CC BY
85
УДК 574.26
ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ЧЕРНОЗЕМОВ БАШКИРСКОГО ЗАУРАЛЬЯ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
© 2012 И.Н. Семенова1, Я.Т. Суюндуков2, Г.Р. Ильбулова2
Государственное автономное научное учреждение «Институт региональных исследований», г. Уфа 2Академия наук Республики Башкортостан, г. Уфа
Поступила 11.01.2010
Проведена сравнительная оценка ферментативной активности черноземов, подверженных аэротехногенному загрязнению со стороны предприятий горнорудной промышленности. Для наиболее загрязненных почв установлено изменение некоторых показателей ферментативной активности почв.
Ключевые слова: ферментативная активность, техногенное загрязнение, целлюлозолитическая, протеоли-тическая, уреазная активности почвы.
Наличие в Башкирском Зауралье (БЗ) медно-колчеданных месторождений и связанное с этим развитие горнодобывающей промышленности, а также активное функционирование горнообогатительных комбинатов привело к техногенному загрязнению почв металлами [1-3]. Это приводит к качественным и количественным изменениям показателей плодородия даже таких высокобуферных систем, как черноземы. Многочисленными исследованиями доказано, что ферментативная активность почв, состав и численность почвенной биоты может служить информативным индикатором экологического состояния биоценозов. Исследование ферментативной активности почв БЗ в условиях техногенного загрязнения проведено недостаточно.
В связи с этим целью данной работы являлось оценка ферментативной активности почв БЗ, находящихся в зоне техногенного воздействия.
Источником загрязнения почвенного покрова изучаемой территории являются горнообогатительные комбинаты, такие как Учалин-ский ГОК (УГОК), его Сибайский филиал (СФ УГОК), Бурибаевский ГОК (БГОК), осуществляющие добычу и переработку медно-цинковых колчеданных руд. Загрязнение осуществляется преимущественно аэрогенным путем за счет массовых взрывных работ в карьерах, в меньшей степени - дефляции с отвалов, в процессе транспортировки руд и их переработки. В непосредственной близости от отвалов почвы дополнительно загрязняются инфильтрацией.
Пробные площадки были заложены методом трансект с учетом направления преобладающих ветров на однородных участках естественных степных пастбищ с минимальным антропогенным воздействием.
В г. Сибай пробные площадки расположены в восточном, юго-восточном и северно-восточном направлениях на удалении 0,5, 5, 10 и 15 км от
Семенова Ирина Николаевна, к.б.н., доц., с.н.с.; Суюндуков Ялиль Тухватович, д.б.н., проф.; Ильбулова Гульназ Ражаповна, м.н.с., e-mail: [email protected]
источника загрязнения (ИЗ) (соответственно С0,5,
С5В, С5ЮВ, С10ЮВ, С15ЮВ, С5СВ, С10СВ, С15СВ); в
г. Учалы - в северо-западном направлении на удалении 0,5 и 5 км(У05, У5СЗ); в северном направлении - 5 и 10 км от ИЗ (У5С, У10С), а также на расстоянии 15 км в юго-восточном направлении (У 15ЮВ). В п. Бурибай пробные площадки отбирались в западном направлении на удалении от ИЗ на 0,5, 5 и 10 км (Б05, Б5З, Б10З) соответственно, в юго-восточном на удалении 5 км от ИЗ (Б5ЮВ), в северо-восточном направлении на удалении 5 и 10 км (Б5СВ, Б10СВ) от ИЗ.
Отбор почвенных образцов осуществлялся в соответствии с ГОСТом 17.4.4.02-84 [4].
Оценка ферментативной активности загрязненных почв осуществлялась по показателям цел-люлозолитической, протеазной и уреазной активностям. Целлюлозоразлагающую активность почв определяли с помощью метода аппликаций [9]. Протеазную активность определяли методом Ф.Х. Хазиева и Я.М. Агафаровой [9]. В качестве субстрата использовали 1,5% казеин в трис-HCl-буфере (pH - 8,0), время инкубации - 24 часа, температура инкубации 300С, активность выражали в мг тирозина на 1 г почвы за 24 часа. Интенсивность окраски измеряли при длине волны 750 нм. Уреазная активность определялась по методу Т.А. Щербаковой [11]. В качестве субстрата использовали 2% мочевину в фосфатном буфере (рН - 6,7), время инкубации 4 часа, температура инкубации - 300С, активность выражали в мг NH3 на 1 г почвы за 4 часа.
Статистическую обработку данных осуществляли общепринятыми методами [6], с помощью пакета компьютерных программ Microsoft Exsel 2003, Statistica 6,0. При оценке статистической достоверности полученных данных использовали t-критерий Стьюдента.
Ферментативная активность почвы является чувствительным экологическим индикатором антропогенного воздействия на нее. Наибольшие значения целлюлозолитической активности участков в зоне влияния УГОК во всех исследуемых слоях почвы наблюдались на стационарном участке У5СЗ (рис. 1 А).
80 % 70 60 50 40 30 20 10 0
Ш
Й
У0,5
У5СЗ
У5С
У10С У15ЮВ
А
№
I«1
№
ЙЕ
Л*
с^ с^ г> ëР.<•*' сР°
80 60 -40 20 0
Ж
г
ш
□ 0-10
□ 10-20
В
□ 20-30
Рис. 1. Разложение целлюлозы за 90 суток в почвенных образцах, отобранных на различных расстояниях от: А - УГОК; Б - СФ УГОК; В - БГОК
По мере удаления от УГОК целлюлозолитиче-ская активность в слое 0-10 см достоверно возрастала, за исключением стационарного участка У15Юв, где значения этого показателя были ниже по сравнению со значениями участка У0 5. Мы связываем этот факт с пониженной влажностью на данном участке. Однако это может быть не единственным фактором, влияющим на ферментативную активность. Так, по данным Н.В. Ста-ровой [7], И.К. Хабирова с соавт. [8], почвы вблизи с. Ахуново отличались чрезвычайно высоким содержанием некоторых тяжелых металлов, в том числе содержанием хрома, стронция и других, что могло также негативно отражаться на активности фермента. Целлюлозолитическая актив-
ность в слоях 10-20 и 20-30 см на всем протяжении трансекты в северном направлении от УГОК оставалась практически неизменной (стационарные участки У5С и У10С). Верхний слой почвы во всех случаях обладал более высокой целлюлозо-литической активностью по сравнению с нижележащими слоями, что согласуется с литературными данными [5]. Проведенный статистический анализ выявил наличие слабой отрицательной корреляционной связи между целлюлозолитиче-ской активностью почвы и содержанием в ней валовых форм меди (г = -0,35), цинка (г = -0,36), железа (г = -0,23).
Результаты исследования целлюлозолитиче-ской активности почвы в зоне воздействия СФ УГОК показали (рис. 1Б), что в слое почвы 0-10 см этот показатель во всех исследуемых направлениях достоверно увеличивался по мере удаления от ИЗ (С05), исключением явились значения на участке С10В. В этом случае значения ферментативной активности оставались примерно на одном уровне с активностью стационарного участка С05 (ИЗ). В юго-восточном направлении на расстоянии 5 и 10 км достоверных различий в значениях целлюлозолитической активности отмечено не было. В слое почвы 10-20 см целлюлозолити-ческая активность достоверно возрастала по сравнению со значениями С05 (ИЗ) на участках С5В, Сююв, С15ЮВ, С15СВ. В слое почвы 20-30 см значения активности достоверно увеличивались по сравнению с С0,5 на участке С5В, С^ЮВ, С]0СВ и С15СВ. Установлена слабая отрицательная корреляционная связь между значениями целлюлозо-литической активности почвы и содержанием в них валовых форм меди (г =- 0,21) и железа (г = -0,43).
В зоне воздействия БГОК в слое почвы 0-10 см целлюлозолитическая активность была достоверно выше соответствующего показателя участка Б05 лишь на стационарном участке Б10СВ (рис. 1В). Активность слоя 10-20 см была наибольшей в почвах стационарных участках Б5СВ и Б10СВ. В слое почвы 20-30 см наибольшие значения цел-люлозолитической активности наблюдали на участках Б5З, Б5СВ и Б10СВ. Целлюлозолитическая активность верхнего слоя почвы в некоторых случаях была достоверно ниже, чем активность нижележащих слоев. По нашему мнению, это связано с недостатком влаги в верхних слоях почвы. Нижние почвенные горизонты сохраняли больше влаги, что положительно сказалось на целлюло-золитической активности. Установлено, что значение данной ферментативной активности в слое почвы 0-30 см достоверно коррелировало с содержанием валовых форм меди, цинка, железа (г = 0,78, г = 0,52 и г = 0,65 соответственно при р > 0,95).
70
Б
%
Б 0,5
1,0
„0,8 х
|о,б
0,4 0,2 0,0
У0,5
У5СЗ
У5С
У10С
1,0 -
0,8 -
I
г
о 0,6 -а.
£ 0,4
0,2 -0,0
А
У15ЮВ
^ ¿у
0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
У0,5
А
О
о о
« 1'0 1 1 0,80,60,41 0,20,0 -
Ш Угъ
Шш
И 0-10 см □ 10-20 см □ 20-30 см
В
Рис. 2. Изменение протеазной активности в зависимости от удаленности от: А - УГОК; Б - СФ УГОК; В -БГОК
В биодинамике черноземов ведущая роль принадлежит гидролитическим ферментам азотного обмена [9, 11]. Это связано с тем, что черноземы характеризуются минимальной трофностью по отношению к азоту на фоне высокого содержания в них этого элемента в составе органических соединений. Азот органических соединений переходит в подвижную минеральную форму в результате последовательных процессов протеолиза и аммонификации под действием протеаз и ами-даз. Активность этих ферментов в черноземах достоверно коррелирует при всех уровнях значимости с содержанием в них гумуса и азота [11].
0,45 0,4 0,35 0,3 § 0,25 ^ 0,2 5 0,15 0,1 0,05 0
Б0,5 Б5З Б10З Б5ЮВ Б5СВ Б10СВ □ 0-10 см □ 10-20 см □ 20-30 см
В
Рис. 3. Изменение уреазной активности в зависимости от удаленности от: А - УГОК; Б - СФ
В зоне воздействия УГОК самая низкая проте-олитическая активность была отмечена в слое 010 см участка У0,5 (рис. 2А). Во всех остальных изученных случаях активность верхнего почвенного слоя была значительно выше. В слое 10-20 см значения протеолитической активности были достоверно выше этой величины для участка У0,5. В слое почвы 20-30 см изменения протеолитиче-ской активности на разных участках были не столь значительными. Распределение уровня про-теолитической активности по почвенному профилю выглядело следующим образом. В большинстве случаев эта величина для верхнего слоя была достоверно ниже по сравнению с более глубокими горизонтами. Особенно это было выражено в почве участка У0,5.
Б
Б
Б 0,5
Значения протеолитической активности в зоне воздействия СФ УГОК достоверно повышались по мере удаления от ИЗ во всех изученных направлениях (рис. 2Б). Протеолитическая активность верхнего почвенного слоя в участках С0,5, С5В, Сюв, С5ЮВ, Сююв и С5СВ была ниже, чем в нижлежащих слоях. Отметим, что эти участки более загрязнены Си, 2п и Бе по сравнению с участками С]5ЮВ, С]0СВ, С]5СВ, в которых величина протеолитической активности верхнего и нижних почвенных слоев достоверно не отличалась. Таким образом, аккумуляция Си, 2п и Бе верхним почвенным слоем ингибировала ферментативную активность.
Протеолитическая активность в зоне воздействия БГОК была наименьшей в верхнем слое почвы на участке Б05 (рис. 2В). Максимальная протеолитическая активность верхнего слоя наблюдалась на участке Б^з. В остальных участках (кроме Б0,5) достоверных отличий в активности протеазы по почвенным слоям не установлено. Статистическая обработка данных позволила выявить отрицательную корреляционную связь между активностью протеазы и содержанием в почве меди (г = -0,57-0,88), цинка (г = -0,26-86), железа (г = -0,40-0,77).
Между уровнем протеолитической активности и погодно-климатическими условиями (температурой и количеством осадков) за годы исследования, а также между ферментативной активностью и влажностью почвы достоверной корреляции не отмечено.
Таким образом, в результате изучения протеоли-тической активности почв можно сделать следующие выводы. Во-первых, на участках, расположенных ближе к ИЗ, наблюдается значительное снижение протеолитической активности верхнего почвенного слоя. Это объясняется аккумуляцией тяжелых металлов преимущественно в верхнем слое почвы, что вызывает ингибирование биологических процессов. В то же время в нижних слоях ферментативные и другие биохимические процессы протекают более интенсивно. Это подтверждают выявленные отрицательные корреляционные связи между протеолитической активностью и содержанием в почве металлов. Во-вторых, активность протеазы во многом определяется зональным подтипом почв: в черноземе обыкновенном и выщелоченном она была выше по сравнению с черноземом южным.
Из литературных данных известно, что измерение уреазной активности не всегда бывает пригодным для диагностики загрязнения почв металлами. Так, показано, что уреаза не реагирует или очень слабо реагирует на загрязнение почвы одним из самых опасных для человека и животных тяжелым металлом - кадмием. Действие цинка на активность уреазы зависит от реакции среды в почве: чем выше рН, тем при большем загрязнении снижалась активность фермента [12].
Наши исследования показали, что уреазная активность верхнего слоя почв чернозема южного и выщелоченного почти во всех случаях была выше активности нижних горизонтов (рис. 3).
В случае почв г. Сибай уреазная активность всех слоев была либо одинакова, либо активность нижних слоев была выше, чем верхних. Достоверная корреляционная связь между активностью уреазы и содержанием металлов была установлена только в черноземе обыкновенном (г = -0,83, р > 0,95). Учитывая тот факт, что почвы в зоне влияния СФ УГОК являются наиболее загрязненными Си, 2п и Бе, можно предположить, что повышенная аккумуляция металлов верхним горизонтом ингибирует активность уреазы. Определение зависимости величины разложения мочевины от погодно-климатических условий не выявило наличия достоверной корреляции.
Таким образом, изученные показатели биологической активности в разной степени пригодны для объективной оценки загрязненности почв металлами. Наиболее чувствительной к действию металлов оказалась протеаза, менее чувствительными - уреаза, целлюлаза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шагиева Ю.А. Суюндуков Я. Т. Техногенез и проблема экологической безопасности в Башкирском Зауралье // Создание высокопродуктивных агроэкосистем на основе новой парадигмы природопользования: Сб. докл.в науч.-практич. конф., посвященной 95-летию со дня рождения профессора С.Н. Тайчинова Уфа: БГАУ, 2001. С.63-65.
2. Опекунова М.Г., Алексеева-Попова Н.В., Арестова И.Ю., Грибалев О.В., Краснов Д.А., Бобров Д.Г., Осипенко О.А., Соловьева Н.И. Тяжелые металлы в почвах и растениях Южного Урала. II. Экологическое состояние антропогенно нарушенных территорий // Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2002. Вып.1 (№ 7). С. 63-71.
3. Сингизова Г.Ш. Тяжелые металлы в системе почва -растениеводческая продукция в условиях техногенного воздействия (на примере г.Сибай) // Автореф. ... канд. биол. наук. Оренбург, 2009. 20 с.
4. Постановление Госстандарта СССР от 19.12.1984 №4731 ГОСТ от 19.12 1984 № 17.4.4.02-84 Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. Охрана природы. Почвы: Сб. ГОСТов. М.: ИПК Издательство стандартов, 2000.
5. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 2005. 252 с.
6. Лакин Г. Ф. Биометрия. М.: Высшая школа, 1980. 293 с.
7. Старова Н.В. Проблемы экологии: Принципы их решения на примере Южного Урала / Под ред. Н.В. Старовой. - М: Наука, 2003. - 287 с.
8. Хабиров И.К., Батанов Б.Н., Габбасова И.М., Асыл-баев И.Г., Якупов И.Ж. Влияние горнорудного комплекса Зауралья на химический состав почв // Вестник ОГУ. 2007. №1. С. 111-114.
9. Хазиев Ф.Х., Агафарова Я.М. Активность ферментов азотного обмена и динамика азота в черноземах. // Азотный фонд и биохимические свойства почв Башкирии. Уфа, 1977. С. 41-69.
10. Щербаков А.П., Хазиев ФХ., Кузнецова Г.И. Азотный фонд и биологическая активность чернозема // Земельные ресурсы Южного Урала и Среднего Поволжья и вопросы рационального использования почв. Уфа, 1973. С.75-76.
11. Щербаков А.П., Михновская А.Д., Хазиев ФХ. Сравнительная характеристика микробиологических и ферментативных показателей черноземов Европей-
ской части СССР // Почвоведение. 1984. № 10. С. 4552.
12. Лебедева Л.А., Лебедев С.Н., Едемская Н.Л. Влияние тяжелых металлов и извести на уреазы в дерново-подзолистой почве // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Почвоведение. 1995. № 2. С.68-71.
ENZYME ACTIVITY OF CHERNOZEMS OF THE BASHKIRSKOE ZAURALYE IN THE CONDITIONS OF TECHNOGENIC POLLUTION
© 2012 I.N. Semenova1, J.T. Sujundukov2, G.R. Ilbulova2
1 The State Autonomous Scientific Institution «The Institute of Regional Researches», Ufa
2
Academies of Sciences of Republic Bashkortostan, Ufa
The comparative estimation enzyme activity of the chernozems subject to aerotechnogenic pollution from outside of the enterprises of the mining industry is spent. For the most polluted soils change of some indicators enzyme activity of soils is established.
Key words: enzyme activity, technogenic pollution, cellulase, protease, urease activity of soil
Semenova Irina Nikolaevna; Sujundukov Jalil Tuhvatovich; Ilbulova Gulnaz Razhapovna, e-mail: [email protected].
63
