Свойства псаммоземов камских надпойменных террас и оценка их устойчивости к загрязнению Cu и Cd

Сосновые леса на псаммоземах песчаных камских надпойменных террас в пределах территории г. Перми занимают площадь около 2 тыс. га. В условиях прогрессирующего загрязнения тяжелыми металлами буферная способность псаммоземов является основой устойчивости экосистемы. Представляет интерес изучить морфогенетические свойства псаммоземов и оценить риски накопления в них Cu и Cd по изменению активности почвенных ферментов (каталазы, уреазы и инвертазы) и появлению фитотоксичности. Псаммоземы Прикамья сформировались на перигляциальном песчаном аллювии, отложенном при таянии ледников в мезозое. Разнообразие псаммоземов гумусовых представлено типичными, оподзоленными, иллювиально-ожелезненными и псевдофибровыми подтипами. Почвы характеризуются сильнокислой реакцией среды, очень низкой емкостью поглощения, низкой насыщенностью основаниями и низкой активностью почвенных ферментов. Содержание Cu, Cd, Zn, Pb в псаммоземах существенно ниже региональных кларков почв, в то же время в гумусово-слаборазвитых горизонтах количество этих металлов несколько больше, чем в почвообразующих песках. Эксперимент по определению экотоксилогической нагрузки проводили на смешанных образцах из слоя 0–20 см псаммоземов гумусовых, в которые вносили по отдельности растворы уксуснокислой меди и уксуснокислого кадмия из расчета Cu, Cd от 2.5 до 250 мг/кг почвы. При внесении в почву Cu и Cd из расчета 2.5–10 мг/кг наблюдали снижение активности инвертазы и ухудшение физиолого-биохимических показателей тест-культуры (Lepidium sativum L.), а также подавление активности каталазы Cd.

1. Аладьева Т.Л., Зиматкин С.М. Каталаза клетки: строение, биогенез, многообразие, функции // Экспериментальная биология и биотехнология. 2022. № 1. С. 12–22.

2. Ананьева Ю.С., Шпис Т.Э. Влияние загрязнения свинцом на биологические свойства чернозема выщелоченного // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2010. № 72 (10). С. 29–32.

3. Еремченко О.З., Артамонова В.С., Бортникова С.Б., Белышева Н.Е. Оценка экологического риска в связи с накоплением тяжелых металлов в почвах городских лесов // Вестник Пермского университета. Сер. Биология. 2018. Вып. 1. С. 70–80. DOI: 10.17072/1994-9952-2018-1-70-80.

4. Еремченко О.З., Митракова Н.В. Способ оценки биологической активности и токсичности почв и техногенных грунтов: пат. Рос. Федерации № 2620555. 2017.

5. Еремченко О.З., Москвина Н.В. Свойства почв и техногенных поверхностных образований в районах многоэтажной застройки г. Пермь // Почвоведение. 2005. № 7. С. 782–789.

6. Еремченко О.З., Филькин Т.Г., Шестаков И.Е. Редкие и исчезающие почвы Пермские края // Пермь: ООО “Арт-Дизайн”, 2010. 94 с.

7. Еремченко О.З., Шестаков И.Е., Москвина Н.В. Почвы и техногенные поверхностные образования урбанизированных территорий Пермского Прикамья // Пермь: Изд-во Перм. гос. нац. исслед. ун-т, 2016. 252 с.

8. Звягинцев Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей // Почвоведение. 1978. № 6. С. 48–54.

9. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва – растение // Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. 220 с.

10. Казнина Н.М., Титов А.Ф. Влияние кадмия на физиологические процессы и продуктивность растений семейства Poaceae // Успехи современной биологии. 2013. Т. 133. № 6. С. 588–603.

11. Иовчева А.Д., Семенков И.Н. Оценка барьерной функции чернозема и серой почвы в рамках экспериментального загрязнения ионами меди. Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2023. № 116. С. 76–108. DOI: 10.19047/0136-1694-2023-116-76-108.

12. Казнина Н.М., Титов А.Ф., Лайдинен Г.Ф., Батова Ю.В. Влияние кадмия на водный обмен растений ячменя // Тр. КарНЦ РАН. 2011. № 3. С. 57–61.

13. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 341 с.

14. Копцик Г.Н. Устойчивость лесных почв к атмосферному загрязнению // Лесоведение. 2004. № 4. С. 61–71.

15. Копцик С.В., Копцик Г.Н. Оценка современных рисков избыточного накопления тяжелых металлов в почвах на основе концепции критических нагрузок (обзор) // Почвоведение. 2022. № 5. С. 615–630. DOI: 10.31857/S0032180X22050033.

16. Копылов И.С. Особенности геохимических полей и литогеохимические аномальные зоны Западного Урала и Приуралья // Вестник Пермского университета. Сер. Геология. 2011. № 1. С. 26–37.

17. Кузнецов В.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений: учебник. М.: Высшая школа, 2005. 742 с.

18. Лебедев В.С. Первичные физико-химические механизмы токсического действия меди на бактерии: Автореф. дис. ... докт. биол. наук. М., 1998. 72 с.

19. Лунев Б.С. Аллювий Прикамья // Вестник Пермского федерального исследовательского центра. 2013. № 3. С. 79–95.

20. Минеев В.Г., Лебедева Л.А., Арзамазова А.В. Последействие различных систем удобрения на ферментативную активность дерново-подзолистой почвы при загрязнении тяжелыми металлами // Агрохимия. 2008. № 10. С. 48–54.

21. Об утверждении Порядка и мер охраны редких и находящихся под угрозой исчезновения почв, занесенных в Красную книгу почв Пермского края, перечня редких и находящихся под угрозой исчезновения почв, занесенных в Красную книгу почв Пермского края: Постановление Правительства Пермского края № 447-п (утв. Губернатором Пермского края 27.05.2022).

22. Об утверждении санитарных правил и норм СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания: Постановление главного государственного санитарного врача РФ (утв. 28.01.2021).

23. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. М.: Высш. шк., 2005. 560 с.

24. Панова М.И., Пукальчик М.А., Учанов П.В., Терехова В.А. Влияние нитрата и ацетата свинца на биоиндикационные показатели при внесении в дерново-подзолистую почву // Поволжский экологический журнал. 2017. № 4. С. 382–393. DOI: 10.18500/1684-7318-2017-4-382-393.

25. Поляк Ю.М., Сухаревич В.И. Почвенные ферменты и загрязнение почв: биодеградация, биоремедиация, биоиндикация // Агрохимия. 2020. № 3. С. 83–93. DOI: 10.31857/S0002188120010123.

26. Спиридонова Т.Н., Боур О.А. Определение влияния меди на ферментативную активность силикатных бактерий // Биология будущего: традиции и новации. Екатеринбург, 2012. С. 131–133.

27. Терехова В.А. Биотестирование экотоксичности почв при химическом загрязнении: современные подходы к интеграции для оценки экологического состояния (обзор) // Почвоведение. 2022. № 5. С. 586–599. DOI: 10.31857/S0032180X220500.

28. Терехова В.А., Федосеева Е.В., Бельфег Ю.В., Кирюшина А.П., Рычагова А.Г., Верховцева Н.В. Структура микробных комплексов при моделировании полиметаллического загрязнения и ремедиации агродерново-подзолистых почв // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2021. № 1. С. 38–45.

29. Трифонова Т.А., Забелина О.Н. Изменение биологической активности почвы городских рекреационных территорий в условиях загрязнения тяжелыми металлами и нефтепродуктами // Почвоведение. 2017. № 4. С. 497–505.

30. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 2005. 252 с.

31. Хазиев Ф.Х. Экологические связи ферментативной активности почв // Экобиотех. 2018. Т. 1. № 2. С. 80–92.

32. Швакова Э.В. Изменение активности уреазы при повышенных содержаниях тяжелых металлов (Pb, Zn, Cu) в почве // Arctic Environmental Research. 2013. № 2. С. 61–66.

33. Шихов А.Н., Герасимов А.П., Пономарчук А.И., Перминова Е.С. Тематическое дешифрирование и интерпретация космических снимков среднего и высокого пространственного разрешения: учебное пособие. Пермь: Изд-во Перм. гос. нац. исслед. ун-т, 2020. 191 с.

34. Щербакова Т.А. Ферментативная активность почв и трансформация органического вещества. Минск, 1983. 222 с.

35. Arguello J.M., Raimunda D., Padilla-Benavides T. Mechanisms of Copper Homeostasis in Bacteria // Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 2013. Vol. 3. 73. pp. 1–14. DOI: 10.3389/fcimb.2013.00073.

36. Baath E. Effects of heavy metals in soil on microbial processes and populations (a review) // Water Air Soil Pollutants. 1989. Vol. 47. pp. 335–379. DOI: 10.1007/BF00279331.

37. Cadmium Toxicity and Tolerance in Plants. From Physiology to Remediation / Eds.: Hasanuzzaman M., Prasad M.N.V., Fujita M. Academic Press. 2019. 619 p. DOI: 10.1016/C2017-0-02050-5.

38. Frankeberger W.T., Johanson J.B. Method of measuring invertase activity in soils // Plant and soil. 1983. Vol. 74. pp. 301–311.

39. Gil-Sotres F., Trasar-Cepeda C., LeirIs V.C. Different approaches to evaluate soil quality using biochemical properties // Soil Biol. Biochem. 2005. Vol. 37. pp. 877–887. DOI: 10.1016/j.soilbio.2004.10.003.

40. Hale B., Gopalapillai Y., Pellegrino A., Jennett T., Kikkert J., Lau W., Schlekat C., McLaughlin M.J. Validation of site-specific soil Ni toxicity thresholds with independent ecotoxicity and biogeochemistry data for ele vated soil Ni // Environ. Pollut. 2017. Vol. 231. pp. 165–172. DOI: 10.1016/j.envpol.2017.08.008.

41. Heavy Metals in Soils: Trace Metals and Metalloids in Soils and their Bioavailability / ed. Alloway B.J. N.Y., Springer Science+Business Media Dordrecht, 2013. 613 p. DOI: 10.1007/978-94-007-4470-7_8.

42. Irfan M., Hasan S.A., Hayat S., Ahmad A. Photosynthetic variation and yield attributes of two mustard varieties against cadmium phytotoxicity // Cogent Food & Agriculture. 2015. Vol. 1. 1106186. pp. 1–12. DOI: 10.1080/23311932.2015.1106186.

43. Irwin R.J., Van Mouwerik M., Stevens L., Seese M.D., Basham W. Environmental Contaminants Encyclopedia. National Park Service, Water Resources Division, Fort Collins, Colorado. 1997. 43 p.

44. Kocak B. Importance of urease activity in soil // V International Scientific and Vocational Studies Congress – Science and Health. 2020. pp. 51–60.

45. Liu J., Niu J., Yin L., Jiang F. In situ encapsulation of laccase in nanofibers by electrospinning for development of enzyme biosensors for chlorophenol monitoring // Analyst. 2011. Vol. 136. pp. 4802–4808.

46. Mahaseth T., Kuzminov A. Potentiation of hydrogen peroxide toxicity: from catalase inhibition to stable DNA-iron complexes. Mutation Research. Reviews in Mutation Research. 2017. Vol. 773. pp. 274–281. DOI: 10.1016/j.mrrev.2016.08.006.

47. Physiology and Biochemistry of Metal oxicity and Tolerance in Plants / Eds.: Prasad M.N.V., Strzalka K., Dordrecht: Springer. 2002. 432 p. DOI: 10.1007/978-94-017-2660-3.

48. Rao M.A., Scelza R., Acevedo F., Diez M.C., Gianfreda L. Enzymes as useful tools for environmental purposes // Chemosphere. 2014. Vol. 107. pp. 145–162.

49. Rehman M., Liu L., Wang Q., Saleem M.H., Bashir S., Ullah S., Peng D. Copper environmental toxicology, recent advances, and future outlook (a review) // Environmental Science and Pollution Research. 2019. Vol. 26. pp. 18003–18016. DOI: 10.1007/s11356-019-05073-6.

50. Ritchie G.S.P., Sposito G. Speciation in soils. Chemical Speciation in the Environment. Oxford: Blackwell, 2001. pp. 237–264. DOI: 10.1002/9780470988312.CH9.

51. Robinson B., Bolan N., Mahimairaja S., Clothier B. Solubility, Mobility, and Bioaccumulation of Trace Elements: Abiotic Processes in the Rhizosphere // Trace Elements in the Environment: Biogeochemistry, Biotechnology, and Bioremediation / ed. Prasad M.N.V. CRC Press. 2005. pp. 93–106. DOI: 10.1201/9781420032048.sec2.

52. Soldatkin O.O., Kucherenko I.S., Pyeshkova V.M., Kukla A.L., Jaffrezic-Renault N., Elskaya A.V., Dzyadevych S.V., Soldatkin A.P. Novel conductometric biosensor based on three–enzyme system for selective determination of heavy metal ions // Bioelectrochem. 2012. Vol. 83. pp. 25–30. DOI: 10.1016/j.bioelechem.2011.08.001.

53. Trevors J.T., Stratton G.W., Gadd G.M. Cadmium transport, resistance, and toxicity in bacteria, algae, and fungi // Canadian Journal of Microbiology. 1986. Vol. 32(6). pp. 447–464. DOI: 10.1139/m86-085.

54. Vassilev A., Berova M., Zlatev Z. Influence of Cd2+ on growth, chlorophyll content, and water relations in young barley plants // Biol. Plant. 1998. Vol. 41. No. 4. pp. 601–606.

55. Verma R.K., Yadav D.V., Singh C.P., Archna S., Asha G. Effects of heavy metals on soil invertase enzyme activity in different soil types // Land Contamination & Reclamation. 2010. Vol. 18(2). pp. 175–180.

56. Waalewijn-Kool P.L., Rupp S., Lofts S., Svendsen C., van Gestel C.A.M. Effect of soil organic matter content and pH on the toxicity of ZnO nanoparticles to Folsomia candida // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2014. Vol. 108. pp. 9–15. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2014.06.031.

57. Yruela I. Copper in plants // Brazilian Journal of Plant Physiology. 2005. Vol. 17. pp. 145–156. DOI: 10.1590/S1677-04202005000100012.

58. Yu X., Zhao J., Liu X., Sun L., Tian J., Wu N. Cadmium pollution impact on the bacterial community structure of arable soil and the isolation of the cadmium resistant bacteria // Frontiers in Microbiology. 2021. Vol. 12. pp. 1–11. DOI: 10.3389/fmicb.2021.698834.

59. Zhao Z., Jiang H. Enzyme-based electrochemical biosensors // Biosensors / Ed. Serra P.A. Croatia: Intech, 2010. pp. 1–22.