Биодиагностика устойчивости почв юга России к загрязнению серебром

Цель. Дать оценку устойчивости почв юга России к загрязнению серебром по биологическим показателям.

Методы. Загрязнение почв юга России (чернозем обыкновенный, серопески и бурая лесная почва) серебром моделировали в лабораторных условиях. Почвы загрязняли водорастворимым нитратом серебра с целью выявления максимальной экотоксичности серебра. Устойчивость почв оценивали по наиболее чувствительным и информативным биологическим показателям в динамике через 10, 30и 90 суток после загрязнения.

Результаты. Загрязнение серебром ингибирует активность оксидоредуктаз (каталазы и дегидрогеназ), снижает общую численность бактерий, рост и развитие редиса. Для всех почв отмечена прямая зависимость между концентрацией серебра и степенью ухудшения свойств почв. Токсическое действие серебра наиболее сильно проявилось на 30‐е сутки после загрязнения. По устойчивости к загрязнению серебром исследованные почвы образуют следующий ряд: чернозем обыкновенный > серопески ≥ бурая лесная почва.

Заключение. Легкий гранулометрический состав серопесков и кислая реакция среды бурых лесных почв, а также низкое содержание органического вещества, способствуют высокой подвижности и высокой экотоксичности серебра в этих почвах. Разработаны региональные предельно допустимые концентрации (рПДК) содержания серебра в черноземах обыкновенных, серопесках и бурых лесных почвах – 4,4, 0,9 и 0,8 мг/кг соответственно. 

1. Oves M., Khan M.S., Zaidi A., Ahmad E. Soil contamination, nutritive value, and human health risk assessment of heavy metals: an overview. In: Zaidi A., Wani P., Khan M. (eds) Toxicity of Heavy Metals to Legumes and Bioremediation. Springer, Vienna. https://doi.org/10.1007/978‐3‐7091‐0730‐0_1

2. Ветрова А.А., Забелин В.А., Иванова А.А., Адаменко Л.А., Делеган Я.А., Петриков К.В. Биодеградация нефти консорциумом штаммов‐нефтедеструкторов в лабораторных модельных системах // Юг России: экология, развитие. 2018. Т. 13. N 1. С. 184‐198. DOI: 10.18470/1992‐1098‐2018‐1‐184‐198

3. Водяницкий Ю.Н. Оценка суммарной токсикологической загрязненности почв тяжелыми металлами и металлоидами // Агрохимия. 2017. N 2. С. 56‐63.

4. Водяницкий Ю.Н., Шоба С.А. Биогеохимические барьеры для ремедиации почв и очистки почвенно‐грунтовых вод // Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение. 2016. N 3. С. 3‐15.

5. Водяницкий Ю.Н., Яковлев А.С. Загрязнение почв и почвенно‐грунтовых вод новыми органическими микрополлютантами (обзор) // Почвоведение. 2016. N 5. С. 609‐619. DOI: 10.7868/S0032180X16050154

6. Дауд Р.М., Колесников С.И., Кузина А.А., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В. Разработка региональных предельно допустимых концентраций нефти в почвах аридных экосистем юга России // Экология и промышленность России. 2019. Т. 23. N 9. С. 66‐70. DOI: 10.18412/1816‐0395‐2019‐09‐66‐70

7. Колесников С.И., Тимошенко А.Н., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В., Мясникова М.А. Оценка экотоксичности наночастиц меди, никеля и цинка по биологическим показателям чернозема // Почвоведение. 2019. N 8. С. 986‐992. DOI: 10.1134/S0032180X19080094

8. Сукиасян А.Р. Новый подход определения фактора экологического риска по биогеохимическим коэффициентам тяжелых металлов // Юг России: экология, развитие. 2018. Т. 13. N 4. С. 108‐118. DOI: 10.18470/1992‐1098‐2018‐4‐108‐118

9. Минникова Т.В., Колесников С.И., Денисова Т.В. Влияние азотных и гуминовых удобрений на биохимическое состояние нефтезагрязненного чернозема // Юг России: экология, развитие. 2019. Т. 14. N 2. С. 189‐201. DOI: 10.18470/1992‐1098‐2019‐2‐189‐201

10. Kolesnikov S.I., Varduny T.V., Lysenko V.S., Kapralova O.A., Chokheli V.A., Sereda M.M., Dmitriev P.A., Varduny V.M. Effect of nano and crystalline metal oxides on growth, gene and cytotoxicity of plants in vitro and ex vitro // Turczaninowia. 2018. V. 21. N 4. P. 207‐214. DOI : 10.14258/turczaninowia.21.4.21

11. Minnikova T.V., Denisova T.V., Mandzhieva S.S., Kolesnikov S.I., Minkina T.M., Chaplygin V.A., Burachevskaya M.V., Sushkova S.N., Bauer T.V. Assessing the effect of heavy metals from the Novocherkassk power station emissions on the biological activity of soils in the adjacent areas // Journal of Geochemical Exploration. 2017. V. 174. P. 70‐78. DOI: 10.1016/j.gexplo.2016.06.007

12. Крылов Д.А. Негативное воздействие микроэлементов, содержащихся в углях, в золошлаковых отвалах и в золе‐уносе угольных ТЭС, на окружающую среду и здоровье людей. Препринт НИЦ «Курчатовского института». М., 2012. 37 с.

13. Пашкевич М.А., Алексеенко А.В. Мониторинг загрязнения почв в районе воздействия ОАО «Новоросцемент» // Горный информационно‐аналитический бюллетень (научно‐технический журнал). 2015. N 10. С. 369‐375.

14. Щербакова Е.В. Экологическое состояние почв и техногенных грунтов свалки города Славянска‐на‐Кубани // Экологические проблемы промышленных городов: сб. науч. тр. Саратов, 2013. С. 106‐107.

15. Michels C., Perazzoli S., Soares H.M. Inhibition of the enriched culture of ammonium‐oxidizing bacteria by two different nanoparticles: silver and magnetite // Common environment science. 2017. V. 586. P. 995‐1002. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2017.02.080

16. Кизильштейн Л.Я., Левченко С.В.Элементы примеси и экологические проблемы угольной энергетики // Теплоэнергетика. 2003. С. 14‐19.

17. Xing G., Zhu J., Xiong Z. Ag, Ta, Ru, and Ir enrichment in surface soil: Evidence for land pollution of heavy metal from atmospheric deposition // Global Biogeochemical Cycles. 2004. V. 18. Iss. 1. P. 1‐5. DOI: 10.1029/2003GB002123

18. Касимов Н.С., Власов Д.В. Технофильность химических элементов в начале XXI века // Вестник Московского Университета. Сер. 5. География. 2012. N 1. С. 15‐22.

19. Aueviriyavit S., Phummiratch D., Maniratanachote R. Mechanistic study on the biological effects of silver and gold nanoparticles in CaCO‐2 cells – induction of the Nrf2/HO‐1 pathway by high concentrations of silver nanoparticles // Toxicology Letters. 2014. V. 224. Iss. 1. P. 73‐83. DOI: 10.1016/j.toxlet.2013.09.020

20. Benn T., Cavanagh B., Histovski K., Posner J.D., Westerhoff P. The release of nanosilver from consumer products used in the home // Journal of Environmental Quality. 2010. V. 39. Iss. 6. P. 1875‐1882. DOI: 10.2134/jeq2009.0363

21. Kabata‐Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. 4th Edition. Boca Raton, FL: Crc Pressрр. 2010. 548 p.

22. Jones K.C., Davies B.E., Peterson P.J. Silver in Welsh soils: Physical and chemical distribution studies // Geoderma. 1986. V. 37. Iss. 2. P. 157‐174. DOI: 10.1016/0016‐7061(86)90028‐5

23. Пузанов А.В., Бабошкина С.В, Алексеев И.А, Салтыков А.В. Особенности накопления и распределения тяжелых металлов и мышьяка в системе огородные почвы‐овощные культуры в районе строительства космодрома «Восточный» (Бассейн р. Зея, Амурская область) // Агрохимия. 2015. N 2. С. 86‐96.

24. Yildirim D., Sasmaz A. Phytoremediation of As, Ag, and Pb in contaminated soils using terrestrial plants grown on Gumuskoy mining area (Kutahya Turkey) // Journal of Geochemical Exploration. 2017. V. 182. Part B. P. 228‐234. DOI: 10.1016/j.gexplo.2016.11.005

25. Дружинин А.В., Карелина Е.В. Основные типы промышленных месторождений серебра // Вестник РУДН: Серия инженерные исследования. 2008. N 1. С. 35‐41.

26. Gomathi M., Rajkumar P.V., Prakasam A., Ravichandran K. Green synthesis of silver nanoparticles using Datura stramonium leaf extract and assessment of their antibacterial activity // Resource‐Efficient Technologies. 2017. V. 3. Iss. 3. P. 280‐284. DOI: 10.1016/j.reffit.2016.12.005

27. Liu W., Zeng Z., Chen A., Zeng G., Xiao R., Guo Zh., Yi F., Huang Zh., He K., Hu L. Toxicity effects of silver nanoparticles on the freshwater bivalve Corbicula fluminea// Journal of Environmental Chemical Engineering. 2018. V. 6. Iss. 4. P. 4236‐4244. DOI: 10.1016/j.jece.2018.06.032

28. Reidy B., Haase A., Luch A., Dawson K.A., Lynch I. Mechanisms for the isolation, transformation and toxicity of silver nanoparticles: a critical review of current knowledge and recommendations for future research and applications // Materials (Basel). 2013. V. 6. Iss. 6. Р. 2295‐2350. DOI: 10.3390/ma6062295

29. Sayeda A.E.H., Solimanb H.A.M. Developmental toxicity and DNA damaging properties of silver nanoparticles in the catfish (Clarias gariepinus) // Mutation Research Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis. 2017. V. 822. P. 34‐40. DOI: 10.1016/j.mrgentox.2017.07.002

30. Sharma V.K., Siskova K.M., Zboril R., Gardea‐Torresdey J.L. Organic‐coated silver nanoparticles in biological and environmental conditions: Fate, stability and toxicity // Advances in Colloid and Interface Science. 2014. V. 204. P. 15‐34. DOI: 10.1016/j.cis.2013.12.002

31. Sun C., Yin N., Wen R., Liu W., Jia Y., Hua L., Zhou Q., Jiang G. Silver nanoparticles induced neurotoxicity through oxidative stress in rat cerebral astrocytes is distinct from the effects of silver ions // NeuroToxicology. 2016. V. 52. P. 210‐221. DOI: 10.1016/j.neuro.2015.09.007

32. Vig K., Megharaj M., Sethunathan N., Naidu R. Bioavailability and toxicity of cadmium to microorganisms and their activities in soil: a review // Advances Environmental Research. 2003. V. 8. Iss. 1. P. 121‐135. DOI: 10.1016/S1093‐0191(02)00135‐1

33. Benini S., Cianci M., Mazzei L., Ciurli S. Fluoride inhibition of Sporosarcina pasteurii urease: structure and thermodynamics // Journal Biological Inorganic Chemistry. 2014. N 19. P. 1243‐1261. DOI: 10.1007/s00775‐014‐1182‐x

34. Kaya E.D., Söyüt H., Beydemir S. The toxicological impacts of some heavy metals on carbonic anhydrase from gilthead sea bream (Sparus aurata) gills // Environmental Toxicology and Pharmacology. 2015. V. 39. Iss. 2. P. 825‐832. DOI: 10.1016/j.etap.2015.01.021

35. Liu Y., Zeng G., Zhong H., Wang Z., Liu Z., Cheng M., Liu G., Yang X., Liu S. Effect of rhamnolipid solubilization on hexadecane bioavailability: enhancement or reduction? // Journal Hazardous Materials. 2017. V 322. Part B. P. 394‐401. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2016.10.025

36. Kaczynski P., Lozowicka B., Hrynko I., Wolejko E. Behaviour of mesotrione in maize and soil system and its influence on soil dehydrogenase activity // Science Total Environmental. 2016. V. 571. P. 1079‐1088. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2016.07.100

37. Stepniewska Z., Wolińska A., Ziomek J. Response of soil catalase activity to chromium contamination // Journal of Environmental Sciences. 2009. V 21. Iss. 8. P. 1142‐1147. DOI: 10.1016/S1001‐0742(08)62394‐3

38. Bowen H.J.M. Environmental Chemistry of the Elements, New York, Academic Press, 1979. 333 p.

39. Алексеенко В.А., Алексеенко А.В. Химические элементы в геохимических системах. Кларки почв селитебных ландшафтов. Ростов н/Д: Издательство Южного федерального университета, 2013. 380 с.

40. Eivazi F., Afrasiabi Z., Jose E. Effects of Silver Nanoparticles on the Activities of Soil Enzymes Involved in Carbon and Nutrient Cycling // Pedosphere. 2018. V. 28. Iss. 2. P. 209‐214. DOI: 10.1016/S1002‐0160(18)60019‐0

41. Girilal M., Krishnakumar V., Poornima P., Fayazd M.A., Kalaichelvan P.T.A comparative study on biologically and chemically synthesized silver nanoparticles induced Heat Shock Proteins on fresh water fish Oreochromis niloticus // Chemosphere. 2015. V. 139. P. 461‐468. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2015.08.005

42. Smith I., Carson B. Trace metals in the environment. Vol. 2. Silver. Ann Arbor, MI, Ann Arbor Science Publishers, 1977, 469 p.

43. Cvjetko P., Milošić A., Domijan A‐M., Vinković Vrček I., Tolić S., Peharec Štefanić P., Letofsky‐Papst I., Tkalec M., Balen B. Toxicity of silver ions and differently coated silver nanoparticles in Allium cepa roots // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2017. V. 137. P. 8‐28. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2016.11.009

44. Tripathi A., Liu S., Kumar S.P., Kumar N., Chandra P.A., Tripathi D.K., Chauhan K. D., Sahi Sh. Differential phytotoxic responses of silver nitrate (AgNO3) and silver nanoparticle (AgNps) in Cucumis sativus L. // Plant genetic resources. 2017. V. 11. Part B. P. 255‐264. DOI: 10.1016/j.plgene.2017.07.005

45. Yasur J., Rani P.U. Environmental effects of nanosilver: impact on castor seed germination, seedling growth, and plant physiology // Environmental Science and Pollution Research. 2013. V. 20. Iss. 12. P. 8636‐8648. DOI: 10.1007/s11356‐013‐1798‐3

46. Kolesnikov S.I., Kazeev K.S., Akimenko Yu.V. Development of regional standards for pollutants in the soil using biological parameters // Environmental Monitoring and Assessment. 2019. N 191. P. 544. DOI: 10.1007/s10661‐019‐7718‐3

47. Kolesnikov S.I., Kazeev K.Sh., Val’kov V.F, Ponomareva S.V. Ranking of chemical elements according to their ecological hazard for soil // Russian Agricultural Sciences. 2010. V. 36. N 1. P. 32‐34. DOI: 10.3103/S1068367410010106

48. Kolesnikov S.I., Kazeev K.S., Val’kov V.F. Effects of heavy metal pollution on the ecological and biological characteristics of common chernozem // Russian Journal of Ecology. 2000. V. 31. N 3. P. 174‐181. DOI: 10.1007/BF02762817

49. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Акименко Ю.В., Даденко Е.В. Методы биодиагностики наземных экосистем. Ростов‐на‐Дону: Издательство ЮФУ, 2016. 356 с.

50. Минникова Т.В., Сушкова С.Н., Манджиева С.С., Минкина Т.М., Колесников С.И. Оценка влияния бенз(а)пирена на биологическую активность чернозема Ростовской области // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. N 12. С. 91‐102. DOI: 10.18799/24131830/2019/12/2396

51. Chen J., He F., Zhang X., Sun X., Zheng J., Zheng J. Heavy metal pollution decreases microbial abundance, diversity and activity within particle‐size fractions of a paddy soil // FEMS Microbiology Ecology. 2014. V. 87. Iss. 1. P. 164‐181. DOI: 10.1111/1574‐6941.12212

52. Yang J.S., Yang F.L., Yang Y., Xing G.L., Deng C.P., Shen Y.T., Luo L.Q., Li B.Z., Yuan, H.L. A proposal of “core enzyme” bioindicator in long‐term Pb‐Zn ore pollution areas based on topsoil property analysis // Environmental Pollution. 2016. V. 213. P. 760‐769. DOI: 10.1016/j.envpol.2016.03.030

53. Iram F., Iqbal M.S. , Athar M.M., Saeed M.Z., Yasmeen A., Ahmad R. Glucoxylan‐mediated green synthesis of gold and silver nanoparticles and their phyto‐toxicity study // Carbohydrate Polymers. 2014. V. 104. N 1. P. 29‐33. DOI: 10.1016/j.carbpol.2014.01.002

54. Langdon K.A., McLaughlin M.J., Kirby J.K., Merrington G. The effect of soil properties on the toxicity of silver to the soil nitrification process // Environmental and Toxicology Chemistry. 2014. V. 33. Iss. 5. P. 1170‐1178. DOI: 10.1002/etc.2543

55. Rahmatpour S., Shirvani M., Mosaddeghi M.R., Farshid N., Bazarganipour M. Dose‐response effects of silver nanoparticles and silver nitrate on microbial and enzyme activities in calcareous soils // Geoderma. 2017. V. 285. Р. 313‐322. DOI: 10.1016/j.geoderma.2016.10.006

56. Salama H.M.H. Effects of silver nanoparticles in some crop plants, Common bean (Phaseolus vulgaris L.) and corn (Zea mays L.) // Journal Biotechnology. 2012. V. 3. N 10. Р. 190‐197. URL: http://www.interesjournals.org/IRJOB (дата обращения: 10.09.2019)

57. Kolesnikov S.I., Evreinova A.V., Kazeev K.Sh., Val’kov V.F. Changes in the Ecological and Biological Properties of Ordinary Chernozems Polluted by Heavy Metals of the Second Hazard Class (Mo, Co, Cr, and Ni) // Eurasian Soil Science. 2009. V. 42. N 8. Р. 936‐942. DOI: 10.1134/S1064229309080122

58. Kolesnikov S.I., Popovich A.A., Kazeev K.Sh., Val’kov V.F. The Influence of Fluorine, Boron, Selenium, and Arsenic Pollution on the Biological Properties of Ordinary Chernozems // Eurasian Soil Science. 2008. V. 41. N 4. P. 400‐404. DOI: 10.1134/S1064229308040066

59. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экология почв. Учение об экологических функциях почв. М.: Наука, 2006. 362 с.

60. Цепина Н.И. Влияние загрязнения серебром на биологические свойства почв Юга России: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук: специальность 03.02.08. Ростов‐на‐Дону, 2020. 21 с.