Влияние кадмия и меди на активность гидролитических ферментов урбанозема Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 574

раздел БИОЛОГИЯ

ВЛИЯНИЕ КАДМИЯ И МЕДИ НА АКТИВНОСТЬ ГИДРОЛИТИЧЕСКИХ ФЕРМЕНТОВ УРБАНОЗЕМА

© Е. И. Новоселова*, О. О. Волкова, Е. И. Михайлова

Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Тел.: +7 (927) 934 03 57.

*Етай: [email protected]

Урбанозем - новый тип почв, образовавшийся в результате повышенного антропогенного влияния в промышленных городах, является наиболее чувствительным к внешнему воздействию. Загрязнение тяжелыми металлами - один из факторов деградации почв в городских условиях. Поступая в почву тяжелые металлы ингибируют активность почвенных ферментов, которые играют важную роль в формировании почвенного плодородия, тем самым нарушая процессы гумусообразования в почве. В статье рассматривается влияние различных доз кадмия и меди на активность ферментов уреазы и фосфатазы в урбанизированной почве в лабораторных условиях в полугодовой динамике. В почву вносили кадмий и медь в виде растворенных в воде солей: (Cd(CH3C00)2 х 2Н20) и (СиБ04х 5Н20) из расчета вносимого кадмия 5, 10, 20, 40 мг/кг почвы и меди 55, 110, 220, 440 мг/кг почвы. Фермент уреаза переводит азот органических соединений в доступную для растений и микроорганизмов форму. Максимально снижение активности этого фермента наблюдается на третьи сутки при загрязнении кадмием на 11-43% и медью - на 7-31%. На 180 сутки ее активность стабилизируется на уровне контроля. Фос-фатаза обогащает почву минеральным фосфором и тем самым улучшает обеспеченность им живых организмов в доступной форме. Поступление ТМ в почву снижало активность фермента на третьи сутки после загрязнения кадмием с ростом дозы на 16-70% и после внесения меди на 8-59%. Через 180 суток уровень снижения активности фосфатазы при загрязнении кадмием составил 28-39% и медью 29-47%. действие кадмия на активность фосфатазы снижалась. Результаты проведенных исследований показали, что тяжелые металлы, ингибируя активность уреазы и фосфатазы, уменьшают обеспеченность живых организмов азотом и фосфором. Максимальная токсичность металлов для обоих ферментов наблюдалась на третьи сутки после загрязнения. Фосфатаза проявила большую чувствительность к кадмию и меди по сравнению с уреазой.

Ключевые слова: урбанозем, почвенные ферменты, уреаза, фосфатаза, кадмий, медь.

Интенсивное антропогенное воздействие на окружающую среду наблюдается в настоящее время в крупных промышленных городах [1]. Вследствие нарушения естественных ландшафтов, загрязнения твердыми, жидкими и газообразными отходами снижается устойчивость территорий, повышается степень экологического риска для городских почв - ур-баноземов [2], которые становятся наиболее уязвимыми.

Антропогенный прессинг на урбаноземы проявляется и в поступлении в них тяжелых металлов вследствие интенсификации автомобильного движения, развития промышленности, коммунального хозяйства, что является одним из факторов деградации почв в городских условиях [2]. В состав тяжелых металлов входят кадмий, свинец, никель, хром, ртуть и др. Некоторые жизненно необходимые для минерального питания растений металлы также относятся к категории тяжелых (цинк, железо, медь), и при высоких концентрациях они становятся опасными [3-5].

Важную роль в формировании почвенного плодородия играют почвенные ферменты [6]. ТМ инги-бируют их активность даже в почвах с высокой буферной емкостью [7, 8]. Поэтому вызывает интерес изучение активности гидролитических ферментов в антропогенно измененной почве урбаноземе подвергшемся загрязнению ТМ.

Нами в лабораторных условиях проведены исследования влияния различных доз кадмия и меди на активность почвенных ферментов урбанозема в полугодовой динамике. В почву вносили кадмий и медь в виде растворенных в воде солей:

(Cd(CHзCOO)2 x 2Н^) и (^0^ 5H2O) из расчета вносимого кадмия 5, 10, 20, 40 мг/кг почвы и меди 55, 110, 220, 440 мг/кг почвы. Активность гидролитических ферментов уреазы и фосфатазы, определяли по методам А. Ш. Галстяна (1965) и Ф. Х. Хазиева (1976) описанным Ф. Х. Хазиевым (2005) [6].

Фермент уреаза переводит азот органических соединений в доступную для растений и микроорганизмов форму. Наибольшая токсичность кадмия на интенсивность разложения мочевины была выявлена на третьи сутки после внесения металла. Ее снижение составило 11-43% с ростом дозы кадмия (рис. 1). Это свидетельствует об уменьшении содержания в почве доступного для живых организмов азота, что неблагоприятно сказывается на их жизнедеятельности. Уровень токсичности кадмия на 90 сутки после загрязнения снижается и уменьшение активности уреазы с ростом дозы металла в почве составляет 10-22%. На 180 сутки она стабилизируется при высоких дозах на уровне контроля.

