Влияние различных доз кадмия и меди на активность почвенных ферментов урбанозема (обзорная статья)

Одной из актуальных экологических проблем современности является загрязнение почвенного покрова тяжелыми металлами (ТМ) [54]. Почвы, в отличие от воздушной и водной сред, испытывают воздействие урбанистического прессинга сильнее, быстро поглощают из окружающей среды поллютанты и очень медленно их трансформируют [23]. Вследствие нарушения естественных ландшафтов, загрязнения твердыми, жидкими и газообразными отходами снижается устойчивость территорий, повышается степень экологического риска для всех компонентов окружающей среды, в том числе для почв [37].

Загрязнение тяжелыми металлами – мощнейший антропогенный фактор деградации почв [37]. В состав тяжелых металлов входят такие металлы, как кадмий, свинец, никель, хром, ртуть и др. Некоторые жизненно необходимые для минерального питания растений металлы также относятся к ряду тяжелых металлов (цинк, железо, медь), однако при повышении их содержания в растениях и они становятся опасными [50, 51, 52].

Накапливаясь в почвах, тяжелые металлы снижают их биологический потенциал: они подавляют активность почвенных ферментов, изменяют численность и состав микрофлоры, приводят к развитию фитопатогенных микроорганизмов, угнетают рост растений. В результате почвы могут постепенно утратить свои уникальные свойства: плодородие, способность эффективно осуществлять биологический круговорот, поддерживать гомеостаз [54].

В связи с загрязнением почвы тяжелыми металлам образуется несколько экологических проблем: деградация почвенного покрова, нарушение процессов синтеза органических веществ почвы, гумусообразования, т.е. нарушение почвообразования [28]. Ферментативная активность является индикатором загрязнения почв на молекулярном уровнен, и на сегодняшний день вопрос влияния тяжелых металлов на активность почвенных ферментов, которые являются показателем токсичности ТМ на молекулярном уровне, недостаточно изучен.

Термин тяжелые металлы (ТМ), характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В связи с разнообразной трактовкой этого понятия различными авторами количество элементов, относимых к группе ТМ, изменяется в широких пределах. Критериями принадлежности являются следующие характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы [44].

К тяжелым металлам относят более 40 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. По классификации Н.Ф. Реймерса, тяжелыми считаются металлы с плотностью более 8 г/см3 [11]. Восемь из них (ртуть, кадмий, свинец, медь, мышьяк, стронций, цинк, железо) комиссия ВОЗ (1980) по пищевому кодексу включила в число компонентов, содержание которых контролируется при международной торговле продуктами питания [40, 53].

Существует несколько классификаций металлов, основанных на положении химического элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева, удельном весе металла и его валентности. Следует подчеркнуть, что данные классификации, основанные на физикохимических свойствах, не могут предсказать поведение ТМ в экосистеме [58]. С точки зрения геохимии, классифицируют три группы металлов: 1) сидерофильные элементы (Fe, Ni, Cr, Co, Pt), которые концентрируются в железистых осадках; 2) халькофильные металлы (Sb, As, Cd, Pb, Hg, Ag, Cu, Zn), концентрирующиеся в сульфидных осадках, и 3) литофильные (щелочные металлы, а также Mg, Ca, Cr, V), имеющие сродство к силикатам [35, 49].

Согласно номенклатурной классификации ТМ делятся на металлы, соединяющиеся с азотом или серой; металлы, соединяющиеся с кислородом; и металлы, выделенные по их предпочтительным связям [13].

По биологической классификации химических элементов ТМ принадлежат в группам микро- и ультрамикроэлементов [1, 44].

По степени опасности ТМ подразделяют на три класса: 1) высоко опасные: Hg, As, Se, Cd, Pb, Zn; 2) умеренно опасные: Cr, Co, Mo, Ni, Cu, Sb и 3) малоопасные: V, W, Mn, Sr. По свойствам ионов ТМ в воде [31] данные элементы подразделяются на металлы, изменяющие органолептические (Fe, Mn, Zn) и токсикологические (Al, Cd, Cu, Mo, Cr) свойства воды. По степени подвижности в почвенных экосистемах [2] ТМ подразделяются на 3 класса: первые два класса – металлы первичного рассеивания (такого, как вулканическая деятельность), они включают Hg, As, Se, Cd, Pb, Zn (1-й класс) и Cr, Co, Mo, Ni, Cu, Sb (2-й класс); к третьему классу относятся металлы вторичного рассеивания: V, W, Mn, Sr.

