SUPERVISOR
Mehran Shirvani,Farshid Noorbakhsh
مهران شیروانی جوزدانی (استاد مشاور) فرشید نوربخش (استاد راهنما)
STUDENT
Farnaz Kiyaninejad
فرناز کیانی نژاد
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Interaction of Lime and Cd on Phosphomonoesterase in Acid Soil
Accumulation of heavy metals in soil can not only limit the plant growth and development but also may restrict the activity of soil microorganisms as well as soil extracellular enzyme activities. Soil enzyme activities are considered as sensitive indices to trace metal pollutions. Phosphomonoesterases are among soil phosphatases which catalyze the hydrolysis of organic phosphate esters to orthophosphates. They have been nominated as indices for evaluating the degree of Cd toxicity in contaminated soils. The objective of this study was to identify the interaction of CaCO 3 and Cd on the activity of phosphomonoesterases in acid soils. Two soil samples were collected from Leila Kouh, Lahijan from upper and lower parts of a slope. Both soils are acidic with contrasting textural properties. A preliminary experiment was performed to determine the optimum level of CaCO 3 application. Following the preliminary experiment two short- and long-term experiments were conducted to investigate the interactive impact of Cd and CaCO 3 application in the acid soils. To evaluate the degree of short- and long-term enzyme inhibition, inhibition percentage (IP) and ecological dose 50 (ED 50 ) were used, respectively. In the preliminary experiment CaCO 3 were applied at 0, 2, 8, 16, 32 and 64 g CaCO 3 kg-1 soil and four levels of 0, 2, 8 and 16 g CaCO3 kg-1were selected eventually. For the IP approach, the soils amended with CaCO 3 were applied with a rate of 6µmol Cd g-1 soil, incubated for 30 minutes, followed by the enzyme assays. For the ED 50 approach the CaCO3 applied soils were treated with a range of Cd concentrations (0, 4, 20, 100, 500 and 1000 mg kg-1), incubated for 65 days at 25 °C and 50% water holding capacity, followed by the enzyme assays. Two kinetic-based models (model 1 and 2) were fitted in the data to calculate the values of ED 50 . Results indicated that in both soils CaCO 3 application resulted in a proportional increase in the pH values. This was observed as greater application rates of CaCO 3 increased pH values. The CaCO 3 -induced pH increase, significantly enhanced the activity of acid phosphatase while, the activity of alkaline phosphatase decreased. The different responses of the enzyme activities were attributed to their different optimum pH. Interestingly, the IP values of Cd for both acid and alkaline phosphatase were significantly decreased. The IP values in the loamy sand soil decrease from 17.8 to 6.5%. Similarly the values diminished in the silty clay soil from 29.4 to 7.8%. Regardless of the increased values of alkaline phosphatase in the CaCO 3 -ammended soils, the IP values of alkaline phosphatase decreased due to CaCO 3 application. It was observed that the IP values of the loamy sand soil decrease from 21.0 to 6.4%. Similarly the values diminished in the silty clay soil from 21.6 to 6.2%. Regardless of the CaCO 3 level, Cd application increased the DTPA-extractable Cd from 0.2 to 566 mg kg-1. Calculation of ED 50 values by the two models revealed that even though both models could estimate the ED50 values, the correlation coefficients of the model 2 were generally higher. Expectedly, the model 2 conformed well to the data and revealed that Cd inhibition to the phosphomonoesterses obeys a partial rather than a complete inhibition mechanism by which it is anticipated that a protected part of the enzyme cannot be reached by the Cd ions. Overall, it can be concluded that CaCO 3 can cease the Cd inhibition and it is suggested that lime application can be thought as a short and inexpensive solution for managing the acid soils acutely exposed to elevated Cd concentrations. Keywords: Phosphomonoesterase, CaCO 3 , Cadmium, IP, ED
افزایش غلظت فلزات سنگین ، به ویژه کادمیوم در خاک نه تنها رشد گیاه، بلکه فعالیتهای میکروبی و آنزیمی خاک را نیز متأثر مینماید. فعالیت آنزیمی به عنوان یک شاخص بیولوژیک حساس به حضور عناصر سنگین در خاک به شمار میرود. فسفومونواسترازها کاتالیز فرایند معدنی شدن فسفر آلی خاک و تامین فسفر مورد نیاز گیاه را انجام میدهند. این مطالعه با هدف بررسی برهمکنش کربناتکلسیم و کادمیوم بر فعالیت فسفومونواسترازها در خاکهای اسیدی انجام شد. این پژوهش در سه آزمایش مقدماتی، انکوباسیون کوتاه مدت و انکوباسیون بلند مدت انجام پذیرفت. از منطقه لنگرود دونوع خاک از بالا و پایین شیب انتخاب و مقدار pH، هدایت الکتریکی، کربن آلی، بافت و آهک هر دو خاک تعیین گردید. در آزمایش مقدماتی، خاکها با 6 سطح کربناتکلسیم 0، 2، 8، 16، 32 و 64 گرم برکیلوگرم تیمار شدند و پس از افزوده شدن کربناتکلسیم به خاک pH اندازهگیری گردید تا سطح بهینه آهکدهی تعیین شود. در آزمایش کوتاه مدت به منظور بررسی اثر سمیت کوتاه مدت کادمیوم (IP) به یک گرم از نمونههای خاک تیمار شده با غلظتهای 0، 2، 8 و 16 گرم کربناتکلسیم بر کیلوگرم، یک میلیلیتر محلول با غلظت 5 میکرومول بر گرم خاک کادمیوم به خاک اضافه شد. بعد ازگذشت زمان 30 دقیقه فعالیت آنزیم بر مبنای سنجش پارانیتروفنیل اندازهگیری شد. در آزمایش بلند مدت به منظور تعیین اثرات بلند مدت آلودهکنندهها بر فرآیندهای حاصل از عملکرد میکروبها در خاک، از مفهوم شاخص اکولوژیکی (ED 50 ) استفاده شد. ED 50 با استفاده از مدلهای ریاضی سینتیکی محاسبه گردید. کربناتکلسیم در چهار سطح 0، 2، 8 و 16 گرم بر کیلوگرم به خاک اضافه شده و در ادامه نیز 6 سطح کادمیوم 0، 4، 20، 100، 500 و 1000 میلیگرم بر کیلوگرم به خاکها افزوده گردید. در این آزمایش نمونهها به مدت 65 روز در دمای 25 درجه سانتیگراد و رطوبت 50 درصد ظرفیت نگهداشت آب در خاک نگهداری شدند. فعالیت آنزیم اسید فسفاتاز و آلکالین فسفاتاز مشابه آزمایش کوتاه مدت اندازهگیری و برای محاسبه ED 50 از دو مدل سینتیکی 1 و 2 استفاده شد. نتایج به دست آمده در آزمایش مقدماتی و کوتاه مدت نشان داد که افزوده شدن کربناتکلسیم به خاک باعث افزایش pH خاک و تغییر فعالیت فسفومونواسترازها شد؛ به طوری که فعالیت آنزیم اسید فسفاتاز کاهش و فعالیت آلکالین فسفاتاز افزایش یافت. همچنین افزودن کربناتکلسیم به خاک باعث کاهش سمیت کادمیوم یا همان کاهش شاخص درصد بازدارندگی آنزیم اسید فسفاتاز در خاک با بافت لوم شنی از %8/17 به %5/6 و در خاک با بافت لوم رسی سیلتی از %4/29 به %8/7 و کاهش این شاخص برای آنزیم آلکالین فسفاتاز در خاک با بافت لوم شنی از 21% به%4/6 و در خاک با بافت لوم رسی سیلتی از %6/21 به %2/6 شد. در خاک با بافت لوم شنی با تیمار فاقد کربناتکلسیم، افزودن کادمیوم به خاک سبب افزایش غلظت کادمیوم قابل عصارهگیر با DTPA از 2/0 به 566 میلیگرم بر کیلوگرم شد که این افزایش در تمامی سطوح کربناتکلسیم این خاک و نیز خاک با بافت لوم رسی سیلتی مشاهده گردید. همچنین افزودن کادمیوم به خاک با بافت لوم شنی، سبب کاهش فعالیت اسید فسفاتاز از 5/286 به 9/140 و کاهش فعالیت آنزیم آلکالین فسفاتاز از 57 به 3/36 و در خاک با بافت لوم رسی سیلتی سبب کاهش فعالیت اسید فسفاتاز از 1016 به 673 و کاهش فعالیت آلکالین فسفاتاز از 3/215 به 5/103 میکروگرم پارانیتروفنل بر ساعت بر گرم خاک شد. در پایان آزمایش میزان ED 50 در این خاک برای بررسی مقدار فلز سنگین توسط دو مدل محاسبه شد. با توجه به ماهیت مدل ?، این مدل برازش موفقیت آمیز تری جهت تعیین مقادیر ED 50 از خود نشان داد . برهمین اساس در بخشی از دامنه آهکدهی با افزایش سطح آهک مقادیر رو به افزایش نهاد که نشان از کاهش سمیت کادمیوم در حضور آهک است. این یافته با مقادیر کاهش یافته درصد بازدارندگی حاصل از مطالعه کوتاه مدت مطابقت داشت. به طور کلی چنین نتیجه گیری می شود که آهکدهی سمیت کادمیوم را بر فعالیت آنزیم های اسید و آلکالین فسفومونو استراز لگام می کند معهذا وقوع این پدیده در دوره کوتاه زمانی مشهودتر از دوره بلند مدت است. کلمات کلیدی: فسفومونواسترازها، کربناتکلسیم، کادمیوم، IP و ED 50