Enzymatic Activity of Chernozem and Sod-Podzolic Soils under Pollution by Oil
- Authors: Minnikova T.V.1, Kolesnikov S.I.1
-
Affiliations:
- Southern Federal University
- Issue: No 4 (2025)
- Pages: 528-546
- Section: БИОЛОГИЯ ПОЧВ
- URL: https://journals.rcsi.science/0032-180X/article/view/291743
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X25040073
- EDN: https://elibrary.ru/CLZBLQ
- ID: 291743
Cite item
Abstract
An assessment of the enzymatic activity of chernozem and sod-podzolic soils contaminated with oil was carried out across a wide range of activity of 20 enzymes. The objects of the study are ordinary chernozem and sod-podzolic soil. To simulate hydrocarbon contamination, oil was added to the soil (1, 5 and 10%). To assess the enzymatic activity of soils, the activity of 20 enzymes of the oxidoreductase and hydrolase classes participating in the biogeochemical cycles of C, N, O, P and S was determined. Cellulase and cysteine reductase were the most sensitive to oil pollution of ordinary chernozem, and adenosine triphosphatase and nitrate reductase were the most sensitive to oil pollution of sod-podzolic soil. All the studied enzymes (except for protease and β-glucosidase in ordinary chernozem) showed high information content – a close correlation with the oil content in the soil (r > 0.65). The integral index of enzymatic activity (IIEA), geometric mean (GMEА) and integral pollution index (AР) were calculated. Of the integrated indicators, IIEA (r = –0.97…–0.98) and GMEA (r = –0.98…–0.99) showed high information content, while indicator AР showed low information content in sod-podzolic soil (r = –0.46). It is recommended to use IIEA and GMEA for enzymatic diagnostics of the ecological state of soil after oil pollution. When soils are contaminated with oil, the N, P and C cycles are disrupted to a greater extent, and S and O cycles to a lesser extent. When contaminated with oil, the enzymes of the C cycle (invertase, polyphenoloxidase, dehydrogenases), N cycle (urease), P cycle (acid and alkaline phosphatases) and O cycle (catalase and peroxidases) have the highest average score of enzyme applicability for soil health diagnostics. The use of enzymatic diagnostics is very effective and appropriate for assessing the ecological state of soils contaminated with petroleum hydrocarbons.
About the authors
T. V. Minnikova
Southern Federal University
Author for correspondence.
Email: loko261008@yandex.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don, 344006
S. I. Kolesnikov
Southern Federal University
Email: loko261008@yandex.ru
Russian Federation, Rostov-on-Don, 344006
References
- Белюченко И.С. Вопросы защиты почв в системе агроландшафта // Научный журнал КубГАУ. 2014. № 95(01).
- Бузмаков С.А., Андреев Д.Н., Назаров А.В., Дзюба Е.А., Шестаков И.Е., Куюкина М.С., Елькин А.А., Егорова Д.О., Хотяновская Ю.В. Реакция разных тест-объектов на экспериментальное загрязнение почв нефтью // Экология. 2021. № 4. С. 254–262. http://doi.org/10.31857/S0367059721040053
- Галиулин Р.В., Пинский Д.Л. Действие свинца на дегидрогеназную активность серозёмно-луговой почвы // Агрохимия. 1988. № 6. С. 93–99.
- Геннадиев А.Н., Жидкин А.П., Кошовский Т.С., Лобанов А.А. Полиарены и битумоиды в почвах при различных параметрах однотипных техногенных источников углеводородов // Почвоведение. 2018. № 11. С. 1398–1410. http://doi.org/10.1134/S0032180X18110023
- Геннадиев А.Н., Пиковский Ю.И., Жидкин А.П., Ковач Р.Г., Кошовский Т.С., Смирнова М.А., Хлынина Н.И., Цибарт А.С. Факторы и модификации углеводородного состояния почв // Почвоведение. 2015. № 11. С. 1314. http://doi.org/10.7868/S0032180X15110076
- Геннадиев А.Н., Пиковский Ю.И., Ковач Р.Г., Кошовский Т.С., Хлынина Н.И. Углеводородное состояние почв при разновозрастном нефтяном загрязнении // Почвоведение. 2016. № 5. С. 574–583. http://doi.org/10.7868/S0032180X16050051
- Ильина Т.К., Негру-Водэ В.В., Василенко Е.С. Активность диссимиляционных внеклеточных нитрат- и нитритредуктаз в почве // Почвоведение. 1977. № 9. С. 92–102.
- 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. http://doi.org/10.31857/S0032180X20010098
- Киреева Н.А., Новосёлова Е.И., Онегова Т.С. Активность каталазы и дегидрогеназы в почвах, загрязнённых нефтью и нефтепродуктами // Агрохимия. 2002. № 8. С. 64–72.
- Киреева Н.А., Новосёлова Е.И., Хазиев Ф.Х. Ферменты азотного обмена в нефтезагрязнённых почвах // Известия АН. Серия биологическая. 1997. С. 755–759.
- Красницкий В.М., Шмидт А.Г., Шилова К.М. Влияние интенсивности баланса фосфора на фосфатный режим почв Омской области // Плодородие. 2013. № 4. С. 33–36.
- Кудеяров В.Н. Агрогеохимические циклы углерода и азота в современном земледелии России // Агрохимия. 2019. № 12. С. 3–15. http://doi.org/10.1134/S000218811912007X
- 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. http://doi.org/10.31857/S0032180X22600718
- Леднев А.В., Ложкин А.В. Влияние нефтяного загрязнения на агрохимические и токсикологические показатели дерново-подзолистых почв // Агрохимический вестник. 2019. № 2. С. 72–78. http://doi.org/10.24411/0235-2516-2019-10033
- Манучарова Н.А., Большакова М.А., Бабич Т.Л., Турова Т.П., Семенова Е.М., Янович А.С., Полтараус А.Б., Степанов А.Л., Назина Т.Н. Микроорганизмы дерново-подзолистой почвы, деградирующие нефть и полициклические ароматические углеводороды // Микробиология, 2021. Т. 90. № 6. С. 706–717. http://doi.org/10.31857/S0026365621060094
- Матенькова Е.А., Наплекова Н.Н. Состав микробных ассоциаций дерново-подзолистых почв с нефтяных загрязнением // Достижения науки и техники АПК, 2009. №. 4. C. 20–21.
- Меркушева М.Г., Убугунов Л.Л., Болонева Л.Н., Лаврентьева И.Н. Сера в неорошаемых и орошаемых каштановых почвах и оценка применения возрастающих доз серных удобрений (на фоне NPK) под картофель // Агрохимия. 2023. № 3. С. 20–28. http://doi.org/10.31857/S0002188123030080
- Минникова Т.В., Мокриков Г.В., Казеев К.Ш., Акименко Ю.В., Колесников С.И. Оценка зависимостей между гидротермическими показателями и ферментативной активностью черноземов Ростовской области при использовании различных агротехнологий // Агрофизика. 2018. № 1. С. 9–17. http://doi.org/10.25695/AGRPH.2018.01.02
- 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. http://doi.org/10.26897/0021-342Х-2022-5-5-20
- Новоселова Е.И., Киреева Н.А. Ферментативная активность почв в условиях нефтяного загрязнения и ее биодиагностическое значение // Теоретическая и прикладная экология. 2009. № 2. С. 4–12.
- Поляк Ю.М., Сухаревич В.И. Почвенные ферменты и загрязнение почв: биодеградация, биоремедиация, биоиндикация // Агрохимия. 2020. № 3. С. 83–93. http://doi.org/10.31857/S0002188120010123
- 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.
