Загрязнение почв г. Улан-Удэ тяжелыми металлами и их влияние на активность почвенных ферментов

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

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 (Pb) и кадмий (Cd). Валовое содержание ТМ в почвенных образцах после озоления [7] определено на атомно-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 Pb 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 n=30, составило 30,1±1,7 мг/кг. Содержание Pb 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 Pb обнаружен в значительных количествах (33,3–51,0 мг/кг), превышающих ПДК в 1,1–1,7 раз.

Наибольшие значения Pb 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 n=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, Вахмист-рово, 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 Pb — 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

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.