SUPERVISOR
Farshid Noorbakhsh,Amirhossein Khoshgoftarmanesh
فرشید نوربخش (استاد راهنما) امیرحسین خوش گفتارمنش (استاد مشاور)
STUDENT
Dorna Satar Boroujeni
درنا ستاربروجنی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Development of a new procedure to determine a soil microbial biomass and activity indicator based on L-Histidine ammonification
L- histidine is one of the 20 amino acids that form proteins. The amino acid contains number of amino group which potentially play considerable role in N mineralization in soil. Nitrogen mineralization is a key process controlling productivity of natural ecosystems as well as agroecosystems. The sustainability of the ecosystems is greatly affected by the soil N processes and hence is of great importance. Environmental factors affecting the rate of N mineralization has been widely studied however, the effect of the type of organic molecules which possess N has not been adequately investigated. There are some similarities between L-histidine and L-arginine in terms of the molecular weight furthermore, it has been reported that inorganic N release following their incorporation to calcareous soils are pretty similar. Literature studies revealed that L-arginine ammonification has been widely measured in soils by a standard developed method and many researchers have pointed out that the process has a significant association with microbial biomass and activities. Therefore we raised this idea that L-histidine ammonification can similarly be used as an index of soil microbial activity and/or biomass in soil. In order to test the hypothesis, we encountered to a gap in the knowledge due to lack of a standard reliable method for measuring L-histidine ammonification in soils. There is a need to develop a reliable method to measure L-histidine ammonification accurately and precisely. Five surface soils (0-15 cm) were collected from major agricultural areas of Isfahan Province. Soils were mostly air-dried at the time of sampling. Two subsamples were prepared. An air-dried subsample was used for soil general characterization and a pretreatment was performed to the second subsample in order to build up soil microbial populations. Microbial biomass N was measured by fumigation-extraction method. To develop a standard method, the effects of substrate concentration, incubation temperature, incubation duration and shaking during incubation was examined. L-histidine was used at 0, 0.25, 0.5, 1.5, 2, 2.5, 5, 7.5 and 10 mg kg -1 . L-histidine ammonification was measured at four temperatures including 10, 20, 30, 40 °C. The process was evaluated at three incubation time including 3, 6 and 10 hours. Two shaking status was tested, without shaking and shaking with the rate of 150 rpm during incubation period. Our results indicated that the four investigated parameters have significantly influenced the rate of L-histidine ammonification in the calcareous soils. We figured out that the optimum substrate concentration, temperature, duration were 0.5 mg kg -1 , 30°C, 10 hours respectively, when they have been applied without shaking. We reexamined the developed method in plant-residue treated soils and found out that when wheat and alfalfa root added to the soils, the method worked. The only caution was that higher substrate concentration (2 mg kg -1 ) was needed. It was noteworthy that application of the plant residues to the soils significantly enhanced soil basal respiration, substrate induced respiration and L-histine ammonification proportionally whereas, highly significant correlations were observed among the parameters.This finding shed light on our hypothesis suggesting that L-histidine can be probably used as another index of soil microbial activity and/or biomass. The range of thermodynamic values including temperature response (Q 10 ) and activation energy (E a ) were calculated and showed that the method developed here is sensitive enough to detect the differences between thermodynamic parameters among soils and plant residue treatments. Overall, we welcome the new method developed and suggest that the method needs to be evaluated and calibrated in a wide range of soil types and treatments. It has the potential to be a soil quality assessment index when being considered along with other biological measurements.
ال هیستیدین یکی از بیست آمینواسید ضروری است که در تشکیل پروتئینها بکار میرود. وجود تعداد زیادی گروه آمینی بر روی - آن این فرضیه را تقویت میکند که در فرایند معدنی شدن نیتروژن در خاک ممکن است سهم قابل توجهی داشته باشد. از سوی دیگر تشابه جرم مولکولی و رفتاری این آمینو اسید با ال آرجینین نیز دلالت بر احتمال تشابه فرایندهای آنزیمی مربوط به معدنی شدن آنها - دارد. آمونیفیکاسیون ال آرجینین به طور گسترده جهت تخمین سرعت فعالیتهای بیولوژیک خاک استفاده گردیده است. باتوجه به - اینکه ساختار شیمیایی و عملکرد ال آرجینین و ال هیستیدین تشابه قابل توجهی دارد، ممکن است ال هیستیدین نیز آنچنان در - - - فرایندهای درون سلولی واجد نقش باشد که بتوان به طور مشابه به عنوان شاخصی از فرایندهای میکروبی و یا توده زنده خاک تلقی گردد. برای بررسی این فرضیه ابتدا نیاز به وجود روشی استاندارد است به گونهای که نتایجی دقیق و تکرار پذیر به همراه داشته باشد. بررسی منابع علمی نشان میدهد که روش تعیین فرایند آمونیفیکاسیون ال هیستیدین پیش از این منتشر نگردیده و ضرورت دارد ابتدا - یک روش استاندارد تدوین گردد. این پژوهش با هدف تدوین یک روش استاندارد جهت تعیین آمونیفیکاسیون ال هیستیدین صورت - گرفت. به این منظور از خاک سطحی ) 0 تا 51 سانتیمتری( مناطق لورک، رودشت، شرودان، چم آسمان و جوزدان نمونهبرداری مرکب صورت گرفت. مقدار پ هاش، هدایت الکتریکی، کربن آلی، آهک و بافت خاک تعیین گردید. نیتروژن توده زنده میکروبی - به روش تدخین با کلروفرم عصارهگیری اندازهگیری شد. جهت تدوین روش آمونیفیکاسیون ال هیستیدین چهار عامل زمان - - انکوباسیون، غلظت سوبسترا، دمای انکوباسیون و تکان دادن حین انکوباسیون بر نمونهها مورد بررسی قرار گرفت. در بررسی اثر غلظت 7 و 50 میلیگرم بر گرم - /1 ،1 ،5/1 ،5 ،5/1 ،5 ،0/1 ،0/ سوبسترا بر آمونیفیکاسیون ال هیستیدین، خاکها در معرض غلظتهای 51 6 و 50 ساعت مورد ارزیابی قرار گرفت. - ، خاک از ال هیستیدین قرار گرفتند. هنگام بررسی تأثیر زمان انکوباسیون، سه زمان 3 30 و 00 درجه سانتیگراد اندازهگیری شد. ضمنا این فرایند در دو - ،50 ، همچنین سرعت آمونیفیکاسیون ال هیستیدین در دماهای 50 وضعیت ثابت و تکان دادن ) 510 دور در دقیقه( مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که کلیه عوامل مورد بررسی بر سرعت این 0 میلیگرم ال هیستیدین برگرم خاک، 50 ساعت انکوباسیون، دمای 30 درجه - / فرایند تاثیر معنی دار داشتهاند. به ترتیب غلظت 1 سانتیگراد و حالت تکان ندادن درحین انکوباسیون به عنوان شرایط بهینه اندازهگیری فرایند آمونیفیکاسیون ال هیستیدین تعیین - گردید. به منظور واسنجی اعتبار روش فوق در شرایط وجود مواد آلی در حال تجزیه، تأثیر غلظت سوبسترا، دمای انکوباسیون و تکان دادن در حین انکوباسیون مجددا مورد آزمون قرار گرفت و به ترتیب غلظت 5 میلیگرم ال هیستیدین بر گرم خاک، دمای 30 درجه - سانتیگراد و وضعیت تکان ندادن در حین انکوباسیون به عنوان وضعیت بهینه انتخاب شد. در خاکهای تیمار نشده با بقایای گیاهی، مقادیر ضریب دمایی ) Q10 7 و مقادیر انرژی فعالسازی ) / 3 تا 00 / ( بین 15 Ea 536 کیلو ژول بر مول محاسبه / 30 تا 30 / ( بین 70 گردید. در خاکهای تیمار شده با بقایای گیاهی، مقادیر Q10 3 در تیمارهای / 5 تا 05 / 3 در تیمارهای گندم و بین 33 / 5 تا 50 / بین 50 یونجه محاسبه گردید. مقادیر Ea بین 555 تا 500 کیلوژول بر مول در خاکهای تیمار شده با بقایای گیاهی گندم و بین 133 تا 655 کیلوژول بر مول در خاکهای تیمار شده با بقایای یونجه ملاحظه گردید. وجود ارتباط مثبت معنیدار بین آمونیفیکاسیون ال - 0/ هیستیدین با تنفس میکروبی پایه ) 005 P 0/36 , r= 0/ ( وتنفس میکروبی القا شده ) 005 P 0/36 , r= ( مشاهده شد که این همبستگی فرضیه شرکت ال هیستیدین در فرایند های اساسی سلولهای میکروبی را تقویت می نماید. لذا اینک با وجود این روش - استاندارد امکان سنجش فعالیت یا توده زنده میکروبی خاک به کمک تعیین سرعت فرایند آمونیفیکاسیون ال هیستیدین ، میتواند - مورد ارزیابی قرار گیرد. واژههای کلیدی : آمونیفیکاسیون ال آرجینین ، آمونیفیکاسیون ال هیستیدین، ال آرجینین، ال هیستیدین، فعالیت بیولوژیک خاک