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.

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.

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

Таблица 4.41

оценка сложности определения показателей ферментативной активности

и содержания гумуса

Наивысший балл среди изучаемых методов (9,2 из 10 воз­можных) получила активность каталазы (табл.

Таблица 4.42

оценка показателей ферментативной активности и содержания гумуса для диагностики почв

Окончание табл.

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

Таблица 4.44

оценка сложности анализа, в связи с используемыми реактивами, посудой и оборудованием

* 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.

Таблица 4.45

Коэффициент вариации CV (его среднее значение) при определении ферментативной активности и содержания гумуса

Окончание табл. 4.45

Таблица 4.46

ошибка определения (ее среднее значение) при определении ферментативной активности и содержания гумуса, в % от среднего

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

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.