Ферментативная активность чернозема выщелоченного, загрязненного медью

Введение . Одной из важных проблем современной экологии является загрязнение почв тяжелыми металлами, которое отражается практически на всех компонентах биосферы. Тяжелые металлы, попав в атмосферу, почву или водоемы, включаются в природный круговорот веществ и удаляются очень медленно при выщелачивании, эрозии и дефляции, а также потреблении растениями.

Основными источниками загрязнения тяжелыми металлами являются предприятия черной и цветной металлургии, горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, тепловые электростанции, транспорт. При оценке экологического состояния окружающей среды большую роль играет изучение почвенного покрова [8].

Проблема мониторинга почв актуальна в настоящее время, так как остро стоит вопрос о сохранении почвенного плодородия. Согласно литературным данным, наиболее информативными интегральными характеристиками биологической активности почвы, а следовательно, плодородия последней, является активность почвенных ферментов.

Ферментативный анализ почв широко использовался при изучении сильного промышленного загрязнения сосновых насаждений на территории Уральского региона и лесов Сибири, в зонах техногенного загрязнения в Украине, а также при определении плодородия пахотных почв в Белоруссии [1].

Однако в большинстве научных работ нет достоверных данных об изменении показателей нитрифицирующей активности, выделении углекислого газа, активности ряда ферментов даже при значительном содержании тяжелых металлов в почве [12].

Активность ферментов каталазы, инвертазы, протеазы, дегидрогеназы, полифенолоксидазы, суль-фатредуктазы, уреазы, нитратредуктазы изучалась в работах ряда исследователей [1 , 3, 6] и, по некоторым данным, является наиболее универсальным биоиндикатором состояния почвенных экосистем, поскольку отражает специфический ответ (усиление, либо, напротив, снижение показателей) почвенной биоты на неспецифическое (техногенное либо другой природы) загрязнение.

Цель исследований . Изучение влияния уровня загрязнения чернозема выщелоченного ионами меди на активность почвенных ферментов.

Объекты и методы исследований . В лабораторно-вегетационных модельных опытах с выщелоченным черноземом изучали изменение биологической активности почв по каталазной, уреазной и инвертазной ферментативной активности почв под действием ионов меди при выращивании кресс-салата сорта Неделька, горчицы белой сорта Подолянка.

Растения выращивались в сосудах емкостью 1 кг в искусственно созданных условиях в теплице при температуре 22–25⁰С, относительной влажности воздуха 60–70 %. Для закладки опыта использовалась почва пахотного слоя, взятая с полей СПК «Зыковский», которая имела следующую характеристику: гумус – 7,7 %, рН – 7–8, подвижный фосфор – 300 мг/кг, обменный калий – 150 мг/кг. В качестве фона вносили NH 3 NO 3 + K 2 SO 4 + KNO 3 , являющиеся в почвенных условиях физиологически нейтральными удобрениями [7]. Медь вносили в виде хорошо растворимой соли CuSO 4 ∙5Н 2 О в концентрациях 1–5 и 10 ПДК. Варианты модельного загрязнения почвы: 0 - контроль ; I (1 ПДК Cu); II (2 ПДК Cu); III (3 ПДК Cu); V (4 ПДК Cu); V (5 ПДК Cu); VI (10 ПДК Cu). Расчет концентраций тяжелых металлов производился согласно нормативам [2].

Для исследования влияния меди на ферментативную (энзиматическую) активность почвы было выбрано четыре фермента: уреаза, протеаза, каталаза, инвертаза. По мнению российских и зарубежных исследователей, данные ферменты наиболее чувствительны к высокому содержанию тяжелых металлов [4].

При изучении ферментативной активности почвы активность каталазы определялась перманганатометрическим методом Джонсона и Темпле [10], уреазы – фотоколориметрическим методом, который основан на измерении количества аммиака, образующегося при гидролизе мочевины путем образования окрашенных компонентов с реактивом Несслера и фенолятами, а также остатка негидролизованной части субстрата – мочевины [10], инвертазы – по учету восстанавливающих сахаров, образующихся при расщеплении сахарозы, протеазы – фотоколориметрическим методом [5, 10].

Результаты исследований и их обсуждение . Под воздействием загрязнения чернозема выщелоченного солями меди с увеличением концентрации поллютанта происходило постепенное снижение каталазной активности (рис. 1).

Достоверное уменьшение (Р<0,05–0,001) каталазной активности почвы отмечалось при внесении меди в дозе 3 ПДК и выше. Так, разница с контролем при концентрации меди 3 ПДК составляла 5,5 %, при 4 ПДК – 11,3, при 5 ПДК – 13,4, при 10 ПДК Cu – 30,6 % (рис. 2).

Концентрация внесенной в почву меди, мг/кг

Рис. 1. Влияние различных концентраций меди на каталазную активность чернозема выщелоченного при модельном загрязнении

Контроль I (1 ПДК Си) II (2 ПДК Си) III (3 ПДК Си)     IV(4 ПДК Си)   V (5 ПДК Си)     VI (10 ПДК) Си)

Концентрация внесенной в почву меди, мг/кг

Рис. 2. Изменение каталазной активности почвы под воздействием ионов меди

При изучении влияния модельного загрязнения почвы на ее уреазную активность получены следующие результаты (рис. 3). Достоверное (Р<0,05–0,001) снижение активности фермента происходило при внесении меди в дозе, превышающей 4 ПДК. Разница с контролем при данной концентрации составляла 7,3 %, при 5 ПДК – 15,6, при 10 ПДК – 22,9 % (рис. 4).

Концентрация внесенной в почву меди, мг кг

Рис. 3. Уреазная активность чернозема выщелоченного в зависимости от концентрации меди в почве

Рис. 4. Изменение уреазной активности почвы под воздействием ионов меди

Активность инвертазы – один из наиболее устойчивых показателей, обнаруживающий наиболее четкие коррелятивные связи с воздействующими факторами. В наших исследованиях достоверное различие с контролем наблюдалось при 3 ПДК меди (рис. 5), а при 10 ПДК разница уже составляла 32,4 %. Активность инвертазы на фоне составляет 10,12 мг глюкозы /г почвы. Установлено, что под влиянием токсиканта происходит достоверное (Р≤0,01) снижение активности фермента (рис. 6).

Рис. 5. Изменение инвертазной активности почвы под воздействием ионов меди

Концентрация внесенной в почву меди, мг кг

Рис. 6. Влияние модельного загрязнения почвы медью на ее инвертазную активность

Установлено, что протеазная активность на фоне составляла 0,5 мг глицина/100 г почвы. При загрязнении почвы солями меди происходило достоверное снижение активности фермента на 50,0 % при 5 ПДК и 58,0 % при 10 ПДК (рис. 7–8).

Концентрация внесенной в почву меди, мг/кг

Рис. 7. Протеазная активность чернозема выщелоченного в зависимости от концентрации меди

Контроль 1(1 ПДК Си) П(2ПДК Си) III (3 ПДК Си) IV(4 ПДК Си) V (5 ПДК Си) VI (10 ПДК) Си)

Концентрация внесенной в почву меди, мг/кг

Рис. 8. Изменение протеазной активности почвы под воздействием ионов меди

В таблице приведены уравнения регрессии зависимости показателей ферментативной активности от концентрации меди в черноземе выщелоченном. Использование данных уравнений позволяет без проведения дополнительных экспериментов установить, как будет меняться активность почвенных ферментов при той или иной концентрации поллютанта.

Уравнения регрессии зависимости активности каталазы, уреазы, протеазы, инвертазы от дозы внесения меди

Вариант исследований	Каталаза	Уреаза	Инвертаза	Протеаза
I (1 ПДК Cu) II (2 ПДК Cu) III (3 ПДК Cu) IV( 4 ПДК Cu) V ( 5 ПДК Cu) VI (10 ПДК Cu)	y = -0,0014x + 2,4425 R² = 0,9746	y = -0,0004x + 0,9729 R² = 0,9307	y = -0,0066x + 9,9798 R² = 0,8274	y = -0,0006x + 0,4802 R² = 0,8553

Установлено, что наиболее чувствительным маркером почвенного загрязнения медью является каталазная и уреазная активность, менее чувствительным – инвертазная и протеазная активность, что совпадает с результатами ранее проведенных исследований [3].

По полученным нами данным для чернозема выщелоченного Красноярской лесостепи построен следующий ряд ферментов по убыванию чувствительности к загрязнению почвы меди: катала-за>уреаза>инвертаза>протеаза.

Следовательно, изменение уровня ферментативной активности может служить показателем антропогенного воздействия на почву, что согласуется с данными ряда других авторов [4, 9, 11].

Выводы

• 1.    Под воздействием загрязнения чернозема выщелоченного медью наблюдается достоверное уменьшение каталазной (на 5,5 %) и инвертазной (16,4 %) активности почвы при содержании токсиканта 3, 4, 5, 10 ПДК, уреазной (7,3 %) и протеазной (38 %) активности при 4, 5, 10 ПДК.

• 2.    Для чернозема выщелоченного Красноярской лесостепи характерен следующий ряд ферментов по убыванию чувствительности: каталаза>уреаза>инвертаза>протеаза.