CC BY
101
ГЕОГРАФИЯ
УДК 574:631.4(571.54-25)
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ г. УЛАН-УДЭ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА АКТИВНОСТЬ ПОЧВЕННЫХ ФЕРМЕНТОВ
© Валова Елена Эрдэмовна
кандидат географических наук, доцент кафедры географии и геоэкологии Бурятского государственного университета Россия, 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а E-mail: elena-valova@yandex.ru © Корсунова Цыпилма Даши-Цыреновна
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории биохимии почв Института общей и экспериментальной биологии Сибирского отделения Российской академии наук
Россия, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 E-mail: zinakor23@yandex.ru
Показано существенное влияние тяжелых металлов на активность почвенных ферментов. На территории коллективного сада «Ранет» и 9-го километра Спиртзаводской трассы показатель активности дегидрогеназы составил 7,0 мг, где отмечены наименьшие загрязнения кадмием (0,5 мг/кг) и свинцом (18 мг/кг) и, напротив, активность фермента низкая на участках с высоким содержанием металлов. Свинец, кадмий подавляли процессы протеолиза в урбанизированных почвах. Активность этих ферментов может быть использована для диагностики почв и степени загрязнения ее тяжелыми металлами.
Ключевые слова: почва, тяжелые металлы, загрязнение, ферменты, дегидрогеназа, протеаза, активность.
SOIL CONTAMINATION ULAN-UDE HEAVY METALS AND THEIR EFFECT ON THE ACTIVITY OF SOIL ENZYMES
Elena Ye. Valova
PhD georgaphy, the senior lecturer of Department of geography and geoecology, Buryat State University
24a, Smolina st., Ulan-Ude, 670000 Russia Tsipilma D-T. Korsunova
PhD georgaphy, senior researcher of laboratory of biochemistry of soil, Institute of General and experimental biology, Siberian branch of the RAS 6, Sakhyanov^ Ulan-Ude, 670047 Russia
Substantial influence of high doses of heavy metals is shown on activity of soil enzymes. On the territory of the collective garden «Ranet» and the 9th kilometes of Spirtzavodskoy highway the index of activity of enzyme was 7.0 mg, where the least contaminations are marked the lowest pollution by cadmium — 0.5 mg / kg, and lead — 18 mg / kg. In contrast, the enzyme activity is low in areas with high metal content. Lead, cadmium suppressed processes of a proteoliz in the urbanized soils. Activity of these enzymes can be used for diagnostics of soils and extent of pollution by its heavy metals. Keywords: soil, heavy metals, pollution, enzymes, degidrogenaza, protease, activity.
Введение. Одной из актуальных проблем экологии является загрязнение почвенного покрова тяжелыми металлами. В последние десятилетия интенсивное промышленное и сельскохозяйственное использование природных ресурсов вызвало существенные изменения биохимических циклов большинства химических элементов, в первую очередь тяжелых металлов (ТМ), которые накапливаются в
природной среде в высоких концентрациях. Значительная часть ТМ попадает в почву, которая является важнейшим биохимическим барьером и основной жизнеобеспечивающей сферой. Причины негативного воздействия ТМ на биологические свойства почв заключаются в том, что ТМ, связываясь с сульфгидрильными группами белков, подавляют синтез белков, в том числе ферментов, и изменяют проницаемость биологических мембран. Под действием ТМ происходят нарушения в структуре почвенного микробоценоза, что изменяет уровень ферментативной активности почвы [10].
По данным ряда авторов [1, с. 70; 6, с. 186], наиболее чувствительными тестами на загрязнение почвы ТМ является ферментативная активность почв. Накапливаясь в почвах, тяжелые металлы снижают их биологический потенциал, они подавляют активность почвенных ферментов, изменяют численность и состав микрофлоры, угнетают рост растений [4].
В результате почвы могут постепенно утратить свои уникальные свойства: плодородие, способность эффективно осуществлять биологический круговорот, поддерживать гомеостаз.
Цель работы — определение содержания свинца и кадмия в почвах г. Улан-Удэ и их влияние на ферментативную активность.
Материалы и методы исследования. Эколого-геохимические исследования проводились на территории г. Улан-Удэ, которая была разбита на 30 ключевых участков. Их выбор был произведен с учетом «розы ветров» и местом расположения стационарных и передвижных источников загрязнений. С каждого ключевого участка площадью 100 м2 методом конверта отбирали образцы почв из 0-5 см слоя в 8 точках, из них составлялся один смешанный образец, в которых определяли свинец ^^ и кадмий (Cd). Валовое содержание ТМ в почвенных образцах после озоления [7] определено на атом-но-абсорбционном спектрофотометре марки Solaar — М в испытательно-аналитической лаборатории Республиканского центра стандартизации и метрологии. Ферментативную активность почвы определяли принятыми в почвенной энзимологии методами [9].
Результаты исследования и их обсуждение. Исследования показали, что тяжелые металлы в целом подавляли биохимическую активность урбанизированных почв, однако их ингибирующее действие проявлялось в разной степени по отношению к отдельным ферментативным реакциям. В литературе обсуждается возможность использования показателей ферментативной активности в диагностике загрязнения почв тяжелыми металлами [5].
Анализ определения РЬ в почвах показал очень широкую амплитуду колебания его количества — от 13,0 до 51,0 мг/кг почвы, среднее содержание, по данным статистической обработки при п=30, составило 30,1±1,7 мг/кг. Содержание РЬ на половине ключевых участков не превышает значение ПДК, однако в отдельных точках оно очень близко (13,3-29,3 мг/кг) к нему. На остальной половине территории города РЬ обнаружен в значительных количествах (33,3-51,0 мг/кг), превышающих ПДК в 1,1-1,7 раз.
Наибольшие значения РЬ отмечены на следующих ключевых участках: 43-й квартал, парк — 36,0 мг/кг (1,2 ПДК); пос. Аршан — 36,7 (1,2 ПДК); 113-й квартал — 36,6 (1,2 ПДК); Верхняя Березовка — 37,5 (1,3 ПДК); Горсад — 37,9 (1,3 ПДК); п. Вахмистрово — 42,5 (1,4 пДк); пос. Новая Ко-мушка — 50,0 (1,7 ПДК); 2-й км Спиртзаводской трассы — 51,0 (1,7 ПДК).
Количества Cd в 0-5 см слое почвы колеблется в пределах 0,26-2,9 мг/кг, где степень вариабельности достигала 54 %. А среднее содержание его при п=30 составило 1,5±0,1 мг/кг. При величине ПДК Cd в почвах, равном 3 мг/кг, следует считать, что его содержание на территории города находится в безопасных пределах, хотя в некоторых ключевых участках приближается к значению предельной концентраций: пос. Верхняя Березовка — 2,9; Горсад — 2,7; пос. Эрхирик — 2,7 мг/кг (рис. 1) [2; 3; 7].
В почвах всех ключевых участков была определена дегидрогеназная активность. Результаты показали, что активность фермента сведена почти к минимуму — 0,5 мг трифенилформазана (ТФФ) /100 г почвы на участках пос. Новая Комушка и Заречный; 1,0 мг — Забайкальский, Вахмистрово, Лысая Гора; 1,5 мг — Энергетик, Стеклозавод, Восточный, Орешково, станция Дивизионная, коллективный сад «Тепловик», 2-й км Спиртзаводской трассы, остановка «Стрелка», где обнаружены высокие содержания Pb и Cd.
Рис. 1. Карта-схема техногенного загрязнения почвенно-растительного покрова г. Улан-Удэ
Лишь в двух случаях показатель активности фермента возрос до 7,0 мг — на территории коллективного сада «Ранет» и 9-го км Спиртзаводской трассы, где отмечены наименьшие загрязнения Cd — 0,5 мг/кг и РЬ — 16,7 мг/кг. Как и следовало ожидать, активность возрастает до 10 мг ТФФ /100 г на территории относительно «чистого» поселка Сокол, где найдено сравнительно низкое содержание ТМ (табл. 1) [6; 8].
Таблица 1
Дегидрогеназная активность в почвах г. Улан-Удэ
Место отбора Активность дегидроге-назы, ТФФ, мг/100г почвы РЬ Cd
Горсад 2,0 37,9 2,7
Русский драматический театр 2,0 26,7 1,2
завод «Электромашина» 2,5 16,1 0, 9
пос. Солнечный 5,0 29,3 1,4
пос. Восточный 1,5 26,7 1,4
пос. Тулунжа 4,0 30,4 2, 1
пос. Степной 4,5 30,0 1, 9
пос. Сокол 10,0 15 ,0 0, 3
Коллективный сад «Ранет» 7,0 18,0 0, 5
пос. Заречный 0,5 34,3 2, 1
пос. Сотниково 2,5 33 ,3 1,2
пос. Исток 2,8 30,0 1,3
остановка Стрелка 1,5 34,2 1,6
Верхняя Березовка 2,0 37,5 2, 9
пос. Эрхирик 2,8 25 ,4 2,7
пос. Стеклозавод 1,5 34,2 1,4
станция Дивизионная 1,5 13 ,3 1, 5
Лысая гора 1, 0 18,3 1, 3
пос. Аршан 3, 0 36,7 1, 1
пос. Орешково 1,5 24,3 1,6
43-й квартал, парк 2,0 26,0 1, 3
Спиртзаводская трасса, 2 км 1,5 51 ,0 1,4
Спиртзаводская трасса, 9 км 7,3 16,7 0, 5
пос. Энергетик 1,5 17,7 1,4
пос. Тальцы 3,5 29,3 1,2
пос. Забайкальский 1, 0 26,7 1, 1
113-й квартал 5,0 36,6 1,6
пос. Вахмистрово 1, 0 42,5 2, 1
Коллективный сад «Тепловик» 1,5 24,3 0, 3
пос. Новая Комушка 0,5 50,0 2,4
Среди ферментов азотного обмена важную роль в почве принадлежит протеазе. Она катализирует начальные этапы расщепления белковых веществ до пептидов и аминокислот. В своих исследованиях мы изучали протеазную активность аппликационным методом, погружая в почвы пластины, покрытые желатином. Результаты эксперимента показали, что разрушение желатинового слоя на пластинах, погруженных в почву, где наивысшее количество свинца и кадмия происходит слабее от 55 до 51 %, на других вариантах, на пластинах расщеплялось от 73-82 %.
Выводы. Проанализировав показатели ферментативной активности в почвах территории г. Улан-Удэ и сравнив их с загрязнением свинцом и кадмием, следует отметить, что эти два параметра находятся в обратной зависимости, т. е. при незначительной нагрузке ТМ наблюдается угнетение активности этого фермента. Активность этих ферментов может быть использована для диагностики почв и степени загрязнения ее тяжелыми металлами.
Литература
1. Абрамян С. А. Изменение ферментной активности почвы под влиянием естественных и антропогенных факторов // Почвоведение. 1992. № 7. С. 70.
2. Валова Е. Э. Эколого-геохимические особенности городских ландшафтов степной и лесостепной зон межгорной котловины (на примере г. Улан-Удэ): дис. ... канд. геогр. наук. Улан-Удэ, 2003. 158 с.
3. Valova E. E., Korsunova Ts. D.-Ts. The effect of lead and cadmium dehydrogenase activity of the soil // Биологические науки Казахстана. 2014. № 4. С. 52-57.
4. Вальков В. Ф., Колесников С. И., Казеев К. Ш. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на фитоток-сичность чернозема // Агрохимия. 1997. № 6. С. 50-54.
5. Микробиологические и биохимические показатели загрязнения свинцом дерново-подзолистой почвы / Д. Г. Звягинцев, А. В. Кураков, М. М. Умаров, З. Филипп // Почвоведение. 1997. № 9. С. 1124-1131.
6. Зырин Н. Г., Раскова Н. В., Платонов Г. В. Действие тяжелых металлов на ферментативную активность почв // Мелиорация, использование и охрана почв нечерноземной зоны. М.: Наука, 1980. С. 186.
7. Инструкции по определению тяжелых металлов и фосфора химическими методами в почвах, растений и водах при изучении загрязненности окружающей среды / сост. К. В. Веригина. М., 1978. 48 с.
8. Корсунова Ц. Д.-Ц., Валова Е. Э. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на ферментативную активность урболандшафтов г. Улан-Удэ // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 6. (прил. Биологические науки). C. 12.
9. Хазиев Ф. Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 2005. 252 с.
10.Hemida S. K., Omar S. A., Abdel-Mallek A. Y. Microbiol populations and enzyme activity in soil treated with heavy metals // Water, air and pollution. 1997. V. 95, №. 1. P. 13.
References
1. Abramian S. A. Izmenenie fermentnoi aktivnosti pochvy pod vliianiem estestvennykh i antropogennykh faktorov [Changes in soil enzyme activity influenced by natural and anthropogenic factors] Pochvovedenie. 1992. № 7. 70 p.
2. Valova E. E. Ekologo-geokhimicheskie osobennosti gorodskikh landshaftov stepnoi i lesostepnoi zon mezh-gornoi kotloviny (na primere g. Ulan-Ude) [Ecological and geochemical features of the urban landscape of steppe and forest steppe zones of the intermountain basins (for example, the city of Ulan-Ude)]: dis. ... kand. geogr. nauk. Ulan-Ude. 2003. 158 p.
3. Valova E. E., Korsunova Ts. D.-Ts. The effect of lead and cadmium dehydrogenase activity of the soil. Bio-logicheskie nauki Kazakhstana. 2014. № 4. Pp. 52-57.
4. Val'kov V. F., Kolesnikov S. I., Kazeev K. Sh. Vliianie zagriazneniia tiazhelymi metallami na fitotok-sichnost' chernozema [Influence of heavy metal pollution on the black soil phytotoxicity] Agrokhimiia. 1997. № 6. Pp. 50-54.
5. Mikrobiologicheskie i biokhimicheskie pokazateli zagriazneniia svintsom dernovo-podzolistoi pochvy [The microbiological and biochemical indicators of lead pollution sod-podzolic soil] D. G. Zviagintsev, A. V. Kurakov, M. M. Umarov, Z. Filipp. Pochvovedenie. 1997. № 9. Pp. 1124-1131.
6. Zyrin N. G., Raskova N. V., Platonov G. V. Deistvie tiazhelykh metallov na fermentativnuiu aktivnost' pochv [The action of heavy metals on the soil enzyme activity] Melioratsiia, ispol'zovanie i okhrana pochv nechernozemnoi zony. Moscow. 1980. 186 p.
7. Instruktsii po opredeleniiu tiazhelykh metallov i fosfora khimicheskimi metodami v pochvakh, rastenii i vo-dakh pri izuchenii zagriaznennosti okruzhaiushchei sredy [Instructions for determination of heavy metals and phosphorus chemical methods in soils, plants and water in the study of environmental pollution] sost. K. V. Verigina. M., 1978. 48 p.
8. Korsunova Ts. D.-Ts., Valova E. E. Vliianie zagriazneniia tiazhelymi metallami na fermentativnuiu ak-tivnost' urbolandshaftov g. Ulan-Ude [Influence of heavy metal pollution on the enzymatic activity of agricultural landscapes Ulan-Ude] Sovremennye problemy nauki i obrazovaniia. 2013. № 6. (pril. Bio-logicheskie nauki). 12 p.
9. Khaziev F. Kh. Metody pochvennoi enzimologii [Methods of soil enzymology]. Moscow. 2005. 252 p.
10.Hemida S. K., Omar S. A., Abdel-Mallek A. Y. Microbiol populations and enzyme activity in soil treated with heavy metals. Water, air and pollution. 1997. V. 95, No. 1. 13 p.
