ВЛИЯНИЕ ЦИАНОБАКТЕРИЙ Anabaena variabilis 21 И Nostoc linckia 4 НА ХИМИЧЕСКИЕ И ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОЧВЫ ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ЛИНДАНОМ (γ-гексахлорциклогексан)

АННОТАЦИЯ

В ходе пятимесячных лабораторных экспериментов in vitro изучено влияние штаммов цианобактерий Anabaena variabilis 21 и Nostoc linckia 4 на химические и ферментативные показатели почвы в условиях загрязнения γ-гексахлорциклогексаном (γ-ГХЦГ, линдан). Инокуляция почвы A. variabilis 21 без пестицида повышала содержание гумуса (от 0,95 до 1,3 %), общего азота (от 0,958 до 1,696 %) и аммиачного азота (от 0,016 до 0,019 %), с увеличением калия (1,721 %) и снижением фосфора (0,068 %). N. linckia 4 проявляла сходные эффекты: гумус 1,2 %, общий азот 1,678 %, аммиачный азот 0,018 %, фосфор 0,064 %, калий 1,723 %. Добавление 1 % γ-ГХЦГ снижало гумус (0,90 %) и общий азот (0,887 %), одновременно повышая аммиачный азот (0,024 %), что указывает на угнетение нитрификации и устойчивость штаммов к пестицидной нагрузке. Ферментативный анализ показал, что внесение цианобактерий стимулировало каталазную активность (A. variabilis 21: 13 мл O₂/г·ч) и пероксидазу (ПО), тогда как γ-ГХЦГ снижал активность ключевых ферментов (каталаза до 8–9,8 мл O₂/г·ч, полифенолоксидазы (ПФО) до 7 мг бензохинона/20 г почвы за 4 ч).

Результаты подтверждают способность A. variabilis 21 и N. linckia 4 улучшать химические и биохимические свойства почвы и свидетельствуют о перспективности их применения в биоремедиации почв, загрязнённых хлорорганическими пестицидами. пестициды.

ABSTRACT

A five-month in vitro study evaluated the effects of cyanobacterial strains Anabaena variabilis 21 and Nostoc linckia 4 on soil chemical and enzymatic parameters under γ-hexachlorocyclohexane (γ-HCH, lindane) contamination. Inoculation with A. variabilis 21 without pesticide increased humus (from 0.95 to 1.3 %), total nitrogen (from 0.958 to 1.696%), and ammonium nitrogen (0.016→0.019 %), with slight potassium increase (1.721 %) and decreased phosphorus (0.068 %). N. linckia 4 showed similar trends: humus 1.2 %, total nitrogen 1.678 %, ammonium nitrogen 0.018 %, phosphorus 0.064 %, potassium 1.723 %. Application of 1 % γ-HCH reduced humus (0.90 %) and total nitrogen (0.887 %) while increasing ammonium nitrogen (0.024 %), indicating inhibited nitrification and partial tolerance of the strains. Enzymatic analysis demonstrated that cyanobacterial inoculation stimulated catalase (A. variabilis 21: 13 ml O_2/g·h) and peroxidase activities, whereas γ-HCH suppressed key enzymes (catalase 8–9.8 ml O₂/g·h, quinone oxidoreductase 7 mg/20 g soil per 4 h).

The results confirm that A. variabilis 21 and N. linckia 4 enhance soil chemical and biochemical properties and highlight their potential for bioremediation of soils contaminated with organochlorine pesticides.

Ключевые слова: цианобактерии, Anabaena variabilis, Nostoc linckia, γ-ГХЦГ, линдан, гумус, азот, ферментативная активность, биоремедиация.

Keywords: cyanobacteria, Anabaena variabilis, Nostoc linckia, γ-HCH, lindane, humus, nitrogen, enzymatic activity, bioremediation.

Введение

Интенсивное применение пестицидов в современном сельском хозяйстве способствует значительному увеличению урожайности, однако приводит к накоплению хлорорганических соединений в почве, среди которых γ-гексахлорциклогексан (линдан) является устойчивым, биоаккумулирующимся и токсичным загрязнителем окружающей среды. Линдан оказывает длительное негативное влияние на почвенные экосистемы, включая нарушение микробных сообществ, снижение ферментативной активности почвы и нарушение циклов углерода и азота, что может приводить к деградации плодородия почвы и ухудшению её здоровья [17,18]. Так, исследования показали, что линдан изменяет структуру микробного сообщества, стимулирует выброс парниковых газов и влияет на биогеохимические процессы в почве, особенно в условиях сложного взаимодействия с другими загрязнителями в агроэкосистемах и условиях наводнений [12].

Широко известно, что применение пестицидов в целом снижает численность почвенных микроорганизмов, уменьшает микробиомассу и ингибирует активность ключевых ферментов, отвечающих за циклы питательных элементов и органическое вещество [25,30]. Например, хлорорганические соединения, включая линдан, оказывают угнетающее воздействие на ферментативные процессы, такие как активность дегидрогеназ, фосфатаз и других важных ферментов, что отражает снижение биогенеза почвы и её способности к саморегуляции [15].

В связи с этим микробиологические методы восстановления загрязнённых почв становятся всё более востребованными. Биоремедиация, включающая биоаугментацию и биостимуляцию, продемонстрировала эффективность в снижении концентрации линдана и восстановлении основных химических и биохимических показателей почвы. Например, использование культур микроорганизмов, обладающих способностью к деградации линдана, приводит к увеличению числа гетеротрофных бактерий, стимулирует ферментативную активность и ускоряет распад токсичного пестицида, что подтверждается значительным снижением периода полураспада γ-ГХЦГ в почве и повышением показателей восстановления биологических функций почвы [20].

Цианобактерии, такие как Anabaena spp. и Nostoc spp., представляют интерес не только как фиксаторы азота, но и как потенциальные агенты улучшения химических свойств почвы через стимуляцию биохимических циклов, повышение доступности элементов питания, а также усиление ферментативной активности и восстановления микробных сообществ. Эти свойства делают их перспективным инструментом для биоремедиации почв, загрязнённых пестицидами и другими ксенобиотиками [13,24,26-28].

Целью настоящего исследования является комплексная оценка влияния штаммов цианобактерий Anabaena variabilis 21 и Nostoc linckia 4 на основные химические (содержание органического углерода, доступного азота и фосфора), ферментативные (каталаза, пероксидаза, полифенолоксидаза) показатели почвы в условиях моделируемого загрязнения пестицидами, в частности γ-ГХЦГ. Это позволит определить потенциал данных штаммов для восстановления почвенных функций и повышения устойчивости агроэкосистем к химическому стрессу.

Материалы и методы

1. Объекты исследования

Для экспериментов использовались штаммы цианобактерий Anabaena variabilis 21 и Nostoc linckia 4, полученные из коллекции культур микроводорослей Института микробиологии [3,4]. Модельная почва была собрана с полевого участка с нейтральной реакцией (pH 6,8–7,2), средней структурой и низким содержанием органического вещества (0,95 % гумуса). В качестве загрязнителя использовался γ-гексахлорциклогексан (γ-ГХЦГ, линдан) высокой чистоты (≥99 %).  

2. Подготовка модельной системы

Модельная система «Почва+Линдан+Цианобактерии» включала следующие варианты:

В (I)     - Контроль (почва без микроорганизмов и пестицида) 

В (II)    - Почва + A. variabilis 21;

В (III)   - Почва + γ-ГХЦГ (1 % массы почвы) + A. variabilis 21;

В (IV)   - Почва + N. linckia 4;

В (V)    - Почва + γ-ГХЦГ + N. linckia 4.

Цианобактерии инокулировали в почву в количестве 10⁷–10⁸ клеток/г почвы. Все варианты выдерживали при 25–28 °C, влажности 60–70 % от полной влагоёмкости, с периодическим перемешиванием, в течение 5 месяцев.

3. Химический анализ почвы

Определение содержание валового фосфора, калия и азота в почве проводили по Мещерякову, усвояемые формы азота, калия по Мачигину-Протасову [7,8].  Содержание гумуса в образцах почвы определялось методом Тюрина, основанным на окислении органического вещества дихроматом калия, согласно ГОСТ 26213–91 [2]. Концентрацию водородных ионов (рН почвы) определяли на рН-метре ОР-211/1 (Венгрия).

4. Определение ферментативной активности

Были определены активности каталазы, пероксидазы (ПО), и полифенолоксидазы (ПФО). Активность каталазы отражает разложение перекиси водорода на воду и кислород, детоксицируя это соединение для почвенных микроорганизмов. ПО катализирует окисление органического вещества через перекись водорода и способствует гумификации. ПФО катализирует окисление фенолов до хинонов, которые конденсируются с аминокислотами и пептидами, образуя первичные гуминовые молекулы [6]. Активность каталазы измеряли газометрически [1], ПО и ПФО оценивали колориметрически [5,9].

5. Статистическая обработка

Данные анализировали с использованием программы Statistica 13.0. Различия между вариантами определяли с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA). Уровень значимости принимался p < 0,05.

Результаты и их обсуждение

Ранее нами было выделено азотфиксирующие цианобактерии рода Anabaena и Nostoc из засоленных и загрязненных пестицидами почв Сырьдарьинской и Кашкадарьинской областей Республики (рис.1) [3,4]. 

а                                                                                           б

Рисунок 1. Микрофотографии местных штаммов цианобактерий Nostoc linckia 4 (а) и Anabaena variabilis 21 (б) (Увеличение:10х40)

В настоящей работе изучено влияние штаммов Anabaena variabilis 21 и Nostoc linckia 4 на основные химические показатели почвы в ходе пятимесячного лабораторного эксперимента in vitro в модельной системе «Почва + γ-ГХЦГ + Цианобактерии». Инокуляция почвы цианобактерией A. variabilis 21 без внесения γ-ГХЦГ сопровождалась выраженным улучшением агрохимических характеристик почвы по сравнению с контролем (табл.1). Отмечено увеличение содержания гумуса с 0,95 до 1,3 %, что свидетельствует об активизации процессов накопления органического вещества. Существенно возросло содержание общего азота — до 1,696 % (против 0,958 % в контроле),

что, вероятно, связано со способностью цианобактерий к биологической фиксации атмосферного азота. Содержание аммиачного азота также несколько увеличилось (0,019 % против 0,016 % в контроле). При этом наблюдалось снижение общего фосфора (P₂O₅) до 0,068 %, что может указывать на его активное вовлечение в метаболические процессы микроорганизмов. Содержание калия, напротив, незначительно возросло и составило 1,721 %.

Таблица 1.

 Химический состав образцов почвы интродуцированной А. variabilis 21 в условиях стресса

Аналогичные тенденции были выявлены при использовании N. linckia 4. В варианте без γ-ГХЦГ содержание гумуса увеличилось до 1,2 %, а общего азота – до 1,678 %, что также подтверждает высокую азотфиксирующую активность данного штамма (табл.2).

Таблица 2.

 Химический состав образцов почвы интродуцированной N. linckia 4 в условиях стресса

При внесении 1 % γ-ГХЦГ наблюдалось снижение содержания гумуса (0,90 %) и общего азота (0,887 %) относительно контрольного варианта, что, как и в случае A. variabilis 21, указывает на токсическое воздействие линдана. Одновременно фиксировалось наибольшее содержание аммиачного азота (0,024 %), что может быть связано с нарушением процессов нитрификации и минерализации азотсодержащих соединений в присутствии γ-ГХЦГ. Содержание фосфора соответствовало уровню варианта с A. variabilis 21 + γ-ГХЦГ, а калий не отличался от контрольных значений.

Полученные результаты согласуются с данными ряда исследований, согласно которым почвенные цианобактерии играют важную роль в формировании органического вещества и азотного режима почв за счёт способности к биологической фиксации атмосферного азота и синтеза экзополисахаридов [11,24,30]. Увеличение содержания гумуса и общего азота в вариантах с Anabaena variabilis 21 и Nostoc linckia 4 без γ-ГХЦГ подтверждает активное участие данных штаммов в процессах биологической трансформации почвенного субстрата.

Снижение содержания общего фосфора в инокулированных вариантах, вероятно, связано с его интенсивным потреблением микроорганизмами для построения клеточных структур и энергетического обмена. Подобные изменения фосфорного режима почвы при развитии цианобактериальных сообществ описаны в работах, посвящённых микробиологической мобилизации элементов питания [14].

Вместе с тем повышение содержания аммиачного азота в загрязнённых вариантах может указывать на нарушение процессов нитрификации и частичную устойчивость исследуемых штаммов к пестицидной нагрузке, что ранее отмечалось для отдельных видов цианобактерий, способных адаптироваться к присутствию ксенобиотиков [16,25].

Далее анализ ферментативной активности почвы показал, что внесение цианобактериальных штаммов Anabaena variabilis 21 и Nostoc linckia 4 оказывает стимулирующее влияние на окислительно-восстановительные процессы в почвенной системе (рис.2).

Активность каталазы в контрольном варианте составила около 11 мл O_2/г почвы·ч. При внесении A. variabilis 21 данный показатель увеличивался до 13 мл O₂/г·ч, что свидетельствует об усилении процессов разложения перекиси водорода и активации аэробного метаболизма.

Вариант с добавлением 1% γ-ГХЦГ характеризовался снижением каталазной активности (до 9,8 мл O_2/г·ч), однако интродукция штамма способствовала частичному восстановлению показателя по сравнению с загрязнённым фоном.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что загрязнение почвы линданом оказывает существенное отрицательное влияние на ферментативную активность почвы, что согласуется с современными исследованиями. Так, в моделях загрязненных почв γ-ГХЦГ ухудшает структуру микробных сообществ и снижает биохимические процессы, что проявляется уменьшением активности ключевых ферментов, в том числе дегидрогеназ и оксидоредуктаз, отражающих жизнеспособность микробиоты и интенсивность её метаболизма [10,21,31].

Рисунок 2. Фементатиная активность в модельной системе (in vitro) «Почва+ γ-ГХЦГ+Цианобактерии»

Аналогичная тенденция наблюдалась при использовании N. linckia 4. В незагрязнённой почве активность каталазы возрастала до 12–12,5 мл O₂/г почвы час, тогда как при наличии γ-ГХЦГ отмечалось снижение до 8 мл O₂/г·ч, что указывает на ингибирующее действие пестицида на ферментативные процессы. ПФО и ПО активности также изменялись в зависимости от варианта опыта. Внесение цианобактериальных культур в незагрязнённую почву сопровождалось повышением активности ПО (до 11–12 мг бензохинона/20 г почвы за 4 ч) по сравнению с контролем (9 мг). При загрязнении γ-ГХЦГ наблюдалось снижение активности ПФО, особенно выраженное в варианте с N. linckia 4 (до 7 мг бензохинона/20 г почвы за 4 ч).

Современные исследования подчеркивают, что линдан влияет не только на структуру микробных сообществ, но и на углеродный цикл почвы: в присутствии линдана наблюдается изменение продукций метанa и СО₂, что указывает на глубокие сдвиги в микробной функциональности - данные, полученные при изучении совместного воздействия γ-ГХЦГ и микропластиков на почвенные процессы, показывают стимуляцию некоторых метаболических путей у почвенной микробиоты [13,19].

Заключение

Таким образом, оба штамма цианобактерий – A. variabilis 21 и N. linckia 4 – в незагрязнённой почве способствовали накоплению гумуса и азота, улучшая её агрохимическое состояние. Присутствие γ-ГХЦГ существенно снижало выраженность положительного эффекта, однако не полностью подавляло метаболическую активность цианобактерий, что проявлялось в повышенном содержании аммиачного азота и относительной стабилизации фосфорно-калийного режима почвы. Это указывает на потенциальную устойчивость исследуемых штаммов к пестицидной нагрузке и их перспективность для биоремедиационных технологий. Полученные результаты подтверждают, что линдан оказывает токсическое воздействие на ферментативные компоненты почвы, но участие экзогенных микроорганизмов, таких как цианобактерии, может частично компенсировать угнетение ферментативной активности. Эти выводы согласуются с современными тенденциями в биоремедиации загрязнённых почв, согласно которым повышение общей биологической активности способствует эффективному снижению токсичности хлорорганических загрязнителей и восстановлению почвенных функций.

Благодарность: работа выполнена на основе базового финансирования Академии Наук Республики Узбекистан.

Список литературы:

1. Галстян, А.Ш. Итоги изучения биологической активности почв. 1983, с. 41–59.
2. ГОСТ 26213-91. (1991). Почвы. Методы определения органического вещества. Москва: Стандартинформ.
3. Кадырова Г.Х. Таксономия и некоторые свойства местных азотфиксирующих цианобактерий рода Nostoc. ДАН АН РУз, 2012, №1, с. 71–75.
4. Кадырова Г.Х., Коробкова Е.С. Идентификация цианобактерий рода Anabaena, выделенных из ризосферы хлопчатника. Укр. микробиол. журн., 2013, Т. 75, №1, с. 48–53.
5. Карагина Л.А., Михайловская Н.А. Определение активности полифенолоксидазы и пероксидазы в почве. Вести Академии Наук БССР. Серия Сельскохозяйственных наук, 1986, 2, с. 40–41.
6. Ковриго В.П., Ковриго В.П., Кауричев И.С., Бурлакова Л.М. Почвоведение с основами геологии. Москва: Колос, 2000. 416 с.
7. Пискунов, А.С. Методы агрохимических исследований. М.: Колос, 2004. 312 с.
8. Соколов А.В. Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. 654 с.
9. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. Москва: Наука, 1990. 186 с.
10. Alicia Checa-Fernández, Jose R. Quintana, I. Dolcet Llerena, Aurora Santos, Inmaculada Valverde-Asenjo, Carmen M. Domínguez. Sustainable bioremediation of HCHs-contaminated soils using organic amendments: A circular economy approach. Process Safety and Environmental Protection, 2026, 207, 108412. https://doi.org/10.1016/j.psep.2026.108412
11. Garcia, M.; Bruna, P.; Duran, P.; Abanto, M. Cyanobacteria and Soil Restoration: Bridging Molecular Insights with Practical Solutions. Microorganisms, 2025, 13, 1468. https://doi.org/10.3390/microorganisms13071468
12. Hou, Q., Wei, J., You, Y., Zhou, H., et al. Impact of co-occurrence of microplastics and lindane on lindane biodegradation and soil carbon cycling in flooding environments. Journal of Hazardous Materials, 2025, 498, 139849.
13. Kadirova Gulchekhra, Kim Andrey, Lorenz Adrian, Rasulov Bakhtiyor. Functioning of Salt Tolerant Anabaena variabilis and Nostoc calcicola Strains in Salt Stress, Destructors of Hexachlorocyclohexane (HCH) in Saline Conditions. Environment and Natural Resources Research, Vol. 2, No. 1, 2012, p. 63–72.
14. Kumar K., Maiti S.K. Availability of phosphorus in soil amended with cyanobacteria. Biology and Fertility of Soils, 2015, 51, p. 191–200.
15. Meena, R.S.; Kumar, S.; Datta, R.; Lal, R.; Vijayakumar, V.; Brtnicky, M.; Sharma, M.P.; Yadav, G.S.; Jhariya, M.K.; Jangir, C.K., et al. Impact of Agrochemicals on Soil Microbiota and Management: A Review. Land, 2020, 9, 34. https://doi.org/10.3390/land9020034
16. Megharaj M., Ramakrishnan B., Venkateswarlu K., Sethunathan N., Naidu R. Bioremediation approaches for organic pollutants: a critical perspective. Environment International, 2011, 37, p. 1362–1375.
17. Muñoz-Bautista, J.M.; Bernal-Mercado, A.T.; Martínez-Cruz, O.; Burgos-Hernández, A.; López-Zavala, A.A.; Ruiz-Cruz, S.; Ornelas-Paz, J.d.J.; Borboa-Flores, J.; Ramos-Enríquez, J.R.; Del-Toro-Sánchez, C.L. Environmental and Health Impacts of Pesticides and Nanotechnology as an Alternative in Agriculture. Agronomy, 2025, 15, 1878. https://doi.org/10.3390/agronomy15081878
18. Pathak VM, Verma VK, Rawat BS, Kaur B, Babu N, Sharma A, Dewali S, Yadav M, Kumari R, Singh S, Mohapatra A, Pandey V, Rana N, Cunill JM. Current status of pesticide effects on environment, human health and its eco-friendly management as bioremediation: A comprehensive review. Front Microbiol, 2022, 13, 962619. doi: 10.3389/fmicb.2022.962619
19. Puentes Jácome LA, Lomheim L, Gaspard S, Edwards EA. Biodegradation of Lindane (γ-Hexachlorocyclohexane) To Nontoxic End Products by Sequential Treatment with Three Mixed Anaerobic Microbial Cultures. Environ Sci Technol, 2021, 55(5), 2968–2979. doi: 10.1021/acs.est.0c07221
20. Raimondo, E.E., Saez, J.M., Aparicio, J.D., Fuentes, M.S., Benimeli, C.S. Bioremediation of lindane-contaminated soils by combining bioaugmentation and biostimulation: Effective scaling-up from microcosms to mesocosms. Journal of Environmental Management, 2020, 276, 111309.
21. Rochika Pannu, Dharmender Kumar. Biodegradation of lindane (γ-Hexachlorocyclohexane) and other isomers by Bacillus subtilis strain Mz-13i. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 2023, 48, 102630. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2023.102630
22. Roy A, Vajpayee P, Srivastava S, Srivastava PK. Revelation of bioremediation approaches for hexachlorocyclohexane degradation in soil. World J Microbiol Biotechnol, 2023, 39(9), 243. doi: 10.1007/s11274-023-03692-3
23. Singh J.S., Kumar A., Rai A.N., Singh D.P. Cyanobacteria: a precious bio-resource in agriculture, ecosystem, and environmental sustainability. Front Microbiol, 2016, 7, 529. doi: 10.3389/fmicb.2016.00529
24. Subashchandrabose S.R., et al. Biodegradation of pesticides by cyanobacteria: mechanisms and prospects. Journal of Hazardous Materials, 2013, 261, p. 825–834.
25. Swaine M, Bergna A, Oyserman B, Vasileiadis S, Karas PA, Screpanti C, Karpouzas DG. Impact of pesticides on soil health: identification of key soil microbial indicators for ecotoxicological assessment strategies through meta-analysis. FEMS Microbiol Ecol, 2025, 101(6), fiaf052. doi: 10.1093/femsec/fiaf052
26. Świca, I.; Kazimierowicz, J.; Dębowski, M. Prospects and Potential for the Use of Microalgae and Cyanobacteria Biomass in Agriculture. Phycology, 2026, 6, 19. https://doi.org/10.3390/phycology6010019
27. Taufiq Nawaz, Shah Saud, Liping Gu, Imran Khan, Shah Fahad, Ruanbao Zhou. Cyanobacteria: Harnessing the power of microorganisms for plant growth promotion, stress alleviation, and phytoremediation in the era of sustainable agriculture. Plant Stress, 2024, 11, 100399. https://doi.org/10.1016/j.stress.2024.100399
28. Usmonkulova Aziza, Shonakhunov Tulkin, Kadirova Gulchekhra. Activity of nitrogen-fixing cyanobacteria under salinity and heavy metals stress. J PHARM NEGATIVE RESULTS, 2022;13:355-363. DOI: 10.47750/pnr.2022.13.03.055
29. Whitton B.A., Potts M. Introduction to the cyanobacteria. In: The Ecology of Cyanobacteria. Dordrecht: Springer, 2000, p. 1–11.
30. Yasir, M.; Hossain, A.; Pratap-Singh, A. Pesticide Degradation: Impacts on Soil Fertility and Nutrient Cycling. Environments, 2025, 12, 272. https://doi.org/10.3390/environments12080