CC BY
44
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE. 2019. No. 2
УДК 631.46; 57.044 DOI 10.23683/0321-3005-2019-2-106-111
ИЗМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СЕРОПЕСКОВ ПОСЛЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НАНОЧАСТИЦАМИ Cu, Zn И Ni*
© 2019 г. А.Н. Тимошенко1, С.И. Колесников1, К.Ш. Казеев1, Ю.В. Акименко1
1Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия
THE CHANGE IN THE BIOLOGICAL INDICATORS OF GRAY SAND AFTER CONTAMINATION WITH NANOPARTICLES Cu, Zn AND Ni
A.N. Tymoshenko1, S.I. Kolesnikov1, K.Sh. Kazeev1, Yu.V. Akimenko1
1Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia
Тимошенко Алена Николаевна - аспирант, кафедра экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, Южный федеральный университет, пр. Стачки, 194/1, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: [email protected]
Колесников Сергей Ильич - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, Южный федеральный университет, пр. Стачки, 194/1, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, е-mail: [email protected]
Казеев Камиль Шагидуллович - доктор географических наук, профессор, кафедра экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, Южный федеральный университет, пр. Стачки, 194/1, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, е-mail: [email protected]
Акименко Юлия Викторовна - кандидат биологических наук, доцент, кафедра экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, Южный федеральный университет, пр. Стачки, 194/1, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, е-mail: akimen-kojuliya@mail. ru
Alena N. Tymoshenko - Postgraduate, Department of Ecology and Natural Management, Ivanovsky Academy of Biology and Biotechnology, Southern Federal University, Stachki Ave, 194/1, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: aly9215@mail. ru
Sergei I. Kolesnikov - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Head of Ecology and Natural Management Department, Ivanovsky Academy of Biology and Biotechnology, Southern Federal University, Stachki Ave, 194/1, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: [email protected]
Kamil Sh. Kazeev - Doctor of Geography, Professor, Department of Ecology and Natural Management, Ivanovsky Academy of Biology and Biotechnology, Southern Federal University, Stachki Ave, 194/1, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: [email protected]
Yuliya V. Akimenko - Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Department of Ecology and Natural Management, Ivanovsky Academy of Biology and Biotechnology, Southern Federal University, Stachki Ave, 194/1, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: [email protected]
Быстрое развитие и применение нанотехнологий привели к растущей обеспокоенности экологическими последствиями выпущенных наноматериалов и потенциальным рискам. Информация о воздействии наноматериалов на окружающую среду, в том числе на почву, по-прежнему недостаточна. Лабораторное исследование показало, что загрязнение серопесков наночастицами меди, никеля и цинка ухудшает их биологические свойства: снижаются общая численность бактерий и обилие бактерий рода АоШЬа^ег, активность каталазы, дегидрогеназ, всхожесть семян и длина корней редиса. Наиболее сильное воздействие оказали наночастицы меди, наименее токсичны наночастицы никеля.
Стимулирующего действия исследуемых веществ на биологические свойства серопесков не обнаружено.
В наибольшей степени ухудшаются микробиологические и фитотоксические свойства серопесков. Ферментативная активность менее чувствительна к загрязнению наночастицами меди, цинка и никеля.
Ключевые слова: наночастицы, серопески, токсичность, почва, чувствительность, устойчивость.
* Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (5.5735.2017/8.9) и гранта Президента Российской Федерации (НШ-3464.2018.11).
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2019. No. 2
The rapid development and application of nanotechnology has led to growing concern about the environmental impacts of released nanomaterials and potential risks. Information on the impact of nanomaterials on the environment, including soil, is still insufficient. The laboratory study showed that the contamination of gray sand with copper, nickel and zinc nanoparticles worsens their biological properties: the total number of bacteria, the abundance of bacteria of the genus Azotobacter, catalase activity, dehydrogenase activity, seed germination and the length of radish roots are reduced. The strongest effect of nanopar-ticles of copper was the least toxic of the nickel nanoparticles.
Stimulating action of the test substances on the biological properties of gray sand was not observed.
To the greatest extent deteriorated microbiological, andphytotoxic properties of gray sand, and enzymatic activity is less sensitive to contamination by nanoparticles of copper, zinc and nickel.
Keywords: nanoparticles, gray sand, toxicity, soil, sensitivity, stability.
Введение
В последние годы все большее распространение получает развитие отрасли нанотехнологий. В связи с тем, что наноматериалы являются новым классом продукции, характеристика их потенциальной опасности для здоровья человека и состояния среды обитания является крайне актуальной. Инженерные на-ночастицы уже широко используются в электронике, пищевых технологиях, энергетике фармацевтических препаратов. Их оценочная глобальная рыночная стоимость €20 млрд [1]. Хотя наночастицы имеют много полезных применений, есть опасения по поводу того, что может произойти в случае попадания их в окружающую среду. Одним из основных рецепторов наночастиц является почва. Однако о возможном воздействии наночастиц на химические, физические и биологические свойства почв известно на настоящий момент немного.
Проблеме оценки влияния наночастиц на компоненты окружающей среды посвящается все больше работ. Исследовано влияние нанопорошков на растения [2-5], животных [6-9], бактерии [10-13]. Влияние наночастиц на ферменты исследовано в меньшей степени [14-16].
Цель исследования - сравнение устойчивости биологических показателей серопесков после загрязнения наночастицами Си, 2п и N1.
Объекты и методы исследования
Были проведены лабораторные модельные эксперименты по загрязнению чернозема обыкновенного супесчаного (серопесков) наночастицами меди, никеля и цинка. Почва отобрана из пахотного слоя (0-25 см) чернозема (Россия, Ростовская область, ст. Верхнекундрюченская, 47°46'0.57"№ 40°51'41.69"Е).
Серопески характеризуются средним содержанием гумуса в верхнем горизонте - 2,3 %, нейтральной реакцией среды - рН = 6,8, супесчаным грану-
лометрическим составом, плохой оструктуренно-стью, средней биологической активностью. Общая численность бактерий - 2,6 млрд/г почвы, активность каталазы - 4,0 мл О2/г почвы за 1 мин, активность дегидрогеназы -12,3 мг ТФФ/10 г почвы за 24 ч, обилие бактерий рода Azotobacter - 100 % комочков обрастания.
Нанопорошки Си, № и Zn вносили в почву в концентрациях 100, 1000 и 10000 мг/кг.
Загрязненную почву инкубировали в пластиковых сосудах при комнатной температуре (20 -22 °С) и оптимальном увлажнении (60 % от полевой влагоемкости). Повторность - трехкратная. Биологические свойства серопесков определяли через 10 сут после загрязнения.
После инкубации всю массу почвы извлекали из вегетационного сосуда и перемешивали; тем самым получали средний образец, из которого отбирали пробы на определение биологических показателей -по 3 пробы из каждого сосуда.
Определяли общую численность бактерий, обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы и дегидрогеназ, фитотоксические свойства почвы. Общую численность бактерий в почве учитывали методом люминесцентной микроскопии (п = 720: 3 инкубационных сосуда с почвой х 3 образца почвы х4 квадратных сантиметра на предметных стеклах х20 полей зрения); Azotobacter - методом комочков обрастания на среде Эшби (п = 180: 3 инкубационных сосуда с почвой х 3 образца почвы в чашках Петри х 20 комочков обрастания); активность каталазы - по скорости разложения перекиси водорода (п = 36: 3 инкубационных сосуда с почвой х 3 образца почвы х 4 аналитические повторности); активность дегид-рогеназ - по скорости превращения хлорида трифе-нилтетразолия в трифенилформазан (п = 36: 3 инкубационных сосуда с почвой х 3 образца почвы х 4 аналитические повторности); о фитотоксичности почв судили по всхожести семян редиса (п =180: 3 инкубационных сосуда с почвой х 3 образца почвы в чашках Петри х 20 семян редиса).
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 2
Результаты исследования и их обсуждение
Загрязнение серопесков наночастицами Си, № и Zn во всех вариантах эксперимента вызвало ухудшение биологических свойств (рис. 1). Снижались все биологические показатели: общая численность бактерий, обилие бактерий рода Azotobacter, активность ка-талазы и дегидрогеназ, всхожесть семян редиса. Степень ухудшения биологических свойств зависела от концентрации веществ в почве и от природы металла. Наиболее чувствительными к загрязнению на-ночастицами меди оказались фитотоксические показатели (всхожесть и длина корней редиса), наименее -ферментативные свойства серопесков (активность ка-талазы и дегидрогеназ).
Наночастицы цинка оказали чуть меньшее влияние на биологические свойства серопесков, чем наноча-стицы меди. Наиболее сильно загрязнение наноча-стицами цинка повлияло на фитотоксические (всхожесть и длина корней редиса) и микробиологические свойства (общая численность бактерий и обилие бактерий рода Azotobacter).
Наночастицы никеля оказали также негативное влияние на биологические свойства серопесков. Наиболее сильно снизились при этом, как и в случаях загрязнения наночастицами меди и цинка, всхожесть и длина корней редиса, а также общая численность бактерий. Активность ферментов снижалась в наименьшей степени.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
80
30
Активность дегидрогеназ
Всхожесть редиса
Длина корней редиса
I 100 мг/кг
11000 мг/кг
а / а
10000 мг/кг
НСР0,05
Активность дегидрогеназ
Всхожесть редиса
Длина корней редиса
100 мг/кг
1000 мг/кг
б / b
10000 мг/кг
НСР0,05
Обилие бактерий Azotobacter
I контроль □ 100 мг/кг
Активность катал азы
Активность дегидрогеназ
Длина корней редиса
11000 мг/кг ■ 10000 мг/кг В / c
НСР0,05
Рис. 1. Влияние наночастиц меди (а), цинка (б), никеля (в) на биологические показатели серопесков, % от контроля / Fig. 1. The effect of copper (a), zinc (b), nickel (c) nanoparticles on biological indicators of gray sand, % of control
контроль
контроль
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
На основе вышеперечисленных биологических показателей определяется интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы [17], дающий информативную картину протекающих в почве биологических процессов и её экологического состояния (рис. 2).
100 80 60 40 20 0
иии
Cu Zn Ni
I Контроль И100 мг/кг ■ 1000 мг/кг ■ 10000 мг/кг
Рис. 2. Влияние загрязнения серопесков наночастицами Ni,
Zn и Cu на ИПБС, % от контроля / Fig. 2. The impact
of gray sand pollution by nanoparticles of Ni, Zn and Cu on the IPBS, % of control
Наибольшее влияние на ИПБС серопесков оказали наночастицы меди, несколько меньшее воздействие вызвали наночастицы Zn, а наночастицы Ni проявили наименее существенное влияние на биологические свойства серопесков.
Заключение
В результате загрязнения серопесков наночастицами меди, цинка и никеля происходит ухудшение их биологических свойств: снижаются общая численность бактерий и обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы и дегидрогеназ, всхожесть семян и длина корней редиса. Наиболее сильное воздействие оказали наночастицы меди, наименее токсичны наночастицы никеля.
Стимулирующего действия исследуемых веществ на биологические свойства серопесков не наблюдалось. Это свидетельствует о высокой токсичности наночастиц меди, цинка и никеля, большей, чем водорастворимых солей и оксидов этих металлов.
В наибольшей степени ухудшаются микробиологические и фитотоксические свойства серопесков, а ферментативная активность менее чувствительна к загрязнению наночастицами меди, цинка и никеля.
Литература
1. Policy issues. URL: http://ec.europa.eu/research/in-dustrial_technologies/policy_en.htm (дата обращения: 20.02.2019).
NATURAL SCIENCE. 2019. No. 2
2. Райкова А.П., Паничкин Л.А., Райкова Н.Н. Исследование влияния ультрадисперсных порошков металлов, полученных различными способами, на рост и развитие растений // Нанотехнологии и информационные технологии - технологии XXI века : материалы Междунар. науч.-практ. конф. М., 2006. С. 108-111.
3. Дерябина Т.Д. Оценка безопасности ионов, нано- и микрочастиц железа и меди в тесте прорастания семян Triticum aestivum // Вестн. Оренбургского гос. ун-та. 2011. № 12 (131). С. 386-389.
4. Терехова В.А., Гладкова М.М.Инженерные наноматериалы в почве: проблемы оценки их воздействия на живые организмы // Почвоведение. 2014. № 1. С. 82-90.
5. Короткова А.М. Влияние нано- и ионных форм меди на пигментный состав пшеницы обыкновенной // Химия растительного сырья. 2014. № 3. С. 133-138.
6. Meyer J.N., Lord C.A., Yang X.Y., Turner E.A., Badireddy A.R., Marinakos S.M., Chilkoti A., Wiesner M.R., Auffan M. Intracellular uptake and associated toxicity of silver nanoparticles in Caenorhabditis elegans // Aquatic Toxicology. 2010. Vol. 100, № 2. P. 140-150.
7. Unrine J.M., Tsyusko O.V., Hunyadi S.E., Judy J.D., Bertsch P.M. Effects of particle size on chemical speciation and bioavailability of copper to earthworms (Eisenia fetida) exposed to copper nanoparticles // Environ. 2010. Vol. 39. P. 1942-1953.
8. Глущенко Н.Н., Скальный А.В. Токсичность на-ночастиц цинка и его биологические свойства // Актуальные проблемы транспортной медицины. 2010. № 3 (21). С. 118-121.
9. HandyR.D., Cornelis G., Fernandes T., Tsyusko O., Decho A., Sabo/Attwood T., Metcalfe C., Steevens J.A., Klaine S.J., Koelmans A.A., Horne N. Ecotoxicity test methods for engineered nanomaterials: practical experiences and recommendations from the bench // Environmental Toxicology and Chemistry. 2012. Vol. 31, № 1. Р. 15-31.
10. Баклицкая О. Наночастицы серебра могут быть опасны // Наука и жизнь. 2011. 19 апр. URL: http:// www.nkj.ru/news/19470/ (дата обращения: 01.03.2016).
11. Мамонова И.А., Бабушкина И.В. Антибактериальная активность наночастиц никеля II // Инфекция и иммунитет. 2012. Т. 2, № 1-2. С. 225.
12. Гульченко С.И., Гусев А.А., Захарова О.В. Перспективы создания антибактериальных препаратов на основе наночастиц меди // Вестн. Тамбовского ун-та. Естеств. и техн. науки. 2014. № 5. С. 1397-1399.
13. Якушева Е.В., Сизова Е.А., Гавриш И.А., Лебедев С.В., Каюмов Ф.Г. Действие наночастиц А120з на почвенный микробиоценоз, состояние антиоксидант-ной системы и микрофлору кишечника красного калифорнийского червя (Eisenia foetida) // Сельскохоз. биология. 2017. Т. 52, № 1. С. 191-199.
14. Shin Y.J., Kwak J.I., An Y.J. An evidence for the inhibitory effects of silver nanoparticles on the activities of soil exoenzymes // Chemosphere. 2012. Vol. 88, № 4. P. 524-529.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2019. No. 2
15. Peyrot C., Wilkinson K.J., Desrosiers M., Sauvé S. Effects of silver nanoparticles on soil enzyme activities with and without added organic matter // Environ. Toxicol. Chem. 2014. Vol. 33, № 1. P. 115-25.
16. Устинова В.И., Кремнёва Н.Е., Осипов А.А., Ми-шукова Т.Г. Влияние наночастиц железа на почвенную активность каталазы в присутствии гуминовых кислот // ^временные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 3 (18). С. 11-15.
17. Menéndez-Serra M., Triado-Margarit X., Cas-taneda C., Herrero J., Casamayor O.F. Microbial composition, potential functional roles and genetic novelty in gypsum-rich and hypersaline soils of Monegros and Gallo-canta (Spain) // Science of the Total Environment. 2019. Vol. 650, № 1. P. 343-353.
References
1. Policy issues. Available at: http://ec.europa.eu/re-search/industrial_technologies/policy_en.htm (accessed 20.02.2019)
2. Raikova A.P., Panichkin L.A., Raikova N.N. [Study of the effect of ultrafine metal powders obtained by various methods on the growth and development of plants]. Nano-tekhnologii i informatsionnye tekhnologii - tekhnologii XXI veka [Nanotechnologies and information technology - technologies of the 21st century]. Materials of the International Scientific-Practical Conference. Moscow, 2006, pp. 108-111.
3. Deryabina T.D. Otsenka bezopasnosti ionov, nano-i mikrochastits zheleza i medi v teste prorastaniya semyan Triticum aestivum [Safety assessment of ions, nano- and microparticles of iron and copper in the seed germination test of Triticum aestivum]. Vestn. Orenburgskogogos. unta. 2011, No. 12 (131), pp. 386-389.
4. Terekhova V.A., Gladkova M.M. Inzhenernye na-nomaterialy v pochve: problemy otsenki ikh vozdeistviya na zhivye organizmy [Engineering nanomaterials in soil: problems of assessing their impact on living organisms]. Pochvovedenie. 2014, No. 1, pp. 82-90.
