Influence of salt composition on the enzymatic activity of degraded soils in the Astrakhan region

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The influence of salt composition on the enzymatic activity of soils of the Astrakhan region: solonchaks (Haplic Solonchaks (Aridic)), brown arid (Endosalic Calcisols) and alluvial sod (Calcic Fluvisols) soils. Ten soil samples taken from the upper soil layer (0–20 cm) from the territory of the Narimanovsky, Trusovsky and Privolzhsky districts of the Astrakhan region were examined. Sulfate and sulfate-chloride types of salinization predominate in the studied soil samples. In the non-saline alluvial sod soil of the Volga region of the Astrakhan region, the maximum integral index of enzymatic activity was found for all enzyme classes (87%), while in a similar soil with an average degree of salinity its value was 1.5 times lower and approached that in Solonchaks. Under soil salinization, the enzymes of the C cycle (invertase, dehydrogenases), N (urease), S (arylsulfatase) and P (phosphatase) showed the greatest sensitivity, and the enzymes of the O cycle (ascorbate oxidase and peroxidase) showed the least sensitivity. The use of enzyme activity in saline soils as a diagnostic indicator is possible considering the type of soil, the chemistry of salinity, and the cationic and anionic composition of the soil.

Full Text

Restricted Access

About the authors

T. V. Minnikova

Southern Federal University

Author for correspondence.
Email: Loko261008@yandex.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don

Yu. V. Bataeva

Russian State Agrarian University – Timiryazev Moscow Agricultural Academy

Email: Loko261008@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

L. N. Grigoryan

Tatishcheva Astrakhan State University

Email: Loko261008@yandex.ru
Russian Federation, Astrakhan

S. I. Kolesnikov

Southern Federal University

Email: Loko261008@yandex.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don

L. V. Yakovleva

Tatishcheva Astrakhan State University

Email: Loko261008@yandex.ru
Russian Federation, Astrakhan

References

  1. Базилевич Н.И., Панкова Е.И. Опыт классификации почв по засолению // Почвоведение. 1968. № 11. С. 3–16.
  2. Батаева Ю.В., Дзержинская И.С., Яковлева Л.В. Состав комплекса фототрофов в различных типах почв Астраханской области // Почвоведение. 2017. № 8. С. 973–982.
  3. Батаева Ю.В., Григорян Л.Н., Аникина Е.А., Федотова А.В., Яковлева Л.В. К вопросу о предотвращении опустынивания и борьбы с деградацией почвенных экосистем с помощью микробно-растительных взаимодействий // Каспий и глобальные вызовы. Астрахань, 2022. С. 19–23.
  4. Галстян А.Ш. Унификация методов исследования активности ферментов почв // Почвоведение. 1978. № 2. С. 107–113.
  5. Гарифзянов А.Р., Жуков Н.Н., Пантюхин Ю.О., Иванищев В.В. Особенности NaCl-индуцированногоокислительногострессаидинамикиактивностиантиоксидантныхферментовворганахтритикалеозимой // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 2012. № 2. С. 9.
  6. Гафурова Л.А., Саидова М.Э. Влияние почвенно-экологических факторов на изменение ферментативной активности засоленных почв Южного Приаралья // Научное обозрение. 2019. № 3. С. 5–10.
  7. ГОСТ 17.4.4.02-2017 Охрана природы (ССОП). Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа (с Поправкой). Применяется с 01.01.2019 взамен ГОСТ 17.4.4.02-84.
  8. Григорян Л.Н., Батаева Ю.В., Яковлева Л.В., Шляхов В.А. Микробиологический состав засоленных почв аридных территорий // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Сер. Естественные и технические науки. 2018. № 12.
  9. Григорян Л.Н., Батаева Ю.В. Экологические особенности и биотехнологические возможности почвенных актинобактерий (обзор) // Теоретическая и прикладная экология. 2023. № 2. С. 6–19.
  10. Громова И.П. Фунгициды и активность гидролитического энзима группы амидаз в почве // Ученые записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского. Биология. Химия. 2023. Т. 9. № 3. С. 14–22.
  11. ГОСТ 26213-2021. Межгосударственный стандарт. Почвы. Методы определения органического вещества. М.: Российский институт стандартизации, 2021. 7 с.
  12. Доскач А.Г. Природное районирование Прикаспийской полупустыни. М.: Наука, 1979. 142 с.
  13. Жуков Н.Н., Гарифзянов А.Р., Иванищев В.В. Динамика активности антиоксидантных ферментов в органах Triticosecale на фоне NaCl-засоления // Известия Тульского гос. ун-та. Естественные науки. 2012. № 2. C. 285–291.
  14. Ибраева М.А., Шаухарова Д.Е., Джуманова М. Влияние засоления почв на микробиологическую активность. Почвоведение и агрохимия. 2020. № 2. C. 71–78.
  15. Каширская Н.Н., Плеханова Л.Н., Чернышева Е.В., Ельцов М.В., Удальцов С.Н., Борисов А.В. Пространственно-временные особенности фосфатазной активности естественных и антропогенно-преобразованных почв // Почвоведение. 2020. № 1. С. 89–101.
  16. Каширская Н.Н., Хомутова Т.Э., Чернышева Е.В., Ельцов М.В., Демкин В.А. Численность и суммарная биомасса микробных сообществ каштановых почв и солонцов сухостепной зоны Нижнего Поволжья // Почвоведение. 2015. № 3. С. 337–346.
  17. Кузина Е.В., Рафикова Г.Ф. Мухаматдьярова С.Р., Шарипова Ю.Ю., Коршунова Т.Ю. Биологическая активность чернозема, выщелоченного при нефтяном и хлоридно-натриевом загрязнении и влияние на нее обработки галотолерантными бактериями-нефтедеструкторами // Почвоведение. 2023. № 1. С. 89–101.
  18. Засоленные почвы России / Под ред. Шишова Л.Л., Панковой Е.И. М.: Академкнига, 2006. С. 28–30.
  19. Манжина С.А. К вопросу выявления химизма и степени засоления почв: российские и зарубежные практики // Мелиорация и гидротехника. 2021. Т. 11. № 3. С. 163–181.
  20. Мелиорация засоленных почв и методы их изучения: М474 учебно-методическое пособие. Томск: Издательский Дом Томского гос. ун-та, 2018. 138 с.
  21. Михайловская Н.А., Черныш А.Ф., Погирницкая Т.В., Юхновец А.В. Ферментативная активность эродированных дерново-подзолистых почв на мощных моренных суглинках. Почвоведение и агрохимия. 2013. № 2. С. 123–133.
  22. Минникова Т.В., Русева А.С., Колесников С.И. Оценка ферментативной активности нефтезагрязненного чернозема после биоремедиации // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2022. № 5. С. 5–20.
  23. Новосёлова Е.И., Киреева Н.А. Ферментативная активность почв в условиях нефтяного загрязнения и её биодиагностическое значение // Теоретическая и прикладная экология. 2009. № 2. С. 4–12.
  24. Пилецкая О.А., Ячная Д.А. Влияние сроков и способов хранения на изменение активности ферментов черноземовидной почвы Зейско-Буреинской равнины // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2022. №. 112. С. 48–72.
  25. Поляк Ю.М., Сухаревич В.И. Почвенные ферменты и загрязнение почв: биодеградация, биоремедиация, биоиндикация // Агрохимия. 2020. № 3. С. 83–93.
  26. Пронина Н.Б., Баздыррв Г.И. Особенности ферментативной активности почв и растений в условиях эрозионного стресса // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2002. Вып. 2. С. 50–65.
  27. Прянишников Д.Н. Избр. тр. М.: Наука, 1976. 591 с.
  28. Пуртова Л.Н., Емельянов А.Н. Показатели физико-химических свойств и биологической активности агрогенных почв при различных приемах агротехнической обработки // Международный научно-исследовательский журнал. 2019. № 8.
  29. Руководство по лабораторным методам исследования ионно-солевого состава нейтральных и щелочных минеральных почв. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 1990. 236 с.
  30. Семененко С.Я., Морозова Н.В. Использование ферментативной биостимуляции для рекультивации почвы объектов захоронения твердых бытовых отходов // Агрохимия. 2018. № 9. С. 80–83.
  31. Семененко С.Я., Морозова Н.В. Изменение содержания солей в почве при ее рекультивации методом ферментативной биостимуляции. Аграрный научный журнал. 2018. № 1. С. 35–38.
  32. Теория и практика химического анализа почв. Ред. Л.А. Воробьева. М.: ГЕОС, 2006. 400
  33. Товстик Е.В., Олькова А.С. Оценка влияния факторов абиотической природы на ферментативную активность почвы // Экобиотех. 2021. Т. 4. № 2. С. 128–134.
  34. Толпешта И.И. Методологические подходы к расчету критических нагрузок на экосистемы соединений азота и серы. Тула, 2014. 128 с.
  35. Трунова С.А. Нурмагомедова С.Г., Абакарова С.З. Ферментативная активность почв в условиях засоления на территории Дагестана в Буйнакском районе и в поселке Талги // Проблемы развития АПК региона. 2020. № 3. С. 108–113.
  36. Хабиров И.К., Сайфуллин Р.Р. Эрозия почв и ферментативная активность // Международный научно-исследовательский журнал. 2022. № 1. С. 150–152.
  37. Хазиев Ф.Х. Ферментативная активность почв. М.: Наука, 1982. 203 с.
  38. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 2005. 252 с.
  39. Хазиев Ф.Х. Функциональная роль ферментов в почвенных процессах // Вестник АН Республики Башкортостан. 2015. № 20. С. 14–24.
  40. Хазиев Ф.Х. Экологические связи ферментативной активности почв // Экобиотех. 2018. Т. 1. № 2. С. 80–92.
  41. Шабанов Р.М., Бембеев Ч.С. Деградация земель в республике Калмыкия в контексте глобальной экологической проблемы опустынивания территорий // Итоги и перспективы развития агропромышленного комплекса. Сб. матер. Междунар. науч.-пр. конф. 2018. С. 476–481.
  42. Шашурин М.М. Ферментативная активность почв и почвогрунтов при хроническом воздействии экотоксикантов различной природы в условиях Центральной и Южной Якутии // Наука и образование. 2012. № 1. С. 76.
  43. Якименко В.Н. Изменение содержания форм минерального азота и калия в профиле почвы агроценозов // Вестник Томского гос. ун-та. 2009. № 328. С. 202–207.
  44. Якименко В.Н., Бойко В.С. Изменение содержания форм серы в почвах полевых опытов в Западной Сибири // Агрохимия. 2022. № 11. С. 3–12.
  45. Bowles T.M., Acosta-Martínez V., Calderón F., Jackson L.E. Soil enzyme activities, microbial communities, and carbon and nitrogen availability in organic agroecosystems across an intensively-managed agricultural landscape // Soil Biol. Biochem. 2014. V. 68. P. 252–262. http://dx.doi.org/10.1016/j.soilbio.2013.10.004
  46. Canfora L., Bacci G., Pinzari F., Lo Papa G., Dazzi C. et al. Salinity and bacterial diversity: to what extent does the concentration of salt affect the bacterial community in a saline soil? // PLOS ONE. 2014. V. 9. P. e106662. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0106662
  47. Daunoras J., Kačergius A., Gudiukaitė R. Role of soil microbiota enzymes in soil health and activity changes depending on climate change and the type of soil ecosystem // Biology (Basel). 2024. V. 29. P. 85. https://doi.org/10.3390/biology13020085
  48. Dick R.P., Sandor J.A., Eash N.S. Soil enzyme activities after 1500 years of terrace agriculture in the Colca valley. Pera. Agri Escosyst Environ, 1994. V. 50. P. 123–131.
  49. Gao Y., Wang J., Xu J., Kong X., Zhao L., Zeng D.H. Assessing the quality of oil contaminated saline soil using two composite indices // Ecol. Indic. 2013. V. 24. P. 105–112.
  50. Garcia-Ruiz R., Ochoa V., Hinojosa M.B., Carreira J.A. Suitability of enzyme activities for the monitoring of soil quality improvement in organic agricultural systems // Soil Biol. Biochem. 2008. V. 40. P. 2137–2145. https://doi.org/10.1016/J.SOILBIO.2008.03.023
  51. Jaworska H., Lemanowicz J. Heavy metal contents and enzymatic activity in soils exposed to the impact of road traffic // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 19981. https://doi.org/10.1038/s41598-019-56418-7
  52. Kanté M., Riah-Anglet W., Cliquet J.-B., Trinsoutrot-Gattin I. Soil Enzyme Activity and Stoichiometry: Linking Soil Microorganism Resource Requirement and Legume Carbon Rhizodeposition // Agronomy. 2021. V. 11. P. 2131. https://doi.org/10.3390/agronomy11112131
  53. Kolesnikov S.I., Kazeev K.Sh., Akimenko Yu.V. Development of regional standards for pollutants in the soil using biological parameters // Environ. Monitoring Assessm. 2019. V. 191. Р. 544–550. https://doi.org/10.1007/s10661-019-7718-3
  54. McHugh T.A., Compson Z., van Gestel N., Hayer M., Ballard L., Haverty M., Hines J., Irvine N., Krassner D., Lyons T. et al. Climate controls prokaryotic community composition in desert soils of the Southwestern United States // FEMS Microbiol. Ecol. 2017. V. 93. Р. 116.
  55. Meena V.S., Maurya B., Verma J., Meena R. et al. Potassium-Solubilizing Microorganism in Evergreen Agriculture: An Overview // Potassium Solubilizing Microorganisms for Sustainable Agriculture. New Delhi: Springer, 2016. https://doi.org/10.1007/978-81-322-2776-2_1
  56. Minnikova T., Kolesnikov S., Evstegneeva N., Timoshenko A., Tsepina N. Estimation of the enzymatic activity of haplic chernozem under contamination with oxides and nitrates of Ag, Bi, Te and Tl // Agronomy. 2022. V. 12. Р. 2183. https://doi.org/10.3390/agronomy12092183
  57. Minnikova T., Kolesnikov S., Revina S., Ruseva A., Gaivoronsky V. Enzymatic Assessment of the state of oil-contaminated soils in the south of Russia after bioremediation // Toxics. 2023. V. 11. P. 355. https://doi.org/10.3390/toxics11040355
  58. Minnikova T.V., Kolesnikov S.I., Evstegneeva N.A., Timoshenko A.N., Tsepina N.I., Kazeev K.Sh. Assessment of enzymatic activity of haplic chernozem soils contaminated with Ag, Bi, Te, and Tl // Eurasian Soil Science. 2024. V. 57. Р. 395–408. https://doi.org/10.1134/S1064229323603037
  59. Minnikova T., Kolesnikov S., Kuzina A., Trufanov D., Khrapay E., Trushkov A. Enzymatic diagnostics of soil health of the European part of Russia with lead contamination // Soil Systems 2024. V. 8. Р. 76. https://doi.org/10.3390/soilsystems8030076
  60. Mokrikov G., Minnikova T., Kazeev K. and Kolesnikov S. Use of soil enzyme activity in assessing the effect of No-Till in the South of Russia // Agronomy Res. 2021. V. 19. Р. 171–184. https://doi.org/10.15159/AR.20.240
  61. Otlewska A., Migliore M., Dybka-Stępień K., Manfredini A., Struszczyk-Świta K., Napoli R., Białkowska A., Canfora L., Pinzari F. When Salt Meddles Between Plant, Soil, and Microorganisms // Frontiers Plant Sci. 2020. V. 11. Р. 553087. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.553087
  62. Piotrowska-Długosz A. Significance of the enzymes associated with soil C and N transformation // Carbon and nitrogen cycling in soil. Singapore: Springer, 2020. https://doi.org/10.1007/978-981-13-7264-3_12
  63. Rahul R., Sharma P., Singh A., Singh J., Kumar M. Soil Enzymes and Their Role in Soil Health Improvement // Advances in Agricultural and Industrial Microbiology. Singapore: Springer, 2022. https://doi.org/10.1007/978-981-16-8918-5_3
  64. Raiesi F., Sadeghi E. Interactive effect of salinity and cadmium toxicity on soil microbial properties and enzyme activities // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2019. V. 168. Р. 221–229. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.10.079
  65. Shabaan M., Asghar H.N., Zahir Z.A., Zhang X., Sardar M.F., Li H. Salt-Tolerant PGPR Confer Salt Tolerance to Maize Through Enhanced Soil Biological Health, Enzymatic Activities, Nutrient Uptake and Antioxidant Defense // Front. Microbiol. 2022. V. 13. Р. 901865. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.901865
  66. Shahid S.A., Zaman M., Heng L. Introduction to Soil Salinity, Sodicity and Diagnostics Techniques // Guideline for Salinity Assessment, Mitigation and Adaptation Using Nuclear and Related Techniques. Cham: Springer, 2018. https://doi.org/10.1007/978-3-319-96190-3_1
  67. Sharma S.N. Soil Enzymes and Their Role in Nutrient Cycling // Structure and Functions of Pedosphere. Springer, Singapore. 2022. https://doi.org/10.1007/978-981-16-8770-9_8
  68. Shi W. Agricultural and ecological significance of soil enzymes: Soil carbon sequestration and nutrient cycling // Soil Enzymology. Soil Biology. V. 22. Berlin: Springer, 2010. https://doi.org/10.1007/978-3-642-14225-3_3
  69. Tabatabai M.A. Soil enzymes // Weaver RW et al Editors, Methods of soil analysis. Part 2. Microbiological Biochemical properties. 1994. P. 775–833.
  70. Tabatabai M.A., Bremner J.M. Use of p-nitrophenyl phosphate for assay of soil phosphatase activity // Soil Biol. Biochem. 1969. V. 1. P. 301–307.
  71. Tabatabai M.A., Bremner J.M. Arylsulfatase activity of soils // Soil Sci. Soc. Am. Proc. 1970. V. 34. P. 225–229.
  72. Vithanage M., Bandara T., Al-Wabel M. I., Abduljabbar A., Usman A.R. A., Ahmad M., Sik Ok Y. Soil enzyme activities waste biochar amended multi-metal contaminated soil; effect of different pyrolysis temperatures and application rates // Commun. Soil Sci. Plant Analysis. 2018. V. 49. P. 635–643. https://doi.org/10.1080/00103624.2018.1435795
  73. Wang K., Mao X., Yang J., Wen M., Han F. Soil extracellular enzyme activity and microbial resource limitation exhibited close relationships with groundwater table decline in desert wetlands // Catena. 2024. V. 236. P. 107754
  74. Wei S., Ding S., Li Y., Zhang E., Duan X. Differential responses of soil cellulase enzymes and oxidative enzymes to soil erosion // Catena. 2024. V. 241. P. 108015. https://doi.org/10.1016/j.catena.2024.108015
  75. World Reference Base for soil resources 2014: international soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. FAO UNESCO, 2014.
  76. Yeboah J.O., Shi G.Y., Shi W.L. Effect of Heavy Metal Contamination on Soil Enzymes Activities // J. Geosci. Environ. Protection. 2021. V. 9. P. 135–154. https://doi.org/10.4236/gep. 2021.96008

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Map-scheme of sampling of saline soils of the Astrakhan region.

Download (2MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Changes in the activity of oxidoreductases in soils with different degrees of salinity: (a) catalase activity, ml O2/(g min); (b) dehydrogenase activity, mg TPP/(g day); (c) ascorbate oxidase activity, mg DHAC/(g h); (d) peroxidase activity, mg 1,4 benzoquinone/(g 30 min); (e) polyphenol oxidase activity, mg 1,4 benzoquinone/(g 30 min).

Download (2MB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Changes in the activity of hydrolases in soils with different degrees of salinity: (a) invertase activity, mg glucose/(10 g day); (b) urease activity, mg NH3/(10 g day); (c) phosphatase activity, μg p-nitrophenol/(g h); (d) arylsulfatase activity, μg p-nitrophenol/(g h); (e) adenosine triphosphatase activity, mg P/(100 g h).

Download (2MB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Integrated index of enzymatic activity (IIEA) of soils with different degrees of salinity: (a) by the activity of all oxidoreductases (catalase, dehydrogenases, ascorbate oxidase, peroxidase, polyphenol oxidase); (b) by the activity of all hydrolases (invertase, urease, phosphatase, arylsulfatase, adenosine triphosphatase); (c) by the activity of enzymes of the oxidoreductase and hydrolase classes.

Download (1MB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Change in the geometric mean enzymatic activity (GMEA) of soils with different degrees of salinity: (a) by the activity of all oxidoreductases (catalase, dehydrogenases, ascorbate oxidase, peroxidase, polyphenol oxidase); (b) by the activity of all hydrolases (invertase, urease, phosphatase, arylsulfatase, adenosine triphosphatase); (c) by the activity of enzymes of the oxidoreductase and hydrolase classes.

Download (1MB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences