Changes in the enzymatic activity in sandy loam soil exposed to zinc pressure

• Autorzy: Kucharski J. , Wieczorek K. , Wyszkowska J.

Warianty tytułu

PL

Zmiany aktywności enzymatycznej w glinie piaszczystej poddanej presji cynku

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

One of the bioindicators most often applied to assess the quality of soil is its enzymatic activity. Undesirable changes in the activity of enzymes can imply excessive presence of substances which are harmful to soil environment, such as heavy metals. Being a heavy metal, zinc is also an element essential for maintaining proper functions of live organisms. The purpose of this study has been to determine the significance of changes occurring in moderately heavy soil under the influence of zinc. The experiment was carried out in three replicates under laboratory conditions. Sandy loams of pH 5.5 and 7.0 were used for the trials. The soils were contaminated with zinc according to the following design: control (natural content), raised content (70 mg Zn2+ kg–1), weakly polluted (200 mg Zn2+ kg–1 ), moderately polluted (500 mg Zn2+ kg–1), heavily polluted (1,500 mg Zn2+ kg–1) and very heavily polluted soil (5,000 mg and 10,000 mg Zn2+ kg–1). The soil samples prepared as above were brought to the moisture content of 50% maximum water capacity and incubated at 25oC for 120 days. On day 30, 60 and 120, the activity of dehydrogenases, β-glucosidase, urease, acid phosphatase and arylsulphatase was determined. Based on these determinations, the following indices were calculated: ED50, the index for resistance (RS) and the index for resilience (RL). The tests have demonstrated that as the rate of soil contamination with zinc increased, the activity of all the analyzed enzymes was significantly depressed. The negative influence of zinc contamination on the activity of particular enzymes, irrespective of the soil pH, persisted throughout the whole experiment. In respect of their sensitivity to zinc, the enzymes can be ordered as follows: arylsulphatase > dehydrogenases > acid phosphatase > urease > β-glucosidase. Zinc contamination caused lasting changes in the soil environment, but the return to the state of equilibrium was the quickest in the case of dehydrogenases (RL = 0.276), less rapid for arylsulphatase (RL = 0.173) and the slowest for acid phosphatase (RL = 0.064). In contrast, the activity of urease, instead of regenerating, was increasingly disturbed (RL = 0.350). Soil acidification was the factor that most evidently exacerbated the negative influence of zinc on the activity of β-glucosidase and arylsulphatase. Values of ED50 for the activity of particular enzymes were varied. In the soil of pH 7.0, they ranged from 3,324 mg Zn2+ kg–1 for β-glucosidase to 412 mg Zn2+ kg–1 for dehydrogenases, and in the soil of pH 5.5, they varied from 1,008 Zn2+ kg–1 for β-glucosidase to 280 mg Zn2+ kg–1 for arylsulphatase.

PL

Aktywność enzymatyczna gleby stanowi jeden z najczęściej wykorzystywanych biowskaźników do oceny jakości gleby. Niekorzystne zmiany w aktywności enzymów mogą świadczyć o nadmiernej zawartości substancji szkodliwych dla środowiska glebowego, do których należą również metale ciężkie. Cynk jest też niezbędnym składnikiem do prawidłowego funkcjonowania organizmów żywych. Celem badań było określenie istotności zmian zachodzących w glebie o średniej kategorii agrotechnicznej ciężkości pod wpływem cynku. Doświadczenie wykonano w warunkach laboratoryjnych, w 3 powtórzeniach. Do badań wykorzystano gliny piaszczyste o pH 5,5 oraz o pH 7,0, które zanieczyszczono cynkiem wg następującego schematu: kontrola (zawartość naturalna), zawartość podwyższona (70 mg Zn2+ k g–1), słabe zanieczyszczenie (200 mg Zn2+ k g–1), średnie zanieczyszczenie (500 mg Zn2+ k g–1), silne zanieczyszczenie (1500 mg Zn2+ k g–1) i bardzo silne zanieczyszczenie (5000 mg oraz 10 000 mg Zn2+ k g–1). Tak przygotowane próbki gleby uwilgotniono do poziomu 50% maksymalnej pojemności wodnej i inkubowano w temp. 25°C przez 120 dni. W 30., 60. oraz 120. dniu określono aktywność dehydrogenaz, β-glukozydazy, ureazy, fosfatazy kwaśnej oraz arylosulfatazy. Na ich podstawie obliczono wskaźniki ED50, oporności (RS) i powrotu do równowagi (RL). W wyniku badań stwierdzono, że wraz ze zwiększeniem stopnia zanieczyszczenia gleby cynkiem aktywność wszystkich badanych enzymów ulegała istotnemu zmniejszeniu. Negatywny wpływ zanieczyszczenia cynkiem na aktywność enzymatyczną gleby, niezależnie od jej pH, utrzymywał się przez cały okres trwania badań. Enzymy pod wpływem wrażliwości na zanieczyszczenie gleby cynkiem można uszeregować następująco: arylosulfataza > dehydrogenazy > fosfataza kwaoena > ureaza > β-glukozydaza. Zanieczyszczenie cynkiem powodowało długotrwałe zmiany w środowisku glebowym, ale najszybciej do stanu równowagi powracały dehydrogenazy (RL = 0,276), nieco wolniej arylosulfataza (RL = 0,173), i najwolniej fosfataza kwaoena (RL = 0,064). Natomiast aktywność ureazy nie tyko nie regenerowała się, ale stan zaburzenia ulegał pogłębieniu (RL = -0,350). Zakwaszenie gleby w największym stopniu wzmagało negatywne działanie cynku na aktywność β-glukozydazy i arylosulfatazy. ED50 dla aktywności poszczególnych enzymów było zróżnicowane. W glebie o pH 7,0 wahało się od 3324 mg Zn2+ k g–1 dla β-glukozydazy do 412 mg Zn2+ k g–1 dla dehydrogenaz, a w glebie o pH 5,5 od 1008 mg Zn2+ k g–1 dla β-glukozydazy do 280 mg Zn2+ k g–1 dla arylosulfatazy.

Słowa kluczowe

EN

enzyme activity; sandy loam soil; zinc; soil contamination; soil quality

• Wydawca: -
• Czasopismo: Journal of Elementology
• Rocznik: 2011
• Tom: 16
• Numer: 4
• Opis fizyczny: p.577-589,fig.,ref.

Twórcy

autor

Kucharski J.

• Chair of Microbiology, University of Warmia and Mazury in Olsztyn, pl.Lodzki 3, 10-727 Olsztyn, Poland

autor

Wieczorek K.

autor

Wyszkowska J.

