Изменение активности оксидоредуктаз в процессе ремедиации почв, загрязненных опасными ксенобиотиками

Федеральное агентство  по образованию

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО

 

Кафедра биохимии

и биофизики

 

 

ИЗМЕНЕНИЕ  АКТИВНОСТИ ОКСИДОРЕДУКТАЗ В ПРОЦЕССЕ РЕМЕДИАЦИИ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ОПАСНЫМИ КСЕНОБИОТИКАМИ

Курсовая работа

 

Студента 4 курса биологического факультета

Маркина Ильи Юрьевича

 

 

 

Научный руководитель:

кандидат биологических наук, доцент___________________Е.В. Плешакова

 

Заведующий кафедрой:

Доктор биологических  наук, профессор__________________С.А. Коннова

 

 

Саратов 2011

 

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ……………………………….3

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….4

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………

1.1. Экотоксикологическая характеристика основных загрязнителей почвы     …………………………………………………………………….

   1.1.1Тяжёлые металлы Биотестирование. Общие понятия……………

   1.1.2. Ароматические углеводороды……………………………………

   1.1.3. Пестициды………………………………………………………..

         1.2. Биоремедиация загрязненных почв………………………………..

         1.3 Приемы биотестирования для  оценки загрязнения почвы……….

         1.4. Фиторемедиация……………………………………………………..

         1.5. Активность ферментов в почве …………………………………….

             1.5.1. Использование показателей ферментативной активности загрязненных почв для мониторинга биоремедиации………………………

        2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ……………………………………..

         2.1. Материалы и методы…………………………………………………..

            2.1.1  Условия проведения лабораторного  эксперимента ремедиации.. почв, загрязненных опасными ксенобиотиками  ……………………………..

           2.1.2 Определение активности дегидрогеназ в почве………………….

           2.1.3 Определение активности каталаз  в почве………………………...

        2.2 Результаты и их обсуждение…………………………………………..

           2.2.1 Изменение дегидрогеназной активности  почв, загрязненных тяжелыми металлами, глифосатом и нефтепродуктами………………………

          2.2.2 Изменение каталазной активности  почв, загрязненных тяжелыми металлами,  глифосатом и нефтепродуктами……………………………………

      3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….

      4.ВЫВОДЫ……………………………………………………………………

      5. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………..

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЭС – атомная  электростанция

ВОЗ – Всемирная  организация здравоохранения 

ДДТ – дихлордифенилтрихлорметилметан (по рациональной номенклатуре) или 1,1,1-трихлор-2,2-бис(n-хлорфенил)этан (по номенклатуре ИЮПАК)

КН – коэффициент  биологического накопления

ПАУ – полициклические  ароматические углеводороды

ПДК – предельно  допустимая концентрация

ПХБ – полихлорированные  бифенилы

ТМ – тяжёлые  металлы

ТХДД – 2,3,7,8-тетрахлордибензо-пара-диоксин

ТХЭ – трихлорэтилен 

УВ – углеводороды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение почвы  является антропогенным накоплением  в почве токсических и вредных  веществ и организмов, вызывающих деградацию или деструкцию почвенного покрова, изменение морфологии, состава микрофлоры почв, биопродуктивности, технологической, питательной, гигиеническо-санитарной ценности выращиваемых культур и качества других контактируемых с почвой природной сред (Киреева, 2003). Ежегодно на поверхность и в гумусовые горизонты почв поступает огромное количество различных веществ из атмосферы, с удобрениями, мелиорантами и ядохимикатами. Техногенными источниками загрязнения почвы служат стационарные или нестационарные объекты. К первым относятся промышленные, энергетические, сельскохозяйственные, хозяйственно-бытовые объекты, ко вторым – транспортные передвижные средства (ВИНИТИ, 2009). 

Проблема борьбы с загрязнением становится в последнее  время всё более актуальной. Существуют множество методов очистки почв, многие из которых не дают желаемых результатов. Одним из наиболее рациональных способов является биоремедиация – комплекс методов очистки воды, почвы и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов. Одним из таких методов является фиторемедиация – это технология использования растений и ассоциированных с ними микроорганизмов для разложения, сдерживания распространения или обезвреживания загрязнителей (Муратова А.Ю.,2009). Новой концепцией фиторемедиации является использование растений совместно с ростостимулирующими штаммами-деструкторами. Отличительной чертой данного метода является возможность мониторинга процесса восстановления. На сегодняшний день основным критерием очищения является уменьшение концентрации ксенобиотика в почве, который не всегда отражает снижение его токсичности для организмов. Почва может быть слабо загрязнённой, но сильно токсичной, и наоборот, – сильно загрязнённой и слабо токсичной (Киреева и др., 2004). Поэтому в настоящее время поиск показателя для мониторинга процессов фиторемедиации приобретает особенную актуальность.

Одной из нерешённых задач в этой области является определение оптимальных показателей  для оценки степени токсичности  почвы и уровня её очистки после  ремедиации. Известны различные биологические  методы индикации загрязнённых почв и диагностики происходящих в них при этом изменений, среди которых метод, основанный на определении ферментативной активности почвы считается наиболее перспективным. Ферментативная активность почв – один из показателей потенциальной биологической активности почвы, при участии экзо- и эндоферментов почвенных микроорганизмов, фауны и растений в почве осуществляются важнейшие биохимические процессы (Pascual et al., 2000).

Целью настоящего исследования является изучение изменения активности оксидоредуктаз в загрязненной ксенобиотиками почве.

В связи с  этим были поставлены следующие задачи:

1. Оценить уровень токсического воздействия тяжёлых металлов, глифосата и нефтепродуктов на активность дегидрогеназ и каталаз в почве.
2. Исследовать изменение активности почвенных дегидрогеназ и каталаз в загрязнённой ксенобиотиками почве после её очистки с использованием приёмов фиторемедиации.
3. Оценить возможность использования показателей активности дегидрогеназ и каталаз для мониторинга процессов фиторемедиации загрязнённых почв
4. На основании данных, показывающих стимуляцию активности ферментов в почве после фиторемедиации выявить консорциум, перспективный для фиторемедиации почв, загрязнённых тяжелыми металлами, глифосатом и нефтепродуктами.

 

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Экотоксилогическая  характеристика основных химических  загрязнителей почвы

Загрязнителем может быть любой физический агент, химическое вещество и биологический  вид, попадающие в окружающую среду  или возникающие в ней в  количествах, выходящих в рамки своей обычной концентрации, предельных количествах, предельных естественных колебаний или среднего природного фона в рассматриваемое время. Поступление в окружающую среду любых загрязняющих веществ обеспечивается всеми видами хозяйственной деятельности человека. Поступают вещества с отходами промышленности, предприятий энергетики, транспорта. Существуют различные классификации загрязняющих веществ. Они опираются на разные критерии: на антропогенные источники поступления (промышленность, транспорт), на режимы поступления в окружающую среду (спонтанный и регулируемый), на их фазовое состояние (твёрдофазные аэрозоли). Наиболее эффективной является классификация по химическим свойствам (Корте, Бахадир, 1996). Выделяются следующие группы загрязняющих веществ почвы:

• металлы и металлоиды;
• ароматические углеводороды (УВ), входящие в состав нефти и нефтепродуктов;
• ядохимикаты;
• хлорорганические токсиканты.

 

1.1.1. Тяжёлые металлы

Тяжёлые металлы (ТМ) уже сейчас занимают второе место  по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как двуокись углерода и серы, в прогнозе же они должны стать самыми опасными, более опасными, чем отходы АЭС и твёрдые отходы. Загрязнение ТМ связано с их широким использованием в промышленном производстве вкупе со слабыми системами очистки, в результате чего ТМ попадают в окружающую среду, в том числе и почву, загрязняя и отравляя её (Стокер, Сигер, 2000).

Тяжёлые металлы  относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение понятия "тяжёлые металлы". В некоторых случаях под определение ТМ попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк) (Фелленберг, 1997). Предельно допустимые концентрации (ПДК) некоторых ТМ в почве и воде представлены в таблице 1.

Таблица 1.

ПДК некоторых  химических элементов в почве  и воде

Элемент	ПДК, мг/кг почвы	ПДК, мкг/л в  воде
Кобальт	5	-
Медь	3	1000
Мышьяк	2	50
Ртуть	2	0,5
Свинец	20	30
Сурьма	5	-
Фтор	3	700-1500
Цинк	20	5000

 

Почва является основной средой, в которую попадают ТМ, в том числе из атмосферы и водной среды. Она же служит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод, попадающих из неё в Мировой океан. Из почвы ТМ усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу более высокоорганизованным животным.

В работах, посвящённых  проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжёлым металлам относят (Кахниашвили, 2003) более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании ТМ играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. Их количество в окружающей среде должно быть в пределах "золотой середины": многие ТМ являются микроэлементами, и их недостаток нарушает нормальное функционирование организма. На сегодняшний день из приблизительно 2 000 известных ферментов около 50 содержат в своем составе металл (Арзиани, 2000). Хотя симптомы недостатка каких-либо элементов специфичны, симптомы избытка их сходны.

 

Кадмий

Кадмий (Сd) очень  токсичен, вследствие загрязнения почв он проникает в растительный организм. В определённых условиях ионы кадмия, обладая большой подвижностью в  почвах, легко переходят в растения, накапливаются в них и затем поступают в организм животных и человека. Высокая фитотоксичность кадмия объясняется его близостью по химическим свойствам к цинку (Евстигнеева, 2005). Поэтому кадмий может замещать цинк во многих биохимических процессах, нарушая работу большого количества ферментов. Основным источником кадмиевого загрязнения почв является внесение удобрений, в особенности суперфосфата, куда кадмий входит в качестве микродобавок. Явление биоаккумуляции Сd происходит в экосистемах как при наличии металла в естественных для окружающей среды количествах, так и при антропогенном её загрязнении. Антропогенные источники поступления кадмия в окружающую среду разделяют (Евстигнеева, 2005) на две группы: локальные выбросы, которые связаны с промышленными комплексами, производящими или использующими кадмий, и диффузно рассеянные по Земле источники разной мощности, начиная от тепловых энергетических установок и моторов и заканчивая минеральными удобрениями и табачным дымом (табл. 2.).

Таблица 2.

Антропогенные источники поступления кадмия в окружающую среду

Основные источники Cd	Вклад в общий  выброс в %
Цинко-кадмиевые  заводы	60
Медно-никелевые  заводы	23
Сжигание топлива	10
Сжигание отходов	3
Прочие	4

 

Специфическое биологическое значение кадмия как  микроэлемента не установлено. В организм человека кадмий проникает двумя путями: на производстве и с пищей. Пищевые цепочки поступления кадмия формируются в районах повышенного загрязнения кадмием почвы и водоёмов. Подобно другим ТМ, кадмий легко реагирует с белковыми макромолекулами и другими биологически важными молекулами (Евстигнеева, 2005). Химическое подобие Cd и Zn поддерживает мнение, что во многих случаях он может замещать цинк, например, в активных центрах цинкосодержащих ферментов. Кадмий снижает активность пищеварительных ферментов (трипсина и в меньшей степени – пепсина), изменяет их активность, активирует ферменты. Кадмий влияет на углеводный обмен, вызывая гипергликемию, угнетая синтез гликогена в печени (Евстигнеева, 2005). Кадмий вызывает хроническое отравление организма. Одним из путей поступления в организм является курение.