Ферментативная активность техногенных поверхностных образований Кузбасса

Угольная промышленность является одной из ведущих отраслей в мировом энергобалансе. Главным регионом России, специализирующимся на угледобыче, является Кузбасс, где добывают около 60 % всего угля страны. Добыча на территории Кемеровской области осуществляется в основном открытым способом, в результате чего образуются нарушенные земли, площадь которых составляет порядка 178 тыс. га. Индикатором самовосстановления почв является ферментативная активность. Цель работы ‒ изучение ферментативной активности техногенных поверхностных образований Кузбасса для оценки их токсичности и дальнейшего подбора микроорганизмовдеструкторов, ризобактерий и растений-гипераккумуляторов, которые будут применяться на биологическом этапе рекультивации. Материалом для исследования послужили образцы техногенных поверхностных образований, отобранные на территории Барзасского и Моховского угольных отвалов. Ферментативная активность техногенно нарушенных образований отвалов составила: инвертаза – 2,24 и 2,12 мг сахарозы, расщепленной 1 г почвы за 1 час; нитритредуктаза – 0,57 и 0,07 мг восстановленного NO₂- на 1 г почвы за 24 часа; аспарагиназа –71,22 и 60,63 мг NH₃ на 1 г почвы за 24 часа соответственно. При изучении ферментативной активности сделали предположение – аборигенная микрофлора использует в качестве источников углерода низко- и высокомолекулярные углеводороды (алканы, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и др.). Содержание подвижных форм тяжелых металлов (ТМ) в изучаемых образцах превышает предельно допустимые концентрации в 1,2-2,6 раза. В ходе статистического анализа выявлено, что валовые и подвижные формы цинка и меди являются инигибиторами нитритредуктазы, валовая и подвижная формы никеля – активаторами аспарагиназы в техногенных нарушенных образованиях исследуемых угольных отвалов, а также ингибиторами инвертазы в Моховском угольном отвале. 

1. Фасхутдинова Е. Р., Осинцева М. А., Неверова О. А. Перспективы использования микробиома почв угольных отвалов с целью ремедиации антропогенно нарушенных экосистем. Техника и технология пищевых производств. 2021;51(4):883-904. DOI: https://doi.org/10.21603/2074-9414-2021-4-883-904

2. Асякина Л. К., Дышлюк Л. С., Просеков А. Ю. Мировой опыт в области рекультивации посттехногенных ландшафтов. Техника и технология пищевых производств. 2021;51(4):805-818. DOI: https://doi.org/10.21603/2074-9414-2021-4-805-818

3. Фотина Н.В., Емельяненко В.П., Воробьева Е.Е., Бурова Н.В., Остапова Е.В. Современные биологические методы восстановления и очистки нарушенных угледобычей земель в условиях Кемеровской области – Кузбасса. Техника и технология пищевых производств. 2021;51(4):869-882. DOI: https://doi.org/10.21603/2074-9414-2021-4-869-882

4. Симонова О. А., Чеглакова О. А. Влияние удобрений на содержание и динамику подвижных соединений меди и цинка в дерново-подзолистой почве. Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2017;(6):30-34. Режим доступа: https://www.agronauka-sv.ru/jour/article/view/172

5. Drozdova M. Yu., Pozdnyakova A. V., Osintseva M. A., Burova N. V., Minina V. I. The microorganism-plant system for remediation of soil exposed to coal mining. Foods and raw materials. 2021;9(2):406-418. DOI: http://doi.org/10.21603/2308-4057-2021-2-406-418

6. Myszura M., Zukowska G., Kobylka A., Mazurkiewicz J. Enzymatic activity of soils forming on an afforested heap from an opencast sulphur mine. Forests. 2021;12(11):1469. DOI: https://doi.org/10.3390/f12111469

7. Assemien F. L., Cantarel A. A., Florio A., Lerondelle C., Pommier T., Gonnety J. T., Roux X. L. Different groups of nitrite-reducers and N2O-reducers have distinct ecological niches and functional roles in West African cultivated soils. Soil Biology and Biochemistry. 2019;129:39-47. DOI: https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.11.003

8. Fan L., Tarin M., Yangyang Z., Yongzhen H., Rong J., Xinhang C., Liguang C., Chengkun S., Yushan Z. Patterns of soil microorganisms and enzymatic activities of various forest types in coastal sandy land. Global Ecology and Conservation. 2021;28:e01625. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gecco.2021.e01625

9. Sobat M., Asad S., Kabiri M., Mehrshad M. Metagenomic discovery and functional validation of L-asparaginases with anti-leukemic effect from the Caspian Sea. iScience. 2021;24(1):101973. DOI: https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.101973

10. Yinping B., Feng L., Gang Y., Shengwei S., Faqin D., Mingxue L., Xiaoqin N., Jiangbo H. Meta-analysis of experimental warming on soil invertase and urease activities, Acta Agriculturae Scandinavica, Section B. Soil and Plant Science. 2018;68(2):104-109. DOI: https://doi.org/10.1080/09064710.2017.1375140

11. Meyer W., Seiler T.B., Schwarzbauer J., Püttmann W., Hollert H., Achten C. Polar polycyclic aromatic compounds from different coal types show varying mutagenic potential, EROD induction and bioavailability depending on coal rank. Sci. Total Environ. 2014;494-495:320-328. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.06.140

12. Mathew B., Singh H., Biju V., Beeregowda K. Classification, source and effect of environmental pollutants and it’s biodegradation. Journal of Environmental Pathology. Toxicology and Oncology. 2017;36(1):55-71. DOI: https://doi.org/10.1615/JEnvironPatholToxicolOncol.2017015804

13. Sun X., Ye Y., Guan Q., Jones D. L. Organic mulching masks rhizosphere effects on carbon and nitrogen fractions and enzyme activities in urban greening space. J Soils Sediments. 2021;21:1621-1632. DOI: https://doi.org/10.1007/s11368-021-02900-7

14. Liu X., Wang J., Wu L., Zhang L., Si Y. Impacts of silver nanoparticles on enzymatic activities, nitrifying bacteria, and nitrogen transformation in soil amended with ammonium and nitrate. Pedosphere. 2021;31(6):934-943. DOI: https://doi.org/10.1016/s1002-0160(21)60036-x

15. El-Gendy M., Awad M., Shawky F., El-Bondkly A. Production, purification, characterization, antioxidant and antiproliferative activities of extracellular L-asparaginase produced by Fusariumequiseti AHMF4. Saudi Journal of Biological Sciences. 2021;28(4):2540-2548. DOI: https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2021.01.058

16. Саадалов Т., Мырзаибраимов Р. М., Абдуллаева Ж. Д. Методика расчета коэффициента корреляции Фехнера и Пирсона, и их области применения. Бюллетень науки и практики. 2021;7(10):270-276. DOI: https://doi.org/10.33619/2414-2948/71

17. Тарасова Н. П., Осипов К. Ю., Осипова Н. А., Язиков Е. Г. Тяжелые металлы в почвах в районах воздействия угольных предприятий и их влияние на здоровье населения. Безопасность в техносфере. 2015;4(2):16-26. DOI: https://doi.org/10.12737/11329

18. Хмелев В. А., Танасиенко А. А. Почвенные ресурсы Кемеровской области и основы рационального их использования. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. 477 с.

19. Borah P., Gujre N., Rene E. R., Rangan L., Paul R. K., Karak T., Mitra S. Assessment of mobility and environmental risks associated with copper, manganese and zinc in soils of a dumping site around a Ramsar site. Chemosphere. 2020;254:126852. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126852

20. Сорокин А. Е., Савич В. И., Янькова А. А. Агроэкологическая оценка дерново-подзолистой почвы по содержанию никеля в зависимости от рН среды и комплексообразования. Владимирский земледелец. 2020;1(91):22-26. DOI: https://doi.org/10.24411/2225-2584-2020-10104

21. Natasha N., Shahid M., Bibi I., Iqbal J., Khalid S., Murtaza B., Bakha H. F., Farooq A. B. U., Amjad M., Hammad H. M., Niazi N. K., Arshad M. Zinc in soil-plant-human system: A data-analysis review. Science of The Total Environment. 2022;808:152024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152024

22. Журавлева Н. В., Иваныкина О. В., Исмагилов З. Р., Потокина Р. Р. Содержание токсичных элементов во вскрышных и вмещающих породах угольных месторождений Кемеровской области. Горный информационноаналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015;3:187-196. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23028484

23. Angulo-Bejarano P. I., Puente-Rivera J., Cruz-Ortega R. Metal and Metalloid Toxicity in Plants: An Overview on Molecular Aspects. Plants. 2021;10(4):635-663. DOI: https://doi.org/10.3390/plants10040635

24. Hassan M., Chattha M., Khan I., Chattha M., Aamer M., Nawaz M., Ali A., Khan M., Khan T. Nickel toxicity in plants: Reasons, toxic effects, tolerance mechanisms, and remediation possibilities – a review. Environmental Science and Pollution Research. 2019;26:12673-12688. DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-019-04892-x

25. Küpper H., Andresen E. Mechanisms of metal toxicity in plants. Metallomics. 2016;8(3):269-285. DOI: https://doi.org/10.1039/c5mt00244c

26. Malhotra S., Mishra V., Karmakar S., Sharma R. S. Environmental predictors of indole acetic acid producing rhizobacteria at fly ash dumps: nature-based solution for sustainable restoration. Frontiers in Environmental Science. 2017;5:59-70. DOI: https://doi.org/10.3389/fenvs.2017.00059

27. Gao S., Xiao Y., Xu F., Gao X., Cao S., Zhang F., Wang G., Sanders D., Chu C. Cytokinin-dependent regulatory module underlies the maintenance of zinc nutrition in rice. New Phytol. 2019;224(1):202-215. DOI: https://doi.org/10.1111/nph.15962

28. Ahmad P., Alyemeni M. N., Wijaya L., Alam P., Ahanger M. A., Alamri S. A. Jasmonic acid alleviates negative impacts of cadmium stress by modifying osmolytes and antioxidants in faba bean (Vicia faba L.). Arch. Agron. Soil Sci. 2017;63(13):1889-1899. DOI: https://doi.org/10.1080/03650340.2017.1313406

29. Salam M., Kaipiainen E., Mohsin M., Villa A., Kuittinen S., Pulkkinen P., Pelkonen P., Mehtätalo L., Pappinen A. Effects of contaminated soil on the growth performance of young Salix (Salix schwerinii E. L. Wolf) and the potential for phytoremediation of heavy metals. Journal of Environmental Management. 2016;183(3):467-477. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2016.08.082

30. Ghazaryan K. A., Movsesyan H. S., Minkina T. M., Sushkova S. N., Rajput V. The identification of phytoextraction potential of Melilotus officinalis and Amaranthus retroflexus growing on copper- and molybdenum-polluted soils. Environ. Geochem. Hlth. 2021;43:1327-1335. DOI: https://doi.org/10.1007/s10653-019-00338-y