрязнения почвы тяжелыми металлами (на примере свинца) // Известия Пензенского государственного педагогического университета им. В. Г. Белинского Естественные науки. — 2012. — № 29. - С. 383-386.
5. Новоселова Е. И., Волкова О. О. Влияние тяжелых металлов на активность каталазы разных типов почв // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. — 2017. — № 2 (64). — С. 190—193.
6. Колесников С. И., Ярославцев М. В., Спивакова Н. А., Казеев К. Ш., Денисова Т. В., Даденко Е. В. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологические свойства горных черноземов юга России // Юг России: экология, развитие. — 2012. — № 2. — С. 103—109.
7. Даденко Е. В., Денисова Т. В., Казеев К. Ш., Колесников С. И. Оценка применимости показателей ферментативной активности в биодиагностике и мониторинге почв // Поволжский экологический журнал. — 2013. — № 4. — С. 385—393.
8. Швакова Э. В. Изменение активности уреазы при повышенных содержаниях тяжелых металлов (РЬ, 2п, Си) в почве // Вестник Северного (арктического) федерального университета. Серия: Естественные науки. — 2013. — № 2. — С. 61—66.
9. Ананьева Ю. С., Шпис Т. Э. Влияние загрязнения свинцом на биологические свойства чернозема выщелоченного // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. — 2010. — № 10 (72). — С. 29—32.
10. Хазиев Ф. Х. Методы почвенной энзимологии. — М.: Наука, 2005. — 252 с.
11. Щербакова Т. А. Ферментативная активность почв и трансформация органического вещества. — Минск: Наука и техника, 1983. — 220 с.
12. Япаров И. М. (гл. ред.) Атлас Республики Башкортостан. — Уфа: Китап, 2005. — 419 с.
13. Чундерова А. И. Активность полифенолоксидазы и пероксидазы в дерновоподзолистых почвах // Почвоведение. — 1970. — № 1. — С. 22—28.
ENZYMATIC TRANSFORMATION OF ORGANIC RESIDUES IN SOILS CONTAMINATED WITH HEAVY METALS
E. I. Novoselova, Dr. of Sc. (Biol.), Professor at the Bashkir State University, [email protected], Ufa,
O. O. Volkova, Graduate Student at the Bashkir State University, [email protected], Ufa, R. R. Turyanova, Ph. D. (Biol.), Associate Professor at the Bashkir State University, [email protected], Ufa
References
1. Ahmetshin R. R. Ekologicheskie problemi Respubliki Bashkortostan [Ecological problems of the Republic O of Bashkortostan] // Scientific and practical research. — 2017. — No. 4 (4). — P. 6—72 [in Russian]. K
1. Galiulin R. V., Galiulina R. A. Fermetativnaya indikatsiya zagryazneniya pochv tyazhelimi metallami § [Enzymatic indication of soil contamination with heavy metals] // Agricultural Chemistry. — 2006. — O No. 11. — P. 84—96 [in Russian]. f
1. Plyaskina O. V., Ladonin D. V. Zagryaznenie gorodskikh pochv tyazhelimi metallami [Pollution of urban soils with heavy metals] // Eurasian Soil Science. — 2009. — Vol. 42. — No. 7. — P. 877—875 [in Russian].
4. Mosina L. V., Dovletyarova E. A., Efremova S. Yu., Norvosuren Zh. Ekologicheskaya opasnost' zagryazneniya pochvi tyazhelimi metallami (na primere svintsa) [Ecological danger of soil contamination with heavy metals (using lead as an example)] // Proceedings of the Penza State Pedagogical University named after V. G. Belinsky. Series: Natural Sciences. — 2012. — No. 29. — P. 383—386 [in Russian].
5. Novoselova E. I., Volkova O. O. Vliyanie tyazhelikh metallov na aktivnost' katalazhi raznikh tipov pochv [Impact of heavy metals on catalase activity of different soil types] // Proceedings of the Orenburg State Agrarian University. — 2017. — No. 2 (64). — P. 190—193 [in Russian].
6. Kolesnikov S. I., Yaroslavcev M. V., Spivakova N. A., Kazeev K. Sh., Denisova T. V., Dadenko E. V. Vliyanie zagryazneniya tyazhelimi metallami na biologicheskie svoi'stva gornikh cgernozemov yuga Rossii [The impact of heavy metal pollution on the biological properties of the mountain chernozem of southern Russia]. South of Russia: ecology, development. — 2012. — No. 2. — P. 103—109 [in Russian].
7. Dadenko E. V., Denisova T. V., Kazeev K. Sh., Kolesnikov S. I. Otsenka primenimosti pokazatei' fer-mentotivnoi' aktivnosti v biodiagnostike b monitoring pochv [Evaluation of the applicability of enzyme activity indicators in bio-diagnostics and soil monitoring] // Volga ecological journal. — 2013. — No. 4. — P. 385—393 [in Russian].
8. Shvakova E. V. Izmenenie aktivnosti ureazi pri povishennikh soderzhaniyakh tyazhelikh metallov (Pb, Zn, Cu) v pochve [Changes in urease activity at elevated levels of heavy metals (Pb, Zn, Cu) in the soil] // Herald of the Northern (Arctic) Federal University. Series: Natural Sciences. — 2013. — No. 2. — P. 61—66 [in Russian].
9. Ananeva Yu. S., Shpis T. E. Vliyanie zagryazneniya svintsom na biologicheskie svoi'stva chernozema vit-shelochennogo [The influence of lead pollution on the biological properties of leached chernozem] // Herald of the Altai State Agrarian University. — 2010. — No. 10 (72). — P. 29—32 [in Russian].
10. Haziev F. H. Metodi pochvennoi' enzimologii [Methods of soil enzimology]. — Moscow: Nauka, 2005. — 252 p. [in Russian].
11. Sherbakova T. A. Fermetativnaya aktivnost' pochv i transformatsiya organicheskogo vetshestva. — Minsk: Science and Technology, 1983. — 220 p. [in Russian].
12. Yaparov I. M. (editor-in-chief) Atlas Respubliki Bashkhortostan [Atlas of the Republic of Bashkortostan]. — Ufa: Kitap, 2005. — 419 p. [in Russian].
13. Chunderova A. I. Aktivnost' polifenoloksidazi I peroksidazi v dernovopodzolistikh pochvakh [The activity of polyphenol oxidase and peroxidase in sod-podzolic soils] // Soil Science. — 1970. — No. 1. — P. 22—28 [in Russian].
81
№1, 2019