Многие тяжелые металлы биологически необходимы для живых организмов. Они являются и незаменимыми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших физиологических процессов. Однако избыток этих химических элементов угнетает и даже оказывает токсическое действие на живые организмы [16].

Основными источниками загрязнения почв металлами являются: орошение водами с повышенным содержанием тяжелых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения, вторичное загрязнение вследствие выноса металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками, поступление больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов. ТМ антропогенного происхождения попадают в почву из воздуха в виде твердых или жидких осадков [24].

В почве происходят мобилизация металлов и образование различных миграционных форм, поэтому все основные циклы миграции ТМ в биосфере начинаются в почве [33]. В общем процессе антропогенного преобразования, как отмечают М. А. Антипов [3], В. С. Аржанова [5], В. В. Добровольский [9] важную роль играет загрязнение почв тяжелыми металлами. Их основные источники – промышленность, автотранспорт, котельные, мусоросжигающие установки и сельскохозяйственное производство.

Содержание ТМ в верхних слоях почвы определяется близостью к локальным источникам загрязнения и переносом поллютантов нижними слоями атмосферы, что обусловливается региональными факторами, такими как климат, рельеф, а также растительный покров [48, 62]. ТМ быстро накапливаются в почве и очень медленно из нее выводятся: период удаления Zn – 500, Cd – 1100, Cu – 1500, Pb – до нескольких тысяч лет [9].

Связыванию ТМ почвой способствует тяжелый гранулометрический состав, высокое содержание органического вещества. С другой стороны, усиление окислительных условий увеличивает миграционную способность металлов [10]. В итоге по способности почв связывать большинство ТМ, образуется следующий ряд: серозем > чернозем > дерново-подзолистая почва [6]. Большая часть поступивших на поверхность почвы ТМ закрепляется в верхних гумусовых горизонтах [34].

В почвах ТМ присутствуют в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной форме. Они обнаруживаются в нескольких пулах почвы: 1) растворенными в почвенном растворе; 2) занимающими сайты обмена на неорганических компонентах почвы; 3) прочно адсорбированными с почвенными частицами; 4) ассоциированными с нерастворимым органическим веществом почвы; 5) выпавшими в осадок в виде твердых частиц; 6) присутствующими в структуре вторичных минералов; 7) присутствующими в структуре первичных минералов [69]. Металлы, интродуцированные в окружающую среду в результате производственной деятельности человека, ассоциируются с первыми шестью пулами, тогда как «природные» металлы могут ассоциироваться с любым из пулов почвы в зависимости от геологической истории данного района [35].

Процесс трансформации поступивших в почву ТМ состоит из трех стадий: 1) преобразование оксидов металла в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты); 2) растворение гидроксидов ТМ (карбонатов, гидрокарбонатов) и адсорбцию соответствующих катионов металла твердыми фазами почв; 3) образование фосфатов ТМ и их соединений с органическим веществом почвы (Фрумин, 2002; Twardowska, Kyziol, 2003).

Металлы в почве находятся в виде свободных ионов (Cd2+,Zn2+,Cr3+) и разнообразных растворимых комплексов с неорганическими или органическими лигандами (CdSO4, ZnCl+, CdCl2), а также ассоциированы с подвижным коллоидным материалом [69]. Присутствие тех или иных форм металлов в почвах зависит от многих факторов: почвообразующей породы, наличия и характера источников техногенного загрязнения, а также естественных условий среды - pH, окислительно-восстановительного потенциала, катионного и анионного состава почвенного раствора, состава и свойств твердых фаз почвы [59, 64].

Процесс миграции ТМ в почве можно подразделить на четыре составляющих: диффузионная, фильтрационная, сорбционная и десорбционная [45]. В 90-е годы активно изучалось распространение в различных почвах таких металлов, как Cu, Zn, Co и Mo, широко применяемых в сельском хозяйстве. На сегодняший день актуальной темой является изучение содержания в почвах редких и рассеянных элементов, таких как Cr, Hg, Pb, Cd, Sn, являющихся опасными загрязнителями почв [39, 67]. Поведение отдельных металлов в почве описано в работах отечественных и зарубежных исследователей [35, 66].

ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МАТЕЛЛОВ НА АКТИВНОСТЬ ПОЧВЕННЫХ ФЕРМЕНТОВ

Ферменты играют важную роль в выполнении почвой одной из экологических функций – трофической за счет способности гидролизовать органические соединения, остатки высших растений и микроорганизмов, переводить их в доступное для питания растений и микроорганизмов состояние [47].

Воздействие тяжелых металлов на ферментативную активность почв носит прямой и опосредованный характер. В первом случае прямое взаимодействие металла с молекулой каталитического белка изменяет его конформацию, что приводит к снижению ферментативной активности. Опосредованное воздействие заключается в том, что тяжелые металлы снижают численность почвенных микроорганизмов – основных продуцентов ферментов, и это также приводит к понижению уровня ферментативной активности почв [16].

Различные ферменты по-разному реагируют на воздействие. При высоких концентрациях активность ферментов (уреазы, амилазы, каталазы, дегидрогеназы, фосфатазы) ингибируется ТМ. В некоторых случаях ТМ могут полностью инактивировать некоторые ферменты [16].

Ионы тяжелых металлов ингибируют ферментативные реакции, образуя комплексы с ферментом путем присоединения к активной группе или путем реакции с комплексом «фермент-субстрат». Получена тесная отрицательная корреляция между активностью дегидрогеназы и высокими концентрациями никеля, свинца, кадмия и ванадия [43]. Согласно данным Л.А. Гришиной [8], при действии высоких концентраций меди и цинка подавлялась активность уреазы и кислой фосфатазы. Наиболее эффективными ингибиторами активности кислой фосфатазы являются ртуть, мышьяк, вольфрам и молибден, а щелочной фосфатазы - серебро, кадмий, ванадий и мышьяк. Медь, цинк, свинец и кадмий вызывали подавление активности амилазы, ртуть - целлюлазы, ксилоназы (1000 мг/кг) и инвертазы (100 мг/кг). Содержание в почве серебра, ртути, бора, ванадия и молибдена в концентрациях 25 мкмоль/г почвы наиболее сильно ингибировали активность арилсульфатазы. Имеются сведения о снижении активности аскорбатоксидазы при внесении в почву меди и ртути. При внесении в почву свинца в форме Pb(NO3)2в количествах 500-2000 мг/кг отмечалось снижение активности уреазы и дегидрогеназы [29].

Разные исследователи наиболее чувствительными называют разные ферменты: инвертазу [7, 54], дегидрогеназу [68], уреазу [61]. Большинство авторов тем не менее сравнительную токсичность металлов считают приблизительно постоянной и убывающей в ряду: Cd>Pb>Zn. Низкие концентрации ТМ в отличие от высоких концентраций могут оказывать слабое стимулирующее действие на активность ферментов [25].

Исследования М. В. Щелчковой и др. [54] показывают, что тяжелые металлы в целом подавляли биохимическую активность мерзлотной лугово-черноземной почвы. За весь период наблюдения статистически достоверное снижение активности инвертазы на 16%. Уреаза гидролизует мочевину до аммиака и обеспечивает почву минеральным азотом. Тяжелые металлы в дозе 1 ПДК понижали уреазную активность на 16-23%, а в дозе 5 ПДК – на 52-87%. Активность фосфатазы была еще более чувствительна к загрязнению. Интенсивность гидролиза фософорорганических соединений в мерзлотной лугово-черноземной почве была подавлена более чем на 90%.

Активность уреазы снижалась более существенно, чем активность инвертазы, в течение всего вегетационного периода. Уреаза гидролизует мочевину до аммиака и обеспечивает почву минеральным азотом. Тяжелые металлы в дозе 1 ПДК понижали уреазную активность на 16-23%, а в дозе 5 ПДК – на 52-87%.

В исследованиях Т. М. Минкиной [27] наблюдалось снижение активности инвертазы и уреазной активности при внесении Pb соответственно на 58% и 27%, а при внесении Zn – 44% и 31%.

Активность фосфатазы была еще более чувствительна к загрязнению. Интенсивность гидролиза фософорорганических соединений в мерзлотной лугово-черноземной почве существенно снижалась во всех вариантах опыта, загрязненных тяжелыми металлами, и к концу вегетации была подавлена более чем на 90% [54].

По исследованиям Е. В. Плешакова и др. [38] максимальное ингибирующее действие на активность почвенных дегидрогеназ оказал никель, минимальное – кадмий. В исходной чистой почве дегидрогеназная активность составляла 0,435 мкл Н2/г за 24 ч; через 3 сут после загрязнения почвы ТМ наблюдалось ее снижение на 10–20%, исключением является загрязнение мышьяком. Через 2,5 месяца почвенные дегидрогеназы под влиянием ТМ ингибировались еще заметнее: в 4,5–7 раз во всех образцах.

По результатам исследований М. В. Щелчковой и др. [54] было установлено, что для дегидрогеназы было характерно очень резкое снижение активности под воздействием поллютантов причем, оно нарастало в течение вегетационного периода. В варианте опыта Фон+1 ПДК активность этого фермента снижалась по сравнению с контролем на

55-77%, а в варианте опыта Фон+5 ПДК падение активности составило 96100%.

Ферменты пероксидазы осуществляют окисление органических веществ почв (фенолов, аминов, некоторых гетероциклических соединений) за счет кислорода перекиси водорода и других органических перекисей. Они выполняют защитную функцию, обезвреживая перекиси и разлагая ароматические ксенобиотики в почве, а также играют важную роль в процессе образования гумуса [14]. Как показали результаты исследований, через 2,5 месяца пероксидазная активность почвы, загрязненной кадмием, восстановилась до исходных значений чистой почвы [38].

Важнейшим почвенным ферментом из класса оксидоредуктаз является каталаза. Она катализирует реакцию разложения перекиси водорода, которая образуется в процессе дыхания растений и в результате биохимического окисления органических веществ в почве, на воду и молекулярный кислород. Активность каталазы почв принято рассматривать не только как показатель функциональной активности микрофлоры, но и сохранности ферментов в постмортальном растительном материале [12].

В опытах в течение наблюдаемого периода времени (5-30 суток) наиболее близкой к активности каталазы торфяно-глеезема типичного тундрового, как эталона, была активность нарушенной почвы с растительным покровом. Регенерацию растительного покрова как самовосстановления нарушенной почвы диагностировали путем повышения активности каталазы.

В исследованиях Е.И. Новоселовой и С.А. Башкатова [32] выявилось снижение активности каталазы в образцах чернозема обыкновенного среднесуглинистого, загрязненных различными концентрациями кадмия, в течение всего периода наблюдения (3-360 сут.). Кадмий ингибировал активность каталазы уже при концентрации 5мг/кг почвы, что свидетельствует о ее высокой чувствительности к загрязнению почв этим металлом. С ростом концентрации кадмия, активность каталазы снижалась. Это объясняется подвижным состоянием кадмия в почве [22]. Подвижность кадмия может активизировать процесс вытеснения им двухвалентного железа из активного центра фермента [30]. Другой причиной снижения активности каталазы может явиться то, что под действием тяжелых металлов происходят нарушения в структуре комплекса почвенных микроорганизмов, что находит отражение в изменении уровня ферментативной активности почвы [26, 41], в частности, в снижении активности каталазы.

Определение В. И. Каменщиковой и О. А. Федотовой [15] активности каталазы показало низкий уровень активности фермента при совместном внесении Pb, Zn и Cu.

Нежелательным результатом антропогенного воздействия на среду является химическое загрязнение почв различными поллютантами. К числу наиболее приоритетных загрязнителей, обладающих высоким токсичным, мутагенным и канцерогенным эффектом, относят тяжелые металлы, они могут накапливаться в верхних горизонтах почвы, активно воздействуя в первую очередь на растения [17].

Почва – природный фильтр для техногенных загрязнителей, особенно ТМ, которые влияют на ее биологические свойства. При этом наблюдается изменение общей численности почвенных микроорганизмов, сужение биоразнообразия, изменение структуры микробоценозов и снижение ферментативной активности. Присутствие ТМ изменяет консервативные признаки почв: гумусное состояние, структуру, показатель кислотности, что приводит к частичной, а иногда и полной утрате плодородия [21]. Кроме этого, происходит поглощение ТМ растениями и попадание их по пищевой цепи в организмы животных и человека.

Это указывает на необходимость проведения экологического мониторинга содержания ТМ в воздухе, воде, почве. Проведение санитарно-гигиенического мониторинга пищевого сырья и продуктов питания на наличие в них ТМ. Дальнейшее изучение цепей миграции ТМ от их источника до человека. Разработать допустимые пределы концентраций металлов в биологических средах, характеризующие уровень антропогенной нагрузки и риск здоровью населения. Внедрение в систему социально-гигиенического мониторинга оценку содержания ТМ в биологических средах человека [44].