- Пуртова Л.Н., Тимофеева Я.О. Пуртова, Л.Н. Изучение некоторых свойств и активности каталазы агротемногумусовых подбелов при различных видах агротехнического воздействия // Почвоведение. 2022. № 10. С. 1277–1289. http://doi.org/10.31857/S0032180X22100136
- Рафикова Г.Ф., Кузина Е.В., Коршунова Т.Ю. Влияние биоремедиации на биологическую активность чернозема выщелоченного, загрязненного нефтью и свинцом // Почвоведение. 2022. № 3. С. 354–369. http://doi.org/10.31857/S0032180X22030121
- Самофалова И.А. Химический состав почв и почвообразующих пород. Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО “Пермская ГСХА”, 2009. 132 с.
- Семенов А.М., Соколов М.С. Концепция здоровья почвы: фундаментально-прикладные аспекты обоснования критериев оценки // Агрохимия. 2016. № 1. С. 3–16.
- Семенов А.М., Спиридонов Ю.Я., Торопова Е.Ю., Глинушкин А.П. Здоровая почва – условие устойчивости и развития арго- и социосфер (проблемно-аналитический обзор) // Известия РАН. Сер. Биологическая. 2020. № 1. С. 12–21. http://doi.org/10.31857/S0002332920010142
- Семенов В.М. Функции углерода в минерализационно-иммобилизационном обороте азота в почве // Агрохимия. 2020. № 6. С. 78–96. http://doi.org/10.31857/S0002188120060101
- Сергатенко С.Н., Федорова И.Л., Игнатова Т.Д. Влияние нефтяного загрязнения на активность почвенных ферментов классов оксидоредуктаз и гидролаз // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2022. Т. 3 59). С. 83–88.
- Сулейманов Р.Р., Шорина Т.С. Влияние нефтяного загрязнения на динамику биохимических процессов чернозема обыкновенного (Оренбургская область) // Известия Самарского НЦ РАН. 2012. Т. 14. № 1. С. 240–243.
- Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука; 2005. С. 252.
- Хазиев Ф.Х. Функциональная роль ферментов в почвенных процессах // Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2015. T 20. № 2(78). C. 14–24.
- Хазиев Ф.Х. Почва и экология // Вестник Академии наук Республики Башкортостан, 2017. T. 24. № 3. C. 29–38.
- Хазиев Ф.Х. Экологические связи ферментативной активности почв // Экобиотех, 2018. Т. 1. № 2. С. 80–92.
- Халимов Э.М., Левин С.В., Гузев В.С. Экологические и микробиологические аспекты повреждающего действия нефти на свойства почвы // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 1996. № 2. С. 59–64.
- Шамраев А.В. Шорина Т.С. Влияние нефти и нефтепродуктов на различные компоненты окружающей среды // Вестник Оренбургского гос. ун-та. 2009. № 6. С. 642–645.
- Шафран С.А., Кирпичников Н.А., Ермаков А.А., Семенова А.И. Динамика содержания подвижного фосфора в почвах нечерноземной зоны и его регулирование // Агрохимия. 2021. № 5. С. 14–20.
- Якушев А.В. Журавлева А.И., Кузнецова И.Н. Влияние длительной и кратковременных засух на гидролитические ферменты серой почвы // Почвоведение. 2023. № 6. С. 745–757. http://doi.org/10.31857/S0032180X2260130X
- Datta A., Gujre N., Gupta D., Agnihotri R., Mitra S. Application of enzymes as a diagnostic tool for soils as affected by municipal solid wastes // J. Environ. Management. 2021. V. 286. P. 112169. http://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112169
- 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. 2024. V. 13. P. 85. http://doi.org/10.3390/biology13020085
- 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. http://doi.org/10.1016/J.SOILBIO.2008.03.023
- Germida J.J., Wainwright M., Gupta V. Biogeochemistry of sulfur in soil // Soil Biochemistry. 1991. V. 7. P. 1–54.
- Ghosh A., Paul R., Sarkar A., Manna M.C., Bhattacharjya S., Alam K., Choudhury S., Mondalf P. Carbon, Nitrogen, Phosphorus and Sulfur Cycling Enzymes and Functional Diversity in Agricultural Systems // Agricultural Biocatalysis: Enzymes in Agriculture and Industry Publisher: Jenny Stanford Publishing Pte. Ltd. Ch. 11. 2022. Р. 332–361.
- Guliyev A., Islamzade R., Suleymanova P., Babayeva T., Aliyeva A., Haciyeva X. Impact of petroleum contamination on soil properties in Absheron Peninsula, Azerbaijan // Eurasian J. Soil Sci. 2024. V. 13. Р. 358–365. http://doi.org/10.18393/ejss.1531959
- Hu G., Hu C., Zhong C., Xu C., Zhang Z. Soil Enzyme Activity and Stoichiometry in an Illicium verum Plantation Chronosequence in Southern China // Polish J. Environ. Studies. 2024. V. 33. Р. 1781–1790. http://doi.org/10.15244/pjoes/172846
- Huang H.L., Zong N., He N.P., Tian J. Characteristics of soil enzyme stoichiometry along an altitude gradient on Qinghai-Tibet Plateau alpine meadow, China. Ying Yong Sheng Tai Xue Bao. 2019. V. 30. Р. 3689–3696. In Chinese. http://doi.org/10.13287/j.1001-9332.201911.013
- Ji L., Ma L.X., Cheng Z.L., Zhu Q.C., Zhang Y., Yang Y.C., Yang L.X. Stoichiometry of soil extracellular enzymes and its seasonal variation in natural forests with different altitudes in northern Greater Khingan Mountains, China Ying Yong Sheng Tai Xue Bao. 2020. V. 31. Р. 2491–2499. In Chinese. http://doi.org/10.13287/j.1001-9332.202008.005
- Kali Prasanna R., Narasimha G. Physico-chemical properties and enzyme activities in forest soil // Environ. Sci.: Indian J. 2012. V. 7. P. 371–376.
- Keane J.B., Hoosbeek M.R., Taylor C.R. et al. Soil C, N and P cycling enzyme responses to nutrient limitation under elevated CO2 // Biogeochemistry. 2020. V. 151. P. 221–235. http://doi.org/10.1007/s10533-020-00723-1
- Klose S., Bilen S., Tabatabai M.A., Warren D.A. Sulfur Cycle Enzymes // Methods of Soil Enzymology. Ch. 7. Publisher: SSSA Book Series 9, 2010. http://doi.org/10.2136/sssabookser9.c7
- Kolesnikov S.I., Kazeev K.S., Akimenko Y.V. Development of regional standards for pollutants in the soil using biological parameters // Environ. Monitor. Assess. 2019. V. 191. P. 544. http://doi.org/10.1007/s10661-019-7718-3
- Kolesnikov S., Minnikova T., Kazeev K., Akimenko Y., Evstegneeva N. Assessment of the ecotoxicity of pollution by potentially toxic elements by biological indicators of haplic chernozem of Southern Russia (Rostov region) // Water, Air, Soil Poll. 2022. V. 233. P. 18. http://doi.org/10.1007/s11270-021-05496-3.
- Mfombep P.M., Senwo Z.N. Soil maltase activity by a glucose oxidase–perioxidase system // 3 Biotech. 2012. V. 2. Р. 225–231. http://doi.org/10.1007/s13205-012-0050-z
- 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. V. 3. P. 76. http://doi.org/10.3390/soilsystems8030076
- 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. http://doi.org/10.3390/toxics11040355
- 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. V. 3. P. 395–408. http://doi.org/10.1134/S1064229323603037
- Mokrikov G.V., Minnikova T.V., Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Influence of productive moisture reserves and quantity of atmosphere precipitation on the yield of agricultural crops under different tillage // Agronomy Res. 2019. V. 17. P. 2350–2358. http://doi.org/10.15159/AR.19.202
- Mokrikov G., Minnikova T., Kazeev K., 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. http://doi.org/10.15159/AR.20.240
- Olubodun S.O., Eriyamremu G.E. Adenosine Triphosphatase Activities of Zea Mays and Vigna unguiculata Exposed to Different Crude Oil Fractions // Int. J. Biochem. Res. Rev. 2014. V. 4. Р. 505–516.
- Piotrowska-Długosz A. Significance of the Enzymes Associated with Soil C and N Transformation // Carbon and Nitrogen Cycling in Soil. Singapore: Springer, 2020. Р. 399–437. http://doi.org/10.1007/978-981-13-7264-3_12
- Piotrowska-Długosz A., Kobierski M., Długosz J. Enzymatic Activity and Physicochemical Properties of Soil Profiles of Luvisols // Materials. 2021. V. 14. Р. 6364. http://doi.org/10.3390/ma14216364
- Pu Y., Bo Zhu, Dong Z., Liu Y., Wang C., Ye C. Soil N2O and NOx emissions are directly linked with N-cycling enzymatic activities // Appl. Soil Ecol. 2019. V. 139(75). http://doi.org/10.1016/j.apsoil.2019.03.007
- Rao M.A., Scelza R., Acevedo F., Diez M.C., Gianfreda L. Enzymes as useful tools for environmental purposes // Chemosphere. 2014. V. 107. P. 145–162. http://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.12.059
- Revina S., Minnikova T., Ruseva A., Kolesnikov S., Kutasova A. Catalase activity as a diagnostic indicator of the health of oil-contaminated soils after remediation // Environ. Monitor. Assessm. 2024. V. 196. Р. 449. http://doi.org/10.1007/s10661-024-12604-3
- Ruseva A., Minnikova T., Kolesnikov S., Trufanov D., Minin N., Revina S., Gaivoronsky V. Assessment of the ecological state of haplic chernozem contaminated by oil, fuel oil and gasoline after remediation // Petroleum Research. 2024. V. 9. Р. 155–164. http://doi.org/10.1016/j.ptlrs.2023.03.002
- Schachtman D.P., Raman K., Schroeder J.I., Marsh E.L. The structure and function of a novel cation transporter (LCT1) in higher plants // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1997. V. 94. Р. 11079–11084.
- Sozina I.D., Danilov A.S. Microbiological remediation of oil-contaminated soils // J. Mining Institute. 2023. V. 260. P. 297–312. http://doi.org/10.31897/PMI.2023.8
- Wang L., Hamel C., Lu P., Wang J., Sun D, Wang Y., Lee S.J., Gan G.Y. Using enzyme activities as an indicator of soil fertility in grassland – an academic dilemma // Frontiers in Plant Sci. 2023. V. 14. Р. 1175946. http://doi.org/10.3389/fpls.2023.1175946
- Wei J., Amelung W., Lehndorff E., Schloter M., Vereecken H., Brüggemann N. N2O and NOx emissions by reactions of nitrite with soil organic matter of a Norway spruce forest // Biogeochemistry. 2017. V. 132. Р. 325–342. http://doi.org/10.1007/s10533-017-0306-0
- Wilson R., Turner A.P.F. Glucose oxidase: an ideal enzyme // Biosensors and Bioelectronics 1992. V. 7. Р. 165–185.
- World Reference Base for Soil Resources. International Soil Classification System for Naming Soils and Creating Legends for Soil Maps, 4th Ed. International Union of Soil Sciences (IUSS), Vienna, 2022.
- Wyszkowska J., Borowik A., Zaborowska M., Kucharski J. The Potential for Restoring the Activity of Oxidoreductases and Hydrolases in Soil Contaminated with Petroleum Products Using Perlite and Dolomite // Appl. Sci. 2024. V. 14. Р. 3591. http://doi.org/10.3390/app14093591
- Zhao Z., Zhang C., Li F., Gao S., Zhang J. Effect of compost and inorganic fertilizer on organic carbon and activities of carbon cycle enzymes in aggregates of an intensively cultivated Vertisol // Plos One. 2020. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0229644
Supplementary files
