Changes in Enzyme Activity in Post-Pyrogenic Soils (Physical Model Experiment)

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Presented data on changes in the enzymatic activity of soils under pyrogenic effects in model experiments simulating natural fires. A series of experiments aimed at studying pyrogenic inhibition of enzyme activity and dynamics of their recovery in post-pyrogenic soils were performed under laboratory and natural conditions. The objects of the study were sandy soil (Seropeski, Arenosol) and migratory-segregation black soil (Haplic Chernozem (Loamic, Pachic) Rostov region. Model experiments were carried out by treating soil samples with gas burner flame (amount of heat 87–435 × 103 J) and pyrogenic action of wood fuel combustion (10–279 × 106 J). In the first case, the exposure duration was 1 to 5 min, and in the second case from 1 to 120 min. The response of enzymes (catalase, invertase, urease, peroxidase and phosphatase) to low-temperature plasma exposure (1–120 min) was found to differ depending on the enzyme group and degree of exposure. It was found that the depth of penetration of thermal effects in simulated fires was limited to the top soil layer (0–10 cm), and the radius of spread relative to the combustion source did not exceed 20 cm. Temperature values varied according to time, source of exposure and amount of fuel (400–600°C). Sandy soils and chernozem were heated and cooled down at different rates. The activity of catalase, invertase and urease were found to be inversely related to the intensity of pyrogenic exposure. The dynamics of enzyme activity recovery in post-pyrogenic soils was traced. Invertase activity recovered faster than catalase and urease activity, but full recovery after a year does not occur. The results obtained indicate a significantly prolonged effect of inhibition of enzymatic activity during simulation of natural fires.

About the authors

V. D. Prikhodko

Southern Federal University

Email: kamil_kazeev@mail.ru
Russia, 344090, Rostov-on-Don

K. S. Kazeev

Southern Federal University

Author for correspondence.
Email: kamil_kazeev@mail.ru
Russia, 344090, Rostov-on-Don

V. V. Vilkova

Southern Federal University

Email: kamil_kazeev@mail.ru
Russia, 344090, Rostov-on-Don

M. S. Nizhelskiy

Southern Federal University

Email: kamil_kazeev@mail.ru
Russia, 344090, Rostov-on-Don

S. I. Kolesnikov

Southern Federal University

Email: kamil_kazeev@mail.ru
Russia, 344090, Rostov-on-Don

References

  1. Азаренко (Мясникова) М.А., Казеев К.Ш., Ермолаева О.Ю., Колесников С.И. Изменение растительного покрова и биологических свойств черноземов в постагрогенный период // Почвоведение. 2020. № 11. С. 1412–1422.
  2. Анилова Л.В., Шорина Т.С., Пятина Е.В. К вопросу о влиянии пирогенного фактора на растительный покров степей Оренбургского Предуралья // Вестник Оренбургского гос. ун-та. 2011. № 12(131). С. 19–20.
  3. Ветрова А.А., Трофимов С.Я., Кинжаев Р.Р., Аветов Н.А., Арзамазова А.В., Пунтус И.Ф., Сазонова О.И., Соколов С.Л., Стрелецкий Р.А., Петриков К.В., Делеган Я.А., Самойленко В.А., Филонов А.Е. Разработка микробного консорциума для биоремедиации нефтезагрязненных почв Среднего Приобья // Почвоведение. 2022. № 5. С. 642–654. https://doi.org/10.31857/S0032180X22050100094
  4. Вилкова В.В., Казеев К.Ш., Шхапацев А.К., Колесников С.И. Реакция ферментативной активности почв ксерофитных лесов черноморского побережья Кавказа на пирогенное воздействие // Аридные экосистемы. 2022. Т. 28. № 1(90). С. 107–114.
  5. Габбасова И.М., Гарипов Т.Т., Комиссаров М.А., Сулейманов Р.Р., Суюндуков Я.Т., Хасанова Р.Ф., Назырова Ф.И. Влияние пожаров на свойства степных почв Зауралья // Почвоведение. 2019. № 12. С. 1513–1523.
  6. Гродницкая И.Д., Карпенко Л.В., Пашкеева О.Э., Гончарова Н.Н., Старцев В.В., Батурина О.А., Дымов А.А. Влияние лесных пожаров на микробиологические свойства торфяных олиготрофных почв и торфяно-подзолов глеевых в болотах северной части Сым-Дубчесского междуречья (Красноярский край) // Почвоведение. 2022. № 4. С. 454–468. https://doi.org/10.31857/S0032180X22040098
  7. Даденко Е.В., Мясникова М.А., Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая активность чернозема обыкновенного при длительном использовании под пашню // Почвоведение. 2014. № 6. С. 724–733.
  8. Дубровина И.А. Влияние биоугля на агрохимические показатели и ферментативную активность почв средней тайги Карелии // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1523–1534. https://doi.org/10.31857/S0032180X21120054
  9. Дымов А.А., Старцев В.В., Горбач Н.М., Паюсова И.В., Габов Д.Н., Доннерхак О. Сравнение методов определения соединений углерода пирогенно измененных органических соединений // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1332–1345.
  10. Дымов А.А., Старцев В.В., Зуева О.М. Углерод водорастворимых соединений в лесных почвах и его постпирогенная динамика (на примере республики Коми) // Лесоведение. 2018. № 5. С. 359–371.
  11. Захаров В.Л. Наиболее распространенные организмы-биоиндикаторы плодородия почв Севера ЦЧР // Агропромышленные технологии Центральной России. 2021. № 2(20). С. 25–46.
  12. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Акименко Ю.В., Даденко Е.В. Методы биодиагностики наземных экосистем. Ростов-на-Дону: Изд-во Южного федерального ун-та, 2016. 356 с.
  13. Казеев К.Ш., Одабашян М.Ю., Трушков А.В., Колесников С.И. Оценка влияния разных факторов пирогенного воздействия на биологические свойства чернозема // Почвоведение. 2020. № 11. С. 1372–1382.
  14. Казеев К.Ш., Трушков А.В., Одабашян М.Ю., Колесников С.И. Постагрогенное изменение ферментативной активности и содержания органического углерода чернозема в первые 3 года залежного режима // Почвоведение. 2020. № 7. С. 901–910.
  15. Нижельский М.С., Казеев К.Ш., Вилкова В.В., Колесников С.И. Ингибирование ферментативной активности чернозема обыкновенного газообразными продуктами горения растительных материалов // Почвоведение. 2022. № 6. С. 728–736. https://doi.org/10.31857/S0032180X22060090
  16. Нижельский М.С., Казеев К.Ш., Шхапацев А.К., Колесников С.И. Использование активности ферментов для диагностики последствий фумигации дымом почв [Электрон. ресурс] // АгроЭкоИнфо: Электронный научно-производственный журн. 2021. № 4. Режим доступа: http://agroecoinfo.ru/STATYI/2021/4/st_426.pdf. https://doi.org/10.51419/20214426
  17. Никитин Д.А., Семенов М.В., Чернов Т.И., Ксенофонтова Н.А., Железова А.Д., Иванова Е.А., Хитров Н.Б., Степанов А.Л. Микробиологические индикаторы экологических функций почв (обзор) // Почвоведение. 2022. № 2. С. 228–243. https://doi.org/10.31857/S0032180X22020095
  18. Старцев В.В., Дымов А.А., Прокушкин А.С. Почвы постпирогенных лиственничников Средней Сибири: морфология, физико–химические свойства и особенности почвенного органического вещества // Почвоведение. 2017. № 8. С. 912–925. https://doi.org/10.7868/S0032180X17080111
  19. Терехова В.А. Биотестирование экотоксичности почв при химическом загрязнении: современные подходы к интеграции для оценки экологического состояния (обзор) // Почвоведение. 2022. № 5. С. 586–599. https://doi.org/10.31857/S0032180X22050094
  20. Шабанов В.В., Солошенков А.Д. Количественные методы оценки плодородия для целей точного мелиоративного регулирования // Природообустройство. 2020. № 4. С. 13–22.
  21. Шурыгин С.Г. Влияние пожаров на водный режим осушенных минеральных почв // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2019. № 54. С. 79–83.
  22. Alcaniz M., Outeiro L., Francos M., Farguell J., Ubeda X. Long-term dynamics of soil chemical properties after a prescribed fire in a Mediterranean forest (Montgri Massif, Catalonia, Spain) // Science of the total environment. 2016. V. 572. P. 1329–1335.
  23. Certini G., Moya D., Lucas-Borja M.E., Mastrolonardo G. The impact of fire on soil–dwelling biota: A review // Forest Ecology and Management. 2021. V. 488. P. 118989.
  24. Chen Y., Wei T., Sha G., Zhu Q., Liu Z., Ren K., Yang C. Soil enzyme activities of typical plant communities after vegetation restoration on the Loess Plateau, China // Appli-ed Soil Ecology. 2022. V. 170. P. 104292.
  25. Chodak M., Sroka K., Wos B., Pietrzykowski M. Chemical and microbial properties of post-mining and post-fire soils afforested with different tree species // Applied Soil Ecology. 2022. V. 171. P. 104321.
  26. Fernandez-Garcia V., Miesel J., Baeza M.J., Marcos E., Calvo L. Wildfire effects on soil properties in fire–prone pine ecosystems: Indicators of burn severity legacy over the medium term after fire // Applied Soil Ecology. 2019. V. 135. P. 147–156.
  27. Gonzalez-Perez J.A., Gonzalez-Vila F.J., Almendros G., Knicker H. The effect of fire on soil organic matter – a review // Environment international. 2004. V. 30. № 6. P. 855–870.
  28. Humphreys F.R., Craig F.G. Effects of fire on soil chemical, structural and hydrological patterns // Conference on Fire and the Australian Biota. Canberra (Australia), 9 Oct 1978. Australian Academy of Science, 1981.
  29. Kolesnikov S., Timoshenko A., Minnikova T., Tsepina N., Kazeev K., Akimenko Y., Zhadobin A., Shuvaeva V., Rajput V.D., Mandzhieva S. Sushkova S., Minkina T., Dudnikova T., Mazarji M., Zhadobin A., Alamri S., Siddiqui M.H., Singh R.K. Impact of Metal-Based Nanoparticles on Cambisol Microbial Functionality, Enzyme Activity, and Plant Growth // Plants. 2021. V. 10. P. 2080. https://doi.org/10.3390/plants10102080
  30. Koster K. Aaltonen H., Berninger F., Heinonsalo J., Koster E., Ribeiro-Kumara C. Impacts of wildfire on soil microbiome in Boreal environments // Current Opinion in Environmental Science & Health. 2021. V. 22. P. 100258.
  31. Lombao A., Barreiro A., Carballas T., Fonturbel M.T., Martin A., Vega J.A., Diaz-Ravina M. Changes in soil properties after a wildfire in Fragas do Eume Natural Park (Galicia, NW Spain) // Catena. 2015. V. 135. P. 409–418.
  32. Mallik A., Gimingham C., Rahman A. Ecological effects of heather burning: I. water infiltration, moisture retention and porosity of surface soil // J. Ecol. 1984. P. 767–776.
  33. Moya D., Gonzalez-De Vega S., García-Orenes F., Morug an-Coronado A., Arcenegui V., Mataix-Solera J., Lucas-Borja M.E., de las Heras J. Temporal characterisation of soil-plant natural recovery related to fire severity in burned Pinus halepensis Mill. // Forests. Sci. Total Environ. 2018. V. 636. P. 737–750.
  34. Nichols L., Shinneman D.J., McIlroy S.K., de Graaff M.A. Fire frequency impacts soil properties and processes in sagebrush steppe ecosystems of the Columbia Basin // Applied Soil Ecology. 2021. V. 165. P. 103967.
  35. Semenenko S.Y., Morozova N.V., Marchenko S.S. Studies of the Effects of Pyrogenic Exposure on the Enzymatic Activity of Chestnut and Chernozem Soils // Ari-d Ecosystems. 2020. V. 10. № 4. P. 384–389.
  36. Singh A.K., Kushwaha M., Rai A., Singh N. Changes in soil microbial response across year following a wildfire in tropical dry forest // Forest Ecology and Management. 2017. V. 391. P. 458–468.
  37. Stoof C.R., Wesseling J.G., Ritsema C.J. Effects of fire and ash on soil water retention // Geoderma. 2010. V. 159. № 3–4. P. 276–285.
  38. Ulery A.L., Graham R.C. Forest fire effects on soil color and texture // Soil Sci. Soc. Am. J. 1993. V. 57. P. 135–140.
  39. Zhang M., Wang W., Tang L., Heenan M., Wang D., Xu Z. Impacts of prescribed burning on urban forest soil: Minor changes in net greenhouse gas emissions despite evident alterations of microbial community structures // Applied Soil Ecology. 2021. V. 158. P. 103780.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (2MB)
3.

Download (162KB)
4.

Download (307KB)
5.

Download (48KB)
6.

Download (120KB)
7.

Download (603KB)

Copyright (c) 2023 В.Д. Приходько, К.Ш. Казеев, В.В. Вилкова, М.С. Нижельский, С.И. Колесников

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies