اثر شوری و بقایای گیاهی بر فعالیت آنزیمی و غلظت عناصرمعدنی یک خاک آلوده به کادمیوم در شرایط آزمایشگاهی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته دکتری ، گروه علوم خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان،

2 استاد ، گروه علوم خاک، دانشگاه شهرکرد

چکیده

سابقه و هدف: خاک به عنوان محیط رشد گیاه و زیست‌گاه موجودات زنده گوناگون با انواع تنش‌های زیستی روبه‌رو است. ریزجانداران خاک نقش مهمی در عملکرد و حفظ کیفیت خاک دارند، زیرا آن‌ها مسئول تجزیه مواد آلی، گردش چرخه عناصر غذایی و تخریب آلاینده-های خطرناک هستند. سمیت فلزی و شوری از مهم‌ترین تنش‌های موثر بر فعالیت میکروبی و آنزیمی خاک در بسیاری از مناطق جهان به ویژه مناطق خشک می‌باشند. شوری ممکن است تأثیرات منفی آلودگی بر فعالیت میکروبی خاک را برانگیزد. در سوی دیگر، کاربرد مواد آلی در خاک‌های شور یا خاک‌های آلوده به فلز سمی ممکن است پیامدهای منفی این دو تنش را بر جمعیت و فعالیت میکروبی و آنزیمی خاک کاهش دهد. هدف اصلی این پژوهش بررسی اثرهای شوری و بقایای گیاهی (یونجه) به عنوان یک سوبسترای آلی بر غلظت عناصر محلول، فعالیت آنزیم‌های فسفاتاز اسیدی، ساکاراز و تنفس ناشی از سوبسرا (SIR) در یک خاک آهکی آلوده به کادمیوم بود.
مواد و روش‌ها: این پژوهش در شرایط آزمایشگاهی کنترل شده در دانشگاه شهرکرد انجام شد. آزمایش به صورت طرح کاملاً تصادفی با آرایش فاکتوریل و در چهار تکرار انجام شد. فاکتورها شامل دو سطح کادمیوم (0 و 30 میلی گرم بر کیلوگرم)، سه سطح شوری (35/1، 5/7 و 15 دسی‌زیمنس بر متر) و دو سطح بقایای گیاهی (با و بدون مانده یونجه) انجام شد. خاک ابتدا با استفاده از نمک کلرید کادمیوم آلوده و سپس با بقایای یونجه (1% وزنی- وزنی) مخلوط گردید. پس از اختلاط کامل خاک و بقایای گیاهان، تیمارهای شوری (کلرید سدیم) استفاده شدند. برای فعال‌سازی دوباره‌ی جمعیت میکروبی، رطوبت خاک در پیرامون 70 درصد از گنجایش مزرعه تنظیم و ظروف به مدت 4 هفته در دمای اتاق نگهداری شدند. پس از آن نمونه‌ها به مدت 90 روز در دمای 1±25 درجه سلسیوس انکوبه شدند. سپس فعالیت آنزیم‌های فسفومنواستراز اسیدی و ساکاراز در سه دوره به صورت ماهانه و تنفس ناشی از سوبسترا و غلظت عناصر محلول (کلسیم، منیزیم، سدیم و پتاسیم) یک بار در طول دوره انکوباسیون اندازه‌گیری شدند.
یافته‌ها: نتایج نشان داد افزایش سطح شوری در خاک کاهش فعالیت آنزیمی، تنفس ناشی از سوبسترا و غلظت عناصر محلول کلسیم، منیزیم و پتاسیم را به همراه داشت. اثر منفی شوری بر ویژگی‌های میکروبی در خاک آلوده به کادمیوم بسیار محسوس‌تر از خاک غیرآلوده بود. کاربرد مانده‌های یونجه آثار منفی شوری بر تنفس و فعالیت آنزیمی خاک را کاهش داد و افزایش غلظت عناصر کلسیم، منیزیم، پتاسیم و سدیم در محلول خاک را در پی داشت. این یافته‌ها نشان می‌دهد در خاک‌های شور و آلوده که محدودیت کربن دارند، کاربرد مواد آلی غلظت کادمیوم قابل دسترس را کاهش، فراهمی سوبسترای موجود در خاک را افزایش و در نتیجه فعالیت آنزیمی و میکروبی خاک را بهبود می‌بخشد.
نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان می‌دهد در خاک‌های آلوده شور با محدودیت فراوان کربن، مصرف مواد آلی اصلاحی به منظور تقویت ماده آلی خاک غلظت کادمیوم قابل دسترس و اثرات شوری را کاهش و در نتیجه تنفس و فعالیت آنزیمی خاک (ساکاراز، فسفومنواستراز اسیدی) را افزایش می‌دهد. همچنین افزدون مانده گیاهی یونجه به خاک افزایش غلظت عناصر محلول در خاک (کلسیم، پتاسیم، منیزیم و سدیم) را به همراه داشت. به طور خلاصه، این پژوهش نشان داد که اثر مشترک نمک NaCl و کادمیوم بر فعالیت آنزیمی و غلظت عناصر محلول خاک در غیاب بقایای گیاهی اغلب هم‌کرداری ولی در حضور بقایای گیاهی پادکرداری است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effects of Salinity and Plant Residue on Enzyme Activity and some Mineral Element Concentrations in a Cadmium-Polluted Soil under Laboratory Condition

نویسندگان [English]

  • Elham Sadeghi 1
  • Faez Raiesi 2
2 Shahrekord University
چکیده [English]

Background and Objectives: Soil, as an important component of terrestrial ecosystems, plant growth media, and a habitat of diverse living organisms commonly encounters a variety of abiotic stresses. Soil microorganisms play an important role in maintaining soil quality and functioning, since they are responsible for the decomposition of dead organic material, nutrient cycling and degradation of hazardous organic pollutants. Metal toxicity and salinity are the major abiotic stresses affecting soil microbial activity and community structure in many areas of the world, in particular arid regions. Salinity may prompt the negative influences of soil pollution on soil microbial activity. On the other hands, application of organic amendments to saline soils or toxic metal-polluted soils may alleviate the negative consequences of these two abiotic stresses on soil microbial activity and population.
Materials and Methods: This study was conducted under controlled laboratory conditions at Shahrekord University. The main aim of this study was to investigate the effects of salinity and plant residue as an organic amendment on concentrations of soluble elements, enzyme activity and substrate-induced respirations (SIR) in a calcareous soil polluted with cadmium (Cd) over a three-month incubation experiment. A factorial experiment with two levels of cadmium (0 and 30 mg kg-1), three levels of salinity (1.35, 7.5 and 15 dS m-1) and plant residue treatments (with and without alfalfa residue) was conducted using a completely randomized design with four replications. Using cadmium chloride salt, the soil was contaminated, and subsequently amended with alfalfa residue (1%, w/w). After thorough mixing of soil and plant residue, salinity treatments were applied using NaCl salt. To reactivate the microbial population and for the aging effect, soil moisture was set at 70% of field capacity, and containers were pre-incubated at room temperature for 4 weeks. The samples were then incubated at 25±1 oC for 98 days.
Results: Increasing salinity levels resulted in an increase in soluble Na concentration, a reduction in soil enzyme activity and SIR, and a decline in the concentrations of soluble Ca, Mg and K. The harmful impact of soil salinity on microbial properties was much greater in Cd-polluted soils than unpolluted soils.
Conclusion: Results indicated that addition of plant residue reduced the negative impacts of salinity and Cd pollution stresses on soil microbial and enzyme activity, and that resulted in increases in the concentrations of water soluble elements.
The findings of the current study confirmed that application of adequate organic amendments can decrease Cd toxicity, enhance substrate availability and maintain soil microbial and enzyme activity in saline and polluted soils with substrate limitation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Enzyme activity
  • Cadmium availability
  • Salinity
  • Abiotic stress
  • Organic amendments
1.bbaspour, A., Kalbasi, M., Hajrasuliha, S., and Fotovat, A. 2008. Effect of organic matter and salinity on   ethylenediaminetetraacetic acid–extractable and solution species of cadmium and lead in three agricultural soils. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 39: 7. 983-1005.
2.Aghababaei, F., Raiesi, F., and Hosseinpur, A. 2014. The combined effects of earthworms and arbuscular mycorrhizal fungi on microbial biomass and enzyme activities in a calcareous soil spiked with cadmium. Applied Soil Ecology. 75: 33-42.
3.Alef, K., and Nannipieri, P. 1995. Enzyme activities. P 311-373. In: K. Alef,. and P. Nannipieri  (eds.) Methods in Soil Microbiology and Biochemistry. Academic Press, New York.
4.Blagodatskaya, E., and Kuzyakov, Y. 2013. Active microorganisms in soil: critical review of estimation criteria and approaches. Soil Biology and Biochemistry. 67: 192-211.
5.Blagodatsky, A., Heinemeyer, O., and Richter, J. 2000. Estimating the active and total soil microbial biomass by kinetic respiration analysis. Biology and Fertility of Soils. 32: 73-81.
6.Blake, G., and Hartge, K. 1986. Bulk density. P 363-375. In: A. Klute (ed.), Methods of Soil Analysis, Part 1. Physicala nd Mineralogical Methods, (2"ed.). American Society of Agronomy and Soil Science Society of America, Madison, Wisconsin, USA.
7.Bremner, M., and Mulvaney, S. 1982. Nitrogen. P 595-624. In: D.R. Buxton  (ed.) Methods of Soil Analysis. Part 2. Chemical and Microbiological Properties. American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin, USA.
8.Brussaard, L., Ruiter, P., and Brown, G. 2007. Soil biodiversity for agricultural sustainability. Agriculture, Ecosystems and Environment. 121: 233-244.
9.Chaganti, V., Crohn, D., and Simunek, J. 2015. Leaching and reclamation of biochar and compost amended saline-sodic soil with moderate SAR reclaimed water. Agricultural Water Management. 158: 255-265.
10.Chowdhury, N., Marschner, P., and Burns, R. 2011. Soil microbial activity and community composition: impact
of changes in matric and osmotic potential. Soil Biology and Biochemistry. 43: 1229-1236.
11.Cortes-Lorenzo, C., Rodrlguez, M., Sipkema, D., Juarez-Jimenez, B., Rodelas, B., Smidt, H., and Gonzalez-Lopez, J. 2015. Effect of salinity on nitrification efficiency and structure of ammonia-oxidizing bacterial communities in a submerged fixed bed bioreactor. Chemical Engineering Journal. 266: 233-240.
12.Curtin, D., and Miller, J.J. 2008. Electrical conductivity and soluble ions. P 161-171. In: M.R. Carter, and E.G. Gregorich (eds). Soil Sampling and Methods of Analysis. Chapter 2- Diagnostic methods for soil and environmental management. Taylor and Francis.
13Dai, J., Becquer, T., Rouiller, J., Reversat, G., Bernhard-Reversat, F., and Lavelle, P. 2004. Influence of heavy metals on C and N mineralisation and microbial biomass in Zn-, Pb-, Cu-, and Cd-contaminated soils. Applied Soil Ecology. 25: 99-109.
14.Davenport, R., Reid, R., and Smith, F. 1997. Sodium-calcium interactions in two wheat species differing in
salinity resistance. Physiologia Plantarum. 99: 323-327.
15.Effron, D., Horra, A., Defrieri, R., Fontanive, V., and Palma, R.2004. Effect of cadmium, copper and lead on different enzyme activities in a native forest soil. Communications in Soil Science and Plant Analysis.
16.Garcia, C., and Hernandez, T. 1996. Influence of salinity on the biological and biochemical activity of a calciorthird soil. Plant and Soil.
17.Gee, G., and Bauder, J. 1986. Particle-size analysis. P 383-411. In: A. Klute  (ed.) Methods of Soil Analysis. Part 1. Physical and mineralogical methods. American Society of Agronomy, Madison Wisconsin, USA.
18.Ghallab, A., and Usman, A. 2007. Effect of sodium chloride-induced salinity on phyto-availability and speciation of Cd in soil solution. Water, Air and Soil Pollution. 185: 43-51.
19.Ghollarata, M., and Raiesi, F. 2007.The adverse effects of soil salinization on the growth of Trifolium alexandrinum L. and associated microbial and biochemical properties in a soil from Iran. Soil Biology and Biochemistry. 39: 1699-1702.
20.Helmke, P.A., and Sparks, D.L. 1996. Lithium, sodium, potassium, rubidium and cesium. P 551-574. In: P.A. Helmke, C.T. Johnston, R.H. Loeppert, A.L. Page, P.N. Soltanpour, D.L. Sparks, M.E. Sumner, and M.A. Tabatabai, (eds). Methods of Soil Analysis. Part 3- Chemical Methods. Madison, Wisconsin, USA.
21.Kabata-Pendias, A. 2001. Trace Elements in Soils and Plants. CRC Press. 467p.
22.Kabata-Pendias, A., and Mukherjee, A. 2007. Trace Elements from Soil to Human. Springer- Heidelberg. 550p.
23.Klute, A. 1982. Soil pH and lime requirement. P 199-223. In: E.O. Mclean  (ed.) Methods of Soil Analysis. Part 2. Chemical and Microbiological Properties. Soil Science Society of America. Madison Wisconsin, USA.
24.Laird, D., Fleming, P., Davis,D., Horton, R., Wang, B., and Karlen, D. 2010. Impact of biochar amendments on the quality of a typical Midwestern agricultural soil. Geoderma. 158: 3. 443-449.
25.Landi, L., Renella, G., Moreno, J., Falchini, L., and Nannipieri, P. 2000. Influence of cadmium on the metabolic quotient, L-: D-glutamic acid respiration ratio and enzyme activity: microbial biomass ratio under laboratory conditions. Biology and Fertility of Soils. 32: 8-16.
26.Leelahawonge, C., and Pongsilp, N. 2009. Phosphatase activities of root-nodule bacteria and nutritional factors affecting production of phosphatases by representative bacteria from three different genera. KMITL Science Technology Journal. 9: 2. 65-83.
27.Liang, Y., Si, J., Nikolic, M., Peng, Y., Chen, W., and Jiang, Y. 2005. Organic manure stimulates biological activity and barley growth in soil subject to secondary salinization. Soil Biology and Biochemistry. 37: 1185-1195.
28.Lindsay, W., and Norvell, W. 1987. Development of a DTPA soil test for zinc, iron, manganese and copper. Soil Science Society of America Journal.42: 421-428.
29.Loeppert, R., and Suarez, D. 1996. Carbonate and Gypsum. P 437-474. In: D.L. Suarez (ed.) Methods of Soil Analysis. Part 3. Chemical properties. Soil Science Society of America. Madison Wisconsin, USA.
30.Madejon, E., Burgos, P., Lopez, R., and Cabrera, F. 2001. Soil enzymatic response to addition of heavy metals with organic residues. Biology and Fertility of Soils. 34: 144-150.
31.Moreno, J., Bastida, F., Ros, M., Hernandez, T., and Garcia, C. 2009. Soil organic carbon buffers heavy metal contamination on semiarid soils: Effects of different metal threshold levels on soil microbial activity. European Journal of Soil Biology. 45: 220-228.
32.Moreno, J., Hernandez, T., Perez, A., and Garcıia, C. 2002. Toxicity of cadmium to soil microbial activity: effect of sewage sludge addition to soil on the ecological dose. Applied Soil Ecology. 21: 149-158.
33.Nelson, D.W., and Sommers, L.1983. Total carbono, rganicc arbona ndo rganicm atter. P 539-577. In:A.L. Page, R.H. Miller, and D.R. Keeney (eds), Methods of Soil Analysis, Part 2. Chemical and Microbiological Properties, American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin, USA.
34.Rondon, M., Lehmann, J., Ramírez, J., and Hurtado, M. 2007. Biological nitrogen fixation by common beans (Phaseolus vulgaris L.) increases with biochar additions. Biology and Fertility of Soils. 43: 699-708.
35.Sposito, G., Lund, L.J., and Chang,A.C. 1982. Trace metal chemistry in arid-zone field soils amended with sewage sludge: I. Fractionation of Ni, Cu, Zn, Cd, and Pb in solid phases. Soil Science Society of America Journal. 46: 260-264.
36.Tejada, M. 2009. Application of different organic wastes in a soil polluted by cadmium: Effects on soil biological properties. Geoderma. 153: 254-268.
37.Tejada, M., and Gonzalez, J. 2008. Influence of two organic amendments on the soil physical properties, soil losses, sediments and runoff water quality. Geoderma. 145: 325-334.
38.Usman, A. 2015. Influence of NaCl-induced salinity and Cd toxicity on respiration activity and Cd availability to barley lants in farmyard manure-amended soil. Applied and Environmental Soil Science (doi:   http://dx.doi.org/10.1155/2015/483836).
39.Zhao, W., Sachsenmeier, K., Zhang, L., Sult, E., Hollingsworth, R., and Yang, H. 2014. A new bliss independence model to analyze drug combination data. Journal of Biomolecular Screening. 19: 817-821.