Биодиагностика эффектов полимерных мелиорантов на агродерново-подзолистую почву при полиметаллическом загрязнении по реакции растений и микроорганизмов

Аннотация

Охарактеризовано влияние полимерных мелиорантов на изменение токсичности агродерново-подзолистой почвы, загрязненной комплексом тяжелых металлов (ТМ). В почву с модельным загрязнением солями меди, цинка, свинца и кадмия (2, 4 и 6 ОДК) вносили гидролизованный полиакрилонитрил (ГИПАН) и бинарную композицию в виде ГИПАН-гумат калия (ГИПАН+СГ, 1:10) в дозе 0,2% по сухому веществу. Контрольные варианты при всех уровнях загрязнения почвы представлены образцами без обработки мелиорантами. Действие полимерных рецептур на снижение токсичности ТМ проявлялось в разной степени в зависимости от уровня загрязнения почвы. Бактериальный биотест с использованием стандартной биолюминесцентной тест-культуры и фитотестирование на проростках высших растений Sinapis alba L. показали положительный эффект препарата ГИПАН+СГ при наивысшей дозе загрязнения – 6 ОДК ТМ. Биоиндикация функционального состояния почвенной микробиоты показала, что мелиоранты снижают микробный метаболический коэффициент до допустимого уровня 2 мкг С-СО2 мг–1·Смик·ч–1, что является важным подтверждением их положительного эффекта на почвенное микробное сообщество. Лабораторное биотестирование незагрязненной почвы, как и при относительно невысоких уровнях загрязнения ТМ, выявило токсичность водной вытяжки образцов с мелиорантами: замедление роста корней и снижение биолюминесценции тест-бактерий. Подчеркивается необходимость дополнительных анализов при рекомендации мелиорантов к применению с целью детоксикации загрязненных почв с учетом полученных в работе результатов.

