Використання біологічних тестів для оцінки впливу мінеральних добрив на агроекосистему (стр. 2 из 3)

Таблиця 1. Визначення токсичності штучно забрудненого ВМ дерново-середньопідзолистого ґрунту за показниками стану тест-рослин

Варіанти	Вид фітотестування
	Продуктивність, тест-рослина – ячмінь ярий (Hordeum)		Стадія онтогенезу, тест-рослина – зернівка пшениці (Triticum)
			зародковий корінь		пагін, см
	т/га	% до контролю	см	% до контролю	см	% до контролю
Контроль	2,63	-	4,82	-	1,33	-
0,5 ГДК Cd, Pb, Cu, Zn	3,05	+ 16,0	5,59	+ 16,0	1,95	+ 46,6
1,0 ГДК Cd, Pb, Cu, Zn	2,23	- 15,4	4,56	-6,4	2,20	+ 65,4
5,0 ГДК Cd, Pb, Cu, Zn	повна загибель	_	3,41	-29,3	1,16	- 12,8
HIP 0.05 (Рф >FT)	0,31	-	1,02	-	0,68	-

Використання поліномінального рівняння залежності активності фізіологічних функцій тест-організму від рівня забруднення ґрунту ВМ дало змогу провести порівняльну оцінку фітотестів за показниками морфологічного розвитку (біопродуктивність ячменю) і онтогенетичного розвитку (довжина зародкового кореня пшениці). Рівень активної толерантності становив 4,0 і 8,1 у. о. відповідно (рис. 4).

Рис. 4. Фітотесіування забруднення дерново-середньопідзолистого ґрунту ВМ: 1 – ячмінь (урожай зерна, т/га); 2 – зародковий корінь пшениці (довжина, см)

Широкого використання також набули методи біотестування, пов'язані з якісним і кількісним складом мікробного ценозу, активністю біохімічних процесів та ін. В екотоксикологічних дослідженнях давно і з успіхом використовують показники активності ферментів ґрунту.

У ґрунті представлено широкий спектр ферментів, кількісний і якісний склад яких залежить, передусім, від властивостей грунту (механічного складу, родючості, зволоження тощо). Для використання ферментів в якості біотестів слід враховувати специфічність їхньої дії і чутливість щодо антропогенного чинника. Н. Черних (1991 р.) використовував для біотестування забруднення ґрунту ВМ каталазну, інвертазну, уреазну, фосфатазну активність; Н. Павлюкова, Л. Долгова (1993 р.) для тестування забруднення ґрунтів фенолами і роданідами – активність поліфенолоксидази; І. Ромейко (1969 р.) для тестування способів оранки – активність протеази тощо. Відомо, що із гідролаз, які каталізують розкладання вуглецевих сполук у ґрунті, доцільно вивчати інвертазу, амілазу, целлюлазу; із протеаз і амідаз, що беруть участь у розкладанні азотистих речовин – уреазу, аспарагіназу; із ферментів, що беруть участь у розкладанні органічних сполук фосфору – фітазу, нуклеазу, фосфатазу; із групи окисно-відновлювальних ферментів – поліфенол-оксидазу, пероксидазу, каталазу і дегідрогеназу.

За активністю ферментів групи оксидоредуктаз – поліфенолокси-дазою і пероксидазою, згідно з М. Коконовою, можна робити висновок про інтенсивність загальної направленості процесів у ґрунті, оскільки оксидоредуктази беруть участь у синтезі і мінералізації гумусу, а також чутливі до зміни рН ґрунтового середовища. Найрухоміші компоненти гумусових речовин за участі поліфенолоксидази можуть приєднувати атомарний кисень, перетворюючись на сполуки типу оксигеназ. Оксигенази за участі пероксидази здатні передавати поглинутий з повітря кисень рослинам, перетворюючись на сполуки типу хінонів. Водночас, хінони здатні поглинати надлишок водню, що утворюється в клітинах, і знову перетворюватися на гумусові речовини. Мінеральні добрива активно впливають саме на ці процеси, що і зумовлює можливість проведення екотоксикологічного контролю мінеральних добрив за активності названих ферментів (не виключаючи можливості залучення ширшого спектру ферментів).

Фізіологічно і хімічно кислі мінеральні добрива (сульфат амонію, хлористий калій), впливаючи на реакцію ґрунтового розчину, можуть опосередковано діяти на гомеостатичний стан грунту, зокрема на активність ґрунтових ферментів. Встановлено, що у місці контакту гранули добрива і ґрунту може відбуватися дуже сильне підкислення середовища (рН близько 1). Внаслідок цього виникають «мініопіки», які, насамперед, негативно впливають на біоту ґрунтової системи. Токсичну дію щодо ферментів може проявляти також рухомий алюміній, який переходить у ґрунтовий розчин при зниженні рівня рН. Особливо активно ці процеси відбуваються у бідних на органічну речовину дерново-підзолистих ґрунтах.

В Інституті агроекології та біотехнології УААН було проведено дослідження на дерново-середньопідзолистому ґрунті і чорноземі типовому малогумусному з встановлення ефективності біотестування за показниками активності ферментів групи оксидоредуктаз щодо педо-хімічних властивостей мінеральних добрив. Використовували фізіологічне кислі азотні добрива та хімічно кислі калійні. Одержані результати показали, що підвищення кислотності ґрунту при застосуванні мінеральних добрив на дерново-середньопідзолистому ґрунті значною мірою було зумовлено вмістом рухомого алюмінію. Його кількість зростала пропорційно внесеним добривам з 2,4 мг/100 г ґрунту на контролі до 5,1 мг/100 г ґрунту у варіанті із застосуванням 240 кг/га NPK. Підвищення кислотності ґрунту призвело до зниження активності оксидоредуктаз на 9,5–25,3%. У тісній зворотній залежності від обмінної кислотності і вмісту іонів алюмінію перебувала активність ферменту – поліфенолоксидази. її кількість зменшилась з 0,440 до 0,329 мг пурпургаліну на 1 г ґрунту. Коефіцієнт кореляції, який визначав залежність між рівнем кислотності, вмістом іонів водню та іонів алюмінію, становив – 0,980–0,998. Активність пероксидази меншою мірою залежала від вмісту рухомого алюмінію: спостерігали лише середній корелятивний зв'язок г= –0,540–0,604. Це зумовлено особливостями ферментів, що досліджували – для поліфенолоксидази оптимальною є нейтральна та слаболужна реакція ґрунтового розчину і тому її активність знижується при переході до кислих умов. Оптимальні рівні рН для пероксидази, навпаки, розміщуються у кислому інтервалі, тому при зміні рівня кислотності перокси-даза має вищий рівень толерантності.

При застосуванні добрив на чорноземі типовому, який характеризується вищою буферною здатністю, також підвищувалася обмінна кислотність, але це не супроводжувалося підвищенням вмісту рухомого алюмінію. Обмінна кислотність формувалася, в основному, за рахунок іонів водню. Депресивного впливу педохімічних властивостей мінеральних добрив на активність ферментів за цих умов не спостерігали, про що свідчить підвищення рівня їхньої активності (табл. 2).

Одержані результати засвідчили, що активність ферментів групи оксидоредуктаз залежить від вмісту іонів алюмінію, які за певних концентрацій можуть проявляти токсичні властивості щодо біологічних об'єктів.

Активність ферментів може бути чутливим показником і щодо забруднення ґрунту біохімічне активними речовинами. Так, при збільшенні рівня забруднення Cd, Pb, Zn, Cu з 0,5 ГДК до 5,0 ГДК значно знижувалась активність пероксидази і поліфенолоксидази щодо фону на 15,1–64,1% і 25,8–82,7% відповідно (табл. 3). Ферменти ґрунту, за даними Е. Хоффман (1990р.), на відміну від живих організмів, є стабільнішими показниками, оскільки при відмиранні організмів адсорбуються ґрунтовими частками і тривалий час зберігають свою активність. Депресивний вплив забруднення ґрунту ВМ на рівні 1,0–5,0 ГДК спостерігали впродовж тривалого часу. Через рік після створення штучних фонів забруднення активність поліфенолоксидази становила 86,6–91,3%, пероксидази 82,3–88,5% контролю.

Апроксимація одержаних даних з використанням ступеневого рівняння залежності активності ґрунтових ферментів групи оксидоредуктаз від рівня забруднення грунту ВМ дала можливість провести порівняльну оцінку біотестування за активністю поліфенолоксидази і пероксидази. Рівень толерантності цих ґрунтових ферментів був близький і становив відповідно 1,5 і 1,7 у. о. (рис. 5).

Поряд з активністю ферментів, сприятливим щодо забруднення є такий показник стану ґрунту, як нітрифікаційна здатність, що є опосередкованим показником активності певної групи ґрунтових бактерій роду Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosospira і Nitrobacter. Нітрифікато-ри групи Nitrosomonas окислюють аміак до нітритів, групи Nitrobacter – нітрити до нітратів.

Таблиця 2. Активність ферментів групи оксидоредуктаз при застосуванні мінеральних добрив на дерново-середньопідзолистому ґрунті і чорноземі типовому

Кількість добрив, кг/га	Кислотність ґрунту, мг-екв/100 г ґрунту		Вміст АІ, мг/ЮОг ґрунту	Ферментативна активність ґрунту, мг пурпургаліну на 1 г ґрунту
	загальна	зумовлена Н+		поліфенолоксидаза	пероксидаза
	f1	f2	f3	f4	f5
Ґрунт - дерново-середньопідзолистий
Контроль	0,41	0,14	2,40	0,440* 100%**	0,293 100%
120 РК	0,53	0,16	3,38	0,398 90,5%	0,372 127,0%
210 NPK	0,63	0,16	4,20	0,354 80,5%	0,260 88,7%
240 NPK	0,69	0,12	5,10	0,329 74,7%	0,240 81,9%
R(f1-f4)= - 0,998 R(f3-f4)= - 0,996 R(f2-f5)= 0,604 R(f2-f4)= - 0,980 R(f1-f5)= - 0,540 R(f3-f5)= - 0,569
Ґрунт - чорнозем типовий малогумусний
Контроль	0,34	0,12	2,02	0,332 100%	0,300 100%
120 РК	0,38	0,12	2,34	0,444 133,7%	0,409 136,3%
210 NPK	0,44	0,31	1,17	0,429 129,2%	0,300 100%
240 NPK	0,49	0,31	1,62	0,459 138,3%	0,354 118,0%
НІР 0,05 (FТ>Рф)	0,15	0,03	0,37	–	------
R (f1-f4) = 0,781 R (f3-f4) = -0,129 R (f2-f5) = 0,294 R (f2-f4) = 0,658 R (f1-f5) = - 0,491 R (f3-f5) = 0,302
* – фактичний вміст, ** – % до контролю

Таблиця 3. Реакція біологічних індикаторів на забруднення грунту ВМ