Влияние тяжелых металлов на ферментативную активность почв природно-рекреационной зоны г. Перми (модельный опыт)

Целью работы была оценка изменения ферментативной активности (каталазы, уреазы и инвертазы) в дерново-элювоземе и темногумусовой почве при смоделированном загрязнении Cd, Cu, Zn, Pb. Активность ферментов является одним из индикаторов токсичности металлов в почвах. Для создания необходимых уровней загрязнения в исследуемые почвы вносили растворы уксуснокислых солей Cd, Cu, Zn, Pb с концентрациями: 0 (контроль), 2.5, 5, 10, 25, 50, 100, 250, 500, 1000, 1500 мг/кг почвы. По генетическим свойствам темногумусовые почвы обладают более высокой устойчивостью к поллютантам в отличие от дерново-элювозема. Содержание органического вещества в темногумусовой почве в среднем составляет 7.0%, реакция среды близка к нейтральной. Гранулометрический состав изменяется в профиле от тяжелосуглинистого до среднеглинистого, а дерново-элювозем – легкосуглинистый, кислый и с меньшим содержанием гумуса. Определение критического уровня загрязненности, выраженного через активности каталазы, уреазы и инвертазы, подтвердило повышенную устойчивость темногумусовой почвы. Среди изученных показателей наиболее чувствительным к загрязнению обеих почв тяжелыми металлами оказалась активность уреазы: она снизилась в дерново-элювоземе при внесении Cd и Cu в количестве от 100 мг/кг и выше, в темногумусовой почве – при внесении Cd от 100 мг/кг и выше, а Cu – от 1000 мг/кг и выше. Негативное воздействие Pb проявилось только в темногумусовой почве, где активность уреазы понижалась при загрязнении от 250 мг/кг и выше. Активность фермента была устойчивой при загрязнении почв Zn, снижение показателя отметили лишь при максимальной дозе (1500 мг/кг). Особенность каталазной и инвертазной активности в обеих почвах проявилась в их усилении при повышенном загрязнении, что обусловлено, по-видимому, снижением активности микроорганизмов. При анализе сравнительной токсичности металлов установлено, что Cu, несмотря на свое биогенное значение, отличалась усиленным экотоксикологическим эффектом по сравнению с Zn и Cd; наименьшее воздействие на ферментативную активность оказало внесение Pb.

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

2. Водяницкий Ю.Н. Тяжелые и сверхтяжелые металлы и металлоиды в загрязненных почвах. М.: ГНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 2009. 96 с.

3. Водяницкий Ю.Н., Ладонин Д.В., Савичев А.Т. Загрязнение почв тяжелыми металлами. М., 2012. 304 с.

4. Даденко Е.В., Мясникова М.А., Чернокалова Е.В., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Сезонная динамика ферментативной активности чернозема обыкновенного // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 6. С. 743.

5. 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-тa, 2016. 252 с.

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

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

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

9. 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: https://doi.org/10.31857/S0032180X22050033.

10. 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.

11. Новоселова Е.И. Ферментативная активность почв в условиях нефтяного загрязнения и ее биодиагностическое значение // Теоретическая и прикладная экология. 2009. № 2. С. 4–12.

12. 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).

13. 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).

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

15. Сайранова П.Ш., Еремченко О.З. Свойства псаммоземов камских надпойменных террас и оценка их устойчивости к загрязнению Cu и Cd // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2024. Вып. 119. С. 66–97. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2024-119-66-97.

16. 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.

17. Ушакова Е.С., Пузик А.Ю., Караваева Т.И. Оценка микроэлементного состава снежного покрова Березниковского городского округа (Пермский край) // Географический вестник. 2020. № 2 (53). С. 130–140. DOI: https://doi.org/10.17072/2079-7877-2020-2-130-140.

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

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

20. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Скрыпник Л.Н., Бессережнова М.И. Реакция пигментной и антиоксидантной систем растений на загрязнение окружающей среды г. Калининграда выбросами автотранспорта // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2012. № 2 (18). С. 171–185.

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

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

23. Bacmaga M., Boros E., Kucharski J., Wyzkowska J. Enzymatic activity in soil contaminated with the Aurora 40 Wg herbicide // Environment Protection Engineering. 2012. Vol. 38 (1). P. 91–102. DOI: https://doi.org/10.1080/10934529.2012.630305.

24. Bastida F., Moreno J., Hernаndez T., García C. Microbiological activity in a soil 15 years after its devegetation // Soil Biology and Biochemistry. 2006. Vol. 38 (8). P. 2503–2507. DOI: https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2006.02.022.

25. Blagodatskaya E., Kuzyakov Y. Active microorganisms in soil: Critical review of estimation criteria and approaches // Soil Biology and Biochemistry. 2013. Vol. 67. P. 192–211. DOI: https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2013.08.024.

26. Burns R.G., DeForest J.L., Marxsen J., Sinsabaugh R.L., Stromberger M.E., Wallenstein M.D., Weintraub M.N., Zoppini A. Soil enzymes in a changing environment: Current knowledge and future directions // Soil Biology and Biochemistry. 2013. Vol. 58. P. 216–234. DOI: https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.11.009.

27. Calamai L., Lozzi I., Stotzky G., Fusi P., Ristori G.G. Interaction of catalase with montmorillonite homoionic to cations with different hydrophobicity: effect on enzymatic activity and microbial utilization // Soil Biology and Biochemistry. 2000. Vol. 32 (6). P. 815–823. DOI: https://doi.org/10.1016/S0038-0717(99)00211-4.

28. Chaperon S., Sauve S. Toxicity interactions of cadmium, copper, and lead on soil urease and dehydrogenase activity in relation to chemical speciation // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2008. Vol. 70. P. 1–9. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2007.10.026.

29. Ciarkowska K., Solek-Podwika K., Wieczorek J. Enzyme activity as an indicator of soil-rehabilitation processes at a zinc and lead ore mining and processing area // Journal of Environmental Management. 2014. Vol. 132. P. 250–256. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2013.10.022.

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

31. Gianfreda L., Rao M.A. The influence of pesticides on soil enzymes // Soil Enzymology. Soil Biology Series. No. 22. 2010. P. 293–312. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-14225-3_16.

32. Gianfreda L., Ruggiero P. Enzyme activities in soil P. Nannipieri, K. Smalla // Nucleic Acids and Proteins in Soil. 2006. P. 257–297. DOI: https://doi.org/10.1007/3-540-29449-X_12.

33. 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 elevated soil Ni // Environ. Pollut. 2017. Vol. 231. P. 165–172. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2017.08.008.

34. 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: https://doi.org/10.1007/978-94-007-4470-7_8.

35. Jian S., Li J., Chen J., Wang G., Mayes M.A., Dzantor K.E., Hui D., Luo Y. Soil extracellular enzyme activities, soil carbon and nitrogen storage under nitrogen fertilization: a meta-analysis // Soil Biol. Biochem. 2016. Vol. 101. P. 32–43. DOI: https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2016.07.003.

36. Kiruba N.J.M., Thatheyus A.J. Chapter 18 – Fungi, fungal enzymes and their potential application as biostimulants / Editor(s): White J., Kumar A., Droby S. // Microbiome Stimulants for Crops, Woodhead Publishing, 2021. P. 305–314. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-822122-8.00024-8.

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

38. Liu J., Li X., Zhu Q., Zhou J., Shi L., Lu W., Bao L., Meng L., Wu L., Zhang N., Christie P. Differences in the activities of six soil enzymes in response to cadmium contamination of paddy soils in high geological background areas // Environmental Pollution. 2024. Vol. 346. P. 123704. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2024.123704.

39. Ma B., Wang J., Zhang L. Two cadmium-resistant strains of agricultural soil effective in remediating soil cadmium pollution // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2023. Vol. 11. P. 111189. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.111189.

40. 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. P. 274–281. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mrrev.2016.08.006.

41. Paz-Ferreiro J., Fu S. Biological indices for soil quality evaluation: perspectives and limitations // Land Degrad. Dev. 2016. Vol. 27. P. 14–25. DOI: https://doi.org/10.1002/ldr.2262.

42. Rao M.A., Scelza R., Acevedo F., Diez M.C., Gianfreda L. Enzymes as useful tools for environmental purposes // Chemosphere. 2014. Vol. 107. P. 145–162. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.12.059.

43. Rutigliano F., Castaldi S., Ascoli R., Papa S., Carfora A., Marzaioli R., Fioretto A. Soil activities related to nitrogen cycle under three plant cover types in Mediterranean environment Appl // Soil Ecol. 2009. Vol. 43 (1). P. 40–46. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2009.05.010.

44. Steinweg J.M., Dukes J.S., Paul E.A., Wallenstein M.D. Microbial responses to multi-factor climate change: effects on soil enzymes // Front. Microbiol. 2013. Vol. 4. P. 1–11. DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2013.00146.

45. Utobo E.B., Tewari L. Soil enzymes as bioindicators of soil ecosystem status // Applied Ecology and Environmental Research. 2015. Vol. 13 (1). P. 147–169. DOI: https://doi.org/10.15666/aeer/1301_147169.

46. 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). P. 175–180. DOI: https://doi.org/10.2462/09670513.941.

47. 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. P. 9–15. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2014.06.031.

48. Yan J., Quan G., Ding C. Effects of the сombined pollution of lead and сadmium on soil urease activity and nitrification // Procedia Environmental Sciences. 2013. Vol. 18. P. 78–83. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proenv.2013.04.011.

49. You L., Zhang R., Dai J., Lin Z., Li Y., Herzberg M., Zhang J., Al-Wathnani H., Zhang C., Feng R., Liu H., Rensing C. Potential of cadmium resistant Burkholderia contaminans strain ZCC in promoting growth of soy beans in the presence of cadmium // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021. Vol. 211. P. 111914. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.111914.

50. Zhang Q., Zhu L., Wang J., Xie H., Wang J., Wang F., Sun F. Effects of fomesafen on soil enzyme activity, microbial population, and bacterial community composition // Environ. Monit. Assess. 2014. Vol. 186. P. 2801– 2812. DOI: https://doi.org/10.1007/s10661-013-3581-9.

51. Zhang W., Huang Z., He L., Sheng X. Assessment of bacterial communities and characterization of lead-resistant bacteria in the rhizosphere soils of metal-tolerant Chenopodium ambrosioides grown on lead–zinc mine tailings // Chemosphere. 2012. Vol. 87. P. 1171–1178. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2012.02.036.