В последнее время разрабатываются и испытываются способы очистки почв от тяжелых металлов и приемы предотвращения распространения их по профилю почвы. В частности, для сдерживания поступления загрязнителя в почву применяются природные сорбенты, относящиеся к группе минеральных алюмосиликатов, - цеолитовые минералы [2]. Использование в земледелии высококремнистых пород (цеолитов, диатомитов и др.), обладающих рядом агрономически ценных свойств, в последнее время в связи с ростом цен на минеральные удобрения приобретает все больше сторонников. Цеолиты - экологически безопасный минерал осадочного происхождения, основу которого составляют кремнийсодержащие остатки диатомовых водорослей, простейших морских организмов. Одним из наиболее ценных свойств цеолитов, является селективное поглощение ими катионов тяжелых металлов. Внесение в почву цеолитов способствует обогащению прикорневого слоя питательными веществами, улучшению аэрации, влагоудерживающей и поглотительной способности, структуры и водно-физических характеристик почв, снижению их кислотности [4,5], а также повышению микробиологической и ферментативной активности [1,6,8].
Цель работы - изучить ферментативную активность почв, загрязненных цинком, в присутствии цеолитов Тузбекского месторождения и органических удобрений.
Объекты и методы исследования. Исследования проводились в течение вегетационного периода 2009 г. на опытном участке ГАНУ Института региональных исследований Академии наук Республики Башкортостан, засеянном яровой пшеницей. Тип почвы - чернозем обыкновенный. Цинк вносили в форме ацетата в концентрации 1, 5 и 10 ПДК. Контролем служила незагрязненная почва без удобрений и мелиорантов. Повторность опытов 3-кратная. Уреазную активность определяли по методу Т.А.Щербаковой (1983), протеазную активность - по Ф.Х. Хазиеву и Я.М. Агафаровой (1975), целлюлозоразлагающую активность почв аппликационным методом [7]. При оценке статистической достоверности полученных данных использовали t-критерий Стьюдента, p ≥ 0,05.
Результаты. Цинк - важнейший биоэлемент, значение которого для растения трудно переоценить. Одна из важнейших функций цинка в клеточном метаболизме - регуляция ростовых процессов у растений. Цинк принимает непосредственное участие в процессе дыхания, влияет на метаболизм углеводов, протеинов и фосфатов, а также на синтез ДНК, РНК и ауксинов. Является катализатором и активатором многих процессов. Он входит в состав фермента карбоангидразы, который расщепляет угольную кислоту на углекислый газ и воду, активирует каталазу, пероксидазу, липазу, протеазу, инвертазу. Недостаток этого элемента приводит к нарушению обмена веществ у растений: задерживается образование сахарозы и крахмала, происходит накопление минерального фосфора и уменьшение фосфорорганических соединений, нарушается процесс образования хлорофилла.
В условиях возрастающей антропогенной нагрузки на почвы цинк в больших концентрациях может выступать в роли загрязнителя. В условиях цинкового загрязнения отрицательное влияние этого металла на физиологические процессы в растениях и микроорганизмах, прежде всего, связано с отсутствием физиологических барьеров к его избыточному поглощению.
Результаты исследований по влиянию цинка на ферментативную активность почв показаны на рисунке 1.
А
Б
В
Рис. 1. Влияние цеолитов и органических удобрений на ферментативную (А - уреазную, Б - протеолитическую, В - целлюлозолитическую) активность почвы, загрязненной цинком.
Выраженного угнетающего воздействия цинка на активность уреазы не наблюдали. Более того, при концентрации 1 и 5 ПДК происходило увеличение активности фермента в 1,1 раза, и только лишь при 10 ПДК - отмечено снижение на 17 % (рис. 1,А). Наблюдалось ярко выраженное положительное влияние внесенных удобрений на показатели активности уреазы как при загрязнении почвы цинком, так и без него. Наибольшая активность фермента была отмечена на органо-цеолитном фоне (в 1,7 раз выше, чем на фоне без удобрений), меньшая - на цеолитном. На загрязненной почве была установлена защитная роль внесенных удобрений по отношению к активности уреазы. Совместное добавление навоза с цеолитами в почву, содержащую цинк в концентрации 10 ПДК, повышало активность фермента в 1,9 раз по сравнению с неудобренной загрязненной почвой.
Загрязнение почв цинком приводило к существенному снижению протеазной активности, особенно при высоких концентрациях, равных 10 ПДК (до 50 % от контроля), хотя при 1 ПДК имело место, напротив, повышение активности этого фермента (рис. 1, Б). Внесение удобрений оказало значительное положительное влияние на протеазную активность. В почвах, содержащих органические удобрения в сочетании с цеолитами, было отмечено превышение ферментативной активности в 4,3 раза по сравнению с неудобренной почвой. На загрязненных почвах эта величина составляла 3,2 раза при 1 ПДК, 3,8 раз при 5 ПДК и 6,2 раза при 10 ПДК по сравнению с аналогичной загрязненной почвой, но без внесения удобрений. При использовании цеолитов в количестве 15 т/га превышение активности фермента по сравнению с неудобренной почвой составило 1,3 раза в незагрязненной почве, 2,3 раза при 1 ПДК, 2,1 раза при 5 ПДК и 3,2 раза при 10 ПДК. В случае содержания цеолитов, равного 30 т/га, превышение имело место только при загрязнении, равном 10 ПДК. Внесение в почву цеолитов в сочетании с органикой существенно увеличивало активность фермента, в то время как при внесении только цеолитов данный эффект был выражен в значительно меньшей степени. Как и в случае уреазы, наибольшим протекторным действием по отношению к протеазе обладали цеолиты в количестве 15 т/га: если в случае совместного внесения цеолитов и органики при 10 ПДК цинка активность составила 72 %, а в случае цеолитов в количестве 30 т/га - 58 % от контроля, то при использовании цеолитов в количестве 15 т/га - даже увеличилась на 24 %.
Загрязнение почвы цинком приводило к некоторому снижению целлюлозолитической активности по сравнению с незагрязненными образцами: активность составила при 1 ПДК -60 %, при 5ПДК - 80 %, при 10 ПДК - 70 % от контрольного значения. Внесение удобрений оказало значительное положительное влияние на целлюлозолитическую активность (рис. 1, В). В незагрязненных почвах, содержащих навоз в сочетании с цеолитами, было отмечено увеличение ферментативной активности в 3,3 раза, в то время как на загрязненных почвах это увеличение составило 5,1 раза при 1 ПДК, 3,6 раза при 5 ПДК и 3,7 раза при 10 ПДК по сравнению с аналогичной загрязненной почвой, но без внесения удобрений. При использовании цеолитов в количестве 15 т/га увеличение активности фермента составило 3,2 раза в незагрязненной и от 3,0 до 5,1 раз в загрязненной почве. В случае использования цеолитов в количестве 30 т/га данный эффект был также положительным. Внесение в почву цеолитов в сочетании с органикой обладало наиболее высоким протективным действием. Следовательно, применение органических удобрений в сочетании с цеолитами позволило снизить отрицательное действие цинка на целлюлазную активность почвы. Но по сравнению с протеазой и уреазой данное воздействие было менее выражено.
Таким образом, по отношению к загрязнению почвы цинком очень чувствительной оказалась протеазная активность, менее чувствительной - уреазная активность, и слабо реагировала целлюлазная активность. По отношению к уреазе проявились в наибольшей степени протекторные свойства цеолитов.
Рецензенты:
- Янтурин С.И., д.б.н., профессор, зав. кафедрой экологии, Сибайский институт (филиал) ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет, г. Сибай.
- Мазгаров И.Р., д.б.н., профессор, зав. кафедрой физиологии человека и животных, Сибайский институт (филиал) ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет», г. Сибай.