Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

INFLUENCE OF LEAD AND ZINC ON THE ACTIVITY OF CATALASE ALLUVIAL MEADOW SOIL

Research article
Novoselova E.I.
Volkova O.O.
Issue: № 4 (35), 2015
Published:
2015/05/15
PDF

Новоселова Е.И.1, Волкова О.О.2

1Доктор биологических наук,

2аспирант,

Башкирский Государственный Университет

ВЛИЯНИЕ СВИНЦА И ЦИНКА НА АКТИВНОСТЬ КАТАЛАЗЫ АЛЛЮВИАЛЬНОЙ ЛУГОВОЙ ПОЧВЫ

Аннотация

В работе приведены экспериментальные данные по влиянию различных концентраций свинца и цинка  на активность каталазы в лабораторных условиях. Изучалось влияние свинца в дозах 5, 10, 20, 40 мг/кг почвы, цинка – 50, 110, 220, 440 мг/кг на активность каталазы аллювиальной луговой почвы. Активность фермента определялась через 3, 90, 180, 360 суток с начала опыта. Выявлена обратно пропорциональная зависимость между активностью каталазы и дозой свинца и цинка. Показана чувствительность каталазы к дозам металлов ниже значения ОДК. 

Ключевые слова: тяжелые металлы, загрязнение, свинец, цинк, почвенные ферменты, каталаза.

Novoselova E.I.1, Volkova O.O.2

1Doctor of Biological Sciences,

2Postgraduate,

Bashkirian State University

INFLUENCE OF LEAD AND ZINC ON THE ACTIVITY OF CATALASE ALLUVIAL MEADOW SOIL

Abstract

The work presents experimental data about the effect of different concentrations of lead and zinc in the catalase activity in a laboratory circumstances. The influence of lead in doses of 5, 10, 20, 40 mg / kg of soil, zinc - 50, 110, 220, 440 mg / kg on catalase of activity alluvial meadow soil. The enzyme activity was determined after 3, 90, 180, 360 days from the start of the experiment. An inverse relationship between the activity of catalase and a dose of lead and zinc is identified. The responsiveness of catalase to doses of the metals under the IMAC value is shown.

Keywords: heavy metals, pollution, lead, zinc, soil enzymes, catalase.

Почва – это сложная многофазная система, которая в естественных условиях находится в состоянии динамического равновесия. Оно может нарушаться при неблагоприятных антропогенных воздействиях, к числу которых относится загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ). Из ТМ свинец является одним из наиболее распространенных загрязнителей окружающей среды. Он обладает токсичными, канцерогенными и  мутагенными свойствами [11]. Цинк - это металл, проявляющий токсичность при высоких концентрациях в почве [2]. Накапливаясь в почвах, они снижают их биологический потенциал: подавляют активность почвенных ферментов, изменяют численность и состав микрофлоры, приводят к развитию фитопатогенных микроорганизмов, угнетают рост растений [1,5,8]. Из многочисленных показателей биологической активности почвы важное значение имеют почвенные энзимы, которые вносят большой вклад в формирование ее плодородия осуществляя последовательные биохимические превращения органических остатков в ней [6]. Этот процесс нарушается при загрязнении почв ТМ [7,11,15].

Исследования проводились в модельном лабораторном  опыте на аллювиальной луговой среднесуглинистой почве (гумус – 6,9; рН 6,5). Почву предварительно очистили от механических примесей, просеяли через сито (3 мм) и увлажнили до 60% от полной влагоемкости. Свинец и цинк вносили в виде растворенной в воде соли (Pb(CH3COO)2x 3H2O) в дозах 5, 10, 20, 40 мг/кг почвы и (ZnSO4x 7 H2O) в дозах 55, 110, 220, 440 мг/кг почвы.   Активность каталазы определялась по методу А.Ш. Галстяна (1956) описанному Ф.Х. Хазиевым [14] через 3, 90, 180 и 360 суток с начала эксперимента.

Важнейшая роль в почвенных биохимических процессах принадлежит ферментам, и в частности каталазе, которая является одним из показателей  почвенного плодородия. Она ускоряет процесс нейтрализации токсичной для почвенной биоты перекиси водорода, образующейся в результате жизнедеятельности живых организмов и биохимического превращения органических веществ в почве  [14].

В результате проведенных нами исследований была установлена обратно пропорциональная зависимость между активностью каталазы и дозой свинца (рис.1). Причем, токсичность свинца на 3 и 360 сутки была ниже, чем на 90 и 180. Достоверное снижение активности каталазы в начале и в конце эксперимента отмечалось при дозе 20 мг/кг почвы, а уменьшение активности с увеличением дозы свинца составило от 5 до 18%. На 90 и 180 сутки токсичность свинца возрастала и смещалась в сторону 5 мг/кг почвы. В эти сроки активность каталазы минимальная и ее снижение с ростом дозы составило 22–55 % относительно активности контрольной незагрязненной почвы.

03-07-2018 12-56-34

Рис. 1 – Активность каталазы в аллювиально луговой почве, загрязнённой различными дозами свинца

Меньший токсичный эффект свинца на активность каталазы на 3 и 360 сутки можно объяснить способностью свинца хорошо связываться с почвой. Известно, что неподвижные формы свинца менее токсичны[4,13]. Также известно, что при дозе свинца ниже 20-30 мг/кг почвы его наибольшее количество находится в малоподвижной специфически сорбированной форме, поэтому низкие дозы свинца менее токсичны, чем высокие [12]. Наибольшее снижение активности каталазы на 90 и 180 сутки с начала эксперимента может быть обусловлено возрастанием подвижности металла в почве, что возможно связано со сдвигом рН в кислую зону.

Ингибирующий эффект свинца на активность каталазы может быть обусловлен его взаимодействием с молекулой каталитического белка, изменением его конформации, что приводит к уменьшению сродства фермента с субстратом. С другой стороны, тяжелые металлы, в том числе и свинец, влияют на рост и развитие растений, снижают численность и активность микроорганизмов – основных продуцентов почвенных ферментов и это так же является одним из факторов понижения уровня ферментативной активности почв [3].

Цинк менее токсичен для живых объектов по сравнению со свинцом [9]. В изменении активности каталазы при загрязнении цинком нами была выявлена закономерность аналогичная влиянию свинца (рис.1, 2). Через 3 и 360 суток достоверное изменение в активности фермента наблюдалось при дозе металла 220 и 440 мг/кг почвы, снижение активности составило 5 - 15%, через 90 и 180 суток токсичность цинка возрастала и смещалась в сторону дозы  110 мг/кг, процент снижения составил 6-27% (рис. 2).

03-07-2018 12-57-21

Рис. 2 – Активность каталазы в аллювиально луговой почве, загрязненной различными концентрациями цинка

Из всего вышеизложенного следует, что ингибирующее действие свинца на активность каталазы выше чем у цинка. Каталаза является очень чувствительным ферментом к воздействию ТМ (Pb и Zn) и реагирует на дозу металла ниже значения ОДК. Известно, что ОДК свинца для среднесуглинистых почв России составляет 32 мг/кг почвы [11], а снижение активности каталазы мы отмечали при дозе 5 мг/кг на 90 и 180 сутки. Достоверное снижение активности каталазы в загрязненной цинком почве установлено при дозе равной значению ОДК на 90 и 180 сутки. ОДК цинка для среднесуглинистых почв составляет 110 мг/кг почвы [11]. Выявлена схожая закономерность по влиянию различных доз свинца и цинка на активность каталазы: с ростом дозы загрязнителя активность снижалась, что позволяет рассматривать ее как один из биодиагностических критериев монозагрязнения аллювиальной почвы этими металлами.

Литература

  1. Вальков В.Ф., Колесников С.И., Казеев К.Ш. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на фитотоксичность чернозема // Агрохимия. – 1997. – № 6. – С. 50-54.
  2. Водяницкий Ю.Н. Формы цинка в загрязненных почвах (обзор литературы) // Почвоведение. – – №3. –  С. 293-301.
  3. Галлиулин Р.В., Галиулина Р.А. Концептуальная модель ферментативной индикации загрязнения почвы тяжелыми металлами // Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. – Тула:ТГУ, 2006. – С. 100-104.
  4. Егошина Т.Л., Шихова Л.Н. Свинец в почвах и растениях северо-востока европейской части России // Вестник ОГУ. – 2008. – №10. – С. 135-141
  5. Звягинцев Д.Г., Кураков А.В., Умаров М.М., Филипп З. Микробиологические и биохимические показатели загрязнения свинцом дерново-подзолистой почвой //Почвоведение. – 1997. – №9. –  С. 1124-1131.
  6. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. – Ростов н/Д: РГУ, 2003. –  216с.
  7. Каменщикова В.И., Федотова О.А. Влияние тяжелых металлов на биологическую активность подзолистой почвы // Вестник Пермского университета. – 2004. – №2. – С. 163-165.
  8. Марфенина О.Е. Изменение структуры комплекса микроскопических грибов при загрязнении почв тяжелыми металлами // Вестник МГУ. – 1985. – № 2. –  46-50 с.
  9. Минеев В.Г. Экологические проблемы агрохимии. – М.: МГУ, 1988. – 284 с
  10. Новоселова Е.И., Башкатов С.А. Влияние загрязнения кадмием на ферментативную активность чернозема обыкновенного // Вестник БашГУ. – 2014. – № 4. – С. 1204-1206.
  11. Ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве. Гигиенические нормативы. Гн 2.1.7.2041-09.
  12. Попова Л.Д. Комплексная эколого-химическая оценка и нормирование качества почвенно- растительного покрова городских экосистем.автореф. дис. …докт. биол. наук. – Пертрозаводск, – 2015. – 34с.
  13. Русанов А.М., Тесля А.В., Прихожай Н.И., Турлибекова Д.М. Содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов в почвах г. Орска // Вестник ОГУ. – –  №4. –  С. 226-230
  14. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. – М.: Наука, 2005. – 252 с.
  15. Щелчкова М.В., Стручкова Л.К., Федоров И.А. Комплексное влияние тяжелых металлов на ферментативную активность и эффективное плодородие мерзлотной лугово-черноземной почвы // Вестник СВФУ. – 2010. – №4. – С. 16-21.

References

  1. Val'kov V.F., Kolesnikov S.I., Kazeev K.Sh. Vlijanie zagrjaznenija tjazhelymi metallami na fitotoksichnost' chernozema // Agrohimija. – 1997. – № 6. – S. 50-54.
  2. Vodjanickij Ju.N. Formy cinka v zagrjaznennyh pochvah (obzor literatury) // Pochvovedenie. – 2010. – №3. –  S. 293-301.
  3. Galliulin R.V., Galiulina R.A. Konceptual'naja model' fermentativnoj indikacii zagrjaznenija pochvy tjazhelymi me-tallami // Geojekologicheskie problemy zagrjaznenija okruzhaju¬shhej sredy tjazhelymi metallami. – Tula:TGU, 2006. – S. 100-104.
  4. Egoshina T.L., Shihova L.N. Svinec v pochvah i rastenijah severo-vostoka evropejskoj chasti Rossii // Vestnik OGU. – 2008. – №10. – S. 135-141
  5. Zvjagincev D.G., Kurakov A.V., Umarov M.M., Filipp Z. Mikrobiologicheskie i biohimicheskie pokazateli zagrjaznenija svincom dernovo-podzolistoj pochvoj //Pochvovedenie. – 1997. – №9. –  S. 1124-1131.
  6. Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I., Val'kov V.F. Biologicheskaja diagnostika i indikacija pochv: metodologija i metody issledovanij. – Rostov n/D: RGU, 2003. –  216s.
  7. Kamenshhikova V.I., Fedotova O.A. Vlijanie tjazhelyh metallov na biologicheskuju aktivnost' podzolistoj pochvy // Vestnik Permskogo universiteta. – 2004. – №2. – S. 163-165.
  8. Marfenina O.E. Izmenenie struktury kompleksa mikro¬skopicheskih gribov pri zagrjaznenii pochv tjazhelymi metallami // Vestnik MGU. – 1985. – № 2. –  46-50 s.
  9. Mineev V.G. Jekologicheskie problemy agrohimii. – M.: MGU, 1988. – 284 s
  10. Novoselova E.I., Bashkatov S.A. Vlijanie zagrjaznenija kadmiem na fermentativnuju aktivnost' chernozema obyknovennogo // Vestnik BashGU. – 2014. – № 4. – S. 1204-1206.
  11. Orientirovochno-dopustimye koncentracii (ODK) himicheskih veshhestv v pochve. Gigienicheskie normativy. Gn 2.1.7.2041-09.
  12. Popova L.D. Kompleksnaja jekologo-himicheskaja ocenka i normirovanie kachestva pochvenno- rastitel'nogo pokrova gorodskih jekosistem.avtoref. dis. …dokt. biol. nauk. – Pertrozavodsk, – 2015. – 34s.
  13. Rusanov A.M., Teslja A.V., Prihozhaj N.I., Turlibekova D.M. Soderzhanie valovyh i podvizhnyh form tjazhelyh metallov v pochvah g. Orska // Vestnik OGU. – 2012. – №4. –  S. 226-230
  14. Haziev F.H. Metody pochvennoj jenzimologii. – M.: Nauka, 2005. – 252 s.
  15. Shhelchkova M.V., Struchkova L.K., Fedorov I.A. Kompleksnoe vlijanie tjazhelyh metallov na fermentativnuju aktivnost' i jeffektivnoe plodorodie merzlotnoj lugovo-chernozemnoj pochvy // Vestnik SVFU. – 2010. – №4. – S. 16-21.