тривале аеротехногенного забруднення лісової підстилки та грунту порушує існуюче в природі рівновагу і перетворюється в провідний екологічний фактор, що визначає ферментативну активність лісових грунтів. Це призводить до погіршення лісорослинних властивостей ґрунтів і зниження стійкості рослинності до промислових емісій.

Анотація наукової статті по промисловим біотехнологій, автор наукової роботи - Шебалова Н. М.


Long aerotechnogenic pollution of a wood laying and soil breaks balance existing in the nature and turns to the leading ecological factor defining fermentative activity of wood soils. It leads to deterioration wood vegetable properties of soils and to decrease in stability of vegetation to industrial issues.


Область наук:
  • промислові біотехнології
  • Рік видавництва: 2009
    Журнал: Аграрний вісник Уралу
    Наукова стаття на тему 'Активність ферментів як показник стану лісорослинних властивостей ґрунтів, розташованих в зонах техногенного забруднення'

    Текст наукової роботи на тему «Активність ферментів як показник стану лісорослинних властивостей ґрунтів, розташованих в зонах техногенного забруднення»

    ?Лісне господарство

    бокового освітлення деревостани вище, мінімальними значення індексу ушкоджен- Відзначається в вузькій опушечной смузі лісу

    число дерев і, отже, частка ний і дефолиации. Таким чином, най- край дороги, що виконує роль своеобраз-

    їх пошкоджень менше. Відзначено ми- гіршого дерев сосни від- ного буфера.

    література

    1. Денисов В. Н. Проблеми екологізації автомобільного транспорту. Вид. 2-е. СПб, 2005. 312 с.

    2. Митропольский А. К. Елементи математичної статистики: навч. посібник. Л., 1969. 274 с.

    3. Інструкція по експедиційного Лісопатологічне обстеження лісів СРСР. М.: ВО «Леспроект» Держкомітету СРСР по лісовому господарству, 1983. 181 с.

    4. Менщіков С. Л., Івшин А. П. Закономірності трансформації предтундрових і тайгових лісів в умовах аеротех-ногенного забруднення. Єкатеринбург: УрВ РАН, 2006. 294 с.

    АКТИВНІСТЬ ФЕРМЕНТІВ ЯК ПОКАЗНИК СТАНУ лісорослинних ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОЧВ, РОЗТАШОВАНИХ В ЗОНАХ техногенного ЗАБРУДНЕННЯ Н.М. Шебалова, кандидат технічних наук, доцент,

    Уральський ГЛТУ, г. Екатеринбург

    Ключові слова: лісовий грунт, забруднення, фтор, ферменти.

    Встановлення зв'язку активності ферментів лісових грунтів з екологічними факторами є важливою передумовою для діагностики процесів біотичної деструкції органічної речовини і специфіки грунтоутворення в різних зонах забруднення, а також можливості використання показників ферментативної активності для функціональної діагностики лісових грунтів в умовах техногенного забруднення. Формування і функціонування ферментативної активності лісових грунтів - складний і багатофакторний процес, який представляє собою єдність екологічно обумовлених процесів надходження, стабілізації і прояви активності ферментів в грунті. Цей процес, в кінцевому рахунку, визначає інтенсивність продукування ферментів, ступінь їх мобілізації і рівень активності. Формування певного рівня ферментативної активності в кожному конкретному горизонті є процесом історичним, що відображає функціонування і еволюцію всіх найголовніших складових грунтоутворювального процесу.

    Ряд дослідників вважають, що основними продуцентами ферментів є бактерії і гриби, відзначаючи тісний кореляційний зв'язок між активністю ферментів і кількістю мікроорганізмів [1, 2, 4, 5]. Інші заперечують наявність такого зв'язку і припускають, що найважливішу роль в надходженні ферментів в грунт відіграє характер рослинного покриву, з яким тісно пов'язаний біохімічний і хімічний склад осаду і підстилки, а також різні темпи їх розкладання [3].

    Для порівняльного аналізу були обрані лісові грунти зони дії Полевского криолитового заводу (ПКЗ)

    і первоуральск-Ревдінскій промислового вузла (ПРПУ). Лісові території ПКЗ протягом багатьох років піддаються впливу комплексу токсикантів з превалюванням фтористих з'єднань, токсичність яких в десятки разів перевершує токсичність оксидів азоту і сірчистого газу. Фториди не беруть участі в обміні і з великими труднощами піддаються детоксикації. У зоні дії ПРПУ поєднуються токсичний вплив тяжких металів і сірчистого ангідриду. Насадження на всіх досліджуваних ППП по рослинним і гідротермічним умовам приблизно однакові. Тип лісу - сосняк різнотравні. Грунтові умови досліджуваних сосняков досить близькі один до одного. В обох районах переважають сірі лісові среднеоподзоленние грунту, характерною особливістю яких є те, що лісова підстилка диференціюється тільки на два горизонти. Це горизонт 01, представлений свежеопавшей хвоєю, листям, злаками, і ферментативно-гумусовий горизонт (02-03), де відбуваються основні процеси розкладання рослинного опади і гуміфікації.

    Мета і методика досліджень

    Дія ферментів суворо вибірково, тому в роботі основна увага приділена дослідженню ферментів, що визначають головні ланки кругообігу органічних речовин. Це оксидоредуктаз, які відіграють важливу роль в обміні речовин і енергії, і гід-ролази, що розщеплюють складноефірний, глюкозидні, пептидні та інші зв'язки в органічних сполуках, збагачуючи грунт рухливими і доступними рослинам і мікроорганізмам поживними речовинами.

    Перш ніж перейти до рассмотре-

    нію даних по активності ферментів лісового грунту, слід зазначити, що вони в лісовій підстилці можуть мати подвійну природу. У верхньому горизонті лісової підстилки це залишки ферментів рослин і епіфітна мікрофлори, що були у свіжому опаде, а також ферменти мікроорганізмів, що розвиваються в лісовій підстилці в процесі її розкладання. На жаль, в даний час немає можливості відокремити ферменти осаду від ферментів мікроорганізмів, тому в справжніх дослідженнях мова піде про сумарну їх активності. У нижчих горизонтах лісової підстилки, найбільш потужних за запасами органічної речовини, активність ферментів в основному обумовлена ​​діяльністю мікроміцетів, бактерій, безхребетних тварин.

    Для визначення відносної сумарної активності ферментів використовували метод насичують концентрацій внесеного субстрату. Сумарну активність ферменту виражали в одиницях ферментативної дії, що являє собою кількісне зміна субстрату під дією ферменту за певний проміжок часу. Активність каталази визначали газометріческіх методом по вимірюванню швидкості розкладання перекису водню. Активність протеази визначалася за освітою продуктів гідролізу білків і реакції їх з реактивом Фолина, целюлази - фотометричним методом визначення глюкози, що утворилася в результаті розщеплення целюлози. Активність інвертази вивчали по реакції цукрів з 3,5-дінітросаліціловой кислотою, в результаті чого кислота перетворюється в 3-аміно-5-нитросалициловой кислоту, що має жовто-оранжевий колір. Ак-

    Wood ground, pollution, fluorine, enzymes.

    Лісне господарство

    ПКЗ. зона сильного забруднення

    ПКЗ. зона слабкого забруднення

    ПРПУ. зона сильного забруднення зони забруднення

    I инвертаза. підстилка, верхнім горизонт I инвертаза. підстилка, ферментативним горизонт іівертаза. верхній грунтовий горизонт __________

    й й целлюлаза. підстилка, верхній горизонт - »целлюлаза. підстилка, ферментативний горизонт целяюлаза. верхній грунтовий горизонт ________________

    Малюнок 1. Активність ферментів в горизонтах лісової підстилки і верхньому грунтовому горизонті, розташованих в різних зонах

    забруднення

    тивность пероксидази визначали модифікованим методом Бояркіна зі зміни швидкості окислення бензіді-на перекисом водню до утворення забарвленого продукту певної концентрації [6].

    Оскільки аналіз зразків лісової підстилки, грунту і хвої пов'язаний з доставкою їх в лабораторії, було проведено дослідження впливу часу відбору зразків та умов їх зберігання на досліджувані показники. Достовірність результатів і обґрунтованість висновків забезпечена проведенням тривалих багаторічних досліджень; аналізом великого за обсягом фактичного матеріалу, зібраного авторами з використанням сучасних методик; статистичною обробкою матеріалу на різних етапах роботи, що супроводжується виявленням ступеня мінливості досліджуваного ознаки.

    Звичайно, по роках досліджень залежно від гідротермічних факторів і екологічних умов активність ферментів лісового грунту змінювалася в широких межах, але, незважаючи на це, досить чітко простежувалася загальна тенденція зміни рівня активності вивчених ферментів в залежності від ступеня накопичення в досліджуваних горизонтах лісової підстилки та гумусового грунтовому горизонті забруднюючих речовин.

    Результати досліджень

    Основну масу розкладаються в грунті органічних речовин складають полімери, які, потрапляючи в грунт, піддаються ферментативному гідролізу, перетворюючись в доступні рослинам і мікроорганізмам поживні речовини. Найбільше значення мають ферменти, що розщеплюють складноефірний, глюкозидні, пептидні та деякі інші зв'язку органічних сполук. У горизонтах лісової підстилки протягом усього вегетаційного періоду зберігається досить високий рівень активності протеази, який свідчить про те, що в них міститься недостатня кількість азоту і для поповнення його змісту інтенсифікуються процеси реутилізацію азоту з азотовмісних органічних речовин. Найбільш висока активність протеази приурочена до верхнього горизонту

    лісової підстилки, органічна речовина якого ще слабо мінералізовані. У міру збільшення ступеня розкладання органічної речовини рівень активності ензиму в ферментативном горизонті підстилки в порівнянні з верхнім горизонтом знижується в зоні сильного забруднення ПКЗ на 10,8-22,2% і в зоні слабкого забруднення - на 10,815,7%. Ще більш різко зменшується активність протеази в гумусового грунтовому горизонті. Рівень активності ферменту в досліджуваних горизонтах лісової грунту в зоні сильного забруднення ПРПУ практично такий же, що і в зоні сильного забруднення ПКЗ.

    Горизонти лісової підстилки характеризуються і високим рівнем Інверсія-тазной активності, особливо її верхній слабомінералізованої горизонт (рис. 1). У ферментативном горизонті активність ензиму знижується в порівнянні з верхнім горизонтом на 25,050,0%. Досить різке зниження активності інвертази в порівнянні з горизонтами лісової підстилки (в 30-35 разів) виявлено в гумусового грунтовому горизонті. Розподіл ферменту по горизонтах лісової підстилки та грунту визначається вмістом легкогідролізуемого вуглеводних сполук у кожній з них. Найбільш істотний вплив на рівень інвертазной активності надає і хімічна природа акумульованих токсичних речовин. У зоні сильного забруднення ПРПУ активність ферменту верхнього горизонту підстилки нижче на 34,0-35,1%, а в ферментативному - на 11,6-12,4%, ніж в аналогічних горизонтах зони ПКЗ.

    Виявлено (рис. 1), що серед ферментів, які каталізують процес розкладання вуглеводів, активність Целль-лази найнижча. Залежно від ступеня розкладання органічної речовини осаду і змісту токсикантів в досліджуваному горизонті лісової підстилки вона в 2,3-4,9 рази нижче рівня активності інвертази. Таке співвідношення рівнів ензимів, що беруть участь в розпаді вуглеводів, свідчить про більш високий ступінь розщеплення легкогідролізуемого вуглеводів в досліджуваних горизонтах лісової грунту, службовців основним енергетичним матеріалом для грунтової мікрофлори, і про

    дуже повільному розкладанні клітковини, а, отже, і рослинного опади, оскільки целюлоза є одним з його основних компонентів, а також про порівняно низький рівень забезпеченості грунтів доступними для рослин і мікроорганізмів формами вуглеводів. Крім того, низька інтенсивність мінералізації клітковини в горизонтах лісової грунту сприяє накопиченню рослинного опади на поверхні ґрунтів.

    Концентрація токсичних речовин робить істотний вплив на рівень пероксидазною активності. З даних, представлених на малюнку 2, видно, що чим вище концентрація акумульованого токсиканти, тим активніше фермент. У верхньому горизонті лісової підстилки, що акумулює фтору до 930 мкг / г вуглецю, активність ензиму в 1,8-2,1 рази нижче, ніж в ферментативном горизонті лісової підстилки, що містить фтор-іона до 19894 мкг / г вуглецю. Останнє підтверджує припущення про те, що фтор-іон здатний ініціювати появу перекис-них з'єднань, необхідних для діяльності даного ферменту. На зміну рівня активності величезний вплив справляє хімічна природа накопичених в грунті поллютантов. Так, в зоні сильного забруднення ПРПУ в порівнянні з такою в районі ПКЗ рівень активності пероксидази знижується в верхньому горизонті лісової підстилки в 2,7-2,8; в ферментативном горизонті - в 2,9-3,2; в гумусового грунтовому горизонті - в 3,9-4,5 рази.

    Найбільшою каталазной активністю (рис. 3), що свідчить про кількість кисню, що виділився при розкладанні перекису водню, має лісова підстилка, а саме її ферментативний горизонт. Поблизу ПКЗ активність каталази верхнього горизонту підстилки коливається в межах від 22,7 до 31,8 см3 О2; в нижчележачому горизонті - від 35,2 до 43,1 і в гумусового шарі -від 9,9 до 11,3 см3 О2. У зоні слабкого забруднення активність ензиму в лісовій підстилці збільшується на 20,0-26,6, а в гумусового горизонту - на 5,0-9,3%. Активність каталази в зоні ПРПУ в 2-3, а то і в 4 рази нижче, ніж в тих же горизонтах лісової підстилки та грунту зони ПКЗ. Рівень поліфенолоксідази в гумусово-акумулятивний горизонті досліджуваних лісових грунтів і активність ензиму менше, ніж в горизонтах лісової підстилки, в 4,5-6,2 рази і залежить від пори року, хімічної природи і концентрації токсикантів. Оцінюючи ступінь обогащенности досліджених лісових грунтів дегідрогеназ, слід також відзначити, що характер розподілу ферменту в лісовому грунті залежить в основному від вмісту органічної речовини рослинного опади, а не від концентрації накопичених в досліджуваних горизонтах забруднюючих речовин. Максимум дегідрогеназну активності властивий лісової під-

    Лісне господарство

    Таблиця

    Таксаційні та морфометричні показники сосни звичайної, що росте в зонах техногенного

    забруднення ПКЗ

    Зона сильного забруднення Зона слабкого забруднення

    Показники нормально вегетирующие пригноблені нормально вегетирующие пригноблені

    хвоя 1-го хвоя 2-го хвоя 1-го хвоя 2-го хвоя 1-го хвоя 2-го хвоя 1-го хвоя 2-го

    року року року року року року року року

    життя життя життя життя життя життя життя життя

    Висота дерева, м 9,9 - 8,2 - 13,9 - 13,3 -

    Діаметр стовбура на висоті 1,3 м, см 20,3 - 18,1 - 22,9 - 22,3 -

    Довжина хвої, см 5,7 5,7 5,2 5,2 5,8 5,8 5,4 5,4

    Тривалість життя хвої, років 2,0-2,5 - 2,0-2,5 - 3,0-3,5 - - 3,0-3,5

    Ступінь поразки хвої по довжині,% 2,7 7,9 3,5 14,2 0,4 0,9 1,2 1,7

    Висота крони, м 8,3 - 7,1 - 12,1 - 11,6 -

    Ширина крони, м 5,8 - 5,0 - 6,5 - 6,0 -

    Висота до першого живого сучка, м 1,4 - 1,1 - 1,8 - 1,7 -

    верхній горизонт підстилки I-1 ферментативним горизонт підстилки * верхній грунтовий горизонт |

    Малюнок 2. Активність пероксидази в горизонтах лісової підстилки та грунту, розташованих в зонах техногенного забруднення

    Е. ™

    Про 40

    ПКЗ. юна сильного забруднення

    ПКЗ. зона середнього забруднення

    ПКЗ. зона слабкого забруднення

    ПРПУ, зона сильного забруднення

    зони забруднення

    I верхній горизонт підстилки

    ) Ферментативний горизонт підстилки

    Малюнок 3. Активність каталази в горизонтах лісової грунту, розташованих в техногенних зонах

    Стілком, особливо її ферментативному горизонту. Рівень активності дегідрогенази в горизонтах лісової грунту залежить так само, як і у інших вивчених ферментів, від пори року.

    висновки

    Комплекс забруднювачів, присутній в атмосфері, має суттєвий вплив на характер і глибину ферментативного потенціалу горизонтів лісового грунту. суще-

    ственное відмінність в рівнях активності ферментів обумовлюється ступенем акумуляції промислових токсикантів і їх хімічної природою. Інвертазная активність горизонтів лісової підстилки зони сильного забруднення ПКЗ протягом усього вегетаційного періоду вище целлюлазной активності в 2,5-4,0 рази. Найбільш істотна відмінність між рівнями активності даних ферментів, ката-

    лізуючого процеси розкладання вуглеводів, - в зоні сильного забруднення ПРПУ, де активність інвертази перевищує рівень целюлази підстилки в 3,3-4,9 рази. Тобто легкогідролізуемого вуглеводи, службовці основним енергетичним матеріалом для грунтової мікрофлори, гідролізуються швидше, ніж целюлоза. Низька інтенсивність мінералізації клітковини в горизонтах лісової грунту сприяє накопиченню рослинного опади на поверхні ґрунтів. Отже, лісові грунти, розташовані в зонах техногенного забруднення, володіють низьким рівнем забезпеченості доступними для рослин і мікроорганізмів формами вуглеводів.

    Чим вище концентрація токсичних речовин, акумульованих горизонтом лісового грунту, тим вище рівень пероксидазною активності, і навпаки. Це підтверджує припущення про те, що фтор-іон здатний ініціювати появу перекис-них з'єднань, необхідних для діяльності даного ферменту. Отже, в лісовому грунті знаходиться досить велика кількість перекисних сполук, здатних викликати генні мутації, які обумовлюють в тій чи іншій мірі виражені порушення метаболізму.

    Тривале аеротехногенного забруднення лісової підстилки та грунту перетворюється в провідний екологічний фактор, що визначає ферментативну активність лісових грунтів, що, в свою чергу, веде до зниження лісорослинних властивостей ґрунтів і погіршення стійкості рослинності до промислових емісій. Особливо істотно це позначається на хвойних деревах, викликаючи пригнічення фізіологічного стану деревостану в цілому (табл.).

    література

    1. Купревіч В. Ф., Щербакова Т. А. Ґрунтова ензимологія. Мінськ: Наука і техніка, 1966. С. 274.

    2. Малюковіч А. І. Екологічна роль ґрунтових ферментів в біогеоценозах висотного профілю Українських Карпат. Львів: ЛДУ, 1990. С. 17.

    3. Мірчінк Т. Г. Ґрунтова мікологія. М.: Изд-во МГУ, 1988. С. 220.

    4. Хазиев Ф. X. Грунтові ферменти. М.: Знання, 1972. С. 70.

    5. Хазиев Ф. X. Ферментативна активність грунтів. М.: Знання, 1976. С. 276.

    6. Практикум з агрохімії / під ред. В. Г. Мінєєва. М.: Изд-во МГУ, 1983. С. 304.


    Ключові слова: лісовий грунт / забруднення / ФТОР / ферменти / Wood ground / pollution / Fluorine / enzymes

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити