Влияние различных концентраций свинца на активность окислительно-восстановительных ферментов урбанизированной почвы - Влияние свинца и кадмия на активность окислительно-восстановительных ферментов урбанозема и фитоэкстракция тяжелых металлов

Окислительно-восстановительные ферменты участвуют в разложении токсических соединений H2O2 (каталаза), формировании почвенного плодородия (пероксидаза, полифенолоксидаза). Эти ферменты реагируют на воздействие неблагоприятных факторов среды, в частности, на воздействие ТМ, обладающих сильными окислительно-восстановительными свойствами (Минеев, и др., 2001).

Фермент - каталаза относится к гемопротеидам, в активном центре которого находится двухвалентное железо.

Основная роль каталазы заключается в расщеплении образующейся в процессе биологического окисления перекиси водорода на воду и молекулярный кислород

(2>+).

Характерная особенность фермента по отношению к субстрату, т. е. к восстановителю незначительна, следовательно, он может катализировать не только расщепление перекиси водорода, а также способствует окислению низкомолекулярных спиртов и нитритов. Фермент - каталаза широко распространен в растениях (пероксисомах, митохондриях), в клетках животных и в почвенной биоте (Минеев и др., 2001; Хазиев, 2004; Федотов и др., 2005).

Замечено, что активность каталазы вниз по профилю мало изменяется, она обратно пропорциональна влажности почвы и прямо пропорциональна температуре. Характерная особенность фермента по отношению к субстрату, т. е. к восстановителю незначительна, следовательно, он может катализировать не только расщепление перекиси водорода, а также способствует окислению низкомолекулярных спиртов и нитритов (Гарифзянов и др., 2011, Хазиев, 2005).

Изучение активности фермента каталазы в образцах урбанизированной почвы, загрязненной различными концентрациями Pb, выявлено ее снижение в течение всего эксперимента при всех дозах загрязнения. Как видно из рис. 3 снижение каталазы обратно пропорционально росту концентрации Pb в почве.

активность каталазы в урбанизированной почве, загрязненной различными концентрациями свинца

Рис. 3 Активность каталазы в урбанизированной почве, загрязненной различными концентрациями свинца

Достоверное снижение интенсивности разложения каталазы наблюдается через 3, 90 суток при концентрации 20 мг/кг почвы. Однако, в более поздние сроки через 180 и 360 токсичность загрязнителя проявляется при 10 мг/кг почвы. Процент снижения фермента относительно контроля при всех дозах токсиканта составляет: через 3 суток от 3 до 17%, через 90 0-22%, в 180 сутки 6-28% и 7-33% через 360 суток (рис. 3.1).

Снижение интенсивности процессов разложения перекиси может быть связано с токсическим действием Pb на микроорганизмы, которые являются основным источником поступления ферментов в почву, что может явиться косвенным свидетельством того, что через полгода концентрация Pb 10 мг/кг почвы достаточна для инактивации каталазы, находящейся в почве в свободном состоянии (Минеев и др., 2001; Тазетдинова и др., 2009).

Следовательно, снижение разложения перекиси водорода ведет к повышению токсического состояния структуры почвы, в результате чего нарушается направленность протекания метаболических процессов, изменяется весь цикл жизнедеятельности микроорганизмов.

процент снижения активности каталазы в урбаназеме, загрязненном различными концентрациями свинца относительно контроля

Рис. 3.1. Процент снижения активности каталазы в урбаназеме, загрязненном различными концентрациями свинца относительно контроля

Пероксидаза при помощи перекиси водорода и органических перекисей ускоряет окисление органических химических соединений, которые образуются из ненасыщенных жирных кислот, каротиноидов (Шашурин, 2012). Фермент способствует переносу кислорода от молекулы субстрата к перекиси.

Субстратами пероксидазы являются многие соединения - фенолы, нитриты, ароматические кислоты, анилин, толуидин, аскорбиновая кислота и другие соединения (Плешакова и др., 2010).

При этом задача фермента заключается в активировании перекисей, т. к. они проявляют слабое окисляющее действие на фенолы. В дальнейшем цикле может протекать процесс конденсации хинонов с пептидами и аминокислотами, из которых образуется первичная молекула гуминовой кислоты, что в свою очередь способна усложняться за счет повторных конденсаций. Выше перечисленные реакции играют важную роль в процессе образования гумуса (Хазиев, 2005).

Активность пероксидазы в отличие от каталазы в лабораторных условиях в этих же образцах показывает, что Pb не снижает активность в течение всего эксперимента (рис. 4). С ростом концентрации токсиканта активность фермента увеличивается прямо пропорционально концентрации загрязнителя.

Активность пероксидазы достоверно превышает контрольные значения в незагрязненной почве через 3 и 90 суток с концентрации 20, 40 и 60 мг/кг почвы, через 180 токсичность металла повышается и начинает проявляться с более низкой концентрации 10 мг/кг почвы, а через 360 суток с 5 мг Pb /кг почвы.

активность пероксидазы в урбанизированной почве, загрязненной различными концентрациями свинца

Рис. 4. Активность пероксидазы в урбанизированной почве, загрязненной различными концентрациями свинца

Из рис. 4.1 видим, что в годовой динамике процент повышения активности пероксидазы относительно контроля при всех используемых дозах загрязнителя составляет: через 3 суток 6-22%, через 90 2-20%, через 180 9-26% и 11-41% через 360 суток. Повышение активности возможно связано с повышением подвижности ТМ. Известно, что в кислых условиях среды подвижность ТМ возрастает (Зырин, 1985; Сердюкова, Зырин, 1985).

процент повышения активности пероксидазы в урбаназеме, загрязненном различными концентрациями свинца относительно контроля

Рис. 4.1. Процент повышения активности пероксидазы в урбаназеме, загрязненном различными концентрациями свинца относительно контроля

Можно предположить, что повышение активности пероксидазы в начальные сроки обусловлено тем, что перекись водорода, которая не разложилась при ингибировании фермента каталазы, является не только субстратом для каталазы, но и одним из компонентов реакции пероксидазы.

Повышение активности фермента стимулировало окисление органических веществ в загрязненной Pb почве (Плешакова и др., 2010; Новоселова и др., 2014).

Полифенолоксидаза - медьсодержащий фермент. Он, как и пероксидаза ускоряет процессы оксисления молекулярного кислорода.

Фермент катализирует не только разнообразные реакции полифенолов, но и монофенолов (в частности, тирозина), о-дифенолов с образованием соответствующих хинонов и распадом его в более низкомолекулярные соединения.

Полифенолоксидаза занимает ведущее место в образовании гумуса, который является буфером и накопителем токсичных элементов. Уровень активности фермента, служит показателем ускорения процессов минерализации гумуса (Хазиев, 2005; Нечаева и др., 2015).

При исследовании активности полифенолоксидазы не выявлено достоверных изменений через 3 суток с начала эксперимента (рис. 5), отмечается лишь тенденция к росту по сравнению с контролем.

активность полифенолоксидазы в урбанизированной почве, загрязненной различными концентрациями свинца

Рис. 5. Активность полифенолоксидазы в урбанизированной почве, загрязненной различными концентрациями свинца

Начиная с 90 суток образование гумусовых веществ замедляется. Снижение активности полифенолоксидазы: через 90 и 180 суток достоверно начиная с концентрации Pb 20 мг/кг почвы, а на 360 сутки начиная с 5мг/кг почвы по сравнению с контролем, что свидетельствует об усилении токсичности свинца.

Понижение активности в процентном соотношении демонстрирует рис. 5.2, из которого видно, что через 90 суток составил от 8 до 19%, в 180 сутки 3-15%, через 360 суток - 11-25%.

Как видно из рис. 5, Pb оказывает негативное влияние на процессы гумусообразования в почве в более поздние сроки, ввиду блокировки активного центра фермента и вытеснения из него меди (Нечаева и др., 2015).

процент повышения активности полифенолоксидазы в урбаназеме, загрязненном различными концентрациями свинца относительно контроля

Рис. 5.1. Процент повышения активности полифенолоксидазы в урбаназеме, загрязненном различными концентрациями свинца относительно контроля

процент снижения активности полифенолоксидазы в урбаназеме, загрязненном различными концентрациями свинца относительно контроля

Рис. 5.2. Процент снижения активности полифенолоксидазы в урбаназеме, загрязненном различными концентрациями свинца относительно контроля

В свою очередь, снижение синтеза гумуса ведет к нарушению процесса превращения органических соединений ароматического ряда. Это приводит к снижению плодородия почв, подвергшихся загрязнению Pb (Хазиев, 2004).

Таким образом, нами установлено ингибирующее влияние различных концентраций Pb на активность каталазы и полифенолоксидазы.

Низкие концентрации свинца (5мг/кг почвы) в ранние сроки не всегда проявляют свою токсичность, она устанавливается в более поздние сроки.

В урбанизированной почве Pb нарушает процессы разложения перекиси водорода и негативно влияет на процессы гумусообразования, снижая активность полифенолоксидазы и повышая пероксидазную, тем самым, ухудшая плодородие почвы.

Похожие статьи




Влияние различных концентраций свинца на активность окислительно-восстановительных ферментов урбанизированной почвы - Влияние свинца и кадмия на активность окислительно-восстановительных ферментов урбанозема и фитоэкстракция тяжелых металлов

Предыдущая | Следующая