1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Почвоведение
  4. № 8, 2023

Почвоведение, 2023, № 8, стр. 997-1006

Оценка устойчивости почв к загрязнению наночастицами платины методами биодиагностики

А. Н. Тимошенко a, *, С. И. Колесников a, В. С. Кабакова a, Н. А. Евстегнеева a, Т. В. Минникова a, К. Ш. Казеев a, Т. М. Минкина a

a Южный федеральный университет, Академия биологии и биотехнологий им. Д.И. Ивановского
344090 Ростов-на-Дону, пр-т Стачки, 194/1, Россия

* E-mail: aly9215@mail.ru

Поступила в редакцию 10.02.2023
После доработки 06.04.2023
Принята к публикации 07.04.2023

Аннотация

Дана оценка устойчивости почв юга России, различающихся по гранулометрическому составу, содержанию органического вещества и реакции среды к загрязнению наночастицами платины (PtНЧ) по биологическим показателям. Провели лабораторные модельные исследования устойчивости к загрязнению PtНЧ образцов почв из слоя 0–10 см, контрастных по генетическим характеристикам: чернозема обыкновенного (Haplic Chernozem (Loamic)), бурой лесной (Eutric Cambisol) и серопесков (Eutric Arenosol). Исследовали концентрации PtНЧ 0.01, 0.1, 1, 10 и 100 мг/кг. Устойчивость почв оценивали по наиболее чувствительным и информативным биологическим показателям состояния почвы: общей численности бактерий, активности каталазы и дегидрогеназ, всхожести и изменению длины корней редиса. Установили, что низкие концентрации PtНЧ 0.01, 0.1 и 1 мг/кг в большинстве случаев не оказывают достоверного влияния на биологическое состояние почв, а бóльшие дозы 10 и 100 мг/кг приводят к снижению биологических показателей. Ферментативная активность почв при загрязнении PtНЧ была снижалась в меньшей степени, чем фитотоксические и микробиологические показатели. Чернозем обыкновенный проявил большую устойчивость к загрязнению PtНЧ, чем бурая лесная почва и серопески. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования экологических рисков при загрязнении почв PtНЧ и разработки предельно допустимых концентраций платины в различных почвах.

Ключевые слова: экотоксичность, тяжелые металлы, биотестирование, биологические свойства

Список литературы

  1. Буренина А.А., Воронова А.О., Астафурова Т.П. Морфофизиологические эффекты при воздействии наночастиц платины на проростки пшеницы // Сб. науч. тр. по материалам научной конференции, посвященной 100-летию кафедры физиологии растений и микроорганизмов Пермского гос. национ. исслед. ун-та. 18–19 октября 2017 г. Пермь, 2017. С. 9–11.

  2. Галактионова Л.В., Губайдуллина И.З., Лебедев С.В., Гавриш И.А. Воздействие наночастиц цинка на морфометрические показатели и пигментный аппарат Raphanus sativus L., Lepidium sativum L. и Avena sativa L. // Известия ОГАУ. 2017. № 2. С. 203–205.

  3. Казеев К.Ш., Колесников С.И. Биодиагностика почв: методология и методы исследований. Ростов-на-Дону: Изд-во Южного фед. ун-та, 2012. 260 с.

  4. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. 232 с.

  5. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Татосян М.Л., Вальков В.Ф. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на биологическое состояние чернозема обыкновенного // Почвоведение. 2006. № 5. С. 616–620.

  6. 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. № 8. С. 986–992. https://doi.org/10.1134/S0032180X19080094

  7. Кубракова И.В., Тютюнник О.А., Кощеева И.Я., Садагов А.Ю., Набиуллина С.Н. Миграционное поведение платиновых металлов в природно-техногенных системах // Геохимия. 2017. № 1. С. 68–85. https://doi.org/10.7868/S0016752516120050

  8. Куликова Н.А. Наночастицы серебра в почве: поступление, трансформация, токсичность // Почвоведение. 2021. № 3. С. 304–319. https://doi.org/10.31857/S0032180X21030096

  9. Ладонин Д.В. Элементы платиновой группы в почвах и уличной пыли Юго-Восточного административного округа г. Москвы // Почвоведение. 2018. № 3. С. 274–283. https://doi.org/10.7868/S0032180X18030024

  10. Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Назаренко О.Г. Взаимодействие тяжелых металлов с органическим веществом чернозема обыкновенного // Почвоведение. 2006. № 7. С. 804–811.

