7.3. Характеристика ферментативной активности почв на основе показателей активности каталазы

Одним из необходимых условий выявления загрязнения и токсического воздействия тяжелых металлов на почвы является разработка системы показателей контроля и прогнозирования уровня загрязнения почв, основанной на широком наборе почвенных параметров: характеристики химического состава, физико-химических, агрохимических и биологических свойств. Резистентность физико-химических параметров по сравнению с биологическими довольно высока. Поэтому использование последних, в силу их высокой чувствительности к неблагоприятным внешним воздействиям, наиболее перспективно, так как позволяет фиксировать начальные стадии загрязнения почв, пока их основные физико-химические и агрохимические свойства не претерпели существенных и необратимых изменений (Гришина, 1990; Кайгородова, 1996).

Среди биологических тестов в практике экологических исследований широко применяются показатели ферментативной активности почв. Они в меньшей степени, чем микробиологические показатели подвержены флуктуациям в постоянно изменяющихся условиях природной среды и в то же время адекватно реагируют на различные виды техногенных загрязнений.

Целью настоящего исследования было:

1. на основе показателей каталазной активности оценить экологическое состояние почв в окрестностях городской свалки бытового мусора и свалки кожкомбината, расположенных в «зеленом поясе» города;

2. изучить индикаторные свойства почвенной каталазы в отношении водорастворимых форм тяжелых металлов.

Каталаза относится к классу оксидоредуктаз и осуществляет расщепление токсичной для живых организмов перекиси водорода на кислород и воду. Она широко распространена во всех живых системах: животных, растениях, микроорганизмах и поступает в почву постмортально при разрушении тканей и клеток последних. В почве каталаза может связываться (иммобилизовываться) органическими и минеральными коллоидами почвы: полисахаридами, гумусовыми кислотами, глинистыми минералами и их комплексами. Иммобилизованная каталаза более устойчива к неблагоприятным воздействиям внешней среды и сохраняет свои каталитические свойства более продолжительное время, нежели «свободная».

Разные почвы характеризуются неодинаковым уровнем каталазной активности. Эти различия обусловлены многообразием источников поступления каталазы в почвы, некоторыми различиями в структуре ферментов, различной скоростью протекающих в почвах биологических процессов. Уровень каталазной активности в значительной мере зависит от эколого-генетических свойств почв: содержания гумуса, азота, легкодоступных элементов питания, состава почвенного поглощающего комплекса, рН среды и гидротермического режима, которые в совокупности определяют особенности продукции, иммобилизации и работы данного фермента в почве.

Литературные источники свидетельствуют, что накопление тяжелых металлов в почве приводит к понижению активности ферментного комплекса почв (Паникова, Перцовская, 1982; Долгова, 1981; Григорян, 1982). Исследования, проведенные в модельных опытах с различными почвами, показали, что многие тяжелые металлы (Mn, Ni, Zn, Pb, Cu, Cd, Cr), внесенные в почвы по отдельности и в различных комбинациях, подавляют каталазную активность. При этом степень снижения активности фермента прямо пропорционально зависела от количества содержащихся в почве тяжелых металлов. Максимальный ингибирующий эффект наблюдался при их совместном действии. Чувствительность каталазы к различным комбинациям тяжелых металлов была неодинаковой (Черных, 1991; Pezer, Gonzalez, 1988).

Степень воздействия на каталазную активность определялась также типом почвы. Как правило, в кислых почвах, имеющих легкий гранулометрический состав и содержащих незначительное количество гумуса (бурых лесных, дерново-подзолистых, подзолистых), устойчивость ферментов к негативному действию тяжелых металлов ниже, чем в суглинистых и глинистых почвах, богатых органическим веществом и характеризующихся нейтральной или слабощелочной реакцией среды (черноземах, перегнойно-глеевых). Высокие протекторные свойства последних объясняются способностью гумусовых веществ и глинистых минералов необратимо связывать тяжелые металлы и таким образом снижать их негативное воздействие на почвенные ферменты. Обнаружена обратная связь между интенсивностью подавления ферментативной активности и прочности сорбции металлов почвой (Белицына, Дронова, 1989). Известно также, что в нейтральной и слабощелочной среде большинство тяжелых металлов менее подвижны и агрессивны, чем в кислой среде.

Исследования почв в окрестностях промышленных предприятий, содержащих в составе выбросов тяжелые металлы, выявили серьезные изменения их биологических свойств: численности и структуры, микробных ценозов, процессов роста микроорганизмов, активности почвенных ферментов (Долгова, 1981; Асеева и др., 1988; Федоров, Шахов, 1996; Медведева и др., 1998). Во всех работах степень подавления биологической активности почв определялась удаленностью от источника загрязнения. В почвах, локализованных в непосредственной близости от промышленных предприятий, отмечались депрессия размножения микроорганизмов, понижение их биомассы и скорости дыхания. Снижалась также численность микрофлоры, изменялся ее групповой и видовой состав. Наряду с этим значительно ингибировались процессы нитрификации и азотфиксации. Под действием загрязнения понижалась активность почвенных оксидоредуктаз: дегидрогеназы, каталазы, нитрат - и нитритредуктазы; и гидролаз: инвертазы, фосфатазы, протеазы, уреазы. При этом в ряде случаев (Медведева и др., 1998) активность окислительно-восстановительных ферментов изменялась сильнее, чем гидролитических.

Наши исследования, проведенные на мерзлотных почвах Якутии, также показали, что тяжелые металлы, поступающие в почву из различных техногенных источников (аэротехногенные выбросы Нерюнгринской ГРЭС, ГСМ) подавляют активность почвенных ферментов.

Каталаза по сравнению с гидролитическими ферментами проявляла высокие индикаторные свойства (Щелчкова, 1998; Щелчкова, Пестерев, Саввинов, 2000). Это послужило основой для выбора данного фермента в качестве возможного биологического теста на загрязнение почв тяжелыми металлами в районе свалок, находящихся в дачной зоне г. Якутска.

Объекты и методы исследования. Основой почвенного покрова в зоне исследованных свалок являются палево-бурые оподзоленные почвы, развитые под сосновым лесом. В понижениях рельефа под смешанным березово-сосновым лесом представлены палево-бурые типичные почвы. Отбор проб осуществляли из верхних почвенных слоев 0-10 и 10-20 см. Каталазную активность определяли в воздушно-сухих образцах газометрическим методом (Галстян, 1956). Контрольные пробы для определения каталазной активности небиологической природы предварительно стерилизовали сухим жаром в течении трех часов при 150°С.

Результаты и обсуждения. Результаты исследования каталазной активности почв на территории свалки кожкомбината и в ее окрестностях представлены в таблице 7.3.1. Каталазная активность палево-бурых оподзоленных почв контрольного участка (т.4, т.5, т.6) по своим значениям очень близка к определенной нами активности мерзлотных палево-бурых почв Якутии, не подверженных каким-либо антропогенным воздействиям, и соответственно входит в доверительные интервалы для гумусово-аккумулятивного (1,40–5,81) и лежащего под ним минерального (0–2,55) горизонтов. Для естественных почв характерно постепенное снижение активности с глубиной.

В образцах, отобранных непосредственно на территории свалки (т.1, т.15), где складирована кожа, нами зарегистрирована высокая каталазная активность, достигающая и превышающая показатели ферментативной активности на контрольном участке (табл. 7.3.1). Это объясняется активно протекающими процессами разложения органического материала – кожи. Известно, что в природных условиях процессы распада органического вещества носят микробиологический и ферментативный характер и сопровождаются увеличением численности микроорганизмов и активности ферментов. В частности высокая каталазная активность в месте складирования кожи свидетельствует об энергично протекающих здесь окислительно-восстановительных процессах разрушения этого материала.

На песчаной обваловке под травянистой растительностью (т.2, т.3) активность каталазы значительно ниже контрольных показателей (табл. 7.3.1), что связано, прежде всего, со слабой гумусированностью песчаного грунта и отсутствием на этом участке зрелого фитоценоза. В точке 2 отмечается так же повышенное по сравнению с контролем содержание водорастворимого Cr.

Исследование, проведенное в юго-восточном, южном, юго-западном, западном и северном направлениях от свалки показало, что во всех случаях, за исключением юго-западного направления, каталазная активность почв в радиусе 250-300 м от свалки понижена. Причем в некоторых точках (т.8,13,19,20,22) каталазная активность в верхнем 10-см слое почв редуцирована сильнее, чем в нижележащем слое, что свидетельствует о поступлении поллютантов с поверхности, т.е. об антропогенном характере загрязнения. На расстоянии 350-500 м от свалки ферментативная активность повышается и достигает уровня контрольных показателей (табл. 7.3.1).

Почвы, расположенные в юго-западном направлении, в отличие от всех остальных почв, характеризуются более тяжелым суглинистым гранулометрическим составом, высоким содержанием гумуса и хорошей увлажненностью. Вероятно поэтому они отличаются более высокой ферментативной активностью по сравнению с доминирующими на этой территории супесчаными палево-бурыми оподзоленными почвами. Тем не менее, в пределах юго-западного направления тенденция повышения каталазной активности по мере удаления от свалки так же проявляется (табл.7.3.1). Наиболее высокая активность, равная 1,95 мл О₂/г мин., отмечается в почвах, расположенных в 500 м от свалки, а наименьшая – 1,23 мл О₂/г мин., в почвах, расположенных в 70 м от свалки.

Анализ каталазной активности почв и содержания в них водорастворимых форм тяжелых металлов выявило отсутствие четкой связи между этими показателями. Поскольку влияние водорастворимых форм тяжелых металлов на функции живых организмов и биохимические свойства почв практически не изучено, мы на данном этапе исследований не можем интерпретировать этот факт, и остановимся лишь на его констатации. Для получения более ясной картины необходимо исследовать содержание в почвах валовых и кислоторастворимых форм тяжелых металлов, а так же водорастворимых форм в динамике.

Таблица 7.3.1.

Каталазная активность почв на территории свалки кожкомбината и в ее окрестностях

Место отбора проб	Название пробы, глубина, см	Каталаза, мл О2 / г мин
Контроль 200 м от свалки	т. 4 0-10 10-20 т. 5 0-10 10-20 т. 6 0-10 10-20	3,80+0,200 0,30+0,030 2,90+0,058 1,20+0,033 1,00+0,100 0,70+0
Свалка	т. 1 0-10 10-20 т. 15 0-10 10-20	5,03+0,066 4,10+0,0 2,87+0,087 0,53+0,276
Песчаная обваловка свалки	т. 2 0-10 10-20 т. 3 0-10 10-20	0,73+0,083 0,33+0,033 0,13+0,067 0,0+0
Юго-восточное направление 15 м от свалки 100 м от свалки 150 м от свалки	т. 7 0-10 10-20 т. 8 0-10 10-20 т. 9 0-10 10-20	0,13+0,067 0,03+0,003 1,07+0,261 0,17+0,033 0,70+0 0,0+0
Южное направление 300 м от свалки 350 м от свалки	т. 13 0-10 10-20 т. 14 0-10 10-20	0,25+0,049 1,15+0,050 1,80+0,116 0,0+0
Юго-западное направление 70 м от свалки 300 м от свалки 500 м от свалки	т. 22 0-10 10-20 т. 23 0-10 10-20 т. 24 0-10 10-20	1,23+0,291 1,38+0,034 1,40+0,100 1,10+0,100 1,95+0,123 0,0+0
Западное направление 20 м от свалки 90 м от свалки 250 м от свалки 500 м от свалки	т. 18 0-10 10-20 т. 19 0-10 10-20 т. 20 0-10 10-20 т. 21 0-10 10-20	0,0+0 0,0+0 0,13+0,017 0,43+0,033 0,13+0,013 1,25+0, 50 3,00+0 1,0+0
Северное направление 20 м от свалки 70 м от свалки	т. 16 0-10 10-20 т. 17 0-10 10-20	0,95+0,150 0,07+0,033 0,0+0 0,05+0

Результаты исследования каталазной активности почв в окрестностях городской свалки бытового мусора приведены в таблице 7.3.2. Они показывают, что в радиусе 500 м от свалки каталазная активность в почвах редуцирована. Контрольные участки для этого объекта были выбраны на расстоянии 1 км (т.7, т.8) и 7 км (т.9) от свалки по направлению к городу. Каталазная активность т.8 и т.9 по уровню значений и профильному распределению соответствует активности почв естественных незагрязненных почв. Т.7 была заложена на нижней части склона местного водораздела в 10 м от трассы Якутск-Вилюйск и подвержена сильному загрязнению выхлопными газами автотранспорта. В связи с этим каталазная активность здесь подавлена. Снижение каталазной активности почв в окрестностях свалки не коррелирует с содержанием в них водорастворимых форм тяжелых металлов. На этой территории, как показано в предыдущем разделе, их концентрация не превышает фоновые значения. Вероятно, снижение каталазной активности связано с присутствием в почвах других поллютантов. Известно, что свалки бытового мусора вызывают загрязнение среды целым комплексом веществ различной химической природы. Это и биогенные элементы, поступающие в среду в составе минеральных и органических соединений и вызывающие эвтрофизоцию водоемов и повышение продуктивности и разнообразия травянистых фитоценозов, почвенных беспозвоночных и микроорганизмов (Chan et al., 1997). Наряду с этим при горении мусора в среду поступают с сажей тяжелые металлы, а так же ряд газов: CH₄, CO₂, NO₂, SO₃. Все эти вещества в зависимости от их сочетания, концентрации и длительности воздействия могут оказывать различное влияние на биологические свойства почв, в том числе и ферментативную активность. Нами зафиксирована редукция каталазной активности почв в районе свалки.

Интересно отметить, что в окрестностях свалки бытового мусора, которая в настоящее время активно функционирует, каталазная активность почв редуцирована практически полностью, а в окрестностях свалки кожкомбината, законсервированной уже в течение 10 лет, каталазная активность почв лишь понижена по сравнению с контрольными показателями. Т. е. можно заключить, что негативное воздействие городской свалки на ферментативную активность почв выражено в большей степени, чем свалки кожкомбината.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Свалка кожкомбината и свалка бытового мусора, расположенные в «зеленом» поясе города Якутска, оказывают негативное воздействие на биохимические свойства почв, о чем свидетельствует понижение каталазной активности. Это воздействие носит локальный характер и ограничено зоной радиусом 300 – 500 м вокруг свалки.

2. В снижении каталазной активности почв водорастворимые формы тяжелых металлов не играют определяющей роли.

Таблица 7.3.2.

Каталазная активность почв в окрестностях городской свалки бытового мусора

Место отбора проб	Название пробы, глубина, см	Каталаза, мл О2 / г мин
150 м от свалки 150 м от свалки 100 м от свалки 300 м от свалки 150 м от свалки 500 м от свалки 1000 м от свалки, 10 от трассы Якутск-Вилюйск * 1000 м от свалки * 7000 м от свалки *	т. 1 0-10 10-20 т. 2 0-10 10-20 т. 3 0-10 10-20 т. 4 0-10 10-20 т. 5 0-10 10-20 т. 6 0-10 10-20 т. 7 0-10 10-20 т. 8 0-10 10-20 т. 9 0-10 10-20	0,0+0 0,0+0 0,0+0 0,0+0 0,0+0 0,0+0 1,13+0,058 0,0+0 0,0+0 0,1+0,009 0,0+0 0,0+0 0,0+0 0,0+0 1,80+0,058 0,53+0,066 2,00+0,417 0,27+0,088

* - контрольный участок