CC BY
16
УДК 632.95:631.46 DOI 10.24411/0235-2516-2019-10093
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ ДОЗ ПЕСТИЦИДОВ БАСТИОН И ИГЛ НА ФЕРМЕНТАТИВНУЮ АКТИВНОСТЬ ЧЕРНОЗЕМОВ БОТАНИЧЕСКОГО САДА ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА
Л.В. Ромадова, К.Ш. Казеев, д.г.н., Ю.В. Акименко, к.б.н., С.И. Колесников, д.с.-х.н.
Южный федеральный университет, e-mail: kamil_kazeev@mail.ru
Представлены результаты по влиянию пестицидного загрязнения на ферментативную активность почв. Исследования провели на черноземе обыкновенном карбонатном тяжелосуглинистом опытного участка Ботанического сада Южного федерального университета (Ростов-на-Дону). В полевом опыте с посевами ярового ячменя и масличного льна определили влияние внесения фунгицида Бастион и гербицида ИГЛ в дозе 100 мг/кг на активность почвенных ферментов (каталазы, пероксидазы, дегидрогеназ и фосфатазы). Активность каталазы при загрязнении снизилась во всех вариантах опыта. Особенно существенное ингибирование каталазы (на 9-19%) выявлено при загрязнении гербицидом. Для пероксидазы и дегидрогеназ также чаще отмечены случаи ингибиро-вания активности при загрязнении. Активность фосфатазы в 5 вариантах с загрязнением пестицидами (особенно гербицидом ИГЛ) реагировала повышением значений (на 6-28%).
Ключевые слова: чернозем, биоиндикация, пестициды, загрязнение, биологическая активность.
INFLUENCE OF PESTICIDES BASTIONS AND IGL ON ENZYME ACTIVITY OF CHERNOZEMS OF THE BOTANICAL GARDEN OF THE SOUTHERN FEDERAL UNIVERSITY
L.V. Romadova, Dr.Sci. K.Sh. Kazeev, Ph.D. Yu.V. Akimenko, Dr.Sci. S.I. Kolesnikov
Southern Federal University, e-mail: kamil_kazeev@mail.ru
The results on the influence ofpesticide pollution on the enzymatic activity of soils are presented. The research was carried out on Haplic Chernozem Loamic of the experimental plot of the Botanical garden of the Southern Federal University (Rostov-on-don). In the field experiment with crops of spring barley and oilseed flax, the influence of Bastion fungicide and IGL herbicide at a dose of 100 mg/kg on the activity of soil enzymes (catalase, peroxidase, dehydrogenase and phosphatase) was determined. Catalase activity decreased in all variants of the experiment. Especially significant inhibition of catalase (9-19%) was found in herbicide contamination. For peroxidase and dehydrogenase also more frequent cases of inhibition of activity in pollution. Phosphatase activity increased in soils by 6-28% in most variants with pesticide contamination (especially IGL herbicide).
Keywords: chernozem, bioindication, pesticides, pollution, biological activity.
Широкое применение пестицидов в сельском хозяйстве привело к загрязнению почв агроценозов [1, 2], поэтому необходима оценка их воздействия на экосистемы для минимизации негативных последствий для окружающей среды. Последние поколения пестицидов имеют высокую селективность, низкие дозы применения и малую устойчивость в почвах. Они практически не оказывают влияние на химические и физические свойства почвы. Однако пестицидное загрязнение вызывает изменение биологических свойств почв. В большинстве случаев эти изменения носят краткосрочный характер. Для измерения и интерпретации эффектов воздействия пестицидов могут быть применены методы биологической диагностики и биоиндикации [1, 2]. Проводимые ранее исследования показали ограниченную применимость показателей численности почвенных микроорганизмов вследствие высокого варьирования этих показателей, поэтому
для биодиагностики пестицидного загрязнения рекомендовано применение активности почвенных ферментов [1, 3, 4]. Ферментативная активность почв широко используется для оценки качества почв [5-7], ее плодородия [9-12] и устойчивости к антропогенным воздействиям [13-17].
Цель работы - определение влияния загрязнения пестицидами ИГЛ и Бастион на ферментативную активность чернозема обыкновенного ботанического сада Южного федерального университета.
Методика. Исследования провели на опытном участке Ботанического сада Южного федерального университета (Ростов-на-Дону). Географические координаты: 47°14'17.54" с.ш., 39°38'33.22" в.д. Почва - чернозем обыкновенный карбонатный сла-богумусированный тяжелосуглинистый. Эти почвы занимают обширные равнины Азово-Кубанской низменности в пределах Краснодарского края и Ростовской области с годовым количеством выпа-
дающих осадков около 500 мм. Черноземы имеют благоприятные для большинства сельскохозяйственных растений свойства [18]. Значение рН в пахотном слое 7,8, емкость катионного обмена 40-45 мг-экв/100 г, соотношение Са2+ : Mg2+ = 5 : 1, содержание Сорг. = 1,8%. Степень насыщенности почв основаниями составляет 100%. Для черноземов обыкновенных характерно отсутствие дифференциации по генетическим горизонтам компонентов алюмоси-ликатного состава почвенной массы, высокая и глубоко проникающая в толщу почвы и почвообразу-ющей породы биологическая активность.
Исследования проводили в полевом мелкоделя-ночном опыте в 3-кратной повторности, размеры делянок 1 м2 с двурядным встречным расположением. Схема полевого опыта: 1. Контроль без посева растений; 2. Контроль с посевом ярового ячменя; 3. Контроль с посевом льна; 4. Бастион без растений; 5. Бастион в посеве ячменя; 6. Бастион в посеве льна; 7. ИГЛ без растений; 8. ИГЛ в посеве ячменя; 9. ИГЛ в посеве льна.
Внесение в почву тестируемых пестицидов Бастион и ИГЛ проводили без выращивания растений и на фоне ярового ячменя сорта Одесский 100 и масличного льна сорта Небесный в виде растворов с поливной водой. Бастион (производитель ООО «Агрохимикат») - фунгицид для протравливания семян, действующее вещество - дифеноконазол (30 г/л) и ципроконазол (6,25 г/л). ИГЛ (производитель Leighton Agrio) - селективный послевсходовой гербицид для борьбы с многолетними злаковыми сорняками (овсюг полевой, щетинник, просянки) в посевах яровой пшеницы. Действующие вещества -феноксапроп-п-этил 100 г/л + клоквинтоцет-мексил 25 г/л. Пестициды вносили в почву через 20 суток после посева растений в дозе 100 мг пестицида/ кг почвы, которая многократно превышает рекомендуемые дозы внесения этих пестицидов. Высокие дозы обусловлены тем, что низкий уровень загряз-
нения почв современными пестицидами практически не влияет на активность ферментов [1, 3]. В реальных условиях такие концентрации могут возникнуть в местах аварийных разливов. Смешанные образцы почв отбирали из слоя 0-10 см перед загрязнением и через 10 суток после внесения пестицидов. Активность почвенных ферментов каталазы, пероксидазы, дегидрогеназ и фосфатазы исследовали в 3-6 кратной повторности [19]. Согласно рекомендациям А.Ш. Галстяна [20] для биодиагностики почв анализ ферментов проводили при естественном рН почв без добавления буферных растворов. Достоверность изменений показателей определяли с помощью дисперсионного анализа по критерию Стьюдента.
Результаты и обсуждение. Исследования показали изменение ферментативной активности черноземов обыкновенных Ботанического сада Южного федерального университета после внесения пестицидов. Десятидневный срок с момента загрязнения оказался достаточным для некоторой стабилизации ферментативной активности. Ранее было показано затухание реакции биологической активности с увеличением срока после внесения пестицидов [1]. Активность каталазы в черноземах обыкновенных ботанического сада имеет близкие к литературным данным [4, 12, 19] значения (14,7-17,1 мл О2/г/мин в почве контрольных участков) и характеризуется по шкале Д.Г. Звягинцева [21] богатым уровнем обогащения. Ее активность снижалась во всех вариантах с загрязнением почвы пестицидами (рис. 1). При этом разные пестициды оказывали неодинаковое изменение активности каталазы. Загрязнение гербицидом оказывало незначительное, по большей части, недостоверное изменение активности каталазы - на 1-8% по сравнению с контрольными вариантами. Загрязнение фунгицидом оказало больший ингибирующий эффект по сравнению с гербицидом. Достоверное снижение активности
Рис. 1. Влияние пестицидов на активность каталазы (мл Ог/г/мин) и дегидрогеназ (мг ТФФ/10 г/24 ч), номера вариантов соответствуют схеме опыта
12
10 ■
111111111111
123456789 варианты
■ пероксидаза □ фосфатаза
Рис. 2. Влияние пестицидов на активность пероксидазы (мг бензохинона/10 г/30 мин) и фосфатазы (мг Р2О5/100 г/ч), номера вариантов соответствуют схеме опыта
каталазы составило от 9 до 19%. Это достаточно существенное снижение для активности каталазы, которая имеет низкую амплитуду варьирования в модельных исследованиях [19]. Пероксидаза является важным ферментом, ответственным, среди прочих, за трансформацию органических высокомолекулярных соединений, в том числе с ароматическими кольцами. Ее активность в большинстве вариантов опыта незначительно снижалась - 3-6% (рис. 2). Однако в вариантах с обработкой пестицидами посевов ячменя было отмечено достоверное повышение активности фермента на 12-13%. В то же время при внесении пестицидов в почву без выращивания растений и в варианты с масличным льном были отмечены случаи понижения активности пероксидазы.