5. Korotkova A.M. Vliyanie nano- i ionnykh form medi na pigmentnyi sostav pshenitsy obyknovennoi [The influence of nano-and ionic forms of copper on the pigment composition of wheat ordinary]. Khimiya rastitel'nogo syr'ya. 2014, No. 3, pp. 133-138.
6. Meyer J.N., Lord C.A., Yang X.Y., Turner E.A., Badireddy A.R., Marinakos S.M., Chilkoti A., Wiesner M.R., Auffan M. Intracellular uptake and associated toxicity of silver nanoparticles in Caenorhabditis elegans. Aquatic Toxicology. 2010, vol. 100, No. 2, pp. 140-150.
7. Unrine J.M., Tsyusko O.V., Hunyadi S.E., Judy J.D., Bertsch P.M. Effects of particle size on chemical spe-ciation and bioavailability of copper to earthworms (Ei-senia fetida) exposed to copper nanoparticles. Environ. 2010, vol. 39, pp. 1942-1953.
Поступила в редакцию /Received_
8. Glushchenko N.N., Skal'nyi A.V. Toksichnost' na-nochastits tsinka i ego biologicheskie svoistva [Toxicity of zinc nanoparticles and its biological properties]. Aktual'nye problemy transportnoi meditsiny. 2010, No. 3 (21), pp. 118-121.
9. Handy R.D., Cornelis G., Fernandes T., Tsyusko O., Decho A., Sabo/Attwood T., Metcalfe C., Steevens J.A., Klaine S.J., Koelmans A.A., Horne N. Ecotoxicity test methods for engineered nanomaterials: practical experiences and recommendations from the bench. Environmental Toxicology and Chemistry. 2012, vol. 31, No. 1, pp. 15-31.
10. Baklitskaya O. Nanochastitsy serebra mogut byt' opasny [Silver nanoparticles can be dangerous]. Nauka i zhizn '. 2011, April 19. Available at: http:// www.nkj.ru/news/19470/ (accessed 01.03.2016).
11. Mamonova I.A., Babushkina I.V. Antibakteri-al'naya aktivnost' nanochastits nikelya II [Antibacterial activity of nickel nanoparticles II]. Infektsiya i immunitet. 2012, vol. 2, No. 1-2, p. 225.
12. Gul'chenko S.I., Gusev A.A., Zakharova O.V. Per-spektivy sozdaniya antibakterial'nykh preparatov na os-nove nanochastits medi [Prospects for the creation of antibacterial drugs based on copper nanoparticles]. Vestn. Tambovskogo un-ta. Estestv. i tekhn. nauki. 2014, No. 5, pp. 1397-1399.
13. Yakusheva E.V., Sizova E.A., Gavrish I.A., Lebe-dev S.V., Kayumov F.G. Deistvie nanochastits AbO3 na pochvennyi mikrobiotsenoz, sostoyanie antioksidantnoi sistemy i mikrofloru kishechnika krasnogo kaliforniiskogo chervya (Eisenia foetida) [The effect of AhO3 nanoparticles on the soil microbiocenosis, the state of the antioxidant system and the intestinal microflora of the red Californian worm (Eisenia fotida)]. Sel'skokhoz. biologiya. 2017, vol. 52, No. 1, pp. 191-199.
14. Shin Y.J., Kwak J.I., An Y.J. An evidence for the inhibitory effects of silver nanoparticles on the activities of soil exoenzymes. Chemosphere. 2012, vol. 88, No. 4, pp. 524-529.
15. Peyrot C., Wilkinson K.J., Desrosiers M., Sauvé S. Effects of silver nanoparticles on soil enzyme activities with and without added organic matter. Environ. Toxicol. Chem. 2014, vol. 33, No. 1, pp. 115-125.
16. Ustinova V.I., Kremneva N.E., Osipov A.A., Mishukova T.G. Vliyanie nanochastits zheleza na poch-vennuyu aktivnost' katalazy v prisutstvii guminovykh kislot [The effect of iron nanoparticles on the soil activity of catalase in the presence of humic acids]. Covremennye fundamental'nye i prikladnye issledovaniya. 2015, No. 3 (18), pp. 11-15.
17. Menéndez-Serra M., Triado-Margarit X., Cas-taneda C., Herrero J., Casamayor O.F. Microbial composition, potential functional roles and genetic novelty in gypsum-rich and hypersaline soils of Monegros and Gallo-canta (Spain). Sci. Total Environ. 2019, vol. 650, No. 1, pp. 343-353.
_14 марта 2019 г. /March 14, 2019
