CC BY
30
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ФЕРМЕНТА, КАК ПОКАЗАТЕЛЯ ТОКСИЧНОСТИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ПОЧВ
Яковишина Татьяна Федоровна
канд. с.-х. наук, доцент, доцент кафедры экологии и охраны окружающей среды, Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры», РФ,
г. Днепропетровск E-mail: t [email protected] Бородин Евгений Геннадиевич студент 4-го курса факультета ТСКМ и экологии, Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная академия строительства
и архитектуры», РФ, г. Днепропетровск E-mail: [email protected]
JUSTIFICATION OF THE CHOICE OF THE ENZYME AS AN INDEX OF THE TOXICITY OF THE SOIL CONTAMINATION BY THE HEAVY
METALS
Tatyana Yakovyshyna
associate Professor of Ecology and Environmental Protection Department, Doctor of Philosophy (Ecology), Associate Professor State Higher Educational Establishment "Pridneprovska Statе Academy of Civil Engineering and Architecture ", Russia
Dnipropetrovsk Yevgeny Borodin
student 4-year Faculty of TBCM and Ecology State Higher Educational Establishment "Pridneprovska Statе Academy of Civil Engineering and
Architecture ", Russia Dnipropetrovsk
АННОТАЦИЯ
Проанализирована степень устойчивости ферментов к токсическому действию тяжелых металлов. Обосновано использование активности дегидрогеназы, как показателя токсичности загрязненных тяжелыми металлами почв при проведении экологического мониторинга.
ANNOTATION
Degree of the enzymes stability has been analyzed to the toxic effects of the heavy metals. Using of the dehydrogenase activity has been justified as an index of the toxicity of the soil contamination by the heavy metals for the environmental monitoring.
Ключевые слова: почва; загрязнение; тяжелые металлы; токсичность фермент.
Keywords: soil; contamination; heavy metals; toxicity; enzyme.
Постановка проблемы. При проведении экологического мониторинга загрязненных тяжелыми металлами (ТМ) почв возникает необходимость в поиске показателей для оценки их токсичности, среди которых наиболее информативным и быстро реагирующим на загрязнение является ферментативная активность.
Известно, что ТМ угнетают активность ферментов, которые непосредственно содержатся в почве и опосредованно — в клетках микроорганизмов, при этом их токсическое действие связано, в основном, с сульфгидрильными группами, и в меньшей мере, с амино-, фосфат-, имидиазол-и гидроксильными радикалами ферментов и белков микроорганизмов [1, с. 217]. Следовательно, причиной снижения ферментативной активности почвы при загрязнении ТМ будет как прямое подавление каталитической активности ферментов, так и задержка их синтеза микроорганизмами. При этом, высокие концентрации ТМ значительно снижают активность амилазы, дегидрогеназы, уреазы, инвертазы и каталазы [2, с. 21], в то время как низкие, наоборот, могут её активировать.
Цель работы заключалась в поиске наиболее чувствительного к токсическому действию ТМ почвенного фермента и дальнейшем обосновании его использования, как показателя токсичности загрязненных почв при проведении экологического мониторинга.
Методы исследований. Для всесторонней оценки токсического действия ТМ на ферментативную активность почвы пользовались шкалой Д.Г. Звягинцева [3, с. 54], состоящей из пяти ферментов: гидролитических (инвертазы, уреазы, фосфатазы) и окислительно-восстановительных (каталазы и дегидрогеназы). Активность почвенных ферментов определяли при уровне антропогенной нагрузки в пахотном слое чернозема обыкновенного в 5 ПДК по
Сё, РЬ и (нитратная форма) с учетом их подвижности, что обеспечивало внесение мелиоранотов: органо-минеральные удобрения (ОМУ) — 1,5 ц/га; мел — 1,5 ц/га; биогумус — 1,0 ц/га; К28 и К2С03 в дозах, в 1,5 раза превышающих эквивалентные количества, необходимые для полного химического связывания катионов ТМ2+ в нерастворимые соединения, в виде водных растворов.
Результаты и их обсуждение. Токсическое действие ТМ на изучаемые почвенные ферменты было принципиально схожим и заключалось в ингибировании большей или меньшей мерой их действия как через изменение кинетических характеристик, так и в результате взаимодействия с субстратом и продуктами реакции. Помимо того, подкисление почвы за счет привнесения сопутствующего ТМ аниона N03 способствовало изменению оптимальной для действия ферментов среды в черноземе обыкновенном и, соответственно, усилению снижения активности инвертазы и стимулированию, хотя и ниже уровня контроля - каталазы и дегидрогеназы. В то же время компоненты, входящие в состав мелиорантов, в некоторых случаях ингибировали действие тех или иных ферментов. Так, например, внесение экологически обоснованных доз извести и К2С03 значительно увеличивало активность уреазы и, напротив, ингибировали, хотя и в незначительной степени, порядка 3—4 % — инвертазу. При недостатке подвижного фосфора и низкой активности фосфатазы, а именно такие условия характерны для техногенно загрязненной ТМ почвы, дополнительный минеральный фосфор, поступающий с ОМУ, впрочем, как и биогумус, повышали фосфатазную активность. Кроме того, повышенные концентрации минерального азота в почве за счет внесения ОМУ вызывали снижение активности уреазы (табл. 1).
Таблица 1.
Токсическое действие ТМ на почвенные ферменты
Вариант Дегидроге -наза, мг ТФФ на 10 г почвы за 24 ч Инвертаз а,мг глюко-зы на 1 г почвы за 24 ч Уреаза, мг Н2 на 10 г почвы за 24 ч Каталаза, мг О2 на 1 г почвы за 1 мин Фосфатаз а, мг фенолфталеина на 10 г почвы за 1 ч
Контроль 2,54 22,7 4,20 7,5 2,07
Сё 1,07 17,1 3,21 6,4 1,76
Сё + ОМУ 1,38 17,3 3,03 7,1 1,93
Сё + биогумус 1,56 17,4 3,46 7,0 2,01
Сё + мел 1,26 16,3 3,70 7,0 1,80
Сё + К2СО3 1,30 16,2 3,78 6,6 1,82
Сё 1,23 17,3 3,52 6,7 1,80
Бфакт 21,1—26,8 7,1—11,3 4,4—5,3 3,3—7,0 2,8—3,2
Р0,05 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6
НСР0.95 0,03—0,05 0,03—0,08 0,04—0,29 0,3—0,6 0,04—0,12
Р, % 0,55—1,51 0,51—1,24 0,36—1,96 1,29—2,87 0,51—2,31
Контроль 2,54 22,7 4,20 7,5 2,07
РЬ 1,28 19,5 3,64 6,7 1,80
РЬ + ОМУ 1,60 19,8 3,51 7,2 1,90
РЬ + биогумус 1,89 20,0 3,89 7,0 2,02
РЬ + мел 1,56 18,5 3,93 7,1 1,82
РЬ + К2СО3 1,52 18,6 4,16 6,8 1,84
РЬ 1,42 19,7 3,80 6,9 1,84
Бфакт 15,7—20,8 3,9—4,9 2,8—3,2 2,7—6,7 2,7—3,0
Р0,05 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6
НСРо,95 0,04—0,05 0,2—0,3 0,04—0,22 0,2—0,6 0,04—0,07
Р, % 0,64—1,07 0,32—0,48 0,29—1,39 0,80—2,95 0,64—1,09
Контроль 2,54 22,7 4,20 7,5 2,07
1,35 20,4 3,71 6,9 1,82
+ ОМУ 1,67 20,5 3,62 7,4 1,98
7п + биогумус 1,95 20,1 3,95 7,2 2,05
7п + мел 1,58 19,7 4,03 7,1 1,90
7п + К2СО3 1,64 19,7 4,18 7,0 1,94
7п +К28 1,53 20,1 4,02 7,1 1,93
Бфакт 14,9—16,7 2,8—3,4 2,7—2,8 2,8—3,6 2,8—3,1
Б0,05 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6
Вариант Дегидроге -наза, мг ТФФ на 10 г почвы за 24 ч Инвертаз а,мг глюко-зы на 1 г почвы за 24 ч Уреаза, мг Н2 на 10 г почвы за 24 ч Каталаза, мг О2 на 1 г почвы за 1 мин Фосфатаз а, мг фенолфталеина на 10 г почвы за 1 ч
НСР0,95 0,03—0,06 0,2—0,8 0,05—0,22 0,2—0,5 0,12—0,17
Р, % 0,51—0,92 0,34—1,20 0,29—1,66 0,89—2,59 1,63—2,80
Наиболее устойчиво и существенно токсическое действие ТМ проявилось в ингибировании активности дегидрогеназы, которая снижалась по сравнению с контролем (незагрязненная почва) на 47—58 % в зависимости от химической природы изучаемых металлов.
Активность инвертазы — фермента углеродного обмена, и уреазы, связанной с процессами гидролиза и превращения в доступную форму азота мочевины, под влиянием загрязнения ТМ снижались на 15—25 % в вариантах без внесения мелиорантов. Уровни активности каталазы, которая относится к геминферментам, катализирующим отщепление воды от перекиси водорода и фермента фосфорного обмена — фосфатазы, оказались наиболее устойчивы по отношению к токсическому действию катионов РЬ2+, Сё2+ и 7п2+.
Согласно градации степени загрязнения почв ТМ по ферментативной активности, предложенной К.В. Григорян и А.Ш. Галстян (1974), чернозем обыкновенный при его загрязнении в 5 ПДК по Сё, РЬ и 7п следует отнести по активности инвертазы и фосфатазы к среднезагрязненным почвам.
По степени устойчивости к загрязнению почвы ТМ ферменты расположились в виде следующего ряда: дегидрогеназа < уреаза < инвертаза < фосфатаза = каталаза. Однако только между содержанием подвижных форм Сё, РЬ и 7п в почве и активностью дегидрогеназы - наиболее чувствительного к техногенному загрязнению ТМ фермента — были установлены обратные зависимости, которые удовлетворительно описывались полиномами второго порядка:
загрязнение Сё Д загрязнение РЬ Д загрязнение 7п Д
= 0,0367Сёп2 - 0,459Сёп + 2,4944, Я2 = 0,0002РЬп2 - 0,0266РЬп + 2,4328, Я2 = 2Б-057пп2 - 0,00977пп + 2,4429, Я2
= 0,8464 = 0,7874 = 0,7131
где: Д — активность дегидрогеназы, мг ТФФ на 10 г почвы за 24 часа; Сёп — содержание подвижного кадмия в почве, мг/кг; РЬп — содержание подвижного свинца в почве, мг/кг; 7пп — содержание подвижного цинка в почве, мг/кг.
Вывод. Среди проанализированных почвенных ферментов наиболее чувствительной к токсическому действию ТМ оказалась дегидрогеназа, так ее активность снижалась практически в 2 раза при уровне антропогенной нагрузки в 5 ПДК по Сё, РЬ и 7п и напрямую зависела от степени подвижности металла, что подтвердили уравнения регрессии, кроме того она в наименьшей степени была подвержена побочному воздействию сопутствующего ТМ-загрязнителю аниона и мелиорантов, а это, в свою очередь, дает возможность рекомендовать использовать данный показатель для оценки токсичности загрязненных почв при проведении экологического мониторинга.
Список литературы:
1. Никитин Г.А. Биохимические основы микробиологических производств. К.: Вища школа, 1994. — 319 с.
2. Перцовская А.Ф., Плугин В.П., Великанов Н.Л. Изменение биологической активности дерново-подзолистой почвы различного механического состава при загрязнении тяжелыми металлами // Гигиена и санитария. — 1990. — № 7. — С. 20—23.
3. Биогенность почвы и пути ее повышения : межвуз. сб. науч. тр. / Кишинев. гос. ун-т ; [под ред. М.Ф. Лупашку]. Кишинев: Штиинца, 1988. — 172 с.