Активность дегидрогеназ - ферментов, тесно связанных с жизнедеятельностью микроорганизмов, также, как и активность каталазы в большинстве случаев снизилась при пестицидной нагрузке (рис. 1). При этом изменение активности этого фермента в разных контрольных вариантах было крайне незначительным. То же самое можно отметить и для разных сроков наблюдения за контрольными участками. Перед внесением пестицидов и спустя 10 суток активность дегидрогеназ находилась практически на одном уровне - среднем уровне обогащения по шкале Д.Г Звягинцева. Только в одном из вариантов с загрязнением отмечено слабое повышение активности дегидрогеназ. В варианте с загрязнением гербицидом по посеву льна активность дегидрогеназ повысилась на 10%.
Фосфатаза является представителем другой группы ферментов - гидролаз, которые теснее связаны с органическим веществом почв и в значительной мере отвечают за преобразования органических веществ в элементы питания растений [5]. Ее активность реагировала на внесение в почву пестицидов совершенно по-другому при сравнении с
поведением трех описанных выше ферментов из класса оксидоредуктаз. В большинстве вариантов с загрязнением почвы пестицидами активность фос-фатазы значительно повысилась (рис. 2). Следует отметить, что активность фосфатазы имела более высокий уровень варьирования по сравнению почвенными оксидоредуктазами. Загрязнение фунгицидом вызвало больший эффект по сравнению с загрязнением гербицидом. Обработка гербицидом почв с посевами и льна, и ячменя не вызвала достоверного изменения активности фосфатазы. Только в варианте без выращивания сельскохозяйственных культур было отмечено существенное повышения активности фермента на 24%. Практически такой же эффект вызвало внесение в почву фунгицида. Выращивание разных сельскохозяйственных культур на загрязненных пестицидами вариантах не оказало существенного влияния на эффект повышения активности фосфатазы. Стимулирование активности фосфатазы при пестицидном загрязнении было отмечено ранее при внесении разных фунгицидов [22].
Ранее в модельных опытах было установлено неоднозначное влияние исследуемых пестицидов на интенсивность дыхания и активность каталазы разных буроземов Западного Кавказа [23]. Было отмечено повышения интенсивности дыхания буроземов слабоненасыщенных при внесении высоких доз Бастиона и ИГЛ, а достоверное снижение активности каталазы зафиксировано только в буроземах кислых. Внесение высоких доз пестицидов в чернозем, в полевых условиях привело к снижению активности каталазы во всех вариантах. Более выраженное воздействие на активность фермента вызвало внесение фунгицида Бастион. Активность каталазы подобным образом реагировала и при внесении в чернозем высоких доз Харнеса и сверхвысоких Дециса [1].
Таким образом, влияние высоких доз пестицидов ИГЛ и Бастион на активность ферментов чернозема зависит от вида фермента и наличия посевов сельскохозяйственных культур. Активность оксидоредуктаз, особенно каталазы, в большинстве случаев, снижалась при внесении высоких доз пестицидов. Активность фосфата-зы в большинстве вариантах с загрязнением пе-
стицидами повышалась, особенно в вариантах с внесением фунгицида Бастион.
Исследование выполнено при государственной поддержке ведущей научной школы Российской Федерации (НШ-3464.2018.11) и Министерства образования и науки Российской Федерации (5.5735.2017/8.9).
Литература
1. Казеев К.Ш., Лосева Е.С., Боровикова Л.Г., Колесников С.И. Влияние загрязнения современными пестицидами на биологическую активность чернозема обыкновенного // Агрохимия, 2010, № 11. - С. 39-44.
2. Imfeld G., Vuilleumier S. Measuring the effects of pesticides on bacterial communities in soil: A critical review // European Journal of Soil Biology, 2012, V. 49. - P. 22-30.
3. Yao X-h, Min H, Lu Z-h, Yuan H. Influence of acetamiprid on soil enzymatic activities and respiration // European Journal of Soil Biology, 2006, V. 42, I. 2. - P. 120-126.
4. 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.
5. Sinsabaugh R.L., Lauber C.L., Weintraub M.N. et al. Stoichiometry of soil enzyme activity at global scale // Ecology Letters, 2008, V. 11. - P. 1252-1264.
6. Burns R.G., DeForest J.L., Marxsen J., Sinsabaugh R.L., Stromberger M.E. Wallenstein M.D., Weintraub M.N., Zoppini A. Soil enzymes in a changing environment: current knowledge and future directions // Soil Biol. Biochem. , 2013, V. 58.
- P. 216-234.
7. Hugh H.A.L. Soil extracellular enzyme dynamics in a changing climate // Soil Biology and Biochemistry, V. 47, 2012.
- P. 53-59.
8. Raiesi F., Salek-Gilani S. The potential activity of soil extracellular enzymes as an indicator for ecological restoration of rangeland soils after agricultural abandonment // Applied Soil Ecology, 2018, V. 126. - P. 140-147.
9. Kazeev K.Sh., Kremenitsa A.M., Kolesnikov S.I., Kazadaev A.A., Bulysheva N.I., Vnukova N.V., Valkov V.F., Utyanskaya S.V. Biological properties of soils of the chestnut-solonetz complexes // Eurasian Soil Science, 2005, Т. 38, № 4.
- С. 408-418.
10. Горобцова О.Н., Улигова Т.С., Темботов Р.Х., Хакунова Е.М. Оценка уровня биологической активности агро-генных и естественных черноземов Кабардино-Балкарии // Почвоведение, 2017, № 5. - С. 614-623.
11. Малюкова Л.С., Рогожина Е.В., Струкова Д.В. Анализ корреляционных связей между биологическими и агрохимическими свойствами бурых лесных кислых почв влажно-субтропической зоны России // Проблемы агрохимии и экологии, 2018, № 4. - С. 39-43.
12. Минникова Т.В., Мокриков Г.В., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В., Колесников С.И. Оценка ферментативной активности черноземов Ростовской области под бинарными посевами подсолнечника // Известия Тимирязевский сельскохозяйственной академии, 2017, № 6. - С. 141-155.
13. Fernandez-Garcia V., Miese J., Baeza M.J., Marcosa E., Calvo L. Wildfire effects on soil properties in fire-prone pine ecosystems: Indicators of burn severity legacy over the medium term after fire // Applied Soil Ecology, 2019, V. 135. - P. 147-156.
14. Akimenko Y.V., Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Influence of antibiotics (benzylpenicillin, pharmazin, and nystatin) on the number of microorganisms in ordinary chernozem // Contemporary Problems of Ecology, 2014, Т. 7, № 2. - С. 204-209.
15. Денисова Т.В., Казеев К.Ш. Восстановление ферментативной активности чернозема после воздействия у-излучения // Радиационная биология. Радиоэкология, 2005, Т. 45, № 6. - С. 1-5.
16. Ковалева Е.И., Яковлев А.С., Пашкевич Е.Б. Ферментативная активность сухостепных почв в условиях нефтяного загрязнения // Проблемы агрохимии и экологии, 2018, № 4. - С. 50-52.
17. Kolesnikov S.I., Gaivoronskii V.G., Rotina E.N., Kazeev K.S., Valkov V.F. Assessment of soil tolerance toward contamination with black oil in the South of Russia on the basis of soil biological indices: a model experiment // Eurasian Soil Science, 2010, Т. 43, № 8. - С. 929-934.
18. Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Почвы Юга России. - Ростов-на-Дону: Эверест, 2008. - 276 с.
19. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Акименко Ю.В., Даденко Е.В. Методы биодиагностики наземных экосистем. -Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2016. - 356 с.
20. Галстян А.Ш. Унификация методов исследования активности ферментов почв // Почвоведение, 1978, № 2. -С. 107-114.
21. Звягинцев Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей // Почвоведение, 1978, № 6. - С. 48-54.
22. Morillo E., Villaverde J. Advanced technologies for the remediation of pesticide-contaminated soils // Science of the total environment, 2017, V. 586. - P. 576-597.
23. Казеев К.Ш., Ромадова Л.В., Акименко Ю.В., Колесников С.И. Влияние пестицидов на биологическую активность буроземов Западного Кавказа // Достижения науки и техники АПК, 2019, Т. 33, № 7. - С. 48-50.
