Экологические аспекты трансформации ферментного пула почвы при нефтяном загрязнении и рекультивации (стр. 2 )

Рис.1. Влияние различных концентраций ароматических фракций, циклогексана, н-гексадекана на активность уреазы.

Это, очевидно, связано с наличием в их составе соединений фенольной и хиноидной природы (Долгова, 1975; Douglas, Bremner, 1971; Gonzales, Carcedo et al., 1982), что подтверждалось также исследованиями по влиянию фракций ЛГК (легкий газойль коксования), ЭМ II (экстракт второй масляной фракции) и Г (гудрон) на активность уреазы. Наибольшее ингибирующее действие через сутки после загрязнения даже при минимальной концентрации 0,5% оказывала фракция нефти ЛГК, которая содержала в своем составе ароматические углеводороды.

Из пула ферментов, участвующих в обмене азоторганических соединений, нефть значительно угнетала активность аспарагиназы, глутаминазы в серой лесной почве (табл. 1). Это связано, очевидно, с тем, что при нефтяном загрязнении в почве уменьшалось содержание аминокислот, так как в составе связанных и свободных аминокислот азоторганического комплекса почв аспарагин и аспарагиновая кислота составляют их доминирующую часть (Адерихин, Щербаков, 1974). Между двумя этими величинами нами установлена тесная корреляционная связь (r = 0,90-0,92; р≤0,05).

Нитрат-, нитритредуктаза и гидроксиламинредуктаза в анаэробных условиях участвуют в процессах восстановления окисленных форм азота до аммиака. Активность нитрат - и нитритредуктазы под действием нефти в почве снижалась, а гидроксиламинредуктазы повышалась (табл.2). Выявлена тесная связь между активностью этих ферментов (r = 0,99 для нитрат - и r = 0,92 для нитритредуктазы; р≤0,05) и нитрификационной активностью почвы.

Таблица 2

Активность редуктаз азотного обмена в нефтезагрязненной серой лесной почве

Концентрация нефти, л/м2	Нитритредуктаза, мг NO2-	Нитратредуктаза, мг NO3-	Гидроксиламинредуктаза, мг NH2 OH
1 мес.	6 мес.	12 мес.	1 мес.	6 мес.	12 мес.	1 мес.	6 мес.	12 мес.
0	0,87	0,86	0,86	1,25	1,32	1,27	1,85	1,80	1,72
8	0,76	0,75	0,74	1,01	1,00	0,94	2,16	2,44	2,08
16	0,36	0,32	0,28	0,65	0,52	0,57	2,59	2,62	2,81
25	0,12	0,10	0,07	0,28	0,12	0,08	3,18	3,57	3,44
НСР 0,95	0,09	0,07	0,09	0,05	0,07	0,05	0,41	0,63	0,58

Низкая нитрификационная активность нефтезагрязненной почвы и низкое содержание нитратов (Хазиев и др., 1988) свидетельствовало о незначительном содержании специфического субстрата для образования и функционирования этих ферментов в почве. Повышение гидроксиламинредуктазной активности, вероятно, связано с тем, что восстановление нитратов в загрязненных почвах шло по пути ассимиляционной (неспецифической) денитрификации. Косвенным свидетельством этого являлось повышение содержания аммиачного азота в почве. Между активностью гидроксиламинредуктазы и содержанием аммиачных форм азота в загрязненной почве выявлена положительная корреляционная связь (r = 0,76; р≤0,05).

Таким образом, при загрязнении почв нефтью подавлялась активность большинства изученных ферментов, участвующих в обмене азотсодержащих веществ. Характер влияния зависел от типа нефти, загрязнившей почву. Нефтяные углеводороды неоднозначно влияли на их активность.

В главе 5 «Активность карбогидраз в нефтезагрязненных почвах» показан характер изменений активности большой группы ферментов - карбогидраз, участвующих в круговороте углерода и расщепляющих углеводы различной природы и происхождения. В почвах, подвергшихся загрязнению сырой нефтью, ингибировалась активность инвертазы, что обусловлено снижением численности и активности целлюлозоразрушающих микроорганизмов (r = 0,5 в первый год после загрязнения; на второй – 0,79; на третий – 0,76; р≤0,05), соответственно это сопровождалось уменьшением содержания в почве дисахаридов – субстрата инвертазы; структурных фракций 0,25мм, в которых сосредоточена максимальная активность инвертазы (в первый год исследований коэффициент корреляции составил 0,46; на второй год r = 0,60; р≤0,05).

Характер влияния нефтяного загрязнения определялся свойствами загрязняемой почвы, главным образом, ее естественной буферностью. Активность инвертазы темно - серой лесной почвы, загрязненной товарной нефтью, в основном была на уровне контроля или выше на протяжении трех лет наблюдений, а в серой лесной почве - ниже контрольного уровня в течение трех лет (табл.3), и степень ее ингибирования пропорциональна концентрации загрязнителя.

