Soil pollution-in-situ-enzyme

1. “In-situ” тогтворжуулах технологиор үйлчилсэн
хөрсний дээжинд ферментийн идэвхи ба хүнд
металлын өөрчлөлтийг тодорхойлсон үр дүнгээс
ШИНЖЛЭХ УХААНЫ АКАДЕМИ
ФИЗИК ТЕХНОЛОГИЙН ХҮРЭЭЛЭН
БИОФИЗИКИЙН САЛБАР
АТОМ СПЕКТРОСКОПИЙН ЛАБОРАТОРИ
Илтгэгч: Б. Энхзул
Удирдагч: Доктор, Б. Хүүхэнхүү
ФТХ-Залуу судлаачдын семинар
2016. 11. 16

2. Агуулга
• Ажлын үндэслэл
• Зорилго, зорилт
• Туршилт, аргазүй
1. Ферментийн идэвхи-UV/Vis спектрофотометрийн аргаар
2. рН-потенциометрийн аргаар
3. Ялзмаг-жингийн аргаар
4. Хүнд металл-АШС-ийн аргаар
• Үр дүн, хэлэлцүүлэг
1. Хөрсний шинж чанарын өөрчлөлт
2. Элементийн агуулга
3. Элементийн тогтворжилт ба хортой чанарын өөрчлөлт
4. Элементийн хортой чанарын өөрчлөлт ба хөрсний шинж чанар хоорондын хамаарал
• Дүгнэлт
• Ашигласан материал

3. Ажлын үндэслэл
• Өнөөгийн байдлаар хөрсний бохирдол нь бүх нийтийн анхаарлыг
татсан асуудал болж байна.
• Бохирдлыг бууруулах, хөрсийг нөхөн сэргээх технологи сүүлийн үед
эрчимтэй хөгжиж байгаа.
• Хөрсний бохирдлыг бууруулах “in-situ” технологийн тогтворжуулах
аргаар Улаанбаатар хотын өнгөн хөрсний хүнд элементийн
бохирдолыг бууруулах туршилт судалгааг явуулах:
Хөрсөн дөх хүнд элементийг хялбар уусдаггүй нэгдлийн хэлбэрт
шилжүүлэх /сөрөг нөлөөг бууруулах/
Хөрсний бичил орчинг сайжруулах

4. “In-situ” тогтворжуулах технологиор боловсруулсан хөрсний дээжинд ферментийн
идэвхи ба хүнд металлын өөрчлөлтийг тодорхойлох
Зорилго:
Зорилт:
• Бохирдолтой хөрсөнд “in-situ” тогтворжуулах технологийн аргаар
боловсруулалт хийх
• Боловсруулалт хийсэн дээжин дэх
1. Хөрсний шинж чанарын (Фермент, ялзмаг, pH) өөрчлөлтийг судлах
2. Хүнд элементүүд (Cd, Ni, Pb, Cu)-ийн хүчилд уусдаг, солилцлын ба
чөлөөт ионы агуулга тодорхойлох

5. Фермент
Фермент нь бодисын солилцооны биохимийн урвалуудын хурдыг
түргэсгэгч биологийн хурдасгуур юм
Зураг 1. Хөрсөн дэх ферментийн үйлчлэл
Хөрсөнд лигнин, полисахаридын уураг,
полифенолт нэгдлүүд нь
оксидоредуктазийн ангийн ферментээр
исэлдэн ангижирч хөрсөнд шингэдэг.

6. Хөрсний бохирдол ба ферментийн үйлчлэл
• Хүнд металлаар хөрс бохирдох нь хөрсний зүйл бүрийн
микроорганизмын тоог өөрчилдөг ингэхийн хэрээр ферментийн
идэвхи өөрчлөгдгийг олон судлаачид тогтоосон (Dick et al 2007., Vogerel
et al 2008., Fu et al 2009., Lu et al 2009., Jiang et al 2010.)
• Хөрсөн дэх хүнд металлын нийт агуулга нь хөрсөн дэх химийн
элемент, биогеохимийн эргэлт, хөрсний нас, органик бодис, хөрсний
рН, микробын идэвхи зэргээс хамаарна.
• Хөрсөнд
оскиредуктацийн ангийн дегидрогеназа, каталаза,
гидролизийн ангийн хүчиллэг фосфатаза, шүлтлэг фосфатаза, уреаза,
арилсульфатаза зэрэг ферментүүд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг (Renella et al 2006.,
Kumpiene et al 2009., Dict et al 2000).

7. Хөрсний бохирдол ба ферментийн үйлчлэл
• Хөрс бохирдуулагч металл нь ферментийн янз бүрийн үйлчлэлд хүчтэй дарангуйлал
үзүүлдэг (Yang et al 2006).
Металлын хортой нөлөө нь:
• Ферментийн идэвхитэй төвийг хаана.
• Эсийн үйл ажиллагаанд чухал үүрэгтэй катионыг салгана.
• Эсийн үйл ажиллагааг идэвхгүйжүүлнэ. Жишээ нь: Кадми-эсийн наалдамхай шинж чанарыг зогсоох,
Хром-ДНХ-тэй шууд холбогдоно, Ванадий-уургийн фосфатаза ферментийн сайтад холбогдоно
(Beyersmann 2008.,).
Зураг 2. Хөрсөн дэх уреаза
ферментийн үйлчлэл
Зураг 3. Хөрсөн дэх каталаза
ферментийн үйлчлэл

8. Тогтворжуулагчийг сонгох
3 төрлийн тогтворжуулагч материал хэрэглэсэн :
1. Аргал /100 % Органик бордоо, өөртөө шингээх чадвар сайтай/
2. Гумат /Эрдэс тэжээлийн элементүүд ба уусдаггүй бодис/
3. Төмрийн исэл Fe2O3 /гадаргуун талбай ихтэй, электрон донорын шинж чанартай/
Химийн тогтворжуулах технологоор боловсруулалт хийх:
Хөрс ба тогтворжуулагч 2-ийн харьцаа
10:1 байхаар тооцож боловсруулалт хийсэн.
Үйлчлэлийн хугацааг нэг сараар шалгасан
Боловсруулалт хийсэн дээжинд шинжилгээ хийх:
Хүнд элементүүдийн
Хүчилд уусдаг агуулга (1N HNO3)
Солилцолын ион (Ацетатын буфер)
чөлөөт ионы (H2O) агуулгуудыг тодорхойлох
Хөрсний физик-химийн процессын судалгаа хийх
(pH, ферментийн идэвх, ялзмаг)

9. Specord Plus-200 UV/Vis спектрофотометр дээр ферментийн идэвх тодорхойлох
аргазүйн дараалал
ТУРШИЛТ, АРГАЗҮЙ
Манай лабораторид байгаа
спектрофотометр нь Macro
болон WinAspect Plus гэсэн хоёр
программтай. Macro программ
дээр шар айрагний анхдагч,
ферментийн идэвхиийн аргазүй
боловсруулж тодорхойлж болох
давуу талтай. Энд Ферментийн
аргазүй боловсруулсан
дараалал харагдаж байна.

10. 1 г хөрсний
дээж
0.75 мл цитратын буфер (pH=6.7)+ 1 мл 10 % Мочевин0.25 мл толуол
370С-д 3 цаг
инкубацилах
Хандалсан
дээж100мл нэрсэн ус10 мл нэрсэн ус
шүүнэ
1мл Шүүгдэс
3 мл NaOCl
4 мл натрийн фенол
+
+
++
++
578 нм-т
гэрлийн
шингээлт үзэх
ТУРШИЛТ, СУДАЛГАА
Specord Plus-200 UV/Vis спектрофотометр багаж дээр Уреаза
фермент тодорхойлоход дээж бэлтгэх

11. ТУРШИЛТ, СУДАЛГАА
Specord Plus-200 UV/Vis спектрофотометр багаж дээр
Каталаза фермент тодорхойлоход дээж бэлтгэх
1 г хөрсний
дээж
10 мл фосфатын буфер (pH=7.4)+
10 мин
центерфугдах
0.5 мл 2 mМ H2O2
0.5 мл нэрсэн ус
+
480 нм-т
гэрлийн
шингээлт үзэх
1 мл шүүгдэс +
1 мл 6 N H2SO4 +7 мл 0.1 N KMnO4
+
Каталаза фермент тодорхойлоход харьцуулах уусмал бэлтгэх
0.5 мл нэрсэн ус
480 нм-т
гэрлийн
шингээлт үзэх
1 мл 6 N H2SO4 +7 мл 0.1 N KMnO4 +5.5 мл фосфатын буфер (pH=7)+

12. Дээрх хоёр аргазүйг 2015 онд Хятадын эрдэмтдийн хэвлүүлсэн доорх бүтээл
дээрх аргазүйн дарааллаар хийсэн байгаа.

13. Үр дүн

14. Тайлбар:Боловсруулаагүй дээж болон
боловсруулсан дээжний рН-ийг харьцуулж үзэхэд
Төмрийн ислээр боловсруулсан дээжинд нэмэгдсэн
байхад аргал болон гуматаар боловсруулсан
дээжинд буурсан байна.
Тайлбар:Боловсруулаагүй дээж болон
боловсруулсан дээжний ялзмагийн агуулгыг
харьцуулж үзэхэд харилцан адилгүй өссөн байна.

15. Тайлбар:Боловсруулаагүй дээж болон
боловсруулсан дээжний каталаза ферментийн
идэвхийг харьцуулж үзэхэд харилцан адилгүй өссөн
байна.
Тайлбар:Боловсруулаагүй дээж болон
боловсруулсан дээжний уреаза ферментийн
идэвхийг харьцуулж үзэхэд гумат болон төмрийн
ислээр боловсруулсан дээжинд нэмэгдсэн байхад
аргал боловсруулсан дээжинд буурсан байна.

16. Хүснэгт 1. Хөрсөн дэх элементийг орших хэлбэрээр нь хамааруулж тодорхойлсон үр дүнгээс
Тайлбар: Хөрсөн дэх хүнд элементийг орших хэлбэрээр нь тодорхойлоход боловсруулаагүй дээж болон
боловсруулсан дээжний элементийг харьцуулахад хартугалагний агууламж жигд өссөн, никелийн агуулга
гуматаар боловсруулсан дээжинд их агуулгатай гарсан байна.

17. График 5. Cu, Pb, Ni зэрэг хүнд металлын тогтворжилт ба сөрөг
нөлөөллийн бууралт
Тайлбар: Дээж дэх Cu, Pb, Ni зэрэг хүнд металлын тогтворжилт ба сөрөг нөлөөллийн бууралтыг хөдлөлзүйн
фактораар нь тодорхойлоход харилцан адилгүй байна.

18. График 6. Cd-ийн тогтворжилт ба сөрөг нөлөөллийн бууралт
Тайлбар: Дээж дэх Cd зэрэг хүнд металлын тогтворжилт ба сөрөг нөлөөллийн бууралтыг хөдлөлзүйн
фактораар нь тодорхойлоход усанд уусдаг агуулга буюу чөлөөт ионы агуулга 10-30%-иар буурсан байна.
Харин буферт уусдаг агуулга буюу ион солилцлын агуулга төмрийн исэл дээр 10%, аргал болон гуматаар
боловсруулсан дээжинд 30-40%-иар нэмэгдсэн байна.

19. Зураг 1. Хөрсөн дөх Cd болон каталаза,
уреаза ферментийн хамаарал
Тайлбар: Cd- хөрсний орчин (pH) –тай эерэг,
Ялзмаг ба ферментийн идэвхтэй сөрөг хамааралтай байна.

20. Зураг 2. Хөрсөн дөх Pb болон каталаза,
уреаза ферментийн хамаарал
Тайлбар: Pb- хөрсний орчин (pH) –тай сөрөг,
Ялзмаг ба ферментийн идэвхтэй эерэг хамааралтай байна.

21. Зураг 3. Хөрсөн дөх Ni болон каталаза,
уреаза ферментийн хамаарал
Тайлбар: Ni- хөрсний орчин (pH) –тай сөрөг,
Ялзмаг ба ферментийн идэвхтэй эерэг хамааралтай байна.

