CC BY
7
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ BIOLOGICAL SCIENCES
Научная статья УДК 631.46; 57.044
doi: 10.18522/1026-2237-2023-1-137-141
ИЗМЕНЕНИЕ АКТИВНОСТИ КАТАЛАЗЫ В ПОЧВАХ КРЫМА ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ МАЗУТОМ
Владимир Геннадьевич Гайворонский1^, Сергей Ильич Колесников2, Анна Андреевна Кузина3, Камиль Шагидуллович Казеев4
12•3•4 Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия
Аннотация. Оценено изменение активности каталазы основных почв Крымского полуострова при загрязнении мазутом. Установлено, что с увеличением степени загрязнения почв мазутом активность каталазы снижается. Построен ряд устойчивости основных почв Крыма к загрязнению мазутом по активности каталазы (почвы расположены по мере снижения их устойчивости): коричневые выщелоченные красноцветные (73) > черноземы неполноразвитые (65) = коричневые карбонатные (65) > темно-каштановые солонцеватые (60) > бурые лесные слабоненасыщенные (55) > черноземы остаточно-карбонатные (51) = черноземы южные (51). Установленная последовательность определяется степенью оструктуренности и биологической активности почв, влияющей на окислительные условия и скорость деструкции мазута в почве.
Ключевые слова: мазутное загрязнение, устойчивость почв, черноземы, коричневые почвы, бурые лесные почвы, Крымский полуостров
Благодарности: исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания в сфере научной деятельности № FENW-2023-0008, программы стратегического академического лидерства Южного федерального университета («Приоритет 2030», № СП-12-22-10), Президента РФ (МК-2688.2022.1.5 и НШ-449.2022.5).
Для цитирования: Гайворонский В.Г., Колесников С.И., Кузина А.А., Казеев К.Ш. Изменение активности каталазы в почвах Крыма при загрязнении мазутом // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2023. № 1. С. 137-141.
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY4.0). Original article
CHANGES IN CATALASE ACTIVITY IN CRIMEAN SOILS DUE TO FUEL OIL
CONTAMINATION
Vladimir Gennadievich GaivoronskySergei Ilyich Kolesnikov2, Anna Andreevna Kuzina3, Kamil Shagidullovich Kazeev4
'•2•3•4 Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia
2ko lesn iko v@sfedu. ru
4kazeev@sfedu. ru
© Гайворонский В.Г., Колесников С.И., Кузина А.А., Казеев К.Ш.2023
Abstract. The change in the activity of catalase in the main soils of the Crimean Peninsula under the contamination with fuel oil was estimated. It has been established that with an increase in the degree of soil contamination with fuel oil, the activity of catalase decreases. A series of resistance of the main soils of the Crimea to fuel oil pollution was built according to the activity of catalase (soils are arranged as their resistance decreases): brown leached red-colored (73) > incompletely developed chernozems (65) = brown calcareous (65) > dark chestnut solonetzic ( 60) > brown forest slightly unsaturated (55) > chernozems of residual carbonate (51) = southern chernozems (51). The established sequence is determined by the degree of structure and biological activity of soils, which affect the oxidative conditions and the rate of destruction of fuel oil in the soil.
Keywords: oil pollution, soil stability, chernozems, brown soils, brown forest soils, Crimean Peninsula
Acknowledgments: the research was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (No. FENV-2023-0008), the program of strategic academic leadership of the Southern Federal University ("Priority 2030", No. SP-12-22-10), the President of the Russian Federation (MK-2688.2022.1.5 and SH-449.2022.5).
For citation: Gaivoronsky V.G., Kolesnikov S.I., Kuzina A.A., Kazeev K.Sh. Changes in Catalase Activity in Crimean Soils due to Fuel Oil Contamination. Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2023;(1):137-141. (In Russ.).
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY4.0).
Разливы мазута чаще всего происходят в местах прохождения трубопроводов, при транспортировке, а также при использовании топочного мазута в качестве горючего для тепловых электростанций и котельных.
Нефтепродукты наносят большой ущерб почвенным и водным экосистемам [1]. Они представляют собой смесь органических соединений, имеющих низкую биодоступность, и относятся к потенциально мутагенным и канцерогенным веществам [2, 3].
В настоящее время на территории Крыма функционируют 17 котельных на мазутном топливе, при этом износ оборудования оценивается в 70-90 % [4].
Определение активности каталазы благодаря высокой чувствительности и информативности, простоте анализа, высокой скорости метода, малой трудоемкости относится к одному из результативных параметров биодиагностики состояния почв при оценке экотоксичности поллютантов [5].
Цель исследования - оценить изменение каталазной активности в основных типах и подтипах почв Крыма при загрязнении мазутом.
На территории полуострова Крым были отобраны почвы: черноземы (карбонатные, южные, неполноразвитые, темно-каштановые солонцеватые, бурые лесные слабоненасыщенные), коричневые (карбонатные, выщелоченные красноцветные). В таблице указаны характеристики перечисленных почв.
Для лабораторного моделирования загрязнения были отобраны образцы из слоя почвы 0-10 см, где накапливается основное количество загрязняющих веществ.
Загрязнение моделировали в лабораторных условиях. Мазут вносили в концентрации 1, 5, 10 % от массы почв. Такие концентрации мазута в почве и более отмечаются в местах его разлива [6].
Мазут вносили во влажную почву. Это связано с тем, что если сначала внести мазут в сухую почву, а затем добавить воду, то вода будет очень тяжело впитываться в загрязненную почву. После внесения мазута почву перемешивали, добиваясь равномерного загрязнения.
Ее инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре (+20-22 °С) и оптимальном увлажнении (60 % полной влагоемкости) в трехкратной повторности.
Активность каталазы определяли методом Галстяна [7, 8] через 30 сут после загрязнения. Установлено, что этот срок является наиболее информативным для оценки химического воздействия на почву [9].
Результаты исследования представлены на рисунке.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1 Местоположение и характеристики почв / Location and characteristics of soils
Почва Название почвы по [10] Экосистема Место отбора Координаты Содержание органического вещества, % рН Гранулометрический состав Численность бактерий, млрд/г Активность ката-лазы, мл О2/г/ мин Активность дегид-рогеназ, мг ТФФ/г/ 24 ч Обилие бактерий рода Azotobacte r, % обрастания
Черноземы оста-точно-карбонатные, Чок Leptic Chemo zems Skeletic Пашня Республика Крым, Бело-городский район, с. Крым-роза 45°3'44.70"N 34°21'51.60"E 3,1 7,8 Тяжело-суглинистый 5,4 8,9 19,3 100
Черноземы южные, Чю Haplic Chemo zems Pachic Пашня Республика Крым, Ленинский район, с. Горноста-евка 45°17'23.70"N 36°13'42.30"E 3,3 7,9 Тяжело-суглинистый 4,6 9,0 19,1 100
Темно-каштановые солонцеватые, Ктс Endosal ic Kastano zems Sodic Пашня Республика Крым, Ленинский район, с. Батальное 45°11'4.64"N 35°36'15.83"E 3,7 7,5 Тяжело-суглинистый 3,7 7,0 13,0 79
Коричневые карбонатные, К(к) Haplic Cambis ols Eutric Виноград-ник Республика Крым, г. о. Алушта, с. Кипарисное 44°36'19.74"N 34°21'15.06"E 1,7 7,8 Тяжело-суглинистый 3,5 6,9 10,9 49
Коричневые выщелоченные красно-цветные, К(в,кр) Haplic Cambis ols Eutric Мож-жеве-ловое редколесье Республика Крым, г. о. Ялта, заповедник «Мыс Мартьян» 44°30'34.70"N 34°14'53.55"E 6,8 6,9 Глинистый 8,1 11,7 18,6 56
Бурые лесные слабоне-насыщенные, Бл Haplic Cambis ols Eutric Буковый лес Республика Крым, Ангарский перевал 44°45'30.85"С 34°20'35.22"В 1,4 5,3 Тяжело-суглинистый 5,7 5,4 18,4 22
Черноземы неполно-развитые, Чн Mollic Leptoso ls Eutric Пашня Республика Крым, Симферополь-ский район, с. Трудовое 45° 0'44.44"N 34°12'41.18"E 2,6 7,9 Тяжело-суглинистый 4,5 7,7 13,3 100
120 100 80 60 40 20 0
Чок
Чю Ктс К(к) К(в,кр) Бл
Чн
□ Контроль
□ 1%
ш 10% еэ НСР05
Изменение активности каталазы в почвах Крыма при загрязнении мазутом / The change in catalase activity in the soils of the Crimea during contamination with fuel oil
В результате проведенных модельных опытов установлено, что загрязнение почв мазутом, как правило, снижает активность каталазы почв Крыма. Чем выше концентрация мазута в почве, тем сильнее ингибируется активность каталазы. Мазут обволакивает почвенные частицы, ограничивает доступ воздуха и блокирует работу окислительно-восстановительного фермента каталазы.
При сравнительной оценке степени снижения активности каталазы в результате мазутного загрязнения был получен ряд почв Крыма по степени их устойчивости к загрязнению мазутом (почвы расположены по мере снижения их устойчивости): коричневые выщелоченные красноцветные (73) > коричневые карбонатные (65) = черноземы неполноразвитые (65) > темно-каштановые солонцеватые (60) > бурые лесные слабоненасыщенные (55) > черноземы остаточно-карбонатные (51) = черноземы южные (51). Последовательность почв, отражающая степень снижения активности каталазы в результате загрязнения мазутом, во многом определяется оструктуренностью и биологической активностью (таблица), влияющими на воздухообмен и скорость деструкции мазута в почве. Подобная закономерность проявляется при загрязнении мазутом почв Северного Кавказа [11-13].
Выводы
1. Загрязнение мазутом снижает активность каталазы в почвах Крыма. Чем выше концентрация мазута в почве, тем сильнее ингибируется активность каталазы.
2. Получен ряд почв Крыма по степени их устойчивости к загрязнению мазутом (почвы расположены по мере снижения их устойчивости): коричневые выщелоченные красноцветные (73) > коричневые карбонатные (65) = черноземы неполноразвитые (65) > темно-каштановые солонцеватые (60) > бурые лесные слабоненасыщенные (55) > черноземы остаточно-карбонатные (51) = черноземы южные (51). Установленная последовательность определяется степенью оструктуренности и биологической активности почв, влияющей на окислительные условия и скорость деструкции мазута в почве.
Список источников
1. Yeung C. W., Law B.A., Milligan T.G., Lee K., Whyte L.G., Greer C. W. Analysis of bacterial diversity and metals in produced water, seawater and sediments from an offshore oil and gas production platform // Mar. Pollut. Bull. 2011. Vol. 62. Р. 2095-2105.
2. Janbandhu A., Fulekar M.H. Biodegradation of phenanthrene using adapter microbial consortium isolated from petrochemical contaminated environment // J. Hazard Mater. 2011. Vol. 187. Р. 333-340.
3. Souza E.C., Vessoni-Penna T.C., de Souza Oliveira R.P. Biosurfactant-enhanced hydrocarbon bioremedia-tion: an overview // Int. Biodeter. Biodegr. 2014. Vol. 89. Р. 88-94.
4. URL: https://crimea.ria.ru/20220208/kogda-v-krymu-perestanut-topit-uglem-i-mazutom-1122294523.html (дата обращения: 11.08.2022).
5. Колесников С.И., Татосян М.Л., Азнаурьян Д.К. Изменение ферментативной активности чернозема обыкновенного при загрязнении нефтью и нефтепродуктами в модельных экспериментах // Докл. Рос. академии с/х наук. 2007. № 5. С. 32-34.
6. Геннадиев А.Н., Пиковский Ю.И., Цибарт А.С., Смирнова М.А. Углеводороды в почвах: происхождение, состав, поведение (обзор) // Почвоведение. 2015. № 10. С. 1195-1209. Doi: 10.7868/S0032180X15100020.
7. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Акименко Ю.В., Даденко Е.В. Методы биодиагностики наземных экосистем. Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2016. 356 с.
8. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 с.
9. Kolesnikov S.I., Kazeev K.Sh., Akimenko Yu.V. Development of regional standards for pollutants in the soil using biological parameters // Environmental Monitoring and Assessment. 2019. Vol. 191. Р. 54402. https://doi.org/10.1007/s10661-019-7718-3.
10. World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. 4th ed. International Union of Soil Sciences (IUSS). Vienna, Austria, 2022. 234 p.
11. Колесников С.И., Гайворонский В.Г., Ротина Е.Н., Казеев К.Ш., Вальков В. Ф. Оценка устойчивости почв Юга России к загрязнению мазутом по биологическим показателям (в условиях модельного эксперимента) // Почвоведение. 2010. № 8. С. 995-1000.
12.Дауд Р.М., Колесников С.И., Минникова Т.В., Кузина А.А., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В. Оценка устойчивости почв аридных экосистем к химическому загрязнению. Ростов н/Д.; Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2021. 256 с. Doi: 10.18522/801273509.
13. Колесников С.И., Дауд Р.М., Кузина А.А., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В. Региональные нормативы содержания мазута варидных почвах Юга России // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2019. № 3. С. 25-29.
References
1. Yeung C.W., Law B.A., Milligan T.G., Lee K., Whyte L.G., Greer C.W. Analysis of bacterial diversity and metals in produced water, seawater and sediments from an offshore oil and gas production platform. Mar. Pollut. Bull. 2011;62:2095-2105.
2. Janbandhu A., Fulekar M.H. Biodegradation of phenanthrene using adapter microbial consortium isolated from petrochemical contaminated environment. J. Hazard Mater. 2011;187:333-340.
3. Souza E.C., Vessoni-Penna T.C., de Souza Oliveira R.P. Biosurfactant-enhanced hydrocarbon bioremedi-ation: an overview. Int. Biodeter. Biodegr. 2014;89:88-94.
4. Available from: https://crimea.ria.ru/20220208/kogda-v-krymu-perestanut-topit-uglem-i-mazutom-1122294523.html [Accessed 11th August 2022]. (In Russ.).
5. Kolesnikov S.I., Tatosyan M.L., Aznauryan D.K. Changes in the enzymatic activity of ordinary chernozem during contamination with oil and petroleum products in model experiments. Dokl. Rossiiskoi akademii sel'skokho-zyaistvennykh nauk = Russian Agricultural Sciences. 2007;(5):32-34. (In Russ.).
6. Gennadiev A.N., Pikovsky Yu.I., Tsibart A.S., Smirnova M.A. Hydrocarbons in soils: origin, composition, behavior (review). Pochvovedenie = Soil Science. 2015;(10):1195-1209, doi: 10.7868/S0032180X15100020. (In Russ.).
7. Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I., Akimenko Yu.V., Dadenko E.V. Methods of biodiagnostics of terrestrial ecosystems. Rostov-on-Don: SFU Press; 2016. 356 p. (In Russ.).
8. Zvyagintsev D.G., ed. Methods of soil microbiology and biochemistry. Moscow: Moscow State University Press; 1991. 304 p. (In Russ.).
9. Kolesnikov S.I., Kazeev K.S., Akimenko Y.V. Development of regional standards for pollutants in the soil using biological parameters. Environmental Monitoring and Assessment. 2019;191:54402, https://doi.org/10.1007/s10661-019-7718-3.
10. World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. 4th ed. International Union of Soil Sciences (IUSS), Vienna, Austria, 2022. 234 p.
11. Kolesnikov S.I., Gaivoronsky V.G., Rotina E.N., Kazeev K.Sh., Valkov V.F. Assessment of soil stability in the South of Russia to fuel oil pollution by biological indicators (in the conditions of a model experiment). Pochvovedenie = Soil Science. 2010;(8):995-1000. (In Russ.).
12. Daud R.M., Kolesnikov S.I., Minnikova T.V., Kuzina A.A., Kazeev K.Sh., Akimenko Yu.V. Assessment of soil stability of arid ecosystems to chemical pollution. Rostov-on-Don; Taganrog: SFU, Press; 2021. 256 p., doi: 10.18522/801273509. (In Russ.).
13. Kolesnikov S.I., Daud R.M., Kuzina A.A., Kazeev K.Sh., Akimenko Yu.V. Regional standards for the content of fuel oil in arid soils of the South of Russia. Zashchita okruzhayushchei sredy v neftegazovom komplekse = Environmental Protection in the Oil and Gas Complex. 2019;(3):25-29. (In Russ.).
Информация об авторах
B.Г. Гайворонский - кандидат биологических наук, доцент.
C.И. Колесников - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой экологии и природопользования.
А.А. Кузина - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник.
К.Ш. Казеев - доктор географических наук, профессор, директор Академии биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского.
Information about the authors
V.G. Gaivoronsky - Candidate of Science (Biology), Associate Professor.
S.I. Kolesnikov - Doctor of Science (Agricultural Science), Professor, Head of the Department of Ecology and Nature Management.
A.A. Kuzina - Candidate of Science (Biology), Senior Researcher.
K.Sh. Kazeev - Doctor of Science (Geography), Professor, Director of the Academy of Biology and Biotechnology.
Статья поступила в редакцию 29.08.2022; одобрена после рецензирования 25.10.2022; принята к публикации 02.03.2023. The article was submitted 29.08.2022; approved after reviewing 25.10.2022; accepted for publication 02.03.2023.