Таблица 3

Изменения инвертазной активности (мг глюкозы) темно-серой среднесуглинистой и серой лесной тяжелосуглинистой почв при загрязнении различными дозами товарной нефти (Апах 0-20см)

Концентрация нефти, л/м2	Темно-серая почва	Серая лесная почва
1	2	3	4	2	3	4	5
0	42,6	44,7	36,5	34,0	15,7	13,9	17,2	17,2
8	43,3	48,4	34,8	31,9	9,9	12,4	12,2	23,3
16	41,3	48,1	35,5	33,5	9,1	11,1	13,2	26,1
25	39,6	40,7	31,7	35,2	9,0	10,6	9,2	28,6
НСР 0,95	2,3	3,5	1,5	2,7	0,9	1,3	2,4	1,7

Примечание: 1 - через 3 суток после загрязнения, 2 - через год, 3 – через 2 года, 4 – через 3 года, 5 – через 10 лет.

По истечении времени нивелировались различия в активности инвертазы между вариантами с различными дозами загрязнения. Через 10 лет ее активность в загрязненной серой лесной почве была выше, чем в контроле (табл.3) и она увеличивалась пропорционально степени загрязнения. Стимуляторами ее активности могли быть продукты метаболизма нефти или остаточные компоненты растений.

Нефтяные углеводороды оказывали как ингибирующее, так и стимулирующее действие на активность этого фермента. Н-парафиновые и циклопарафиновые углеводороды повышали, ароматические фракции ингибировали процессы гидролиза сахаров (рис.2). Снижение активности инвертазы ароматическими углеводородами, вероятно, связано с низкой численностью целлюлозоразрушающих микроорганизмов (r = 0,97; р≤0,05). Наличие полициклических ароматических углеводородов в легкой фракции нефти (ЛГК) делало ее токсичной для инвертазы даже при минимальном уровне загрязнения - 0,5%. Данный эффект сохранялся и через три месяца инкубации.

Снижение активности ферментов целлюлазы, амилазы, ксиланазы при загрязнении серой лесной почвы нефтью наблюдалось в полевых (табл.4) и лабораторных опытах. В качестве иллюстрации приведены данные по активность целлюлазы, так как характер влияния нефти на активность этих ферментов одинаков.

Таблица 4

Влияние товарной нефти на целлюлазную активность серой лесной почвы (Апах, 0-20см)

Концентрация нефти, л/м2	Целлюлаза, мг глюкозы
3 сут	1 мес.	6 мес.	12 мес.
0	0,53	0,52	0,53	0,52
8	0,48	0,41	0,38	0,30
16	0,37	0,23	0,21	0,12
25	0,26	0,12	0,10	0,07
НСР 0,95	0,09	0,1	0,1	0,07

Ингибирующее действие нефти на активность ферментов прямо пропорционально концентрации внесенного в почву полютанта. Снижение активности ксиланазы с увеличением концентрации нефти связано в первую очередь с уменьшением поступления в почву ксиланов вместе с растительным опадом. В темно-серой лесной почве наблюдалась аналогичная закономерность. Снижение целлюлазной, амилазной активности при загрязнении коррелировало с численностью в них целлюлозоразрушающих микроорганизмов (r = 0,78-0,85; р≤0,05), являющихся специфическими продуцентами целлюлаз.

Н-парафины и циклопарафины стимулировали активность инвертазы, целлюлазы, амилазы, ксиланазы прямо пропорционально их концентрации (0,5-2%) в течение всего лабораторного опыта. Ароматические фракции ингибировали активность этих ферментов, причем их ингибирующее действие с увеличением концентрации возрастало (рис.2).

инвертаза, мг глюкозы амилаза, мг мальтозы

целлюлаза, мг глюкозы ксиланаза, мг ксилозы

Рис. 2. Влияние нефтяных углеводородов (2%) на активность инвертазы, целлюлазы, амилазы, ксиланазы в серой лесной почве через 3 мес.: 1 - кон­троль; 2 - н-парафины; 3 - циклопарафины; 4 - ароматические углеводороды.

Одними из конечных продуктов метаболизма нефти в почве являются кислородсодержащие соединения: спирты, кислоты, альдегиды и др. (Пиковский, 1993). В наибольшей степени инактивирующей способностью на пул ферментов, участвующих в углеводном обмене, обладала салициловая кислота (табл.5). Очевидно, при длительном загрязнении может происходить инактивация ферментного комплекса продуктами окисления или сополимеризации нефти в почве.

Таблица 5

Влияние некоторых продуктов окисления углеводородов (2%) на активность гидролаз, участвующих в круговороте углерода серой лесной почвы

Вариант	Инвертаза, мг глюкозы	Амилаза, мг мальтозы	Целлюлаза, мг глюкозы	Ксиланаза, мг ксилозы
Гексадециловый спирт Пальмитиновая кислота Бензойная кислота Салициловая кислота	16,6 ± 0,9 12,4 ± 0,06 8,3 ± 0,04 1,4 ± 0,07	0,38 ± 0,02 0,24 ± 0,01 0,18 ± 0,01 0,12 ± 0,01	0,41 ± 0,02 0,28 ± 0,01 0,10 ± 0,01 0,06 ± 0,01	0,31± 0,02 0,22 ± 0,01 0,12 ± 0,01 0,08 ± 0,01

Таким образом, загрязнение почвы нефтью снижало активность карбогидраз. Характер этих изменений зависел от состава нефти, ее химических и физических свойств, от естественной буферности почв.