ENZYMATICKÉ AKTIVITY MIKROORGANIZMOV V PÔDNOM PROFILE ENZYMATIC ACTIVITIES OF MICROORGANISMS IN THE SOIL PROFILE

Transcription

1 ENZYMATICKÉ AKTIVITY MIKROORGANIZMOV V PÔDNOM PROFILE ENZYMATIC ACTIVITIES OF MICROORGANISMS IN THE SOIL PROFILE Javoreková, S. - Hoblík, J.*, Katedra mikrobiológie, *Katedra biochémie a biotechnológie, Fakulta biotechnológie a potravinárstva, Slovenská poľnohospodárska univerzita Nitra Selected chemical (oxidizable carbon - C ox, total nitrogen - N tot, actual (ph/h 2 O) and exchangable (ph/kcl) soil reaction) and biological parameters (hot water extractable carbon - C hwe, biomass of microorganisms - C mic, dehydrogenase activity - DHA, phosphatase activity - FA, fluorescein diacetate hydrolysis - FDA) of Haplic Chernozems and Haplic Luvisols from south-western Slovakia were determined. The samples were taken to a depth of m of the soil profile in spring The value of the investigated chemical and biological parameters were lower in Haplic Luvisols than in Haplic Chernozems. Significant correlations were found between DHA and C ox, N tot C mic, C hwe, FDA on the both soils. Correlation was not confirmed only with FA on the Haplic Luvisols. Key words: soil microbial biomass, enzymatic activity of soil, Haplic Luvisols, Haplic Chernozems Úvod a cieľ Mikrobiologické charakteristiky je možné použiť ako indikátor kvality pôdy, pretože veľký povrch, aktivita, rozšírenie, generačná doba a diverzita pôdnej mikroflóry umožňujú v podstate okamžitú reakciu na akýkoľvek podnet (Kubát et al., 2002). Aktivita enzýmov je v úzkom vzťahu k dôležitým pôdnym charakteristikám, môže vykazovať zmeny skôr než iné pôdne vlastnosti a môže byť integrujúcim pôdno-biologickým indexom odrážajúcim využívanie pôdy. Aktivita pôdnych enzýmov môže byť citlivým indikátorom kvality pôdy, je však potrebné aby tieto výsledky boli zapojené do systému komplexného hodnotenia kvality pôdy, ktorý by mal integrovať všetky časti pôdneho systému (Šarapatka, 2002). Cieľom príspevku bola chemická a biologická charakteristika pôdnych typov černozem a hnedozem a hľadanie, lineárnou regresiou, vzájomných vzťahov medzi enzymatickými aktivitami a ďalšími sledovanými ukazovateľmi v pôdnom profile. Materiál a metodika Odbery pôdnych vzoriek sme uskutočnili na sledovaných lokalitách v jarnom období (aprílmáj) v rokoch 2001 a 2003 tesne po alebo pred zasiatím plodín. Černozem sme v spolupráci s Katedrou pedológie a geológie odoberali sondou v lokalitách Dražovce, Sládkovičovo, Svätoplukovo a Voderady zo štyroch odberových hĺbok; 0,0-0,1 m (I. hĺbka), 0,1-0,3 m (II. hĺbka), 0,3-0,5 m (III. hĺbka), pod 0,5 m (IV. hĺbka). Lokality odberu a odberové hĺbky vzoriek pôdneho typu hnedozem sú uvedené v tabuľke 1: 242

2 Tabuľka 1: Lokality odberu a odberové hĺbky vzoriek hnedozeme Lokalita odberu pôdnych vzoriek Golianovo Kolíňany Nové Sady Plavé Vozokany I. do 0,24 m do 0,28 m do 0,25 m do 0,25 m II. 0,24-0,6 m 0,28-0,48m 0,25-0,4 m 0,25-0,68 m III. 0,6-0,8 m 0,5-0,7 m 0,4-0,7 m 0,68-0,95 IV. 0,9-1,2 m 0,7-0,9 m 0,7-0,85 m Po odbere sme vzorky preosiali cez 2 mm sito a nasledovne uskladnili na inkubáciu pri 4 C počas 6-8 týždňov. Preinkubácia vzoriek je dôležitá pre stabilizáciu pôdnych pomerov vo vzorkách. Bezprostredne po odbere vzoriek sa stanovili nasledovné parametre: obsah organického uhlíka (C ox ) podľa Ťurina (Arinuškinova, 1961), aktívne ph (ph H2O ) a výmenné ph (ph KCl ) potenciometricky, obsah celkového dusíka (N tot ) Kjeldahlovou metódou v modifikácii Jodlbauera (Peterburskij, 1963). Po preinkubácii vzoriek sme stanovili nasledovné parametre : uhlík mikrobiálnej biomasy (C mic ) fumigačne extrakčnou metódou podľa Vance et al. (1987), ľahko metabolizovateľný uhlík (C hwe ) podľa Kőrschens et al. (1990), dehydrogenázovú aktivitu (DHA) s využitím TTC podľa Casida et al. (1964), FDA hydrolýzu metódou podľa Schnűrer et Rosswall (1982), fosfatázovú aktivitu (FA) s využitím PNFF metódou podľa Tabatabai et Bremner (1969). Získané hodnoty sme spracovali využitím programu Statgraphics, a hodnotili podľa Stehlíkovej (1998). Sumárne štatistiky sme počítali z opakovaní a lineárne regresné analýzy z priemerných hodnôt podľa hĺbok. Všetky uvádzané výsledky sú prepočítané na sušinu zeminy. Výsledky a diskusia Uhlík mikrobiálnej biomasy je parameter, ktorý je výrazne ovplyvnený podmienkami v konkrétnom roku, a jeho kolísanie komplikuje využitie tejto charakteristiky na hodnotenie stavu pôdy (Šantrůčková, 1993). Tento problém sme vyriešili odberom vzoriek skoro na jar, kedy sú v pôde pomery medzi mikroorganizmami a podmienkami prostredia relatívne ustálené (Šimek, Šantrůčková, 1999). Stanovené hodnoty C mic potvrdili lepšiu biologickú kvalitu pôdneho typu černozem v porovnaní s pôdnym typom hnedozem (tab. 2, 3). Podľa pomeru C mic /C ox, ktorý je zvyčajne vyšší na chudobných pôdach s nízkym obsahom C ox než na pôdach z vyšším obsahom C ox (Šimek et Šantrůčková, 2002), hodnoty pomeru C mic /C ox v sledovaných pôdnych typoch sa pohybovali od 1,5 do 2,49 %. Zaujímavý je nárast hodnoty tohto indexu s hĺbkou v pôdnom type hnedozem, čo svedčí o tom, že obsah C mic klesal s hĺbkou pomalšie ako obsah C ox, a tým sa zvyšoval podiel uhlíka v nestabilnej zložke pôdy. Dehydrogenázová aktivita je nevyhnutnou súčasťou metabolizmu všetkých mikroorganizmov a je svojou funkciou viazaná na bunku. Ako index odrážajúci rozsah oxidačnej činnosti mikroorganizmov, umožňuje posúdiť biologickú aktivitu pôdy zo širšieho hľadiska. Vhodnosť využitia DHA ako všeobecného ukazovateľa biologickej aktivity pôdy potvrdzujú i naše výsledky. Na sledovaných lokalitách černozemí sme stanovili rozsah dehydrogenázovej aktivity v sledovanom pôdnom profile v rozsahu od 13,17 do 0, 64 µg TPF.g -1 pôdy (tab. 1) a v hnedozemiach od 4,76 do 0,29 µg TPF.g -1 pôdy. Výsledky lineárnej regresnej analýzy (tab. 3), dokumentujú, že aktivita dehydrogenáz je citlivým ukazovateľom, ktorý odráža nielen úroveň mikrobiálneho osídlenia a aktivity, ale aj zásobenosť pôdy 243

