применение показателей ферментативной активности в целях мониторинга и диагностики почв Юга России[2]
Диагностика и мониторинг почв позволяют оценивать их плодородие и выявлять негативные последствия антропогенного воздействия. В предложенном Л. М. Державиным с соавторами (1999) длинном списке показателей почвенного плодородия нет ни одного биологического (биохимического) показателя, за исключением содержания гумуса, хотя неоднократно говорится о необходимости мониторинга биологических свойств.
Такое положение недопустимо, так как деградационные явления, прежде всего, затрагивают биологические объекты, снижая биологическую активность и, в конечном счете, плодородие почв. Поэтому использование методов биологической диагностики, позволяет определить негативные последствия антропогенного воздействия на ранних стадиях (Казеев и др., 2004).Многолетними исследованиями показана максимальная эффективность диагностики и мониторинга почвенного покрова биохимическими методами, в частности с помощью показателей ферментативной активности почв (Галстян, 1974, 1978, 1982; Хазиев, 1976, 1982, 1990; Звягинцев, 1978; Гончарова, 1991; Абрамян, 1992; Казеев, 1996; Колесников, 1998; Личко, 1998; Даденко, 2001, 2002; Даденко, Казеев, 2003, Казеев и др., 2003). Применению ферментативной активности в качестве диагностического показателя способствует низкая ошибка опытов, простота определения, высокая чувствительность к внешним воздействиям. Доказана ведущая роль показателей ферментативной активности при оценке влияния загрязнения различными продуктами техногенеза (нефтью и нефтепродуктами, тяжелыми металлами, пестицидами и др.) на экологическое состояние почв (Колесников и др., 2000, 2001; Татосян, 2003; Казеев и др., 2004; Денисова, 2004).
В почвенной биохимии важнейшими классами ферментов являются оксидоредуктазы и гидролазы. На сегодняшний день ферменты, относящиеся к этим классам, наиболее изучены. Как показал А. Ш. Галстян (1974), для определения биологической активности разных почв достаточно определение не всего набора ферментов, а только некоторых из них: из оксидаз - каталаза, из карбогид- раз - инвертаза, из амидаз - уреаза.
При оценке влияния антропогенных факторов различной природы на состояние почвенного покрова должен быть определен конкретный набор наиболее информативных показателей ферментативной активности почв.
При выборе метода биоиндикации почв необходимо учитывать следующие критерии: его чувствительность, вариабельность полученных результатов, сложность метода и длительность анализа, возможность его применения на различных почвах, селективность в индикации различных загрязнителей, типов деградации почв. Необходимо знать естественный диапазон вариации этого показателя и его взаимосвязь с другими параметрами почвы (Деградация и охрана почв, 2002).
Ранее (Деградация и охрана почв, 2002; Казеев, 2004) проведена оценка разных показателей биологической активности для целей диагностики и мониторинга. Она показала высокую эффективность ферментативной активности. Нами проведена сравнительная оценка показателей ферментативной активности и содержания гумуса в целях дальнейшего совершенствования их применения в диагностике и мониторинге почв. Приведенная оценка дает общее представление о биохимических методах биодиагностики с учетом некоторых категорий показателей (чувствительность, точность и сложность анализа). Оценка проведена на основании собственных и литературных данных (Колесников и др., 2000, 2001; Безуглова, 2001; Тищенко, 2004; Денисова, 2003, 2004; Казеев, 2004). При этом объектами исследований являлись основные типы почв Юга России (чернозем обыкновенный, чернозем южный, каштановая почва, солонец луговой, солончак гидро- морфный, рендзины и др.).
Показатели активности каталазы, инвертазы и дегидрогеназы, а также содержания гумуса оценивались по десятибалльной системе. Чем выше балл, тем больше метод пригоден для диагностики и мониторинга почв.
Оценивали активность каталазы и инвертазы, как наиболее изученные и чаще всего применяемые в экологических исследованиях представителей своих классов. Кроме того, определяли активность дегидрогеназы - окислительно-восстановительного фермента, действующего в анаэробных условиях.
Показатель содержания гумуса выбран как важнейший показатель почвенного плодородия.Чувствительность определялась на основании экспериментальных данных, и отражает процентное изменение показателя (по сравнению с контролем) при том или ином воздействии. Точность оценивалась на основании полученных в ходе статистической обработки данных ошибке определения и коэффициента вариации в соответствии с табл. 4.40. В понятии «сложность анализа» учтены количество операций, необходимые реактивы, посуда и оборудование, возможное количество анализов в сутки, а также квалификация исследователя (табл. 4.41).