22. Зураг 4. Хөрсөн дөх Cu болон каталаза,
уреаза ферментийн хамаарал
Тайлбар: Cu- хөрсний орчин (pH) –тай сөрөг,
Ялзмаг ба ферментийн идэвхтэй эерэг хамааралтай байна.

23. Хөрсний фермент ба хүнд элементийн хамаарлын
судлагдсан байдал
Хотын хөрс
/Бидний судалгаа, 2016/
Хотын хөрс
/Gulser et al, 2008/
Хөдөө аж ахуйн хөрс
/Kizilkaya et al., 2004/
Cd Ni Cu Pb Cd Ni Cu Pb Cd Ni Cu Pb
Уреаза -0.3256 0.6919 0.3887 0.5712 -0.206 -0.266 -0.298 -0.369 -0.216 0.040 0.045 -0.166
Каталаза -0.6285 0.9516 0.9695 0.9745 -0.605 -0.423 -0.497 -0.489
Тайлбар: Хөрсний фермент болон хүнд элементийн хамаарлыг бусад судалгаатай харьцуулж үзэхэд кадмийн
хувьд Каталаза болон уреаза ферментийн гол саатуулагч учраас сөрөг хамааралтай, Ni, Cu, Pb-ийн хувьд
Турк улсын хотын хөрсөнд фермен сөрөг хамаарталтай байхад бидний судалгаагаар эерэг хамааралтай
гарсан нь тогтворжуулагч нэмж өгсөнтэй холбоотой юм.
Хөдөө аж ахуйн хөрстэй харьцуулахад хүнд металл болон ферментийн хамаарал харилцан адилгүй байна.

24. Дүгнэлт
• Улаанбаатар хотын бохирдолтой хөрсөнд “In-situ” тогтворжуулах (Гумат, Төмөр,
Аргал) технологиор үйлчилсэн хөрсний дээжинд хүнд металлын сөрөг
нөлөөллийн бууралт нь Cd-ийн хувьд жигд буураад, Pb, Cu, Ni-ийн хувьд
тогтворжуулагчаас хамаараад харилцан адилгүй байна.
• Улаанбаатар хотын бохирдолтой хөрсөнд “In-situ” тогтворжуулах (Гумат, Төмөр,
Аргал) технологиор үйлчилсэн хөрсний дээжинд ферментийн идэвхи:
 каталаза ферментийн идэвхи өссөн байхад,
 уреаза ферментийн идэвхи аргалаар боловсруулсан дээжинд буураад, төмөр болон гуматаар
боловсруулсан дээжинд нэмэгдсэн байна.
• Дээжний хүнд элемент,
Ялзмаг, фермент – Cd сөрөг, Cu Pb Ni эерэг
рН- Cd эерэг, Cu Pb Ni нь сөрөг хамааралтай байсан.
• Хөрсөнд pH, ялзмаг, фермент, хүнд металлын хамаарлын харьцуулалтыг үзснээр
хөрсөн дөх хүнд элементийн хортой чанар хэрхэн буурч байгааг, энэ хэмжээгээр
хөрсний шинж чанар хэрхэн сайжирч байгааг харж болно.

