ОБОСНОВАНИЕ  ВЫБОРА  ФЕРМЕНТА,  КАК  ПОКАЗАТЕЛЯ  ТОКСИЧНОСТИ  ЗАГРЯЗНЕННЫХ  ТЯЖЕЛЫМИ  МЕТАЛЛАМИ  ПОЧВ

Яковишина  Татьяна  Федоровна

канд.  с.-х.  наук,  доцент,  доцент  кафедры  экологии  и  охраны  окружающей  среды,  Государственное  высшее  учебное  заведение  «Приднепровская  государственная  академия  строительства  и  архитектуры»,  РФ, 

г.  Днепропетровск

E-mail: 

Бородин  Евгений  Геннадиевич

студент  4-го  курса  факультета  ТСКМ  и  экологии,  Государственное  высшее  учебное  заведение  «Приднепровская  государственная  академия  строительства  и  архитектуры»,  РФ,  г.  Днепропетровск

E-mail: 

JUSTIFICATION  OF  THE  CHOICE  OF  THE  ENZYME  AS  AN  INDEX  OF  THE  TOXICITY  OF  THE  SOIL  CONTAMINATION  BY  THE  HEAVY  METALS

Tatyana  Yakovyshyna

associate  Professor  of  Ecology  and  Environmental  Protection  Department,  Doctor  of  Philosophy  (Ecology),  Associate  Professor  State  Higher  Educational  Establishment  “Pridneprovska  Statе  Academy  of  Civil  Engineering  and  Architecture”,  Russia  Dnipropetrovsk

Yevgeny  Borodin

student  4-year  Faculty  of  TBCM  and  Ecology  State  Higher  Educational  Establishment  “Pridneprovska  Statе  Academy  of  Civil  Engineering  and  Architecture”,  Russia  Dnipropetrovsk

АННОТАЦИЯ

Проанализирована  степень  устойчивости  ферментов  к  токсическому  действию  тяжелых  металлов.  Обосновано  использование  активности  дегидрогеназы,  как  показателя  токсичности  загрязненных  тяжелыми  металлами  почв  при  проведении  экологического  мониторинга.

ANNOTATION

Degree  of  the  enzymes  stability  has  been  analyzed  to  the  toxic  effects  of  the  heavy  metals.  Using  of  the  dehydrogenase  activity  has  been  justified  as  an  index  of  the  toxicity  of  the  soil  contamination  by  the  heavy  metals  for  the  environmental  monitoring.

Ключевые  слова:  почва;  загрязнение;  тяжелые  металлы;  токсичность  фермент.

Keywords:  soil;  contamination;  heavy  metals;  toxicity;  enzyme.

Постановка  проблемы.  При  проведении  экологического  мониторинга  загрязненных  тяжелыми  металлами  (ТМ)  почв  возникает  необходимость  в  поиске  показателей  для  оценки  их  токсичности,  среди  которых  наиболее  информативным  и  быстро  реагирующим  на  загрязнение  является  ферментативная  активность.

Известно,  что  ТМ  угнетают  активность  ферментов,  которые  непосредственно  содержатся  в  почве  и  опосредованно  —  в  клетках  микроорганизмов,  при  этом  их  токсическое  действие  связано,  в  основном,  с  сульфгидрильными  группами,  и  в  меньшей  мере,  с  амино-,  фосфат-,  имидиазол-  и  гидроксильными  радикалами  ферментов  и  белков  микроорганизмов  [1,  с.  217].  Следовательно,  причиной  снижения  ферментативной  активности  почвы  при  загрязнении  ТМ  будет  как  прямое  подавление  каталитической  активности  ферментов,  так  и  задержка  их  синтеза  микроорганизмами.  При  этом,  высокие  концентрации  ТМ  значительно  снижают  активность  амилазы,  дегидрогеназы,  уреазы,  инвертазы  и  каталазы  [2,  с.  21],  в  то  время  как  низкие,  наоборот,  могут  её  активировать. 

Цель  работы  заключалась  в  поиске  наиболее  чувствительного  к  токсическому  действию  ТМ  почвенного  фермента  и  дальнейшем  обосновании  его  использования,  как  показателя  токсичности  загрязненных  почв  при  проведении  экологического  мониторинга.

Методы  исследований.  Для  всесторонней  оценки  токсического  действия  ТМ  на  ферментативную  активность  почвы  пользовались  шкалой  Д.Г.  Звягинцева  [3,  с.  54],  состоящей  из  пяти  ферментов:  гидролитических  (инвертазы,  уреазы,  фосфатазы)  и  окислительно-восстановительных  (каталазы  и  дегидрогеназы).  Активность  почвенных  ферментов  определяли  при  уровне  антропогенной  нагрузки  в  пахотном  слое  чернозема  обыкновенного  в  5  ПДК  по  Cd,  Pb  и  Zn  (нитратная  форма)  с  учетом  их  подвижности,  что  обеспечивало  внесение  мелиоранотов:  органо-минеральные  удобрения  (ОМУ)  —  1,5  ц/га;  мел  —  1,5  ц/га;  биогумус  —  1,0  ц/га;  K₂S  и  K₂CO₃  в  дозах,  в  1,5  раза  превышающих  эквивалентные  количества,  необходимые  для  полного  химического  связывания  катионов  ТМ²⁺  в  нерастворимые  соединения,  в  виде  водных  растворов.

Результаты  и  их  обсуждение.  Токсическое  действие  ТМ  на  изучаемые  почвенные  ферменты  было  принципиально  схожим  и  заключалось  в  ингибировании  большей  или  меньшей  мерой  их  действия  как  через  изменение  кинетических  характеристик,  так  и  в  результате  взаимодействия  с  субстратом  и  продуктами  реакции.  Помимо  того,  подкисление  почвы  за  счет  привнесения  сопутствующего  ТМ  аниона  NO₃^-  способствовало  изменению  оптимальной  для  действия  ферментов  среды  в  черноземе  обыкновенном  и,  соответственно,  усилению  снижения  активности  инвертазы  и  стимулированию,  хотя  и  ниже  уровня  контроля  –  каталазы  и  дегидрогеназы.  В  то  же  время  компоненты,  входящие  в  состав  мелиорантов,  в  некоторых  случаях  ингибировали  действие  тех  или  иных  ферментов.  Так,  например,  внесение  экологически  обоснованных  доз  извести  и  K₂CO₃  значительно  увеличивало  активность  уреазы  и,  напротив,  ингибировали,  хотя  и  в  незначительной  степени,  порядка  3—4  %  —  инвертазу.  При  недостатке  подвижного  фосфора  и  низкой  активности  фосфатазы,  а  именно  такие  условия  характерны  для  техногенно  загрязненной  ТМ  почвы,  дополнительный  минеральный  фосфор,  поступающий  с  ОМУ,  впрочем,  как  и  биогумус,  повышали  фосфатазную  активность.  Кроме  того,  повышенные  концентрации  минерального  азота  в  почве  за  счет  внесения  ОМУ  вызывали  снижение  активности  уреазы  (табл.  1).

Таблица  1.

Токсическое  действие  ТМ  на  почвенные  ферменты

Наиболее  устойчиво  и  существенно  токсическое  действие  ТМ  проявилось  в  ингибировании  активности  дегидрогеназы,  которая  снижалась  по  сравнению  с  контролем  (незагрязненная  почва)  на  47—58  %  в  зависимости  от  химической  природы  изучаемых  металлов. 

Активность  инвертазы  —  фермента  углеродного  обмена,  и  уреазы,  связанной  с  процессами  гидролиза  и  превращения  в  доступную  форму  азота  мочевины,  под  влиянием  загрязнения  ТМ  снижались  на  15—25  %  в  вариантах  без  внесения  мелиорантов.  Уровни  активности  каталазы,  которая  относится  к  геминферментам,  катализирующим  отщепление  воды  от  перекиси  водорода  и  фермента  фосфорного  обмена  —  фосфатазы,  оказались  наиболее  устойчивы  по  отношению  к  токсическому  действию  катионов  Pb²⁺,  Cd²⁺  и  Zn²⁺.

Согласно  градации  степени  загрязнения  почв  ТМ  по  ферментативной  активности,  предложенной  К.В.  Григорян  и  А.Ш.  Галстян  (1974),  чернозем  обыкновенный  при  его  загрязнении  в  5  ПДК  по  Cd,  Pb  и  Zn  следует  отнести  по  активности  инвертазы  и  фосфатазы  к  среднезагрязненным  почвам.

По  степени  устойчивости  к  загрязнению  почвы  ТМ  ферменты  расположились  в  виде  следующего  ряда:  дегидрогеназа  <  уреаза  ≤  инвертаза  <  фосфатаза  =  каталаза.  Однако  только  между  содержанием  подвижных  форм  Cd,  Pb  и  Zn  в  почве  и  активностью  дегидрогеназы  –  наиболее  чувствительного  к  техногенному  загрязнению  ТМ  фермента  —  были  установлены  обратные  зависимости,  которые  удовлетворительно  описывались  полиномами  второго  порядка: 

загрязнение  Cd  Д  =  0,0367Cd_п²  -  0,459Cd_п  +  2,4944,  R²  =  0,8464

загрязнение  Pb  Д  =  0,0002Pb_п²  -  0,0266Pb_п  +  2,4328,  R²  =  0,7874

загрязнение  Zn  Д  =  2E-05Zn_п²  -  0,0097Zn_п  +  2,4429,  R²  =  0,7131

где:  Д  —  активность  дегидрогеназы,  мг  ТФФ  на  10  г  почвы  за  24  часа;

Cd_п  —  содержание  подвижного  кадмия  в  почве,  мг/кг;

Pb_п  —  содержание  подвижного  свинца  в  почве,  мг/кг;

Zn_п  —  содержание  подвижного  цинка  в  почве,  мг/кг.

Вывод.  Среди  проанализированных  почвенных  ферментов  наиболее  чувствительной  к  токсическому  действию  ТМ  оказалась  дегидрогеназа,  так  ее  активность  снижалась  практически  в  2  раза  при  уровне  антропогенной  нагрузки  в  5  ПДК  по  Cd,  Pb  и  Zn  и  напрямую  зависела  от  степени  подвижности  металла,  что  подтвердили  уравнения  регрессии,  кроме  того  она  в  наименьшей  степени  была  подвержена  побочному  воздействию  сопутствующего  ТМ-загрязнителю  аниона  и  мелиорантов,  а  это,  в  свою  очередь,  дает  возможность  рекомендовать  использовать  данный  показатель  для  оценки  токсичности  загрязненных  почв  при  проведении  экологического  мониторинга.

Список  литературы:

1.Никитин  Г.А.  Биохимические  основы  микробиологических  производств.  К.:  Вища  школа,  1994.  —  319  с.

2.Перцовская  А.Ф.,  Плугин  В.П.,  Великанов  Н.Л.  Изменение  биологической  активности  дерново-подзолистой  почвы  различного  механического  состава  при  загрязнении  тяжелыми  металлами  //  Гигиена  и  санитария.  —  1990.  —  №  7.  —  С.  20—23.

3.Биогенность  почвы  и  пути  ее  повышения  :  межвуз.  сб.  науч.  тр.  /  Кишинев.  гос.  ун-т  ;  [под  ред.  М.Ф.  Лупашку].  Кишинев:  Штиинца,  1988.  —  172  с.