Bibliografia

• Adriano D. C., Wenzel W.W., Vangronsveld J., Bolan N. S. 2004. Role of assisted natural remediation in environmental cleanup. Geoderma, 122: 121-142.
• Alef K., Nannipieri P. 1995. Methods in applied soil microbiology and biochemistry. Academic Press. London, ss. 576.
• Belyaeva O. N., Haynes R. J., Birukova O. A. 2005. Barley yield and soil microbial and enzyme activities as affected by contamination of two soils with lead, zinc or copper. Biol. Fertil. Soils., 41: 85-94.
• Bielińska E. J. 2007. Soil enzymes activity in the rhizosphere of the dandelion as an indicator of the ecochemical condition of urban soils. J. Res. App. Agr. Eng., 52(3): 10-14.
• Brookes P. C. 1995. The use of microbial parameters in monitoring soil pollution by heavy metals. Biol. Fertil. Soils., 19: 269-279.
• Gillet S., Ponge J. F. 2002. Humus forms and metal pollution in soil. Eur. J. Soil Sci., 53: 529.
• Gülser F., Erdodan E. 2008. The effects of heavy metal pollution on enzyme activities and basal soil respiration of roadside soils. Environ. Monit. Assess, 145: 127-133.
• Hinojosa M. B., Carreira J. A., GarcÍa-RuÍz, Dick R. P. 2004. Soil moisture pretreatment effects on enzyme activities as indicators of heavy metal — contaminated and reclaimed soils. Soil Biol. Biochem., 36: 1559-1568.
• Hinojosa M. B., Carreira J. A., RodrÍguez-Maroto J. M., GarcÍa-RuÍz R. 2008. Effects of pyrite sludge pollution on soil enzyme activities: Ecological dose — response model. Sci. Total Environ., 396: 89-99.
• Kucharski J., Wyszkowska J. 2004. Inter-realtionship between number of microorganisms or spring barley yield and degree of soil contamination with copper. Plant Soil Environ., 50(6): 243-249.
• Kucharski J., Wyrwał A., Boros E., Wyszkowska J. 2009. Nitrification process as an indicator of soil contamination with heavy metals. Ecol. Chem. Eng., A, 16(8): 953-962.
• Kucharski J., Wyszkowska J., Nowak G., Harms H. 2000. Activity of enzymes in soils treated with sewage sludges. Pol. J. Soil Sci., 33(1): 29-36.
• Kuperman R. G., Carreiro M. M. 1997. Soil heavy metal concentrations, microbial biomass and enzyme activities in a contaminated grassland ecosystem. Soil Biol. Biochem., 29(2): 179-190.
• McCall K. A., Huang Ch., Fierke C. A. 2000. Function and mechanism of zinc metalloenzymes. J. Natur., 130: 1437-1446.
• Michalak A. 2006. Phenolic compounds and their antioxidant activity in plants grooving under heavy metal stress. Pol. J. Environ. Stud., 15(4): 523-530.
• Nielsen, M.N., Winding, A. 2002. Microorganisms as indicators of soil health. Nat. Environ. Res. Inst., Denmark. Technical Report No. 388.
• Öhlinger R. 1996. Dehydrogenases activity with the substrate TTC. In: Methods in soil biology. Schinner F., Ohlinger R., Kandeler E., Margesin R. (eds). Springer Verlag Berlin Heidelberg, 241-243.
• Orwin K.H., Wardle D.A. 2004. New indices for ąuantifying the resistance and resilence of soil biota to exogenous disturbances. Soil Biol. Biochem., 36: 1907-1912.
• Seifert K., Domka F. 2005. Inhibiting effect of surfactants and heavy metal ions on the nitrification process. Pol. J. Environ. Stud., 14(1): 87-93.
• Stuczyński T. I., McCarty G. W., Siebielec G. 2003. Response of soil microbiological activities to cadmium, lead and zinc salt amendments. J. Environ. Qual., 32: 1346-1355.
• Trasar-Cepeda C., Leirós M. C., Seoane S., Gil-Sotres F. 2000. Limitations of soil enzymes as indicators of soil pollution. Soil Biol. Biochem., 32: 1867-1875.
• Visser S., Parkinson D. 1992. Soil biological criteria as indicators of soil quality: soil microorganisms. Am. J. Altern. Agr., 7: 33-37.
• Wyszkowska J., Kucharski J. 2003. Liczebność drobnoustrojów w glebie zanieczyszczonej metalami ciężkimi [Counts of microorganisms in soil polluted with heavy metals]. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol., 492: 427-433. (in Polish)
• Wyszkowska J., Boros E., Kucharski J. 2007. Effect of interactions between nickel and other heavy metals on the soil microbiological properties. Plant Soil Environ., 53(12): 544-552.
• Wyszkowska J., Kucharski J., Jastrzębska E., Hłasko A. 2001. The biological properties of the soil as influenced by chromium contamination. Pol. J. Environ. Stud. St., 10(1): 37-42.
• Wyszkowska J., Kucharski J., Borowik A. Boros E. 2008. Response of bacteria to soil contamination with heavy metals. J. Elementol., 13(3): 443-453.
• Wyszkowska J., Kucharski M., Kucharski J., Borowik A. 2009. Activity of dehydrogenases, catalase and urease in copper polluted soil. J. Elementol., 14(3): 605-617.
• Wyszkowska J., Kucharski J., Lajszner W. 2006a. The effects of copper on soil biochemical properties and its interaction with other heavy metals. Pol. J. Environ. Stud., 15(6): 927-934.
• Wyszkowska J., Zaborowska M., Kucharski J. 2006b. Activity of enzymes in zinc contaminated soil. EJPAU 9(1) #06.