Мониторинг нефтезагрязненных земель является ключевым моментом в оценке влияния нефтезагрязнения на почву и в процессе проведения восстановительных работ. Ферментативная активность почвы восприимчива к нарушению экосистем и ассоциируется в качестве индикаторов биогеохимических циклов, деградации органических веществ и процессов восстановления почвы. Таким образом, ферментативная активность может использоваться как показатель качества почвы, наряду с другими химическими и физическими свойствами почвы. В этой статье мы проводим обзор эффективности ферментативной активности почвы для мониторинга процессов восстановления загрязненной почвы и рассматриваем влияние нефтепродуктов в почве на ферментативную активность.
Ключевые слова нефтезагрязнения, ферментативная активность, мониторинг состояния почвы, биоремедиация, биодеградация.
Загрязнение нефтью и нефтепродуктами — одна из самых распространенных проблем для окружающей среды. Выбросы нефти в окружающую среду после разливов нефти привлекли большое внимание во всем мире. В естественных условиях сырая нефть в основном представляет собой сложную смесь углеводородных соединений, обладающих токсичностью для живых организмов. Загрязнение сырой нефтью также приводит к ухудшению структуры почвы, потере содержания органических веществ, потере минеральных питательных веществ в почве.
Следовательно, должны быть найдены подходящие решения для контроля и мониторинга состояния этих загрязнённых почв. Биологическое равновесие в почве зависит от множества факторов, которые можно разделить на химические, физические и биологические. Последняя группа параметров особенно подвержена изменениям, вызванным любыми нарушениями, происходящими в почвенной и водной среде. Измерение микробиологических параметров, таких как дыхание почвы, активность углерода или ферментов в микробной биомассе, дает информацию о наличии и активности жизнеспособных микроорганизмов, а также о степени, типе и продолжительности воздействия углеводородного загрязнения на метаболическую активность почвы. Такие измерения могут служить хорошим показателем воздействия загрязнения на состояние почвы [1].
Известно, что загрязнение почв нефтепродуктами меняет ферментативную активность почвы прямыми и косвенными методами. Прямое — это ингибирование, разрушение и активация ферментов и косвенное — это изменение ферментативной активности почвы в результате ингибирования роста почвенной мезофауны, растений и микроорганизмов в результате возникновения анаэробных условий и влияния на них продуктов окисления углеводородов [2].
Почвенные ферменты в основном происходят от микроорганизмов, а некоторые — от остатков растений или животных. Ферменты накапливаются в почве в виде свободных ферментов или иммобилизуются на поверхностях и / или органических веществах почвы [3]. Большинство ферментов, которые часто используются для оценки воздействия загрязнения нефтепродуктов, можно разделить на две группы: оксидоредуктазы, такие как каталаза и дегидрогеназа, и гидролазы, такие как фосфатаза и уреаза [4].
Показатели ферментаивной активности, так же сильно зависят от типа нефти и её концентрации в почве. Так, высокие концентрации низкокипящих и ненасыщенных соединений, ароматических соединений и кислот оказывают более токсичный эффект на микроорганизмы в почве, но более легкие фракции улетучиваются в атмосферу что снижает токсичность почвы. Низкие концентрации нефти повышают ферментативную активность, а слишком высокое содержание нефти наоборот её подавляет, за счет обволакивания почвы и затруднения попадания субстратов к ферментам [5].
Уреаза, фосфатаза и дегидрогеназа чаще выбираются показательными при мониторинге загрязнения нефтепродуктами. Так, активность ферментов азотного и фосфорного обмена, такие как уреаза и фосфатаза, является важным диагностическим показателем интенсивности процессов мобилизации почвенного азота и фосфора. Биоремедиация увеличивает активность уреазы, причем наиболее значительный эффект наблюдается в условиях биоаугментации, хотя мощное и положительное первоначальное влияние на активность уреазы также оказывает и добавление питательных веществ [4].
Дегидрогеназа и каталаза является наиболее чувствительным к нефтезагрязнению. Каталаза является ферментом, катализирующим реакцию разложения перекиси водорода на воду и молекулярный кислород, он отвечает за процесс самоочищения почвы от накопления вредной для микроорганизмов перекиси водорода. Обычно активность каталазы и дегидрогеназы значительно выше в контрольной почве, чем в загрязненной. Низкая активность дегидрогеназы отражает токсическое воздействие нефтяных углеводородов на процесс дегидрирования. Активность дегидрогеназы увеличивается или подавляется введением нефтяных углеводородов, и известно, что влияние нефтяных углеводородов на деятельность дегидрогеназы и других ферментов варьируется в зависимости от концентрации нефтяных углеводородов и условий окружающей среды [6]. Дегидрогеназа является одним из основных агентов, участвующих в деградации почвенных нефтяных углеводорода, поскольку он участвует в транспортировке электронов и водорода через цепочку промежуточных переносчиков электронов к конечному акцептору электронов (кислороду). Дегидрогеназа является внутриклеточным ферментом, общим для большинства организмов, и считается лучшим индикатором окислительного потенциала почвы [6]
Таким образом, ферментативная активность является перспективным методом мониторинга почв. Активность почвенных ферментов является полезными индикаторными факторами при диагностике степени нарушения функций почвы, вызванных загрязнением, и мониторинга восстановления функций почвы в процессе восстановления почвы. Многие исследования показали, что одновременное измерение активности нескольких ферментов в почве может быть более достоверным, чем измерение одного фермента [4]. Наряду с другими биологическими и химическими свойствами, ферментативная активность может предоставить полезную информацию о реакции почвы на нарушение, вызванное загрязнением, и поддержать оценку того, восстановила ли почва свое здоровое состояние и в какой степени.
Из литературного обзора сделан вывод, что оксидоредуктазы как индикаторы для оценки загрязнения и для мониторинга восстановления загрязненной почвы подходят лучше, чем гидролазы. Так оксидоредуктазы можно использовать в качестве основных ферментов-биоиндикаторов, а гидролазы можно использовать в качестве вспомогательных ферментов, связанных с рециркуляцией углерода, азота и фосфора в почве. Но все ж свойства почв очень неоднородны, и поэтому эти предложения требуют подтверждения в течение длительного периода и на различных загрязненных территориях [7].
Работа выполнена в рамках государственного задания № АААА-А21–121011490054–0.
Литература:
- Kaczyńska, G. Soil Dehydrogenases as an Indicator of Contamination of the Environment with Petroleum Products / Grażyna Kaczyńska, Agata Borowik, Jadwiga Wyszkowska // Water, Air, & Soil Pollution — 2015. — V. 226. — P. 372.
- Новоселова Е. И. Ферментативная активность почв в условиях нефтяного загрязнения и ее биодиагностическое значение / Новоселова Е. И., Киреева Н. А. // Теоритическая и прикладная экология — 2009. — № 2. — C. 4–12.
- Rao, M. A. Enzymes as Useful Tools for Environmental Purposes. / M. A. Rao, R. Scelza, F. Acevedo, M. C. Diez, L. Gianfreda. // Chemosphere — 2014. — V. 107. P. 145–62.
- Lee, Sang-Hwan. Use of Soil Enzymes as Indicators for Contaminated Soil Monitoring and Sustainable Management. / Sang-Hwan Lee, Min-Suk Kim, Jeong-Gyu Kim, Soon-Oh Kim. // Sustainability — 2020. — V. 12. — P. 8209.
- Русанов, А. М. К вопросу диагностики и оценки загрязненных нефтью черноземов. / Русанов Александр Михайлович, Мисетов Иосиф Александрович, Шорина Татьяна Сергеевна // Вестник Томского государственного университета — 2012. — № 364. — С. 219–224.
- Поляк, Ю. М. Почвенные ферменты и загрязнение почв: биодеградация, биоремедиация, биоиндикация / Поляк Ю. М., Сухаревич В. И // Агрохимия — 2020. — № 3. — С. 83–93.
- Yang, J. A Proposal of “Core Enzyme” Bioindicator in Long-Term Pb-Zn Ore Pollution Areas Based on Topsoil Property Analysis. / JinShui Yang, FengLong Yang, Yang Yang, GuanLan Xing, ChunPing Deng, YaTing Shen, LiQiang Luo, BaoZhen Li, HongLi Yuan. // Environmental Pollution — 2016. — V. 213. — P. 760–69.