3 organickou hmotou a dusíkom. Pozitívnu koreláciu, štatisticky významnú, s DHA v súlade s publikovanými údajmi (Majedón et al., 2001) sme zistili pri všetkých parametroch s výnimkou fosfatázovej aktivity v hnedozemi. V hnedozemi sa nám výrazne nepotvrdila ani očakávaná korelácia medzi DHA a C mic (r = 0,57, P < 0,05). V oboch pôdnych typoch sa nám potvrdil veľmi tesný vzájomný vzťah medzi DHA a C hwe, N tot, a FDA (P < 0,001). Zistený vzťah medzi DHA a FDA hydrolýzou (r = 0,94) poukazuje na výrazné prepojenie oboch ukazovateľov a vhodnosť ich použitia ako indexov odrážajúcich celkovú mikrobiálnu aktivity v pôde. Hydrolýza FDA je podľa Guimarães et al. (2002) adekvátnou metódou pre poznanie degradačnej aktivity mikroorganizmov. Menšie skreslenie výsledkov môže spôsobovať absorpcia FDA pôdnou organickou hmotou, alebo ílovými minerálmi, čo je treba brať do úvahy pri interpretácii výsledkov merania (Schnűrer et Rosswall, 1982; Sigler et Zeyer, 2002). Stanovené hodnoty FDA hydrolýzy sa na rozdiel od ostatných sledovaných parametrov medzi hnedozemou a černozemou výrazne neodlišovali a klesali v pôdnom profile od 0,19-0,18 do 0, 04-0,02 A.g -1.h -1. Výsledky regresnej analýzy potvrdili v súlade s ďalšími autormi (Gaspar et al., 2001) štatisticky veľmi významný (P < 0,01) vzťah medzi FDA hydrolýzou a obsahom C ox, N tot a DHA v hnedozemi. V rozpore s publikovanými prácami autorov Vinther et al. (2001), nepotvrdili sme koreláciu medzi FDA hydrolýzou a C mic v hnedozemi, potvrdila sa iba v černozemi. Fosfatázová aktivita oproti dehydrogenázovej aktivite a hydrolýze FDA odráža oveľa špecifickejšiu, avšak nevyhnutnú aktivitu pôdnych mikroorganizmov. Aktivita pôdnych fosfatáz je podmienkou sprístupňovania organického fosforu pre rastliny. V humusovom horizonte skúmaných hnedozemí sme zistili viac ako dvojnásobnú aktivitu fosfatáz oproti černozemi, v priemere až 24,17 µg PNF.g -1 pôdy.h -1 oproti 10,48 µg PNF.g -1 pôdy.h -1 pre černozeme. Bolo to pravdepodobne spôsobené priaznivejšou pôdnou reakciou v hnedozemi, pretože alkalické ph potláča aktivitu kyslej fosfatázy. Stanovené hodnoty fosfatázovej aktivity však v pôdnom profile s hĺbkou rýchle klesali až na priemernú hodnotu 1,5 µg PNF.g - 1 pôdy.h -1 v IV. odberovej hĺbke. V rozpore s údajmi uvádzanými v literatúre (Šarapatka, 1996; Šarapatka et Hýsek, 1998) sa nám nepotvrdili regresnou analýzou korelácie fosfatázovej aktivity s C ox, ani s C mic. Ako menej významné (P < 0,05), ale štatisticky preukazné, sme určili korelácie medzi FA a N tot, čo je v súlade v publikovanými údajmi (Šarapatka et Kršková, 1997; Šarapatka, 1996; Šarapatka et Hýsek, 1998), a tiež medzi FA a obsahom C hwe. Tesný korelačný vzťah sa nám potvrdil iba medzi FA a FDA, DHA v černozemi (P < 0,001). Tento vedecký príspevok bol spracovaný za podpory vedeckých projektov 1/9083/02 a Štátnej úlohy výskumu 2003SP27/028ODO. Vega grant Literatúra 1. ARINUŠKINA, E Rukovodstvo po chimičeskom analizu počv. Moskva: Izd. Moskovskovo universiteta, s. 2. CASIDA, L.E. - KLEIN, D. A. - SANTORO, T., Soil dehydrogenase activity. In: Soil science, vol.98, 1964, p GASPAR, M. L. - CABELLO, M. N. - POLLERO, R. et al Fluorescein diacetate hydrolysis as a measure of fungal biomass in soil. In: Current microbiology, vol. 42, 2001, no. 5, p GUIMÃRAES, J. R. D. - ÖSTERREICHER-CUNHA, P. - VARGAS, E. A. et al. Microbial activity in soil during Gasoline-ethanol degradation. [ ]. Dostupné na internete: < vargas guimaraes _silva_76.pdf> 244

4 5. KŐRSCHENS, M. - SCHULZ, E. - BEHM, R Heiβwasserlőslicher C und N im Boden als kriterium fűr N-Nachlieferungsvermőgen. In: Zbl. Microbiology, vol. 145, 1999, p KUBÁT, J. NOVÁKOVÁ, J. CERHANOVÁ, D Výskyt a aktivita půdních mikroorganismů ve dlouhodobých polních pokusech na orné půdě. In: Biologické indikátory kvality půd. Brno : MZLU, 2002, s MAJEDÓN, E. - BURGOS, P. - MURILLO, J. M. et al Phytotoxicity of organic amendments on activities of selected soil enzymes. In: Commun. soil sci. plant anal., vol. 32, 2001, no , p PETERBURSKIJ, A. V Praktikum po agronomičeskoj chimii. Moskva: Izd. Seľskochozjejstvennoj literatury, žurnalov a plakatov, s. 9. SCHNŰRER, J. - ROSSWALL, T Fluorescein diacetate hydrolysis as a measure of total microbial activity in soil and litter. In: Applied and enviromental microbiology, vol. 43, 1982, no. 6, p SIGLER, W. V. - ZEYER, J Microbial diversity and activity along the forefields of two receding glaciers. In: Microbial ecology, vol. 43, 2002, no. 4, p STEHLÍKOVÁ, B Základy bioštatistiky.1. vyd. Nitra : VES SPU, s. 12. ŠANTRŮČKOVÁ, H Mikrobní biomasa jako ukazatel biologické aktivity půdy. In: Rostlinná výroba, roč. 39, 1993, č. 9, s ŠARAPATKA, B Vliv zemědělských systémů na aktivitu půdních enzymů. In: Využitie integrovanej rastlinnej výroby v podmienkach Slovenska: Zborník zo seminára s medzinárodnou účasťou. Nitra : Dom technniky ZSVTS, 1996, s ŠARAPATKA, B Možnosti využití aktivity enzymů jako indikátorů produktivity a kvality systémů. In: Biologické indikátory kvality půd. Brno : MZLU, 2002, s ŠARAPATKA, B. - HÝSEK, J Relationship between phosphatase active bacteria and phosphatase activities in forest soils. In: Biology and fertility of soils, vol. 26, 1998, no. 2, p ŠARAPATKA, B. - KRŠKOVÁ, M Interactions between phosphatase activity and soil characteristics from some locations in the Czech republic. In: Rostlinná výroba, roč. 43, 1997, č. 9, s ŠIMEK, M. ŠANTRŮČKOVÁ, H Influence of storage of soil samples on microbial biomass and its activity. In: Rostlinná výroba, vol. 45, 1999, p ŠIMEK, M. ŠANTRŮČKOVÁ, H Jsou charakteristiky mikrobiálního společenstva vhodnými indikátory kvality půdy? In: Biologické indikátory kvality půd. Brno : MZLU, 2002, s TABATABAI, M. A. - BREMNER, J. M Use of p - nitrophenyl phosphate for assay of soil phosphatase activity. In: Soil biology and biochemistry, vol. 1, 1969, no. 3, p VANCE, E. D. - BROOKES, P. C. - JENKINSON, D. S An extraction method for measuring soil microbial bimass. In: Soil biology and biochemistry, vol. 19, 1987, p VINTHER, F. P. - ELSGAARD, L. - JACOBSEN, O. S Heterogenity of bacterial populations and pesticide degradation potencials in the unsatured zone of loamy and sandy soils. In: Biology and fertility of soils, vol. 33, 2001, no. 6, p Záver Sledované chemické (oxidovateľný uhlík, celkový dusík, ph) a biologické (ľahko prístupný uhlík pre mikroorganizmy, uhlík biomasy mikroorganizmov, dehydrogenázová aktivita, FDA hydrolýza, fosfatázová aktivita) ukazovatele potvrdili lepšiu kvalitu pôdy pôdneho typu 245

5 černozem ako hnedozem v sledovanom pôdnom profile. Vyššie hodnoty sledovaných ukazovateľov sme stanovili v hnedozemi iba pri fosfatázovej aktivite, v dôsledku priaznivejšej pôdnej reakcie. Štatistický významné korelácie v pôdnom profile (P < 0,001) obidvoch pôdnych typov sme zistili medzi dehydrogenázovou aktivitou a ľahko prístupným uhlíkom pre mikroorganizmy, celkovým dusíkom a FDA hydrolýzou. Tabuľka 2: Priemerné hodnoty (smerodajná odchýlka) sledovaných chemických a biologických parametrov v pôdnom profile černozeme Sledované Ukazovateľ Jednotka parametre I. II. III. IV. ph H2O - 7,82 (0,22) 7,88 (0,27) 8,02 (0,19) 8,19 (0,1) ph KCl - 6,86 (0,55) 6,85 (0,6) 6,99 (0,54) 7,12 (0,49) Chemické C ox % 1,84 (0,31) 1,77 (0,36) 1,41(0,51) 0,71(0,56) C hwe mg.g -1 0,44 (0,08) 0,41 (0,06) 0,23 (0,12) 0,11 (0,05) N tot % 0,22 (0,03) 0,21 (0,03) 0,15 (0,05) 0,10 (0,05) C:N - 8,30 (0,95) 8,36 (1,01) 9,53 (1,51) 8,12 (3,2) C mic µg.g ,65 (27,89) 243,00 (54,49) 159,58 (24,73) 77,00 (23,98) C mic /C ox % 1,62 (0,29) 1,43 (0,47) 1,17 (0,18) 1,38 (0,54) Biologické FA µg PNF.g -1.h -1 10,31 (4,63) 10,44 (2,48) 6,41 (2,36) 3,73 (0,90) DHA µg TPF.g -1 13,83 (4,96) 10,34 (1,44) 3,59 (2,18) 0,59 (0,54) FDA A.g -1.h -1 0,20 (0,08) 0,17 (0,06) 0,10 (0,05) 0,05 (0,04) Tabuľka 3: Priemerné hodnoty ( smerodajná odchýlka) sledovaných chemických a biologických parametrov v pôdnom profile hnedozeme Sledované Ukazovateľ Jednotka parametre I. II. III. IV. ph H2O - 6,72 (0,39) 7,06(0,28) 7,68 (0,58) 7,68 (0,57) ph KCl - 5,42 (0,18) 5,64 (0,29) 6,58 (0,87) 6,59 (0,90) Chemické C ox % 1,24 (0,15) 0,69 (0,40) 0,40 (0,10) 0,33 (0,09) C hwe mg.g -1 0,34 (0,08) 0,19 (0,11) 0,13 (0,06) 0,09 (0,04) N tot % 0,15 (0,03) 0,09 (0,04) 0,06 (0,01) 0,05 (0,00) C:N - 8,16 (1,16) 7,75 (1,63) 6,78 (0,38) 7,17 (1,49) C mic µg.g ,26 (93,03) 126,81 (103,52) 98,90 (50,04) 72,35 (78,42) C mic /C ox % 1,51 (0,54) 1,85 (0,65) 2,49 (0,74) 1,93 (1,60) Biologické FA µg PNF.g -1.h -1 24,17 (7,62) 13,59 (8,40) 3,34 (1,98) 1,50 (1,00) DHA µg TPF.g -1 4,76 (1,99) 1,93 (1,45) 0,77 (0,44) 0,29 (0,10) FDA A.g -1.h -1 0,18 (0,05) 0,08 (0,02) 0,05 (0,04) 0,02 (0,01) Tabuľka 4: Korelačné koeficienty a štatistická preukaznosť sledovaných závislostí Závislý parameter Nezávislý parameter Černozem C ox C hwe N tot C mic FA FDA DHA 0,71** 0,88*** 0,76*** 0,89*** 0,83*** 0,74*** FDA 0,48 0,60* 0,53* 0,63** 0,88*** - FA 0,58* 0,68* 0,53 0,59* - - Hnedozem DHA 0,85*** 0,77*** 0,77*** 0,57* 0,54 0,96*** FDA 0,87*** 0,75** 0,82*** 0,58* 0,70* - FA 0,50 0,53 0,52 0, *P <0, 05, **P< 0, 01, ***P <0, 001 Kontaktná adresa: Ing. Soňa Javoreková, PhD., tr. A.Hlinku 2, Nitra, Sona.Javorekova@uniag.sk 246