Аналогичная картина наблюдается и в опыте с медью. Ее токсическое действие на уреазу было максимально на третьи сутки и процент снижения активности фермента с ростом дозы меди составил 731%, на 90 сутки - на 5-17%. Через полгода отмечалась стабилизация ее активности (рис. 2).

Высокая токсичность кадмия и меди на третьи сутки вероятно связана с наличием подвижных ионов меди и кадмия, которые в этом состоянии наиболее токсичны. Снижение токсичности через 90

ISSN 1998-4812

Вестник Башкирского университета. 2016. Т. 21. №4

941

суток вероятно обусловлено сорбцией этих металлов и переходом их большей части в нерастворимые соединения, что снижает концентрацию подвижных катионов. Кроме того может снижаться содержание меди в почве вследствие ее поглощения живыми организмами.

большую чувствительность к кадмию и меди по сравнению с уреазой.

0,4

(С m 0,35

А m 0,3

О С 0,25

у 0,2

« (М X 0,15

1 ОД

X

Z 1— 0,05

;> 0

Illiil

3 сут 90 сут 180 сут

I Контроль I 5 мг/кг

10 мг/кг I 20 мг/кг I 40 мг/кг

Рис. 1. Активность уреазы в урбанизированной почве, загрязненной различными дозами кадмия.

0,4

8 0,35 I 0,3 1 0,25

х 14 0,15 I 0,1 0,05 О

по,

Iiш

3 сут 90 сут 180 сут

Контроль I 55 мг/кг 110 мг/кг 1220 мг/кг I 440 мг/кг

Рис. 2. Активность уреазы в урбанизированной почве, загрязненной различными дозами меди.

Фосфатаза обогащает почву минеральным фосфором и тем самым улучшает обеспеченность им живых организмов в доступной форме. Поступление ТМ в почву снижало активность фермента на третьи сутки после загрязнения кадмием с ростом дозы на 16-70% и после внесения меди на 8-59% (рис. 3, 4). На рис. 3 заметно снижение активности фосфатазы через 3 суток после внесения в почву 10 мг Cd/кг почвы. В большей степени активность фосфатазы ингибировалась в ранние сроки загрязнения. На 90 сутки уровень токсичности ТМ снизился и с ростом дозы кадмия активность фосфатазы уменьшилась на 4-35% и соответственно при загрязнении медью на 11-32%. Через 180 суток уровень снижения активности фосфатазы при загрязнении кадмием составил 28-39% и медью 29-47%. действие кадмия на активность фосфатазы снижается.

Таким образом, проведенные исследования показали, что кадмий и медь, вносимые в почву, ухудшают обеспеченность живых организмов доступным азотом и фосфором. Максимальная токсичность металлов для обоих ферментов проявляется на третьи сутки после загрязнения. На 90 сутки уровень токсичности снижается. На 180 сутки токсическое действие кадмия и меди нивелируется для уреазы и сохраняется для фосфатазы. Фосфатаза проявила

0,16

и 0,14

£ 0,12

= Z 0,1

s н

" т 0,08

£ 1 0,06 f г

о g 0,04

& 0-02

t 0

l,llh

3 сут 90 сут 180 сут

Контроль I 5 мг/кг

10 мг/кг I 20 мг/кг 40 мг/кг

Рис. 3. Активность фосфатазы в урбанизированной почве, загрязненной различными дозами кадмия.

0,16

и 0,14

£ 0,12

| н °д

£ Я 0,08

.§. I 0,06

| с 0,04

4 0,02

I 0

hin,

3 сут 90 сут 180 сут

I Контроль I 55 мг/кг 110 мг/кг 1220 мг/кг I 440 мг/кг

Рис. 4. Активность фосфатазы в урбанизированной почве, загрязненной различными дозами меди.

ЛИТЕРАТУРА

Масленников П. В., Чупахина Г. Н., Дедков В. П., Куркина М. В., Садовников П. В., Мельник А. С. Аккумуляция цинка в растениях урбоэкосистем Калининграда // Растительные ресурсы. 2014. Т. 50. №4. С. 83-98. Петрова Е. Е., Райхерт Е. В. Загрязнение почв вблизи автомагистралей кадмием и цинком и их биологическое поглощение яровой пшеницей (в условиях Алейского района Алтайского края) // Известия Алтайского государственного университета. 2013. №3-1 (79). С. 44-48. Чупахина Г. Н., Масленников П. В., Скрыпник Л. Н., Фролов Е. М. Оценка антиоксидантного статуса растений различных экологических групп Куршской косы // Вестник Российского государственного университета им. И. Канта. 2010. №7. С. 77-83.

Чупахина Г. Н., Масленников П. В., Скрыпник Л. Н. Природные антиоксиданты (экологический аспект): монография. - Калининград: Изд-во БФУ им. И. Канта, 2011. С. 46. Шарифзянов Р. Б. Факториальная зависимость содержания тяжелых металлов в древесных насаждениях на урбанизированной территории // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. Сер. Общая биология. 2011. №2. С. 161-164

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

Новоселова Е. И., Турьянова Р. Р., Гандалипова Э. И. Влияние загрязнения свинцом на ферментативную активность чернозема обыкновенного Современный научный вестник. Научно-теоретический и практический журнал. Серия: Биологические науки. Медицина. Ветеринария. Белград, 2014. №31 (227). С. 19-24.

Новоселова Е. И., Башкатов С. А. Влияние загрязнения кадмием на ферментативную активность чернозема обыкновенного Вестник Башкирского университета. Издательство: Башкирский государственный университет (Уфа)Ш№ 1998-4812. 2014. №4. С. 1204-1207.

Поступила в редакцию 19.09.2016 г. После доработки - 29.09.2016 г.

942

БИОЛОГИЯ

EFFECT OF CADMIUM AND CUPRUM ON ACTIVITY OF HYDROLYTIC ENZYMES OF URBANOZEM

© E. I. Novoselova*, O. O. Volkovа, E. I. Mikhaylova

Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

Phone: +7 (927) 934 03 57.

*Email: [email protected]

Urbanozem, a new type of soil formed as a result of increasing human influence in the industrial cities, is the most sensitive to external influence. Heavy metal pollution is one of the factors in urban soil degradation. Increase of concentration of heavy metals in soil inhibit the activity of soil enzymes, which play an important role in the formation of soil fertility, thereby disrupting the processes of humus formation. In the article, the effect of different doses of cadmium and cuprum on the activity of urease and phosphatase enzymes in the urban soil under laboratory conditions in the semi-annual dynamics is studied. Cadmium and cuprum were added to the soil in the form of dissolved salts: (Cd(CH3COO)2 x 2H2O) and (CuSO4 x 5H2O). Cadmium was inserted in portion of 5, 10, 20, 40 mg/kg of soil and cuprum of 55, 110, 220, 440 mg/kg of soil. The enzyme urease converts nitrogen into available to plants and microorganisms organic compounds. The maximum decrease in the activity of this enzyme was observed on the third day when cadmium contamination was at 11-43% and cuprum at 7-31%. After 180 days, its activity stabilized at the control level. Phosphatase enriches the soil with mineral phosphorus, and thereby improves the security of their living organisms in an accessible form. Addition of TM to soil decreased activity of the enzyme on the third day after cadmium pollution with increasing dose at 16-70% and after cuprum at 8-59%. After 180 days, the level of reduction of phosphatase activity in cadmium contamination was 28-39% and 29-47% in cuprum. Effects of cadmium on the phosphatase activity decreases. The results of these studies have shown that heavy metals inhibiting the activity of urease and phosphatase reduce availability of nitrogen and phosphorus to soil organisms. Maximum toxicity of metals for both enzymes was shown on the third day after contamination. Phosphatase showed greater sensitivity to cadmium and cuprum in comparison with urease.

Keywords: urbanozem, soil enzymes, urease, phosphatase, cadmium, cuprum.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Maslennikov P. V., Chupakhina G. N., Dedkov V. P., Kurkina M. V., Sadovnikov P. V., Mel'nik A. S. Rastitel'nye resursy. 2014. Vol. 50. No. 4. Pp. 83-98.

2. Petrova E. E., Raikhert E. V. Izvestiya Altaiskogo gosudarstvennogo universiteta. 2013. No. 3-1 (79). Pp. 44-48.

3. Chupakhina G. N., Maslennikov P. V., Skrypnik L. N., Frolov E. M. Vestnik Rossiiskogo gosudarstvennogo universiteta im. I. Kanta. 2010. No. 7. Pp. 77-83.

4. Chupakhina G. N., Maslennikov P. V., Skrypnik L. N. Prirodnye antioksidanty (ekologicheskii aspekt): monografiya [Natural antioxidants (environmental aspect): monograph]. - Kaliningrad: Izd-vo BFU im. I. Kanta, 2011. Pp. 46.

5. Sharifzyanov R. B. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N. I. Lobachevskogo. Ser. Obshchaya biologiya. 2011. No. 2. Pp. 161-164

6. Khaziev F. Kh. Metody pochvennoi enzimologii [Methods of soil enzymology]. Moscow: Nauka, 2005.

7. Novoselova E. I., Tur'yanova R. R., Gandalipova E. I. Vliyanie zagryazneniya svintsom na fermentativnuyu aktivnost' chernozema obyknovennogo Sovremennyi nauchnyi vestnik. Nauchno-teoreticheskii i prakticheskii zhurnal. Seriya: Biologicheskie nauki. Meditsina. Veterinariya. Belgrad, 2014. No. 31 (227). Pp. 19-24.

8. Novoselova E. I., Bashkatov S. A. Vliyanie zagryazneniya kadmiem na fermentativnuyu aktivnost' chernozema obyknovennogo Vestnik Bashkirskogo universiteta. Izdatel'stvo: Bashkirskii gosudarstvennyi universitet (Ufa)ISSN: 1998-4812. 2014. No. 4. Pp. 1204-1207.

Received 19.09.2016. Revised 29.09.2016.