25. Ашигласан материал:
1. Beyersmann D., Hartwig A., “Carcinogenic metal compounds: recent insight into molecular and cellular mechanisms”, Arch Toxicol (2008) 82:493–512
2. Cordova A., Alvarez-Mon M., “Behaviour of Zinc in Physical Exercise: A special reference to immunity and fatigue”, Neuriscience and Biobehavioral Reviews, (1995) Vol.19, №3, p.439-445.
3. Das Sh. K., Varma A. “Role of Enzymes in Maintaining Soil Health” Chapter 2. Soil Enzymology, Soil Biology 22, (2011).p25-42
4. Dick W.A, Cheng L, Wang P., “Soil acid and alkaline phosphatase activity as pH adjustment indicators”, Soil Biology & Biochemistry 32 (2000) 1915–1919.
5. Fu L., Yang W., and Wei Y., “Effects of copper pollution on the activity of soil invertase and urease in loquat orchards”, Chin.J.Geochem.(2009)28:076–080.
6. Guala S., Vega F.A., Covelo E.F. “Modeling the plant–soil interaction in presence of heavy metal pollution and acidity variations”, Environ Monit Assess (2013) 185:73–80
7. Gülser F., Erdoğan E., “The effect of heavy metal pollution on enzyme activities and basal soil respiration of roadside soils”, Environ Monit Assess (2008) 145:127-133
8. Hinojosa M., Carreir A., Dick R., “Soil moisture pre-treatment effects on enzyme activities as indicators of heavy metal-contaminated and reclaimed soils”, Soil Biology & Biochemistry 36 (2004) 1559–1568
9. Jiang J. P., Wu L. H., Li N., Luo Y. M., Liu L., Zhao Q. G., Christie, P. (2010). “Effects of multiple heavy metal contamination and repeated phytoextraction by Sedum plumbizincicola on soil microbial
properties”. European Journal of Soil Biology, 46(1), 18-26.
10. McCall K.A., Huang Ch., Fierke C.A., “Zinc and Health: Current Status and Future Directions: Function and Mechanism of Zinc Metalloenzymes”, American Society for Nutritional Sciences (2000), p. 1437s-
1446s
11. Nannipieri P., Kandeler E., Ruggiero P., “Enzyme Activity and Microbiological and Biochemical Processes in Soil ”, (2002) Marcel Dekker, Inc.p.22-47
12. Rao M.A, Scelza R., Scotti R. and. Gianfreda L., “Role of enzymes in the remediation of polluted environments”., J. soil sci. plant nutr. 10 (3): 333- 353 (2010)
13. Renella G., Egamberdiyeva D., Landi L., Mench M., Nannipieri P., “Microbial activity and hydrolase activities during decomposition of root exudates released by an artificial root surface in Cd-contaminated
soils”, Soil Biology & Biochemistry 38 (2006) 702–708.
14. Rıdvan Kızılkaya, Tayfun As¸kın , Betül Bayraklı, Mustafa Sag˘lam., “Microbiological characteristics of soils contaminated with heavy metals” European Journal of Soil Biology 40 (2004) 95–102
15. Sekler I., Stefano L Sensi, Michal Hershfinkel, and William F Silverman., “Mechanism and Regulation of Cellular Zinc Transport”. Mol Med., (2007) 13 (7-8) 337-343.
16. Shen G., Lu Y ., Zhou Q., Hong J., “Interaction of polycyclic aromatic hydrocarbons and heavy metals on soil enzyme”, Chemosphere 61 (2005) 1175–1182.
17. Tabatabai M. A., “Effects of trace elements on urease activity in soils”, Soil Biol.Biochem V.9 (1977) 9-13.
18. Trasar-Cepeda C., Leiro M.C., Seoane S., Gil-Sotres F., “Limitations of soil enzymes as indicators of soil pollution”, Soil Biology & Biochemistry 32 (2000) 1867–1875
19. Vig K., Megharaj M., Sethunathan N., Naidu R., “Bioavailability and toxicity of cadmium to microorganisms and their activities in soil: a review”, Advances in Environmental Research, 8 (2003) p.121–135
20. Wyszkowska J, Borowik A., Kucharski M., Kucharski J., “Effect Of Cadmium, Copper And Zinc On Plants, Soil Microorganisms And Soil Enzymes”. (2013) J. Elem. s. 769–796
21. Yang Z., Liu Sh., Zheng D., Feng Sh., “Effects of cadium, zinc and lead on soil enzyme activities”, Journal of Envorenmental Sciences, (2006)Vol. 18 №6, p.1135-1141.
22. Zalewska M., “Response Of Perennial Ryegrass (Lolium Perenne L.) to Soil Contamination With Zinc”, J. Elem. s. 329–343

26. Анхаарал хандуулсан
таньд баярлалаа.
Талархал:
Туршилтын хугацаанд тусалж дэмжиж байсан
Доктор (Ph.D) Б.Хүүхэнхүү удирдагчтай
Атомын спектроскопийн лабораторийн
хамт олондоо гүн талархал илэрхийлье