ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПРОТЕОЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ
Среди экологических функций почвы особое значение имеет ее роль в поддержании и регуляции биогеохимического круговорота элементов в экосистемах. Одним из важнейших показателей биологической активности почвы выступает уровень протеолитической активности – показатель, отражающий интенсивность процессов деструкции сложных органических азотсодержащих соединений, катализируемых ферментами – протеазами (Хазиев, 2005). Биогеохимическая роль почвенных протеаз заключается в участии в глобальном круговороте биогенных элементов, а наиболее важная экосистемная – в формировании плодородия и азотного режима почвы. При этом активность почвенного протеолитического комплекса весьма чувствительна к антропогенному воздействию, что обуславливает ее значимость как диагностического признака техногенного нарушения почв. По этой причине протеолитическую активность весьма перспективно анализировать в процессе оценки эколого-биологического состояния почв староосвоенных территорий, в том числе серых лесных почв, в течение длительного времени подвергавшихся интенсивному антропогенному воздействию. В этой связи, развитие методов определения уровня протеолитической активности почвы приобретает особую значимость и актуальность.
Одним из основных методов оценки протеолитической активности почвы является аппликационный метод фотобумажной автографии, предложенный Е.Н. Мишустиным, И.С. Востровой, А.Н. Петровой (Мишустин и др., 1984). Аппликационным материалом в данном случае выступает рентгеновская пленка, а критерием оценки активности протеолитического комплекса – степень деструкции почвенными протеазами желатины эмульсионного слоя пленки. Преимущество метода заключается в том, что он позволяет наглядно проследить процесс расщепления питательного субстрата (желатины) в полевых условиях, а также дает возможность оценить активность протеаз различных почвенных горизонтов за определенный период времени и проанализировать интенсивность микробиологических процессов превращений азотсодержащих органических соединений (Казеев и др., 2003).
Но метод не лишен и недостатков, основными из них выступают низкая точность и определенная субъективность оценки результатов, поскольку подсчет площади разрушенного желатинового эмульсионного слоя, как правило, осуществляется либо визуально, либо с применением простейших средств и техник (кальки или палетки). По нашему мнению, намного более точные результаты позволит получить автоматизированный расчет соотношения площади, разрушенных протеазами и ненарушенных биодеструкцией участков рентгеновской пленки. Ввиду чего, нами было создано приложение на языке программирования С# в интегрированной среде разработки программного обеспечения Visual Studio 2019 Professional. Поскольку ненарушенный слой пленки имеет иную окраску нежели уничтоженные протеазами участки, принцип работы приложения основан на точном расчете соотношения цветов цифрового изображения рентгеновской пленки. Приложение соотносит цвет каждого пикселя изображения с встроенной шкалой, относя его либо к «разрушенным», либо «неразрушенным» протеазами участкам и затем рассчитывает процентное соотношение между этими двумя категориями.
Цифровая обработка результатов исследования с использованием разработанного приложения позволяет значительно повысить их точность и достоверность. Так, приложение дает возможность увеличить точность расчета площади уничтоженного протеазами слоя желатины до 144 раз по сравнению даже с наиболее точными ручными методами оценки (например, с применением миллиметровой бумаги). Причиной является тот факт, что, как было уже отмечено выше, приложение осуществляет расчет площади по пикселям (1 мм2 изображения с разрешением 300 dpi включает в себя 144 пикселя), и, соответственно, даже с использованием вспомогательных средств (миллиметровая бумага, лупа и др.) визуально провести такую оценку невозможно.
Необходимо отметить, что приложение имеет простой интерфейс и удобно для использования даже в полевых условиях. Для получения результата необходимо лишь сфотографировать извлеченную из почвы пластину рентгеновской пленки, загрузить цифровое изображение в приложение и получить готовый результат расчета.
Данный подход уже апробирован нами в ходе исследований по изучению процессов восстановления техногенно-измененных серых лесных почв с использованием гуминовых препаратов (проект РФФИ № 14-05-97502 р_центр_а «Эколого-экономическая оценка влияния инновационных гуминовых препаратов на состояние техногенно-измененных серых лесных почв»). Указанные исследования носили комплексный характер и их предметом выступали различные показатели эколого-биологического и химического состояния техногенно-измененных серых лесных почв, в том числе и уровень протеолитической активности (Гальченко, Чердакова, 2014). Исследования проводились в условиях вегетационных экспериментов, в которых использовалась серая лесная почва, загрязненная в результате аварии на Чернобыльской АЭС изотопом цезия-137 (с удельной активностью цезия-137 – 116 Бк/кг). В экспериментах применялись гуминовые препараты, полученные из различного сырья и по различным технологиям: Гумат калия (торф, щелочная экстракция), Биогумат (биогумус, щелочная экстракция), Гумат-КР (торф с силикатными модулями, щелочная экстракция), «Эдал-КС» (торф, щелочная экстракция), «Питер-Пит» (торф, сочетание щелочной экстракции и ультразвуковой кавитации), Гумат-УК (торф, ультразвуковая кавитация). Указанные препараты вносили в почву в виде 0,01% и 0,02% водных растворов. Контролем в эксперименте служили почвенные образцы без внесения препаратов. Активность протеолитического комплекса почвы изучалась вышеописанным аппликационным методом, обработка результатов осуществлялась при помощи разработанного приложения. Повторность на всех вариантах – четырехкратная.
Результаты, проведенных экспериментальных исследований показали, что внесение любых из анализируемых гуминовых препаратов в загрязнённую цезием-137 серую лесную почву способствует повышению ее протеолитической активности от 5 % до 20 % в зависимости от дозы и вида препарата. При этом, в отношении всех препаратов прослеживается тенденция нарастания стимулирующего действия на протеолитический комплекс почвы при увеличении дозы вносимого препарата. Наиболее интенсивная стимуляция почвенных протеаз отмечалась под воздействием препаратов «Гумат калия», «Эдал-КС», «Питер-Пит» и «Гумат-УК». Тогда как эффект от внесения в почву «Гумата-КР» и «Биогумата» был не таким выраженным.
Стоит отметить, что применение цифровых технологий при обработке результатов исследования с использованием разработанного приложения позволила значительно повысить их точность и достоверность, выявить статистически значимые различия между вариантами опыта. Данное обстоятельство указывает на перспективность применения описанного приложения для оценки и интерпретации результатов исследования протеолитической активности серых лесных почв аппликационным методом.