Таблица 4.40
оценка точности определения показателей ферментативной активности
и содержания гумуса
| Коэффициент вариации CV, % | Ошибка определения, % | Балл |
| 0-5 | 0-5 | 10 |
| 6-10 | 6-10 | 9 |
| 11-20 | 11-15 | 8 |
| 21-30 | 16-20 | 7 |
| 31-40 | 21-25 | 6 |
| 41-50 | 26-30 | 5 |
| 51-60 | 31-35 | 4 |
| 61-70 | 36-40 | 3 |
| 71-80 | 41-49 | 2 |
| 280 | 250 | 1 |
Таблица 4.41
оценка сложности определения показателей ферментативной активности
и содержания гумуса
| Количество анализов в сутки | Количество операций | Балл |
| 100 | 1-3 | 10 |
| 90 | 4-5 | 9 |
| 80 | 6-7 | 8 |
| 70 | 8 | 7 |
| 60 | 9 | 6 |
| 50 | 10 | 5 |
| 40 | 11 | 4 |
| 30 | 12 | 3 |
| 20 | 13 | 2 |
| 10 | >14 | 1 |
Наивысший балл среди изучаемых методов (9,2 из 10 возможных) получила активность каталазы (табл.
4.42). Такая высокая оценка связана с высокой чувствительностью и информативностью данного метода, доступностью и высокой точностью (табл. 4.43-4.46). Помимо этого, каталаза является маловарьирующим показателем и метод ее определения прост в применении и очень производителен (табл. 4.47). Данный фермент чувствителен, и на воздействие большинства изучаемых факторов, кроме сельскохозяйственного использования, он реагировал в сторону снижения активности.Таблица 4.42
оценка показателей ферментативной активности и содержания гумуса для диагностики почв
| Ферменты | Вид антропогенного воздействия | Чувствительность* | Сложность анализа** | Точность определения** | Средний балл по воздействию | Средний балл по методу |
| каталаза | Сельскохозяйственное использование | 3 | 10 | 10 | 7,6 | 9,2 |
| Загрязнение нефтью и нефтепродуктами1 | 9 | 10 | 9 | 9,7 | ||
| Загрязнение тяжелыми металлами2 | 8 | 10 | 8 | 8,6 | ||
| СВЧ-излучение3 | 9 | 10 | 10 | 9,7 | ||
| Ионизирующее излучение 3 | 9 | 10 | 10 | 9,7 | ||
| Гидроморфизм4 | 10 | 10 | 9 | 9,7 | ||
| инвертаза | Сельскохозяйственное использование | 10 | 6 | 9 | 8,3 | 6,8 |
| Загрязнение нефтью и нефтепродуктами | 3 | 6 | 6 | 5,0 | ||
| Загрязнение тяжелыми металлами | 8 | 6 | 6 | 6,7 | ||
| СВЧ-излучение | 9 | 6 | 6 | 7,0 | ||
| Ионизирующее излучение | 9 | 6 | 7 | 7,3 | ||
| Гидроморфизм | 8 | 6 | 6 | 6,7 | ||
| дегидроге-наза | Сельскохозяйственное использование | 10 | 7 | 9 | 8,6 | 7,6 |
| Загрязнение нефтью и нефтепродуктами | 2 | 7 | 8 | 5,7 | ||
| Ионизирующее излучение | 10 | 7 | 9 | 8,6 | ||
| Гидроморфизм | 8 | 7 | 7 | 7,3 |
Окончание табл.
4.42| Ферменты | Вид антропогенного воздействия | Чувствительность* | Сложность анализа** | Точность определения** | Средний балл по воздействию | Средний балл по методу |
| гумус | Сельскохозяйственное использование | 10 | 8 | 10 | 9,3 | 6,9 |
| Загрязнение нефтью и нефтепродуктами | 2 | 8 | 7 | 5,7 | ||
| Загрязнение тяжелыми металлами | 2 | 8 | 10 | 6,7 | ||
| Ионизирующее излучение | 1 | 8 | 10 | 6,3 | ||
| Гидроморфизм | 5 | 8 | 6 | 6,3 |
1 Татосян М. Л. (2003), Казеев К. Ш. с соавт., (2004);
2 Колесников С. И. с соавт. (2000, 2001);
3 Денисова Т. В. (2003, 2004);
4 Безуглова О. С. (2001); Тищенко С. А. (2004), Казеев К. Ш. с соавт. (2004); Стрелкова В. И., Казеев К. Ш., (2004).
* Прямая зависимость балла оценки от величины показателя.
* Обратная зависимость балла оценки от величины показателя.
Таблица 4.43
оценка сложности определения показателей ферментативной активности и содержания гумуса
| Показатель | Количество анализов в сутки | Реактивы посуда оборудование | Квалификация исследователя | Количество операций | Средний балл | ||
| балл | балл | ||||||
| Активность каталазы | (100) | 10 | 10 | 10 | (2) | 10 | 10 |
| Активность инвертазы | (40) | 4 | 7 | 9 | (10) | 5 | 6 |
| Активность дегидрогеназы | (40) | 4 | 7 | 9 | (6) | 8 | 7 |
| Содержание гумуса | (50) | 5 | 8 | 9 | (5) | 9 | 8 |
Таблица 4.44
оценка сложности анализа, в связи с используемыми реактивами, посудой и оборудованием
| Показатель | Стоимость реактивов на 100 анализов, руб. | Посуда на 100 образцов, шт | Оборудование для анализа | Балл* |
| Активность каталазы | 15 | Сдвоенная колба - 3 Пипетка 5 мл - 1 | Бюретки - 2 шт. | 10 |
| Активность инвертазы | 30 | Колба 100мл - 200 Пробирки - 100 Воронки - 20 Мерный цилиндр 25мл - 1 Пипетка 5 мл - 1 Пипетка 10 мл - 1 | Термостат Печка Центрифуга ФЭК | 7 |
| Активность дегидрогеназы | 350 | Колба 100мл - 100 Пробирки - 100 Воронки - 20 Пипетка 1 мл - 1 | Термостат Вакуумный эксикатор ФЭК | 7 |
| Содержание гумуса | 150 | Колба 200мл - 200 Мерный цилиндр 25мл - 1 | Термостат ФЭК | 8 |
* Обратная зависимость балла от величины показателя
Активность инвертазы в среднем набрала лишь 6,8 балла. Инвертаза является достаточно чувствительным ферментом, и активность ее значительно изменяется под влиянием большинства негативных антропогенных факторов (кроме загрязнения нефтью и нефтепродуктами) (см.
табл. 4.42). Но применение этого показателя затруднено из-за его значительного варьирования (см. табл. 4.44, 4.45), что делает необходимым соблюдать большую повторность. Кроме этого, метод определения инвертазы достаточно трудоемок (10 разных операций) и требует большого количества лабораторной посуды и оборудования (см. табл. 4.43, 4.44).Таблица 4.45
Коэффициент вариации CV (его среднее значение) при определении ферментативной активности и содержания гумуса
| Вид воздействия | Активность каталазы | Активность инвертазы | Активность дегидрогеназы | Содержаниие гумуса | ||||
| значение, в % | балл | значение, в % | Балл | значение, в % | балл | значение, в % | балл | |
| Сельскохозяйственное использование | 5,1 | 10 | 9,0 | 9 | 8,1 | 9 | 4,0 | 10 |
| Загрязнение нефтью и нефтепродуктами | 9,8 | 9 | 37,3 | 6 | 15,0 | 8. | 22,8 | 7 |
Окончание табл. 4.45
| Вид воздействия | Активность каталазы | Активность инвертазы | Активность дегидрогеназы | Содержаниие гумуса | ||||
| значение, в % | балл | значение, в % | балл | значение, в % | балл | значение, в % | балл | |
| Загрязнение тяжелыми металлами | 11,5 | 8 | 32,9 | 6 | Не опр. | Не опр. | 5,1 | 10 |
| СВЧ-излучение | 4,2 | 10 | 37,9 | 6 | Не опр. | Не опр. | Не опр. | Не опр. |
| Ионизирующее излучение | 4,5 | 10 | 17,0 | 8 | 10,3 | 9 | 4,4 | 10 |
| Гидроморфизм | 9,4 | 9 | 31,2 | 6 | 30,3 | 7 | 32,8 | 6 |
| Средний балл по методу | 9 | 7 | 8 | 8 | ||||
Таблица 4.46
ошибка определения (ее среднее значение) при определении ферментативной активности и содержания гумуса, в % от среднего
| Вид воздействия | Активность каталазы | Активность инвертазы | Активность дегидрогеназы | Содержаниие гумуса | ||||
| значение, в % | балл | значение, в % | балл | значение, в % | балл | значение, в % | балл | |
| Сельскохозяйственное использование | 3,1 | 10 | 3,4 | 10 | 5,1 | 10 | 2,9 | 10 |
| Загрязнение нефтью и нефтепродуктами | 6,5 | 9 | 21,8 | 6 | 10,8 | .8 | 16,8 | 7 |
| Загрязнение тяжелыми металлами | 8,1 | 9 | 22,9 | 6 | Не опр. | Не опр. | 2,9 | 10 |
| СВЧ-излучение | 1,2 | 10 | 16,8 | 7 | Не опр. | Не опр. | Не опр. | Не опр. |
| Ионизирующее излучение | 5,4 | 9 | 6,4 | 9 | 5,7 | 9 | 1,3 | 10 |
| Гидроморфизм | 6,3 | 9 | 13,4 | 8 | 16,7 | 7 | 23,7 | 6 |
| Средний балл по методу | 9 | 7 | 8 | 8 | ||||
Активность дегидрогеназы отличается от инвертазной меньшим варьированием. Этот показатель чувствителен и приемлем для диагностики воздействия на почву сельскохозяйственного использования, гамма-излучения, а также переувлажнения (см. табл. 4.42).
Но средний балл для активности дегидрогеназы 7,6. Причиной занижения балла является меньшая доступность этого метода. Метод определения дегидрогеназы достаточно сложен, требует затрат на реактивы и значительного количества посуды и оборудования (см. табл. 4.43, 4.44). К сожалению, в литературе недостаточно данных по этому ферменту и затруднительно оценить значение его для диагностики других воздействий.
Для сравнения применимости ферментативной активности в диагностике и мониторинге оценили показатель содержания гумуса. Показатель содержания гумуса имеет ряд преимуществ: варьирует незначительно (см. табл. 4.45, 4.46), прост в применении, его использование не требует сложного оборудования и реактивов. Однако для оперативной диагностики он малопригоден в силу своей большой консервативности. Его применение очень эффективно при оценке последствий сельскохозяйственного использования (9,3 балла).
В табл. 4.47 приведена интегрированная оценка эффективности применения ФА для диагностики разных антропогенных воздействий. Если рассматривать отдельно каждый вид воздействия, то наиболее информативными при оценке последствий влияния сельскохозяйственного использования на биологическую активность почв являются содержание гумуса, дегидрогеназа и инвертаза. Для диагностики загрязнений различной природы и переувлажнения более пригодна активность каталазы.
Если оценивать применимость в целом методов ферментативной активности для диагностических целей, то наивысший балл и, следовательно, большую эффективность эти методы имеют при диагностике сельскохозяйственного использования (8,2 балла), СВЧ и ионизирующего излучений (8,5).
Таким образом, ферментативную активность почв можно применять для биологической диагностики и мониторинга почвенного покрова. Применение активности ферментов наиболее эффективно при диагностике сельскохозяйственного использования, воздействия СВЧ и ионизирующего излучений. Показатели ферментативной активности в разной степени пригодны для диагностики деградационных процессов различного происхождения. Для оценки последствий влияния сельскохозяйственного использования на биологическую активность почв наиболее информативными являются активность дегидрогеназы и инвертазы. Для диагностики загрязнений различной природы и переувлажнения более пригодна активность каталазы.
Таблица 4.47
оценка показателей ферментативной активности и содержания гумуса для диагностики различных воздействий
| Вид воздействия | Показатель | Чувствительность | Сложность анализа | Точность определения | Средний балл по воздействию | Средний балл по ферментативной активности |
| Сельскохозяйственное использование | каталаза | 3 | 10 | 10 | 7,6 | 8,2 |
| инвертаза | 10 | 6 | 9 | 8,3 | ||
| дегидрогеназа | 10 | 7 | 9 | 8,6 | ||
| гумус | 10 | 8 | 10 | 9,3 | ||
| Загрязнение нефтью и нефтепродуктами1 | каталаза | 9 | 10 | 9 | 9,7 | 6,8 |
| инвертаза | 3 | 6 | 6 | 5,0 | ||
| дегидрогеназа | 2 | 7 | 8 | 5,7 | ||
| гумус | 2 | 8 | 7 | 5,7 | ||
| Загрязнение тяжелыми металлами2 | каталаза | 8 | 10 | 8 | 8,6 | 7,7 |
| инвертаза | 8 | 6 | 6 | 6,7 | ||
| гумус | 2 | 8 | 10 | 6,7 | ||
| СВЧ-излучение3 | каталаза | 9 | 10 | 10 | 9,7 | 8,5 |
| инвертаза | 9 | 6 | 6 | 7,0 | ||
| Ионизирующее излучение3 | каталаза | 9 | 10 | 10 | 9,7 | 8,5 |
| инвертаза | 9 | 6 | 7 | 7,3 | ||
| дегидрогеназа | 10 | 7 | 9 | 8,6 | ||
| гумус | 1 | 8 | 10 | 6,3 | ||
| Гидроморфизм4 | каталаза | 10 | 10 | 9 | 9,7 | 7,9 |
| инвертаза | 8 | 6 | 6 | 6,7 | ||
| дегидрогеназа | 8 | 7 | 7 | 7,3 | ||
| гумус | 5 | 8 | 6 | 6,3 |
1 Татосян М. Л. (2003), Казеев К. Ш. с соавт., (2004);
2 Колесников С. И. с соавт. (2000, 2001);
3 Денисова Т. В. ( 2003, 2004);
4 Безуглова О. С. (2001); Тищенко С. А. (2004), Казеев К. Ш. с соавт. (2004); Стрелкова В. И., Казеев К. Ш., (2004).
5.