CC BY
47
УДК 57.044; 631.46 DOI 10.18522/0321-3005-2016-1-71-75
ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НАНОЧАСТИЦАМИ ОКСИДОВ НИКЕЛЯ И ЖЕЛЕЗА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО
СЕВЕРОПРИАЗОВСКОГО*
© 2016 г. С.И. Колесников, А.Н. Тимошенко, К.Ш. Казеев, Ю.В. Акименко
Колесников Сергей Ильич - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, завкафедрой экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологий Южного федерального университета, ул. Б. Садовая, 105/42, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: [email protected]
Тимошенко Алена Николаевна - аспирант, кафедра экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологий Южного федерального университета, ул. Б. Садовая, 105/42, г. Ростов-на-Дону, 344006.
Казеев Камиль Шагидуллович - доктор географических наук, профессор, кафедра экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологий Южного федерального университета, ул. Б. Садовая, 105/42, г. Ростов-на-Дону, 344006, email: [email protected]
Акименко Юлия Викторовна - ассистент, кафедра экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологий Южного федерального университета, ул. Б. Садовая, 105/42, г. Ростов-на-Дону, 344006.
Kolesnikov Sergei Il'ich - Doctor of Agricultural Science, Professor, Head of Ecology and Natural Management Department, Academy of Biology and Biotechnology of the Southern Federal University, B. Sadovaya St., 105/42, Rostov-on-Don, 344006, Russia, e-mail: [email protected] Timoshenko Alena Nikolaevna - Post-Graduate Student, Ecology and Natural Management Department, Academy of Biology and Biotechnology of the Southern Federal University, B. Sadovaya St., 105/42, Rostov-on-Don, 344006, Russia.
Kazeev Kamil Shagidullovich - Doctor of Geographical Science, Professor, Ecology and Natural Management Department, Academy of Biology and Biotechnology of the Southern Federal University, B. Sadovaya St., 105/42, Rostov-on-Don, 344006, Russia, e-mail: [email protected]
Akimenko Yuliya Viktorovna - Assistant, Ecology and Natural Management Department, Academy of Biology and Biotechnology of the Southern Federal University, B. Sadovaya St., 105/42, Rostov-on-Don, 344006, Russia.
Загрязнение чернозема обыкновенного оксидами №, Fe и их наночастицами вызвало ухудшение его биологического состояния. На микробиологические показатели (общую численность бактерий и обилие бактерий рода Azotobacter) более сильное влияние оказали наноформы оксидов № и Fe. На ферментативную активность (активность каталазы и дегидро-геназы) сильнее повлияли оксиды №i и Fe, а не их наночастицы. На показатели фитотоксичности (всхожесть и длину корней редиса) оксиды №i и Fe и их наноформы оказали примерно одинаковое влияние.
Ключевые слова: наночастицы, никель, железо, загрязнение, чернозем обыкновенный, биологические свойства.
Contamination of chernozem ordinary by oxides of Ni, Fe and nanoparticles caused a deterioration of its biological status. For microbiological parameters (total number of bacteria and the abundance of bacteria of the genus Azotobacter) more strongly influenced nanoforms of Ni and Fe oxides. On enzymatic activity (activity of catalase and dehydrogenase) greatly affect the oxides of Ni and Fe, and not their nanoparticles. On the phytotoxicity (germination and root length of the radish) oxides of Ni and Fe and nanoforms had roughly the same influence.
Keywords: nanoparticles, nickel, iron, pollution, chernozem ordinary, biological properties.
В настоящее время в результате широкого развития нанотехнологий и увеличения масштабов производства наноматериалов, в том числе металлсодержащих, растет риск загрязнения окружающей среды наночастицами тяжелых металлов. Согласно оценкам консалтинговой компании Lux Research, объем только трех приложений рынка наноматериалов (энергетика, катализаторы и конструкционные материалы) составляет 364,9 млн долл. Совокупный мировой объем потребления наноматериалов превысил показатель 13 млрд долл. Отрасль нанопорошков является наиболее развитым коммерческим сегмен-
том рынка наноматериалов. Средние ежегодные темпы ее роста составляют 15 %. На рынке нанопорошков чистых металлов по 16,5 % выпуска в натуральном выражении приходится на порошки никеля (№) и меди (Cu). Среди лидеров по этому показателю также присутствуют железо (Fe), аллюминий (Al), цинк ^п) и титан (Л). В России, как и в мире, наиболее развитым является производство оксидных нанопорошков. Наибольшим спросом пользуются нанопорошки ^ и № (годовой объем производства от 1500 т), Al и ТС (по 1350 т), Fe (1250 т) и других металлов [1, 2].
*Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (6.345.2014/К).
Совокупность научных данных о наноматериа-лах указывает на то, что они относятся к новому классу продукции, и характеристика их потенциальной опасности для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной [3].
В отечественной и мировой науке накоплен обширный материал по проблеме влияния химического загрязнения на биоту и биологические свойства почв. Однако работ, посвященных загрязнению на-ночастицами, относительно немного, особенно по загрязнению почв. Основной особенностью состояния вопроса является неоднозначность (противоречивость) оценок: одни авторы свидетельствуют о безопасности загрязнения окружающей среды нано-частицами, другие указывают на существенные риски. При этом все едины в необходимости развития эконанотоксикологических исследований в связи с нарастающей опасностью загрязнения окружающей среды наночастицами в результате развития нано-технологий и роста производства наноматериалов. Наиболее остро в настоящее время стоят вопросы выбора и/или разработки методов оценки экоток-сичности инженерных наночастиц и установления механизмов их токсичности.
Цель настоящего исследования - установить закономерности влияния загрязнения наночастицами № и Fe на биологические свойства чернозема обыкновенного в модельном опыте.
В качестве объекта исследования в работе был использован чернозем обыкновенный южноевропейской фации (североприазовский). Отбор почвы для лабораторных модельных экспериментов производили в Ботаническом саду ЮФУ (г. Ростов-на-Дону).
В качестве токсикантов выбраны оксиды № и Fe (N120 и Бе20з), поскольку N1 обладает высокой токсичностью по отношению к биоте [4], а Бе содержится в почве в больших количествах и имеет незначительную токсичность. Для оценки влияния степени дисперсности частиц сравнивали «обычные» порошки и нанопорошки оксидов N1 и Fe.
Изучали действия разных концентраций оксидов металлов - 100, 1000, 100000 мг/кг. ПДК N1 в почве составляет 100 мг/кг. Содержание Бе в почве не нормируется в связи с его высоким содержанием в почве. Для сравнения степени токсичности этих двух элементов Fe вносили в почву в том же количестве, что и №.
Почву инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре (20^22 оС) и оптимальном увлажнении (60 % от полевой влагоемко-сти) в трехкратной повторности. Образцы для ла-бораторно-аналитического исследования отобра-лись через 10 дней после загрязнения.
Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием методов, общепринятых в биологии, почвоведении и экологии [5, 6]. Общую численность бактерий в почве учитывали методом прямого люминесцентного микроскопирова-ния по Звягинцеву и Кожевину на микроскопе «Микмед-6»; активность каталазы определяли по методу Галстяна; активность дегидрогеназы - по методу Галстяна в модификации Хазиева; фитоток-сичность почв - по показателям прорастания семян (всхожесть) и интенсивности начального роста проростков (длина корней); обилие бактерий рода Л2о1оЬае1ег - методом комочков обрастания на среде Эшби.
Загрязнение чернозема обыкновенного оксидами №, Fe и их нанопорошками привело к ухудшению его биологического состояния (рисунок). Как правило, наблюдалось достоверное снижение всех исследованных биологических показателей. Степень снижения зависела от природы загрязняющего вещества и его концентрации в почве. В большинстве случаев установлена прямая зависимость между концентрацией загрязняющего вещества и степенью ухудшения исследуемых свойств почвы.
Микробиологические показатели состояния почвы, такие как общая численность бактерий и обилие бактерий рода Л2о1оЬае1ег, сильнее реагировали на наноформы оксидов № и Fe. Очень высокая чувствительность азотфиксирующих бактерий к наночастицам серебра, в миллион раз превосходящая восприимчивость других групп прокариот, была зафиксирована в других исследованиях [7]. Однако в наших экспериментах общая численность бактерий в почве снижалась в большей степени, чем обилие бактерий рода Л2о1оЬае1ег.
На ферментативную активность чернозема обыкновенного оксиды № и Fe оказали более сильное влияние, чем наночастицы данных веществ. Оксид № и его наноформа снизили активность каталазы сильнее, чем оксид Fe и наночастицы оксида Fe. С увеличением концентрации загрязняющего вещества активность каталазы уменьшалась. К загрязнению оксидами исследуемых металлов ката-лаза более чувствительна, чем к загрязнению их нанопорошками. При этом наночастицы № и Fe оказали примерно одинаковое влияние на исследуемый показатель. По степени влияния на активность каталазы в черноземе обыкновенном оксиды металлов образовали следующий ряд: № > Fe > № (наноформа) > Fe (наноформа). В литературе встречаются работы, свидетельствующие о снижении активности ферментов в почве, загрязненной наночастицами серебра [8].
а
б
в
д
Влияние загрязнения чернозема обыкновенного оксидами N1, Ее и их нанопорошками, % от контроля: а - на общую численность бактерий; б - на обилие бактерий рода Аго1оЪае1еГ; в - на активность каталазы; г - на всхожесть редиса; д - на длину корней редиса
г
На всхожесть и длину корней редиса оксиды Ni и Fe и их наноформы оказали примерно одинаковое влияние. Минимальную фитотоксичность наноматериалов в почве или даже ее отсутствие наблюдали и другие исследователи [9, 10].
Такие исследованные показатели, как активность каталазы и дегидрогеназы, обилие бактерий рода Azotobacter, общая численность бактерий, длина корней редиса, возможно использовать в целях мониторинга, диагностики и нормирования химического загрязнения (тяжелыми металлами их и нанопорошками) чернозема обыкновенного.
Выводы
Загрязнение чернозема обыкновенного оксидами Ni, Fe и их наночастицами вызвало ухудшение
его биологического состояния. На микробиологические показатели (общую численность бактерий и обилие бактерий рода Azotobacter) более сильное влияние оказали наноформы оксидов Ni и Fe. На ферментативную активность (активность каталазы и дегидрогеназы) сильнее повлияли оксиды Ni и Fe, а не их наночастицы. На показатели фитотоксично-сти (всхожесть и длину корней редиса) оксиды Ni и Fe и их наноформы оказали примерно одинаковое влияние.
Литература
1. Маркетинговое исследование рынка нанопорошков. М.,
2009. 38 с.
2. На пороге новых технологий: аналит. обзор. URL:
http://fs.moex.com/files/2496/ (дата обращения: 02.08.2014).
3. Назаренко О.Б., Ильин А. П., Коршунов А.В., Роот Л.О.
Особенности физико-химических свойств нанопо-рошков и наноматериалов : учеб. пособие. Томск, 2012. 196 с.
4. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. 4th
Edition. Boca Raton, 2010. 548 р.
5. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под
ред. Д.Г. Звягинцева. М., 1991. 304 с.
6. Казеев К.Ш., Колесников С.И. Биодиагностика почв:
методология и методы исследований. Ростов н/Д., 2012. 260 с.
7. Баклицкая О. Наночастицы серебра могут быть опасны
// Наука и жизнь. 2011. 19 апр. URL: http: // www.nkj.ru/news/19470/ (дата обращения: 01.03.2012).
8. URL: http://medportal.ru/mednovosti/news/2010/ 08/13/nano-
warm/ (дата обращения: 14.08.2012).
9. Asli S., Neumann P.M. Colloidal suspensions of clay or tita-
nium dioxide nanoparticles can inhibit leaf growth and transpiration via physical effects on root water transport // Plant, Cell & Environment. 2009. Vol. 32. P. 577-584.
10. Doshi R., Braida W., Christodoulatos C., Wazne M.,
O'ConnorG. Nano-aluminum: Transport through sand columns and environmental effects on plants and soil communities // Environmental Research. 2008. Vol. 106. P. 296-303.
References
1. Marketingovoe issledovanie rynka nanoporoshkov [Marketing research of nanopowder market]. Moscow, 2009, 38 p.
Поступила в редакцию
2. Na poroge novykh tekhnologii [On the eve of new technolo-
gies]. Analytical review. Available at: http:// fs.moex.com/files/2496/ (accessed 02.08.2014).
3. Nazarenko O.B., Il'in A.P., Korshunov A.V., Root L.O.
Osobennosti fiziko-khimicheskikh svoistv nanoporoshkov i nanomaterialov [Features physico-chemical properties of nanopowders and nanomaterials]. Proc. allowance. Tomsk, 2012, 196 p.
4. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. 4th
Edition. Boca Raton, 2010, 548 p.
5. Metody pochvennoi mikrobiologii i biokhimii [Methods of
soil microbiology and biochemistry]. Ed. D.G. Zvyagintsev. Moscow, 1991, 304 p.
6. Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Biodiagnostika pochv:
metodologiya i metody issledovanii [Soil biodiagnostics: methodology and research methods]. Rostov-on-Don, 2012, 260 p.
7. Baklitskaya O. Nanochastitsy serebra mogut byt' opasny
[Silver nanoparticles can be dangerous]. Nauka i zhizn', 2001, April, 19. Available at: http:// www.nkj.ru/news/19470/ (accessed 01.03.2012).
8. Available at: http://medportal.ru/mednovosti/news/ 2010
/08/13/nanowarm/ (accessed 14.08.2012).
9. Asli S., Neumann P.M. Colloidal suspensions of clay or
titanium dioxide nanoparticles can inhibit leaf growth and transpiration via physical effects on root water transport. Plant, Cell & Environment, 2009, vol. 32, pp. 577-584.
10. Doshi R., Braida W., Christodoulatos C., Wazne M.,
O'Connor G. Nano-aluminum: Transport through sand columns and environmental effects on plants and soil communities. Environmental Research, 2008, vol. 106, pp. 296-303.
3 февраля 2016 г.
