1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Почвоведение
  4. № 6, 2023

Почвоведение, 2023, № 6, стр. 745-757

Влияние длительной и кратковременных засух на гидролитические ферменты серой почвы

А. В. Якушев a, *, А. И. Журавлева b, И. Н. Кузнецова c

a МГУ им. М.В. Ломоносова
119991 Москва, Ленинские горы, 1, Россия

b Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
142290 Пущино, ул. Институтская, 2, Россия

c ООО “Агро-С”
394049 Воронеж, ул. Шишкова, 2г, Россия

* E-mail: a_yakushev84@mail.ru

Поступила в редакцию 16.10.2022
После доработки 06.02.2023
Принята к публикации 07.02.2023

Аннотация

Трансформация органического вещества в почве во многом определяется гидролитическими ферментами. В условиях климатических изменений особенное значение имеет понимание механизмов микробного отклика для прогнозирования цикла углерода. До сих пор мало изучалось влияние продолжительности и частоты засухи на гидролитические ферменты почвы. Проведен многофакторный полевой манипуляционный эксперимент, моделирующий в присутствии растений и без них: две кратковременные засухи, длительную засуху и оптимальный уровень увлажнения почвы. Определяли максимальную скорость реакции Vmax, константу Михаэлиса Km и каталитическую эффективность Ka пяти групп ферментов, участвующих в цикле углерода (целлобиазы, глюкозидазы, ксиланазы), фосфора (фосфатазы) и азота (хитиназы). У фосфатаз, глюкозидаз и ксиланаз Vmax снижалось при кратковременной засухе. В ходе длительной засухи снижалось значение Vmax фосфатаз, целлобиогидролаз, ксиланаз и возрастало у хитиназ, оставаясь при этом неизменным у глюкозидаз. Как длительная, так и кратковременные засухи приводили к увеличению Km и уменьшению Ka почти для всех ферментов. Кратковременные засухи не являлись ослабленным вариантом длительной засухи, но имели свою специфику – снижение у глюкозидаз Km, которое приводило к увеличению Kа. Длительная засуха отличалась увеличением Vmax хитиназ и пространственной вариативности Vmax фосфатаз и глюкозидаз. Влияние присутствия растений было второстепенным и сказывалось только при коротких засухах. Обратимость действия засухи на Vmax, Km, Ka уменьшалась в ряду: первая кратковременная засуха > вторая кратковременная засуха > длительная засуха – за счет увеличения общей продолжительности стрессового воздействия.

Ключевые слова: почвенная засуха, почвенные ферменты, кинетика Михаэлиса–Ментен, каталитическая эффективность ферментов

Список литературы

  1. Овсепян Л.А., Курганова И.Н., Мостовая А.С., Лопес де Гереню. В.О., Личко В.И., Благодатская Е.В., Кузяков Я.В. Ферментативная активность пост-агрогенных серых лесных почв нагорной дубравы “Лес на Ворскле” // Известия Самарского научного центра РАН. 2017. Т. 19. № 2. С. 151–158.

  2. Семенов В.М., Лебедева Т.Н., Зинякова Н.Б., Хромычкина Д.П., Соколов Д.А., Лопес де Гереню В.О., Кравченко И.К., Ли Х., Семенов М.В. Зависимость разложения органического вещества почвы и растительных остатков от температуры и влажности в длительных инкубационных экспериментах // Почвоведение. 2022. № 7. С. 860–875. https://doi.org/10.31857/S0032180X22070085

  3. Alves R.J., Callejas I.A., Marschmann G., Mooshammer M., Singh H.W., Whitney B., Torn M.S., Brodie E.L. Kinetic Properties of Microbial Exoenzymes Vary with Soil Depth but Have Similar Temperature Sensitivities Through the Soil Profile // Frontiers in Microbiology. 2021. V. 12. P. 735282. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.735282

  4. Baker N.R., Allison S.D. Extracellular enzyme kinetics and thermodynamics along a climate gradient in Southern California // Soil Biol. Biochem. 2017. V. 114. P. 82–92. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2017.07.005

  5. Barnard R.L., Osborne C.A., Firestone M.K. Changing precipitation pattern alters soil microbial community response to wet-up under a Mediterranean-type climate // Int. Soc. Microbial Ecology. 2014. V. 9. P. 946–957. https://doi.org/10.1038/ismej.2014.192

  6. Burns R.G., DeForest J.L., Marxsen J., Sinsabaugh R.L., Stromberger M.E., Wallenstein M.D., Weintraub M.N., Zoppini A. Soil enzymes in a changing environment: Current knowledge and future directions // Soil Biol. Biochem. 2013 V. 58. P. 216–234. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2012.11.009

  7. Davidson E., Janssens I. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change // Nature. 2006. V. 440. P. 165–173. https://doi.org/10.1038/nature04514

  8. Dick R.P., Sandor J.A., Eash N.S. Soil enzyme activities after 1500 years of terrace agriculture in the Colca Valley, Peru // Agriculture, Ecosystems & Environment. 1994. V. 50. P. 123–131. https://doi.org/10.1016/0167-8809(94)90131-7

  9. German D.P., Marcelo K.R.B., Stone M.M., Allison S.D. The Michaelis–Menten kinetics of soil extracellular enzymes in response to temperature: a cross-latitudinal study // Global Change Biol. 2012. V. 18. P. 1468–1479. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2011.02615.x

  10. Gianfreda L., Rao M.A., Piotrowska A., Palumbo G., Colombo C. Soil enzyme activities as affected by anthropogenic alterations: intensive agricultural practices and organic pollution // Sci. Total Environ. 2005. V. 341. I. 1–3. P. 265–279. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2004.10.005

  11. IPCC C. W. T. Climate Change 2007: Synthesis Report. Geneva, Switzerland IPCC, 2007. P. 104.

  12. Juan Y., Chen L., Wu Z.J., Wang R. Kinetics of soil urease affected by urease inhibitors at contrasting moisture regimes // J. Soil Sci. Plant Nutrition. 2009. V. 9. P. 125–133.

  13. Khalili B., Nourbakhsh F., Nili N., Khademi H., Sharifnabi B. Diversity of soil cellulase isoenzymes is associated with soil cellulose kinetic and thermodynamic parameters // Soil Biol. Biochem. 2011. V. 43. P. 1639–1648.

  14. Kovárová–Kovar K., Egli T. Growth Kinetics of Suspended Microbial Cells: From Single-Substrate-Controlled Growth to Mixed-Substrate Kinetics // Microbiol. Molecular Biol. Rev. 1998. V. 62. P. 646–666.

  15. Kujur M., Patel A.K. Kinetics of soil enzyme activities under different ecosystems: An index of soil quality // Chilean J. Agricult.Res. 2014. V. 74. P. 96–104. https://doi.org/10.4067/S0718-58392014000100015

  16. Loeppmann S., Blagodatskaya E., Pausch J., Kuzyakov Y. Substrate quality affects kinetics and catalytic efficiency of exoenzymes in rhizosphere and detritusphere // Soil Biol. Biochem. 2016. V. 92. P. 111–118.

  17. von Lützow M., Kogel-Knabner I. Temperature Sensitivity of Soil Organic Matter Decomposition – What Do We Know? // Biol. Fertil. Soils. 2009. V. 46. P. 1–15. https://doi.org/10.1007/s00374-009-0413-8

  18. Liu C., Tian H., Gu X., Li N., Zhao X., Lei M., Alharbi H., Megharaj M., He W., Kuzyakov Y. Catalytic efficiency of soil enzymes explains temperature sensitivity: Insights from physiological theory // Sci. Total Environ. V. 822. 2022. P. 153365. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.153365

  19. Marx M.C., Wood M., Jarvis S.C. A microplate fluorimetric assay for the study of enzyme diversity in soils // Soil Biol. Biochem. 2001. V. 33. P. 1633–1640.

  20. Marx M., Kandeler E., Wood M.K., Wermbter N., Jarvis S.C. Exploring the enzymatic landscape: distribution and kinetics of hydrolytic enzymes in soil particle-size fractions // Soil Biol. Biochem. 2005. V. 37. P. 35–48.

  21. Moscatelli M.C., Lagomarsino A., Garzillo A.M.V., Pignataro A., Grego S. Glucosidase kinetic parameters as indicators of soil quality under conventional and organic cropping systems applying two analytical approaches // Ecological Indicators. 2012. V. 13. P. 322–327.

  22. Nannipieri P., Grego S., Ceccanti B. Ecological significance of the biological activity in soil // Soil Biochem. 1990. V. 6. P. 293–355.

  23. Sanaullah M., Blagodatskaya E., Chabbi A., Rumpel C., Kuzyakov Y. Drought effects on microbial biomass and enzyme activities in the rhizosphere of grasses depend on plant community composition // Appl. Soil Ecology. 2011. V. 48. P. 38–44.

  24. Schimel J. Life in Dry Soils: Effects of Drought on Soil Microbial Communities and Processes // Ann. Rev. Ecology, Evolution, Systematics. 2018 V. 49. P. 409–432.

  25. Schneider T., Keiblinger K.M., Schmid E., Sterflinger–Gleixner K., Ellersdorfer G., Roschitzki B., Richter A., Eberl L., Zechmeister–Boltenstern S., Riedel K. Who is who in litter decomposition? Metaproteomics reveals major microbial players and their biogeochemical functions // The ISME J. 2012. V. 6. P. 1749–1762.

  26. Skujins J. Extracellular enzymes in soil // Critical Rev. Microbiol. 1976. V. 44. P. 383–421.

  27. Steinweg J.M. Sensitivity of microbial community physiology to soil moisture and temperature in an old field ecosystem. Doctoral dissertation, 2011.

  28. Stone M.M., Weiss M.S., Goodale C.L., Adams M.B., Fernandez I.J., German D.P., Allison S.D. Temperature sensitivity of soil enzyme kinetics under N-fertilization in two temperate forests // Global Change Biol. 2012. V. 18. P. 1173–1184.

  29. Stursova M., Baldrian P. Effects of soil properties and management on the activity of soil organic matter transforming enzymes and the quantification of soil-bound and free activity // Plant Soil. 2011. V. 338. P. 99–110.

  30. Tischer A., Blagodatskaya E., Hamer U. Microbial community structure and resource availability drive the catalytic efficiency of soil enzymes under land-use change conditions // Soil Biol. Biochem. 2015. V. 89. P. 226–237.

  31. Wallenstein M.D., McMahon S.K., Schimel J.P. Seasonal variation in enzyme activities and temperature sensitivities in Arctic tundra soils // Global Change Biol. 2009. V. 15. P. 1631–1639.

  32. Wang G., Post W.M., Mayes M.A., Frerichs J.T., Sindhu J. Parameter estimation for models of ligninolytic and cellulolytic enzyme kinetics // Soil Biol. Biochem. 2012. V. 48. P. 28–38.

  33. Zhang Y., Chen L., Wu Z., Sun C. Kinetic parameters of soil β-glucosidase response to environmental temperature and moisture regimes // Revista Brasileira De Ciencia Do Solo. 2011. V. 35. P. 1285–1291.

  34. Yuste J.C., Barba J., Fernández-González A.J., Fernández–López M., Mattana S., Martínez–Vilalta J., Nolis P., Lloret F. Changes in soil bacterial community triggered by drought-induced gap succession preceded changes in soil C stocks and quality // Ecology Evolution. 2012. V. 2. P. 3016–3031.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Почвоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал