Влияние загрязнения Ag, Bi, Te и Tl на ферментативную активность чернозема обыкновенного

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведена оценка ферментативной активности чернозема обыкновенного (Haplic Chernozem) при загрязнении Ag, Bi, Te и Tl. Проанализирована активность 10 ферментов: каталазы, дегидрогеназы, пероксидазы, полифенолоксидазы, аскорбатоксидазы, ферриредуктазы, протеазы, фосфатазы, инвертазы и уреазы. По степени ингибирования ферментов тяжелые металлы располагаются в следующей последовательности: Tl > Ag > Bi > Te. С ростом концентрации тяжелых металлов токсическое воздействие на активность ферментов увеличивается. Оксидоредуктазы проявили большую чувствительность к загрязнению Ag, Bi, Te и Tl, чем гидролазы. Среди оксидоредуктаз наибольшая чувствительность была обнаружена у ферриредуктазы, а наименьшая – у аскорбатоксидазы. По активности ферментов класса гидролазы наибольшей чувствительностью обладает инвертаза, а наименьшей – уреаза. При загрязнении Ag, Bi и Te наибольшей информативностью обладает инвертаза, а при загрязнении Tl – уреаза и полифенолоксидаза. Среди ферментов класса оксидоредуктазы наибольшая информативность обнаружена у пероксидазы, а наименьшая – у аскорбатоксидазы. Среди ферментов класса гидролазы наибольшей информативностью обладает инвертаза, а наименьшей – фосфатаза. Результаты исследования возможно использовать для оценки экологического состояния почв, загрязненных Ag, Bi, Te и Tl.

Об авторах

Т. В. Минникова

Южный федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: tminnikova@sfedu.ru
Россия, Ростов-на-Дону

С. И. Колесников

Южный федеральный университет

Email: tminnikova@sfedu.ru
Россия, Ростов-на-Дону

Н. А. Евстегнеева

Южный федеральный университет

Email: tminnikova@sfedu.ru
Россия, Ростов-на-Дону

А. Н. Тимошенко

Южный федеральный университет

Email: tminnikova@sfedu.ru
Россия, Ростов-на-Дону

Н. И. Цепина

Южный федеральный университет

Email: tminnikova@sfedu.ru
Россия, Ростов-на-Дону

К. Ш. Казеев

Южный федеральный университет

Email: tminnikova@sfedu.ru
Россия, Ростов-на-Дону

Список литературы

  1. Водяницкий Ю.Н. Загрязнение почв тяжелыми металлами и металлоидами и его экологическая опасность (аналитический обзор) // Почвоведение. 2013. № 7. С. 772–881. https://doi.org/10.1134/S1064229313050153
  2. Дружинин А.В., Карелина Е.В. Основные типы месторождений технического серебра // Вестник Рос. ун-та дружбы народов: Сер. инженерных исследований. 2008. № 1. С. 35–41.
  3. Евстегнеева Н.А., Колесников С.И., Минникова Т.В., Тимошенко А.Н. Оценка токсичности тяжелых металлов, металлоидов и неметаллов, содержащихся в отходах добычи полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюл. 2023. Т. 5-1. C. 73–85. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_51_0_73
  4. Иванищев В.В. Доступность железа в почве и его влияние на рост и развитие растений // Известия Тульского гос. ун-та. Естественные науки. 2019. № 3. С. 127–138.
  5. Ляпунов М.Ю. Закономерности распределения химических элементов в почвах Пионерского золоторудного месторождения. Геохимия Амурской области // Вестник Томского политех. ун-та. 2014. Т. 325. № 1. С. 57–68.
  6. Минникова Т.В., Мокриков Г.В., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В., Колесников С.И. Оценка ферментативной активности черноземов Ростовской области при бинарных посевах подсолнечника // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2017. № 6. С. 141–155. https://doi.org/10.26897/0021-342X-2017-6-141-155
  7. Минникова Т.В., Мокриков Г.В., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В., Колесников С.И. Оценка зависимостей между гидротермическими показателями и ферментативной активностью черноземов Ростовской области при использовании различных агротехнологий // Агрофизика. 2018. № 1. С. 9–17. https://doi.org/10.25695/AGRPH.2018.01.02
  8. Минникова Т.В., Колесников С.И., Денисова Т.В. Влияние азотных и гуминовых удобрений на биохимическое состояние нефтезагрязненного чернозема // Юг России: Экология, развитие. 2019. Т. 14. № 2. С.189–201. https://doi.org/10.18470/1992-1098-2019-2-189-201
  9. Новосёлова Е.И., Волкова О.О., Турьянова Р.Р. Ферментативная трансформация органических остатков в почвах, загрязненных тяжелыми металлами // Экология урбанизированных территорий. 2019. № 1. С. 75–81. https://doi.org/10.24411/1816-1863-2019-11075
  10. Новосёлова Е.И., Волкова О.О., Хазиев Ф.Х., Турьянова Р.Р. Особенности ферментативного дегидрирования органических веществ в почвах, загрязненных тяжелыми металлами // Научная жизнь. 2020. Т. 15. № 10 (110). С. 1312–1320. https://doi.org/10.35679/1991-9476-2020-15-10-1312-1320
  11. Поляк Ю.М., Сухаревич В.И. Почвенные ферменты и загрязнение почв: биодеградация, биоремедиация, биоиндикация // Агрохимия. 2020. № 3. С. 83–93. https://doi.org/10.31857/S0002188120010123.
  12. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 2005. 252 с.
  13. Якушев А.В., Журавлева А.И., Кузнецова И.Н. Влияние длительной и кратковременных засух на гидролитические ферменты серой почвы // Почвоведение. Почвоведение. 2023. № 6. С. 745–757. https://doi.org/10.31857/S0032180X2260130X
  14. Alekseenko V.A., Alekseenko A.V. Chemical elements in geochemical systems. Clarks of soils in residential landscapes. Rostov n/D: Publishing House of the Southern Federal University. 2013. 380 p.
  15. Cao C., Huang J., Ca W., Yan C., Liu J., Jiang Y. Effects of Silver Nanoparticles on Soil Enzyme Activity of Different Wetland Plant Soil Systems // Soil and Sediment Contamination: Int. J. 2017. V. 26 (5). P. 558–567. https://doi.org/10.1080/15320383.2017.1363158
  16. Eivazi F., Afrasiabi Z., Jose E. Pedosphere Effects of Silver Nanoparticles on the Activities of Soil Enzymes Involved in Carbon and Nutrient Cycling // Pedosphere. 2018. V. 28. P. 209–214. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(18)60019-0
  17. Elekes C.C., Busuioc G. The mycoremediation of metals polluted soils using wild growing species of mushrooms // Latest Trends on Engineering Education. Р. 36–39.
  18. Farag M.R., Alagawany M., Khalil S.R., Moustafa A.A., Mahmoud H.K., Abdel-Latife H.M.R. Astragalus membranaceus polysaccharides modulate growth, hemato-biochemical indices, hepatic antioxidants, and expression of HSP70 and apoptosis-related genes in Oreochromis niloticus exposed to sub-lethal thallium toxicity // Fish Shellfish Immunology. 2021. V. 118. P. 251–260. https://doi.org/10.1016/j.fsi.2021.09.009
  19. Filella M., Reimann C., Biver M., Rodushki I., Rodushkina K. Tellurium in the environment: current knowledge and identification of gaps // Environmental Chemistry. 2019. V. 16(4). https://doi.org/10.1071/EN18229
  20. Grösslová Z., Vaněk A., Oborná V., Mihaljevič M., Ettler V., Trubač J., Drahota P. et al. Thallium contamination of desert soil in Namibia: Chemical, mineralogical and isotopic insights // Environ. Poll. 2018. V. 239 P. 272–280. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.04.006
  21. Grün A., Straskraba S., Schulz S., Schloter M., Emmerling C. Long-term effects of environmentally relevant concentrations of silver nanoparticles on microbial biomass, enzyme activity, and functional genes involved in the nitrogen cycle of loamysoil // J. Environ. Sci. 2018. V. 69. P. 12–22. https://doi.org/10.1016/j.jes.2018.04.013
  22. Grygoyć K., Jabłońska-Czapla M. Development of a Tellurium Speciation Study Using IC-ICP-MS on Soil Samples Taken from an Area Associated with the Storage, Processing, and Recovery of Electrowaste // Molecules. 2021. V. 26. P. 2651. https://doi.org/10.3390/molecules26092651
  23. Hayes S.M., Ramos N.A. Surficial geochemistry and bioaccessibility of tellurium in semiarid mine tailings // Environ. Chem. 2019. V. 16(4). P. 251–265.
  24. Jones K.C, Davies B.E., Peterson P.J. Silver in Welsh soils: Physical and chemical distribution studies // Geoderma. 1986. V. 37. P. 157–174. https://doi.org/10.1016/0016-7061(86)90028-5
  25. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. Boca Raton, FL: Crc Pressрр. 2010. 548 p.
  26. Karbowska B. Presence of thallium in the environment: sources of contaminations, distribution and monitoring methods // Environ. Monit. Assess. 2016. V. 188. P. 640–659.
  27. Kearns J., Turner A. An evaluation of the toxicity and bioaccumulation of bismuth in the coastal environment using three species of macroalga // Environ. Poll. 2016. V. 208. P. 435–441. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2015.10.011
  28. Kinraide T.B.; Yermiyahu U. A scale of metal ion binding strengths correlating with ionic charge, Pauling electronegativity, toxicity, and other physiological effects // J. Inorg. Biochem. 2007. V. 101. P. 1201–1213.
  29. Kolesnikov S., Minnikova T., Kazeev K., Akimenko Yu., Evstegneeva N. Assessment of the Ecotoxicity of Pollution by Potentially Toxic Elements by Biological Indicators of Haplic Chernozem of Southern Russia (Rostov region) // Water, Air, Soil Pollution. 2022. V. 233. P. 18. https://doi.org/10.1007/s11270-021-05496-3
  30. Kolesnikov S.I. Impact of Contamination with Tellurium on Biological Properties of Ordinary Chernozem // Soil and Sediment Contamination: Int. J. 2019. V. 28. P. 792–800. https://doi.org/10.1080/15320383.2019.1666793
  31. Kolesnikov S.I., Kazeev K.S., Akimenko Yu.V. Development of regional standards for pollutants in the soil using biological parameters // Environ. Monit. Assess., 2019. 191. 544. https://doi.org/10.1007/s10661-019-7718-3
  32. Kolesnikov S.I., Sudina L.V., Kuzina A.A., Minnikova T.V., Tsepina N.I., Kazeev K.Sh., Akimenko Yu.V. The effect of bismuth contamination on the soil biological properties // Agriculture and Natural Resources. 2022. V. 56. P. 417–428. https://doi.org/10.34044/j.anres.2022.56.2.19
  33. Kolesnikov S.I., Tsepina N.I., Sudina L.V., Minnikova T.V., Kazeev K. Sh., Akimenko Yu.V. Silver Ecotoxicity Estimation by the Soil State Biological Indicators // Appl. Environ. Soil Sci. 2020. P. 1207210. https://doi.org/10.1155/2020/1207210
  34. Kolesnikov S., Tsepina N., Minnikova T., Kazeev K., Mandzhieva S., Sushkova S., Minkina T., Mazarji M., Singh R.K., Rajput V.D. Influence of Silver Nanoparticles on the Biological Indicators of Haplic Chernozem // Plants. 2021. V. 10. P. 1022. https://doi.org/ 10.3390/plants10051022
  35. Kolesnikov S., Minnikova T., Minkina T., Rajput V.D., Tsepina N., Kazeev K., Zhadobin A., Nevedomaya E., Ter-Misakyants T., Akimenko Yu., Mandzhieva S., Sushkova S., Ranjan A., Asylbaev I., Popova V., Tymoshenko A. Toxic Effects of Thallium on Biological Indicators of Haplic Chernozem Health: A Case Study // Environments. 2021. V. 8. P. 119. https://doi.org/10.3390/environments8110119
  36. Liu J., Wang J., Chen Y.H., Shen C.C., Jiang X.Y., Xie X.F., Chen D.Y., Lippold H., Wang C.L. Thallium dispersal and contamination in surface sediments from South China and its source identification // Environ. Poll. 2016. V. 213. P. 878–887. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.02.089
  37. Liu J., Wang, J., Xiao T.F., Bao Z.A., Lippold H., Luo X.W., Yin M.L., Ren J.M., Chen Y.H., Linghu W.S. Geochemical dispersal of thallium and other metals in sediment profiles from a smelter-impacted area in South China // Appl. Geochem. 2018. V. 88. P. 239–246.
  38. Minnikova T., Kolesnikov S., Revina S., Ruseva A., Gaivoronsky V. Enzymatic Assessment of the State of Oil-Contaminated Soils in the South of Russia after Bioremediation // Toxics. 2023. V. 11. P.355. https://doi.org/10.3390/toxics11040355
  39. Mokrikov G., Minnikova T., Kazeev K., Kolesnikov S. Use of soil enzyme activity in assessing the effect of No-Till in the South of Russia // Agronomy Research. 2021. V. 19. P. 171–184. https://doi.org/10.15159/AR.20.240
  40. Montes de Oca-Vásquez G., Solano-Campos F., Vega-Baudrit J.R, López-Mondéjar R., Vera A., Morenof J. L., Bastidaf F. Organic amendments exacerbate the effects of silver nanoparticles on microbial biomass and community composition of a semiarid soil // Sci. Total Environ. 2020. Vol 744. P. 140919. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140919
  41. Murata T. Effects of bismuth contamination on the growth and activity of soil microorganisms using thiols as model compounds // J. Environ. Sci. Health A. Tox Hazard Subst. Environ Eng. 2006. V. 41. Р. 161–172. https://doi.org/ 10.1080/10934520500349276
  42. Najimi S., Shakibaie M., Jafari E., Ameri A., Rahimi N., Forootanfar H., Yazdanpanah M., Rahimiae H.R. Acute and subacute toxicities of biogenic tellurium nanorods in mice // Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2017. V. 90. P. 222–230. https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2017.09.014
  43. Nelson B., Chen Y.-W. Tellurium in the environment: A critical review focused on natural waters, soils, sediments and airborne particles. Applied Geochemistry. 2015. V. 63. P. 83–92.
  44. Nelson B., Chen Y.-W. Thallium in the environment: A critical review focused on natural waters, soils, sediments and airborne particles //Appl. Geochem. 2017. V. 84. P. 218–243.
  45. Pavoni E., Petranich E., Adami G., Baracchini E., Crosera M., Emili A., Lenaz D., Higueras P., Covelli S. Bioaccumulation of thallium and other trace metals in Biscutella laevigata nearby a decommisioned zinc-lead mine (Northeastern Italian Alps) // J. Environ. Manag. 2017. V. 186. P. 214–224.
  46. Perkins W.T. Extreme selenium and tellurium contamination in soils – an eighty year-old industrial legacy surrounding a Ni refinery in the Swansea Valley // Sci. Total Environ. 2011. V. 412–413, P. 162–169.
  47. Peyrot C., Wilkinson K.J, Desrosiers M., Sauvé S. Effects of silver nanoparticles on soil enzyme activities with and without added organic matter // Environ. Toxicology Chem. 2014. V. 33. P. 115–25. https://doi.org/10.1002/etc.2398
  48. Presentato A., Turner R.J., Vásquez C.C., Yurkov V., Zannoni D. Tellurite-dependent blackening of bacteria emerges from the dark ages // Environmental Chemistry. 2019. V. 16(4). P. 266–288.
  49. Pulit-Prociak J., Banach M. Silver nanoparticles – a material of the future? // Open Chem. 2016. V. 14. P. 76–91. https://doi.org/10.1515/chem-2016-0005
  50. Rahmatpour S., Shirvani M., Mosaddeghi M.R., Farshid N., Bazarganipour M. Dose – response effects of silver nanoparticles and silver nitrate on microbial and enzyme activities in calcareous soils // Geoderma. 2017. V. 285. Р. 313–322. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2016.10.006
  51. Samarajeewa A.D., Velicogna J.R., Princz J.I., Subasinghe R.M., Scroggins R.P., Beaudette L.A. Effect of silver nano-particles on soil microbial growth, activity and community diversity in a sandy loam soil // Environ. Poll. 2017. V. 220. P. 504–513.
  52. Shin Y.J, Kwak J.I, An Y.J. Evidence for the inhibitory effects of silver nanoparticles on the activities of soil exoenzymes // Chemosphere. 2012. V. 88. P. 524–529. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2012.03.010
  53. Stangherlin E.C., Ardais A.P., Rocha J.B.T., Nogueira C.W. Exposure to diphenyl ditelluride, via maternal milk, causes oxidative stress in cerebral cortex, hippocampus and striatum of young rats // Arch. Toxicol. 2009. 83. P. 485–491.
  54. Sudina L., Kolesnikov S., Minnikova T., Kazeev K., Sushkova S., Minkina T. Assessment of ecotoxicity of the bismuth by biological indicators of soil condition // Eur. J. Soil Sci. 2021. V. 10. P. 236–242. https://doi.org/10.18393/ejss.926759
  55. Tabatabai M.A., Dick W.A. Enzymes in soil: research and developments in measuring activities // Enzymes in the environment: Activity, ecology, and applications. N.Y.: Marcel Dekker, 2002. P. 567–596.
  56. Tighe M., Heidi B., Knaub C., Sisk M., Peaslee F.G., Lieberman M. Risky bismuth: Distinguishing between lead contamination sources in Soil // Chemosphere. 2019. V. 234. Р. 297–301.
  57. Tóth G., Montanarella L., Stolbovoy V., Máté F., Bódis K., Jones A., Panagos P., van Liedekerke M. Soils of the European Union. Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities. 2008. 85 p.
  58. Wiklund J.A., Kirk J.L., Muir D.C.G., Carrier J., Gleason A., Yang F., Evans M., Keating J. Widespread Atmospheric Tellurium Contamination in Industrial and Remote Regions of Canada // Environ. Sci. Technol. 2018. V. 52. P. 6137–6145. https://doi.org/10.1021/acs.est.7b06242
  59. World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. 4th edition published in 2022 by the International Union of Soil Sciences (IUSS), Vienna, 2022, 234 p.
  60. Xing G., Zhu J., Xiong Z. Ag, Ta, Ru, and Ir enrichment in surface soil: Evidence for land pollution of heavy metal from atmospheric deposition // Global Biogeochem Cycles. 2004. V. 18. https://doi.org/10.1029/2003GB002123
  61. Yan C., Huang J., Cao C., Li R., Ma Y., Wang Y. Effects of PVP-coated silver nanoparticles on enzyme activity, bacterial and archaeal community structure and function in a yellow-brown loam soil // Environ. Sci. Poll. Res. 2020. V. 27. P. 8058–8070.
  62. Yang G., Zheng J., Tagami K., Uchida S. Rapid and sensitive determination of tellurium in soil and plant samples by sector-field inductively coupled plasma mass spectrometry // Talanta. 2013. V. 116. P. 181–187.
  63. Yildirim D., Sasmaz A. Phytoremediation of As, Ag, and Pb in contaminated soils using terrestrial plants grown on Gumuskoy mining area (Kutahya Turkey) // J. Geochem. Exploration. 2017. V. 182. P. 228–234. https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2016.11.005

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема и этапы модельного эксперимента.

Скачать (216KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение активности ферментов класса оксидоредуктазы при загрязнении чернозема обыкновенного оксидами и нитратами Ag, Bi, Tl и Te: a – каталаза (в мл О2/(г 1 мин)); b – дегидрогеназы (мг ТФФ/(г 24 ч)); c – пероксидаза (мг 1, 4 бензохинона/(г 30 мин)).

Скачать (486KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изменение активности ферментов класса оксидоредуктазы при загрязнении чернозема обыкновенного оксидами и нитратами Ag, Bi, Tl и Te: a – полифенолоксидаза (мг 1, 4 бензохинона/(г 30 мин)); b – аскорбатоксидаза (мг ДГАК/(г ч)); c – ферриредуктаза (мг Fe2O3/(100 г 48 ч)).

Скачать (496KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменение активности ферментов класса гидролазы при загрязнении чернозема обыкновенного оксидами и нитратами Ag, Bi, Tl и Te: a – инвертаза (мг глюкозы/(г 24 ч)); b – уреаза (мг NH3/(г 24 ч)).

Скачать (420KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изменение активности ферментов класса гидролазы при загрязнении чернозема обыкновенного оксидами и нитратами Ag, Bi, Tl и Te: a – протеаза (мг глицина/(г 24 ч)); b – фосфатаза (мкг п-нитрофенола/(г ч)).

Скачать (351KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изменение интегрального показателя ферментативной активности чернозема обыкновенного при загрязнении оксидами и нитратами Ag, Bi, Tl и Te: a – класс оксидоредуктазы; b – класс гидролазы.

Скачать (393KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024