  11. Плеханова И.О., Золотарева О.А., Тарасенко И.Д., Яковлев А.С. Оценка экотоксичности почв в условиях загрязнения тяжелыми металлами // Почвоведение. 2019. № 10. С. 1243–1258. https://doi.org/10.1134/S0032180X19100083

  12. Терехова В.А., Прудникова Е.В., Кирюшина А.П., Карпухин М.М., Плеханова И.О., Якименко О.С. Фитотоксичность тяжелых металлов в дерново-подзолистых почвах разной степени окультуренности // Почвоведение. 2021. № 6. С. 757–768. https://doi.org/10.31857/S0032180X21060137

  13. Тимошенко А., Колесников С., Вардуни В., Тер-Мисакянц Т., Неведомая Е., Казеев К. Oценка экотоксичности наночастиц меди // Экология и промышленность России. 2021. № 25. P. 61–65. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2021-4-61-65

  14. Цепина Н.И., Минникова Т.В., Колесников С.И., Казеев К.Ш. Oценка фитотоксичности серебра на почвах разной устойчивости: бурых лесных, черноземах и серопесках // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2020. № 3. P. 107–112. https://doi.org/10.18522/1026-2237-2020-3-107-112

  15. Чернова О.В., Безуглова О.С. Опыт использования данных фоновых концентраций тяжелых металлов при региональном мониторинге загрязнения почв // Почвоведение. 2019. № 8. С. 1015–1026. https://doi.org/10.1134/S0032180X19080045

  16. Alt F., Eschnauer H.R., Mergler B., Messerschmidt J., Tölg G. A contribution to the ecology and enology of platinum // Fresenius J. Analyt. Chem. 1997 V. 357. P. 1013–1019. https://doi.org/10.1007/s002160050296

  17. Ameen K.I., Alabdullatif J.A., AL-Nadhari S. A review on metal-based nanoparticles and their toxicity to beneficial soil bacteria and fungi // Ecotoxicology Environ. Safety. 2021. V. 213. P. 112027. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112027

  18. Asztemborska M., Steborowski R., Kowalska J., Bystrzejewska-Piotrowska G. Accumulation of aluminum by plants exposed to nano-and microsized particles of Al2O3 // Int. J. Environ. Res. 2015. V. 9. P. 109–116. https://doi.org/10.22059/ijer.2015.880

  19. Ayad M.M., Torad N.L., El-Nasr A.A., Amer W. Study on catalytic efficiency of platinum and silver nanoparticles confined in nanosized channels of a 3-D mesostructured silica // J. Porous Materials. 2021. V. 28. P. 65–79. https://doi.org/10.1007/s10934-020-00960-7

  20. Aygun A., Gülbagca F., Ozer L.Y., Ustaoglu B., Altunoglu Y.C., Baloglu M.C., Atalar M.N., Alma M.H., Sen F. Biogenic platinum nanoparticles using black cumin seed and their potential usage as antimicrobial and anticancer agent // J. Pharmaceutical Biomedical Analysis. 2020. V. 179. P. 112961. https://doi.org/10.1016/j.jpba.2019.112961

  21. Birke M., Rauch U., Stummeyer J., Lorenz H., Keilert B. A review of platinum group element (PGE) geochemistry and a study of the changes of PGE contents in the topsoil of Berlin, Germany, between 1992 and 2013 // J. Geochem. Exploration. 2018. V. 187. P. 72–96. https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2017.09.005

  22. Bloch K., Pardesi K., Satriano C., Ghosh S. Bacteriogenic Platinum Nanoparticles for Application in Nanomedicine // Frontiers Chem. 2021.V. 9. P. 624344. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.624344

  23. Chlumsky O., Purkrtova S., Michova H., Sykorova H., Slepicka P., Fajstavr D., Ulbrich P., Viktorova J., Demnerova K. Antimicrobial properties of palladium and platinum nanoparticles: A new tool for combating food-borne pathogens // Int. J. Molecular Sci. 2021. V. 22. P. 7892. https://doi.org/10.3390/ijms22157892

  24. Chwalibog A., Sawosz E., Hotowy A., Szeliga J., Mitura S., Mitura K., Grodzik M., Orlowski P., Sokolowska A. Visualization of interaction between inorganic nanoparticles and bacteria or fungi // Int. J. Nanomedicine. 2010. V. 5. P. 1085–1094. https://doi.org/10.2147/IJN.S13532

  25. Cicchella D., Fedele L., De Vivo B., Albanese S., Lima A. Platinum group element distribution in the soils from urban areas of the Campania region (Italy) // Geochemistry Exploration Environment Analysis. 2008. V. 8. P. 31–40. https://doi.org/10.1144/1467-7873/07-149

  26. Cornelis G., Pang L.P., Doolette C., Kirby J.K., McLaughlin M.J. Transport of silver nanoparticles in saturated columns of natural soils // Sci. Total Environ. 2013. V. 463. P. 120–130. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.05.089

  27. De la Rosa G., Garcia-Castaneda C., Vazquez-Nunez E., Alonso-Castro A.J., Basurto-Islas G., Mendoza A., Cruz-Jimenez G., Molina C. Physiological and biochemical response of plants to engineered NMs: Implications on future design // Plant Physiol. Biochem. 2017. V. 110. P. 226–235. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2016.06.014

  28. Dimkpa C.O. Soil properties influence the response of terrestrial plants to metallic nanoparticles exposure // Curr. Opin. Environ. Sci. Health. 2018. V. 6. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.coesh.2018.06.007

  29. Diong H.T., Das R., Khezri B., Srivastava B., Wang X., Sikdar P.K., Webster R.D. Anthropogenic platinum group element (Pt, Pd, Rh) concentrations in PM10 and PM2.5 from Kolkata, India // SpringerPlus. 2016. V. 5. P. 1242. https://doi.org/10.1186/s40064-016-2854-5

  30. Ek K.H., Rauch S., Morrison G.M., Lindberg P. Environmental routes for platinum group elements to biological materials – a review // Sci. Total Environ. 2004. V. 334–335. P. 149–159. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2004.04.027

  31. Gopal J., Hasan N., Manikandan M., Wu H. Bacterial toxicity/compatibility of platinum nanospheres, nanocuboids and nanoflowers // Scientific Reports. 2013. V. 3. P. 1260.https://doi.org/10.1038/ srep01260

  32. Grimaldi M., Dal Bo.V., Ferrari B., Roda E., Luca F.De., Veneroni P., Barni S. et al. Long-term effects after treatment with platinum compounds, cisplatin and [Pt (O, O'-acac)(γ-acac)(DMS)]: autophagy activation in rat B50 neuroblastoma cells // Toxicol Appl. Pharmacol. 2019. V. 364. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.taap.2018.12.005

  33. Hasani A., Madhi M., Gholizadeh P., Shahbazi J., Ahangarzadeh Rezaee M., Zarrini, G., Kafil H. Metal nanoparticles and consequences on multi-drug resistant bacteria: reviving their role // SN Appl. Sci. 2019. V. 1. P. 360. https://doi.org/10.1007/s42452-019-0344-4

  34. Huang J., Cao C., Li R., Guan W. Effects of silver nanoparticles on soil ammonia-oxidizing microorganisms under temperatures of 25 and 5°C // Pedosphere. 2018. V. 28. P. 607–616.

  35. Huff C., Biehler E., Quach, Q., Long J.M., Abdel-Fattah T.M. Synthesis of highly dispersive platinum nanoparticles and their application in a hydrogen generation reaction // Colloids Surfaces A: Physicochem. Engineer. Aspects. 2021. V. 610. P. 125734. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2020.125734

  36. Jarvis K.E., Parry S.J., Piper J.M. Temporal and spatial studies of autocatalyst-derived platinum, rhodium, and palladium and selected vehicle-derived trace elements in the environment // Environ. Sci. Technol. 2001. V. 35. P. 1031–1036. https://doi.org/10.1021/es0001512

  37. Jeyaraj M., Gurunathan, S., Qasim M., Kang M.H., Kim J.H. A Comprehensive review on the synthesis, characterization, and biomedical application of platinum nanoparticles // Nanomaterials. 2019. V. 9. P. 1719. https://doi.org/10.3390/nano9121719

  38. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. Boca Raton, FL: Crc Press, 2010. P. 548.

  39. Kasem K.K. Role of Platinum in Photoelectrochemical Studies Related to Solar Energy Harvesting // Platin. Met. Rev. 2012. V. 56. P. 221–228. https://doi.org/10.1595/147106712X654178

  40. Khan S.A., Shahid. S, Ayaz A, Alkahtani J, Elshikh M.S, Riaz T. Phytomolecules-Coated NiO Nanoparticles Synthesis Using Abutilon indicum Leaf Extract: Antioxidant, Antibacterial, and Anticancer Activities // Int. J. Nanomedicine. 2021. V. 16. P. 1757b1773. https://doi.org/10.2147/IJN.S294012

  41. Kliewer C.J., Somorjai G.A. Structure effects on Pyridine hydrogenation over Pt(111) and Pt(100) studied with sum frequency generation vibrational spectroscopy // Catalysis Lett. 2010. V. 137. P. 118–122.

  42. Kolesnikov S.I., Tsepina N.I., Minnikova T.V., Kazeev K.SH., Mandzhieva S.S., Sushkova S.N., Minkina T.M., Mazarji M., Singh R.K., Rajput V.D. Influence of Silver Nanoparticles on the Biological Indicators of Haplic Chernozem // Plants. 2021. V. 10. P. 1022. https://doi.org/10.3390/plants10051022

  43. Kołton A., Czaja M.A. Influence of platinum ions on the germination and seedling root growth of different plant species // Geology Geophys. Environ. 2014. V. 40. P. 343–348. https://doi.org/10.7494/geol.2014.40.4.343

  44. Kumar P.V., Jelastin Kala S.M., Prakash K.S. Green synthesis derived Pt-nanoparticles using Xanthium strumarium leaf extract and their biological studies // J. Environ. Chem. Engineer. 2019. V. 7. P. 103146. https://doi.org/10.1016/j.jece.2019.103146

  45. Labbé F., Asset T., Chatenet M., Ahmad Y., Guérin K., Metkemeijer R., Berthon-Fabry S. Activity and Durability of Platinum-Based Electrocatalysts with Tin Oxide–Coated Carbon Aerogel Materials as Catalyst Supports // Electrocatalysis. 2019. V. 10. P. 156–172. https://doi.org/10.1007/s12678-018-0505-z

  46. Li Y., Zhang K., Peng S., Lu G., Li J.S. Photocatalytic hydrogen generation in the presence of ethanolamines over Pt/ZnIn2S4 under visible light irradiation // J. Molecular Catalysis A: Chem. 2012. V. 363. P 354–361. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2012.07.011

  47. Lushchaeva I.V., Morgalev Y.N. Effect of Platinum Nanoparticles on Biological Activity of Humus-Accumulated Horizons // Adv. Mater. Res. Trans Tech Publ. 2015. V. 1085. P. 384–389. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.1085.384

  48. Manikandana M., Wua H.-F., Hasana N. Cell population-based mass spectrometry using platinum nanodots for algal and fungal studies // Biosensors Bioelectronics. 2012. V. 35. P. 493–497. https://doi.org/10.1016/j.bios.2012.03.020

  49. Martins M., Mourato C., Sanches S., Noronha J.P., Crespo M.B., Pereira I.A. Biogenic platinum and palladium nanoparticles as new catalysts for the removal of pharmaceutical compounds // Water Research. 2017. V. 108. P. 160–168. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.10.071

  50. Merget R., Rosner G. Evaluation of the health risk of platinum group metals emitted from automotive catalytic converters // Sci. Total Environ. 2001. V. 270. P. 165–173.

  51. Mitra A., Sen I. Anthrobiogeochemical Platinum, Palladium and Rhodium Cycles of Earth: Emerging Environmental Contamination // Geochim. Cosmochim. Acta. 2017. V. 216. P. 417–432. https://doi.org/10.1016/j.gca.2017.08.025

  52. Moldovan M., Palacios M.A., Gómez M.M. Environmental risk of soluble and particulate platinum group elements released from gasoline and diesel engine catalytic converters // Sci. Total Environ. 2002. V. 296. P. 199–208. https://doi.org/10.1016/s0048-9697(02)00087-6

  53. Molleman B., Hiemstra T. Time, pH, and size dependency of silver nanoparticle dissolution: the road to equilibrium // Environ. Sci. Nano. 2017. V. 4. P. 1314–1327.

  54. Nachtigall D., Kock H., Artelt S., Levsen K., Wünsch G., Rühle T., Schlögl R. Platinum solubility of a substance designed as a model for emissions of automobile catalytic converters // Fresenius J. Anal. Chem. 1996. V. 354. P. 742–746.

  55. OECD. Test No. 208: Terrestrial Plant Test: Seedling Emergence and Seedling Growth Test. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals. Section 2. OECD Publishing. Paris. 2006. 21 p.

  56. Orecchio S., Amorello D. Platinum levels in urban soils from Palermo (Italy). Analytical method using voltammetry // Microchem. J. 2011. V. 99. P. 283–288. https://doi.org/10.1016/j.microc.2011.05.016

  57. Rahman M.S., Chakraborty A., Mazumdar S., Nandi N.C., Bhuiyan M.N.I., Alauddin S.M., Khan I.A., Hossain M.J. Effects of poly(vinylpyrrolidone) protected platinum nanoparticles on seed germination and growth performance of Pisum sativum // Nano-Structures Nano-Objects. 2020. V. 21. P. 100408. https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2019.100408

  58. Rajput V.D., Minkina T., Sushkova S., Tsitsuashvili V., Mandzhieva S., Gorovtsov A., Nevidomskyaya D., Gromakova N. Effect of nanoparticles on crops and soil microbial communities // J. Soils Sediments. 2017. V. 18. P. 2179–2187 https://doi.org/10.1007/s11368-017-1793-2

  59. Reith F., Cornelis G. Effect of soil properties on gold- and platinum nanoparticle mobility // Chemical Geology. 2017. V. 466. P. 446–453. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2017.06.033

  60. Şahin B., Aygün A., Gündüz H., Şahin K., Demir E., Akocak S. et al. Cytotoxic effects of platinum nanoparticles obtained from pomegranate extract by the green synthesis method on the MCF-7 cell line // Colloids Surf. B Biointerfaces. 2018. V. 163. P. 119–124. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2017.12.042

  61. Savignan L., Faucher S., Chéry P., Lespes G. Platinum group elements contamination in soils: Review of the current state // Ecotoxicol. Environ. Safe. 2021. V. 222. P. 112459. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112459

  62. Seckin H., Tiri R.N.E., Meydan I., Aygun A.M., Gunduz K., Sen F. An environmental approach for the photodegradation of toxic pollutants from wastewater using Pt–Pd nanoparticles: Antioxidant, antibacterial and lipid peroxidation inhibition applications // Environ. Res. 2022. V. 208. P. 112708. https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.112708

  63. Shar S., Shahsavaria E., Reithc F., Alghamdib O.A., Yamanib H.A., AlJudaibib A., Donnere E., Vasileiadisf S., Ball A.S. Dose-related changes in respiration and enzymatic activities in soils amended with mobile platinum and gold // Appl. Soil Ecol. 2021. V. 157. P. 103727. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2020.103727

  64. Shiny P.J., Mukerjee A., Chandrasekaran N. Comparative assessment of the phytotoxicity of silver and platinum nanoparticles // Proceedings of the international conference on advanced Nanomaterials and emerging engineering technologies. Chennai: Sathyabama University. 2013. P. 391–393. https://doi.org/10.1109/ICANMEET.2013.6609327

  65. Sodeno M., Kato S., Nanao H., Shirai M. Preparation and structural characterization of platinum nanosheets intercalated between graphite powder with high surface area // Catalysis Today. 2020. V. 375. P. 48–55. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2020.04.038

  66. Soltanian S., Sheikhbahaei M., Mohamadi N., Pabarja A., Abadi M.F.S., Tahroudi M.H.M. Biosynthesis of Zinc Oxide Nanoparticles Using Hertia intermedia and Evaluation of its Cytotoxic and Antimicrobial Activities // BioNanoScience. 2021. V. 11. P. 245–255. https://doi.org/10.1007/s12668-020-00816-z

  67. The “Global Nanotechnology Market 2021-2026” report has been added to Research and Markets.com's offering. 2021. https://www.prnewswire.com/news-releases/global-nanotechnology-market-report-2021-2026-market-opportunities-with-increasing-use-of-nanotechnology-in-building-materials-301433710.html

  68. Wang J., Gerlach J.D., Savage N., Cobb G.P. Necessity and approach to integrated nanomaterial legislation and governance // Sci. Total Environ. 2013. V. 442. P. 56–62. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.09.073

  69. Wang Y., LI X. Health risk of platinum group elements from automobile catalysts // Procedia Engineering. 2012. V. 45. P. 1004–1009. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.08.273

  70. World Reference Base for Soil Resources 2014. Update 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. 3rd. Rome. FAO, 2015. ISBN 978-92-5-108370-3

  71. Xantini Z., Erasmus E. Platinum supported on nanosilica and fibrous nanosilica for hydrogenation reactions // Polyhedron. 2021. V. 193. P. 114769. https://doi.org/10.1016/j.poly.2020.114769

  72. Yang Q.Q., Li Z.Y., Lu X.N., Duan Q.N., Huang L., Bi J. A review of soil heavy metal pollution from industrial and agricultural regions in China: Pollution and risk assessment // Sci. Total Environ. 2018. V. 42. P. 690–700. https://doi.org/690-70010.1016/j.scitotenv.2018.06.068

  73. You T., Liu D., Chen J., Yang Z., Dou R., Gao X., Wang L. Effects of metal oxide nanoparticles on soil enzyme activities and bacterial communities in two different soil types // J. Soils Sediments. 2018. V. 18. P. 211–221. https://doi.org/10.1007/s11368-017-1716-2

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Почвоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал