Регистрация / Вход
Прислать материал

Влияние фосфогипса на ферментативную активность дерново-подзолистых почв в модельном эксперименте

Сведения об участнике
ФИО
Дунаева Ольга Юрьевна
ФИО (на английском языке)
Dunaeva Olga
Название организации
МГУ им. М.В. Ломоносова
Информация о докладе
Вид доклада
Постерный доклад
Секция
Биоиндикация и химический анализ в экологическом мониторинге
Название доклада
Влияние фосфогипса на ферментативную активность дерново-подзолистых почв в модельном эксперименте
Соавторы доклада (ФИО, организация, город, страна)
Пукальчик М.А., факультет почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия; Каниськин М.А., факультет почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия
Аннотация
Проведена оценка влияния различных доз фосфогипса (0, 1, 3, 7.5, 14.5, 25 и 40%) на ферментативный комплекс дерново-подзолистых почв в лабораторном эксперименте. На основании результатов оценки активности уреазы, ФДА и фосфатазы через 7 и 28 суток с момента внесения фосфогипса установлено, что 3,25% ФГ в почвах не приводит к нарушению равновесия ( по активности уреазы). Показано, что по степени чувствительности к действию фосфогипса исследованные ферменты можно расположить в следующий ряд: уреаза>кислотная фосфатаза = ФДА.
Ключевые слова
нормирование, оценка почв, ферменты, растения, загрязнение
Введение

Фосфогипс (ФГ) – крупнотоннажный техногенный побочный продукт производства экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК), получаемой при разложении фосфоритных и апатитовых руд смесью серной и фосфорной кислот. По составу он более чем на 90% состоит из гипса, в связи с чем может быть использован для производства гипсосодержащей продукции (например строительных материалов). Для переработки фосфогипса в гипсосодержащую продукцию разработаны в законоустановленном порядке ряд технологических решений, но существующие востребованные объемы продукции из фосфогипса не обеспечивают возможности переработки всего образующегося объема даже наполовину. Поэтому основные количества образующегося фосфогипса подлежат размещению. На территории Российской Федерации крупнейшие объекты размещения ФГ расположены в европейской части вблизи крупных городов: на территории Московской области (г. Воскресенск), Саратовской области (Балаково), в Республике Башкирия (г. Мелеуз), Краснодарский край (Белореченск) и др. Исследования, проводимые различными коллективами ученых по изучению воздействия этих объектов размещения отходов показывают, что токсичные компоненты фосфогипса способны оказывать негативное действие на химические и биологические показатели почв (Воронин и др. 2006; Yakovlev et al. 2013; Плеханова, Аймалетдинов, 2014​). ​Однако влияние ФГ на дерново-подзолистые почвы, занимающие более 15% территории России, изучено явно недостаточно. 

Целью работы являлось изучение влияния фосфогипса на ферментативную активность дерново-подзолистой почвы в модельном эксперименте. 

Методы и материалы

В эксперименте использовали фоновые дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы, отобранные летом 2016 года в Воскресенском р-не Московской области. Почву отбирали методом «конверта» с участка 10х10 м с глубины 0-20 см, квартовали, усредненный образец доводили до воздушно-сухого состояния, отбирали корни растений, и просеивали через сито 1 мм. Фосфогипс, используемый в экспериментах, представлял собой продукт переработки фосфатного апатитового сырья (хибинского апатита Кировского месторождения). Исследовали вариантов внесения ФГ – 0 (контроль), 1.0, 3.0, 7.5, 14.5, 25.0, 40.0 % от массы почвы, что соответствовало 0, 26, 78, 195, 650 и 1040 т/га. Навески почвы массой 0,2 кг помещали в вегетационные сосуды, вносили навески ФГ, тщательно перемешивали шпателем и увлажняли так, чтобы итоговая влажность субстратов составляла 60 % от ППВ. Контроль влажности  опытных емкостей осуществляли весовым методом, потеря веса за счет испарения воды в каждом сосуде не должна была превышать 5%. Повторность каждого опыта – трёхкратная. Полученные смеси инкубировали при температуре 22 ± 2ºС в течение 28 суток. На 7-, и 28-е сутки с момента начала эксперимента серию образцов отбирали для оценки ферментативной активности. 

Активность кислотных фосфомоноэстераз (фосфатазы) определяли по методу Tabatabai, Bremner (1969). 1 г почвы помещали в пробирки, вливали 4 мл универсального буферного раствора MUB (рН 6,5) и 1 мл 5  mM р-ра пара-нитрофенил фосфата натрия. Пробирки закрывали и инкубировали в термостате 2 ч при 37 °C. Образовавшийся в ходе реакции пара-нитрофенол (пНФ) экстрагировали 1 мл  0,5 M CaCl2 и 4 ml 0,5 M NaOH.  Оптическую плотность получившихся окрашенных растворов определяли после фильтрования проб через фильтр «белая лента» при 405 нм. Показания прибора пересчитывали по калибровочной кривой в мкг пНФ * г-1 * ч-1

Определение общей гидролазной активности (ФДА) проводили в соответствии по методике Якушева, Бызовой (2009). Навески почвы по 1 г помещали в пробирки, после чего приливали по 0,1 мл раствора диацетата флюоресцеина в ацетоне (2 г/л) и 10 мл 0,1 М калий-фосфатного буфера (pH=7,6). Длительность инкубации  1 час при 30°С, оптическую плотность растворов определяли после центрифугирования (2000 об., 3 мин) на 490 нм. Показания прибора пересчитывали по калибровочной кривой в μг Флуоресцина * г-1 * ч-1

Определение активности уреазы проводили по методу Kong и др. (2009). К навеске почвы 1г приливали 2 мл калий-фосфатного буферного раствора (рН 6,7), 0,1 мл толуола и 2 мл 10% р-ра мочевины. Длительность инкубации 48 ч при 37°С, после чего в пробирки вносили по 4 мл 1М KCl и 30 минут перемешивали на орбитальном шейкере (180 об/мин). После фильтрования через фильтр «белая лента» 1 мл аликвоты переносили в мерные колбы на 25 мл, в которые вносили дистиллированную воду, 4 мл 1M NaOH, 1 мл 50% водного раствора сегнетовой соли, 0,4 мл р-ва Несслера и доводили объем до метки. Оптическую плотность измеряли на светофильтре с длиной волны 460 нм. Результаты пересчитывали в μg NH3 г-1 24 ч-1 по калибровочной кривой.

Получившиеся значения оптической плотности корректировали с учетом холостых опытов для почвы после стерилизации (150ºС, 3 ч) и с учетом влажности образцов. 

 

Полученные результаты

ФГ не оказывал действие на активность гидролаз, фосфатаз и дегидрогеназ в дерново-подзолистых почвах, между вариантами с внесением и без внесения фосфогипса не отмечено существенных различий в активности этих ферментов (рис. 1 А, Б): варианты с содержанием от 1 до 25% ФГ не отличались от контрольных значений в большинстве вариантов, а в ряде случаев наблюдали стимулирующее влияние. К примеру, в пробах с 1 % и 3% ФГ активность гидролаз,  измеренная на 7 сутки, увеличилась на 42-44%, кислотных фосфатаз на 10-33%, а в пробах содержащих более 15% ФГ активность дегидрогеназ увеличилась более чем на 15%. Одной из возможных причин низкой чувствительности этих ферментов к возрастающим дозам ФГ может являться тяжелый гранулометрический состав почвы,  который мог обеспечить адсорбции ферментов в межплоскостных пространствах глин и защитить от действия ингибирующих факторов (Zhang et al 2015).

Среди измеренных показателей наибольшей чувствительностью к внесению ФГ характеризовался показатель активности почвенных уреаз. Уреаза входит в группу амидаз, вызывающих расщепление связей NH–CO в молекулах органического происхождения. В литературе сообщается, что Zn, Pb и Cd, также как и снижение гидролитической кислотности почв,  ингибируют активность этого фермента (Kim et al., 2008). Экспериментальные данные выявили достоверное ингибирование активности уреазы (p < 0.05) под действием ФГ, относительно контрольных образцов (рис 1 В). Так, при внесении 1% ФГ наблюдали 36% снижение активности уреазы на 7-е сутки, и 33% при внесении 3% ФГ на 28-е сутки эксперимента. В максимальной дозе внесения (40% ФГ) отклонение от контроля составило 59 и 68 % на 7-е и 28-е сутки соответственно. 

 

Рисунок 1. Влияние различных доз фосфогипса на ферментативную активность дерново-подзолистых почв в модельном эксперименте: А – активность общих гидролаз (ФДА); Б – активность кислотных фосфатаз; В – активность уреазы.

В расчетах допустимого содержания ФГ в дерново-подзолистой почве мы ориентировались на самый «чувствительный» показатель при котором наблюдали достоверные изменения относительно контроля – активность уреазы. Результаты расчетов, полученные с использованием регрессионной модели (log-log из пакета программ XLSTAT Ecology, Addinsoft) показали, что при содержании ФГ 3,25% наблюдается достоверное изменение активности уреазы и на 7-е и на 28-е сутки более чем на 20% от контроля (ЕС20).

Заключение

Методами биоиндикации по ферментативному комплексу почв (ферменты, связанные с малыми круговоротами элементов N, P, C) охарактеризована влияние фосфогипса на почвенную биоту. Показано, что по степени чувствительности к действию фосфогипса исследованные ферменты можно расположить в следующий ряд: уреаза>кислотная фосфатаза = ФДА.

Цитируемая литература
1. Воронин А.А., Протасова Н.А., Беспалова Н.С. Динамика ферментативной активности чернозема обыкновенного в условиях полевого стационарного опыта Федерального полигона «Каменная степь» // Вестник ВГУ. 2006. №2. С. 18-25
2. Плеханова И.О., Аймалетдинов Р.А. Влияние отходов производства фосфорных удобрений на экологическое состояние близлежащих территорий. // Проблемы агрохимии и экологии. 2014. №1. С. 50-54.
3. Якушев А.В., Бызова Б.А. Гидролазная активность как показатель состояния микробного сообщества вермикомпоста // Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение. - 2009 -№ 2. - С. 41-46.
4. Kim B., McBride M.B., Hay A.G., 2008. Urease activity in aged copper and zinc-spiked soils: relationship to CaCl2-extractable metals and Cu2+ activity// Environ. Toxicol. Chem. 27, 2469–2475
5. Kong L., Wang Y-B., Zhao L-N., Chen Z-H. Enzyme and root activities in surface-flow constructed wetlands // Chemosphere. - 2009 - Vol. 76. - PP. 601-608. doi:10.1016/j.chemosphere.2009.04.056
6. Tabatabai MA, Bremner JM Use of p-nitrophenylphosphate for assay of soil phosphatase activity // Soil Biol Biochem. - 1969 – Vol. 1. – PP 301-307.
7. Zhang Q., Zhou W., Liang G., Sun J., Wang X., He P. Distribution of soil nutrients, extracellular enzyme activities and microbial communities across particle-size fractions in a long-term fertilizer experiment // Applied Soil Ecology–2015–Vol 94. PP 59-71. doi: 10.1016/j.apsoil.2015.05.005
8. Yakovlev, A. S.; Kaniskin, M. A.; Terekhova, V. A. 2013. Ecological evaluation of artificial soils treated with phosphogypsum // Eurasian soil science 46 (6): 697-703. doi:10.1134/S1064229313060124

Благодарности
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-34-00063
Название, авторы, резюме (на английском языке)

Phosphogypsum (PG) is produced as a solid waste from phosphatic fertilizer plants. The waste slurry is  disposed off in settling ponds or in heaps.This solid waste is now increasingly being used as a calcium supplement in agriculture. This study reports the effect of PG amendment on soil enzymes activity such as urease, hydrolysis of the fluorescein diacetate (FDA)  and phosphatase over an incubation period of 28 days. We conducted a greenhouse pot experiment with sod podzolic soil to assess the influence of PG (0, 3, 7.5, 10, 14, 25 and 40%). The soil treated with PG significant decreased the urease activity (up to 50% in the 40% PG) and had no influence on dehydrogenase and acidic phosphatase activities. Considering the activities of the three soil enzymes in the control and amended sets, it appears that 3.25% PG amendment is optimal for soil enzyme activities.