Литература

1.    Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Рыжова И.М. и др. Углерод микробной биомассы и микробное продуцирование двуокиси углерода дерново-подзолистыми почвами постагрогенных биогеоценозов и коренных ельников южной тайги (Костромская область) // Почвоведение. 2009. № 9.
2.    Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д. Оценка устойчивости микробных сообществ в процессе разложения поллютантов в почве // Почвоведение. 1996. № 11.
3.    Благодатская Е.В., Пампура Т.В., Мякшина Т.Н. и др. Влияние свинца на дыхание и биомассу микроорганизмов серой лесной почвы в многолетнем полевом эксперименте // Почвоведение. 2006. № 5
4.    Васенeв В.И., Ананьева Н.Д., Иващенко К.В. Влияние поллютантов (тяжелые металлы, дизельное топливо) на дыхательную активность конструктоземов // Экология. 2013. № 6.
5.    Гурин А.А., Ляшенко В.И., Домничев Н.В. Снижение пыления действующих хвостохранилищ горно-обогатительных комбинатов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2012. № 5.
6.    Демидов В.В., Панова И.Г., Шульга П.С. и др. Противоэрозионные свойства чернозема, обработанного полиэлектролитными комплексами на основе гуматов калия // Key concepts of soil physics: development, current applications and future prospects. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2019. Т. 368. № 1.
7.    Иващенко К.В. Обилие и дыхательная активность микробного сообщества почвы при антропогенном преобразовании наземных экосистем: Автореф. дис. … канд. биол. наук. Пущино, 2017.  
8.    ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.11-04 – Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению интенсивности бактериальной биолюминесценции тест-системой Эколюм.
9.    Новоскольцева О.А., Панова И.Г., Лойко Н.Г. и др. Полиэлектролиты и поликомплексы для стабилизации песчаных грунтов // Высокомолекулярные соединения. Сер. Б. 2021. Т. 63, № 5.
10.    Панова И.Г., Хайдапова Д.Д., Ильясов Л.О. и др. Полиэлектролитные комплексы гуматов калия и поли(диаллилдиметиламмоний хлорида) для закрепления песчаного грунта // Высокомолекулярные соединения. Сер. Б. 2019. Т. 61, № 6.
11.    Панова И.Г., Ильясов Л.О., Ярославов А.А. Поликомплексные рецептуры для защиты почв от деградации // Высокомолекулярные соединения. Сер. С. 2021. Т. 63, № 2.
12.    Терехова В.А., Кулачкова С.А., Морачевска, Е.В. и др. Методология биодиагностики почв и особенности некоторых методов биоиндикации и биотестирования (обзор) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2023. № 2. https://doi.org/10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-2-35-45
13.    ФР.1.31.2020.38716 «Методика измерений биологической активности почв, субстратов растений, гуминовых веществ методом биотестирования».
14.    Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедева И.И. и др. Классификация и диагностика почв России. Смоленск, 2004.
15.    Якименко О.С., Грузденко Д.А., Степанов А.А. и др. Полиэлектролиты для конструирования искусственных почв // Высокомолекулярные соединения. Сер. С. 2021. Т. 63, № 2.
16.    Anderson T.H., Domsh K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soil // Soil Biol. Biochem. 1978. № 10.
17.    Bondareva L., Kudryasheva N. Direct and indirect detoxification effects of humic substances // Agronomy. 2021. Vol. 11, № 2. https://doi.org/10.3390/agronomy11020198
18.    Delgado M.Z., Aranda F.L., Hernandez-Tenorio F. et al. Polyelectrolytes for Environmental, Agricultural, and Medical Applications // Polymers. 2024. Vol. 16. № 10. https://doi.org/10.3390/polym16101434
19.    Holatko J., Hammerschmiedt T., Datta R. et al. Humic acid mitigates the negative effects of high rates of biochar application on microbial activity // Sustainability. 2020. Vol. 12. № 22. https://doi.org/10.3390/su12229524
20.    Inobeme A. Effect of Heavy Metals on Activities of Soil Microorganism // Adetunji, C.O., Panpatte, D.G., Jhala, Y.K. Microbial Rejuvenation of Polluted Environment. Microorganisms for Sustainability. Springer, Singapore. 2021. Vol. 27. https://doi.org/10.1007/978-981-15-7459-7_6
21.    Izumrudov V.A., Mussabayeva B.K., Kassymova Z.S. et al. Interpolyelectrolyte complexes: Advances and prospects of application // Russian Chemical Reviews. 2019. Vol. 88, № 10.
22.    Jindo K., Olivares F.L., Malcher D.J.D.P. et al. From lab to field: role of humic substances under open-field and greenhouse conditions as biostimulant and biocontrol agent // Front Plant Sci. 2020. Vol. 11. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00426
23.    Kulikova N.A, Perminova I.V. Interactions between humic substances and microorganisms and their implications for nature-like bioremediation technologies // Molecules. 2021. Vol. 26. № 9.
24.    Kulikova N.A, Stepanova E.V, Koroleva O.V. Mitigating activity of humic substances: direct influence on biota // Use of Humic Substances to Remediate Polluted Environments: From Theory to Practice: Proceedings of the NATO Advanced Research Workshop on Use of Humates to Remediate Polluted Environments: From Theory to Practice. Vol. 52. 2005. https://doi.org/10.1007/1-4020-3252-8_14
25.    Novoskoltseva O.A., Loiko N.G., Nikolaev Y.A. et al. Interpolyelectrolyte complexes based on hydrolyzed polyacrylonitrile for anti-erosion stabilization of soils and ground // Polymer International. 2022. Vol. 71(6). https://doi.org/10.1002/pi.6289
26.    Novoskoltseva O., Panova I., Titkina K. et al. Binary soil ameliorants composed of synthetic polyanion and natural humates // Polymer Science., Series B. 2024. Vol. 66(4). https://doi.org/10.1134/S1560090424601353
27.    Panova I.G., Drobyazko A., Spiridonov V. et al. Humics-based interpolyelectrolyte complexes for antierosion protection of soil: Model investigation // Land Degradation and Development. 2019. Vol. 30(3). https://doi.org/10.1002/ldr.3228
28.    Perelomov L.V., Sarkar B., Sizova O.I. et al. Zinc and lead detoxifying abilities of humic substances relevant to environmental bacterial species // Ecotoxicology and environmental safety. 2018. Vol. 151. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.01.018
29.    Perminova I.V. From green chemistry and nature-like technologies towards ecoadaptive chemistry and technology // Pure Appl. Chem. 2019. № 9.
30.    Prudnikova E.V., Neaman A., Terekhova V.A. et al. Root elongation method for the quality assessment of metal-polluted soils: Whole soil or soil-water extract? // Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 2020. Vol. 20. https://doi.org/10.1007/s42729-020-00295-x    
31.    Rose M.T., Patti A.F., Little K.R. et al. A meta-analysis and review of plant-growth response to humic substances: practical implications for agriculture // Adv Agron. 2014. Vol. 124. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800138-7.00002-4
32.    Soares M., Rabow S., Rousk J. Can heavy metal pollution stress reduce microbial carbon-use efficiencies? // Soil Biology and Biochemistry. 2024. Vol. 195. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2024.109458
33.    Tavares O.C., Ribeiro T.G., García-Mina J.M. еt al. Humic acids enrich the plant microbiota with bacterial candidates for the suppression of pathogens // Applied Soil Ecology. 2021. Vol. 168. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2021.104146
34.    Tepe Y., Çebi A. Acrylamide in environmental water: a review on sources, exposure, and public health risks. Exposure and Health 2019. Vol. 11.
35.    Urbano B.F., Bustamante S.E., Palacio D.A. et al. Polymer supports for the removal and degradation of hazardous organic pollutants: An overview // Polym. Int. 2020. Vol. 6. https://doi.org/10.1002/pi.5961
36.    Wang Y., Sakai T., Shibata N. et al. Soil improvement by biomass polyions and compaction: Reinforcement, biodegradation resistance, and retention of heavy metal ions // J. Environmental Chemical Engineering. 2024. Vol. 12(1). 10.1016/j.jece.2023.111676
37.    Xiong B, Loss RD, Shields D, Pawlik T, Hochreiter R, Zydney AL, Kumar M. Polyacrylamide degradation and its implications in environmental systems. NPJ Clean Water. 2018. Vol.1. № 1.
38.     Xu Y, Seshadri B., Bolan N. et al. Microbial functional diversity and carbon use feedback in soils as affected by heavy metals // Environment International. 2019. Vol. 125. https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.01.071
39.    Zhang H., Wang G., Du J., Pei X., Du P., Zhou L. Effects of several polymeric materials on the improvement of the sandy soil under rainfall simulation // J. Environ. Management. 2023. Vol. 345
40.    Yu P.Z. Modification of waste polyacrylonitrile fiber and its application as a filtrate reducer for drilling // Petroleum Science. 2015. Vol. 12.
41.    Huang C. et al. Dynamic Effect of Drilling Fluid Filtrate Reducers on Hydrate Formation // Energy & Fuels. 2024. Vol. 38, № 2.