Understanding the effect of biogenic & Xenobiotic substances on microbial metabolism in the soil

Ing. Rahul Datta

Doctoral thesis

Abstract:

Půda představuje jedno z přirozených stanovišť mikroorganismů, které se významným způsobem podílejí na neustálých přeměnách organických i anorganických látek.Otázky, se kterými se v současnosti potýká tato oblast zkoumání, vycházejí z výskytu cizorodých umělých látek (xenobiotika) v životním prostředí. Tyto xenobiotické látky nemají přirozený původ v přírodě, ale byly uměle syntetizovány člověkem. Ke kontaminaci prostředí xenobiotiky dochází s rozvojem hospodářské činnosti člověka (průmysl a zemědělství); xenobiotické látky jsou odolné vůči degradačním pochodům, hromadí se v půdě a působí na mikroorganismy. Biogenní látky jsou až na výjimky snadno rozložitelné. Pouze málo výzkumů bylo realizováno s cílem analyzovat souvislosti mezi výskytem biogenních a xenobiotických látek v půdě a jejich vlivy na mikroorganismy.Cílem předložené disertační práce bylo získání poznatků o vlivu biogenních a xenobiotických látek na metabolismus půdních mikroorganismů a zdokonalení postupů využívaných pro hodnocení vlivu chemikálií aplikovaných do půdy. Předložená disertační práce je rovněž věnována studiu půdních enzymů.Disertační práce je členěna do dvou částí. První teoretická část je dále podrobněji členěna na: a) přehledový článek o adsorpci enzymů na pevnou složku půdy a faktorech, které limitují jejich aktivitu. Tento přehledový článek shrnuje některé důležité poznatky publikované ve vědecké literatuře a poskytuje informace o adsorpci enzymů na pevnou složku půdy a faktorech, které limitují jejich aktivitu. V první části tohoto přehledového článku je zejména diskutována problematika interakcí enzymů s pevnou složkou půdy a kinetika adsorpce enzymů. Ve druhé části tohoto článku se zabývám problematikou faktorů, které mohou mít vliv na aktivitu adsorbovaných enzymů. b) přehledový článek o ligninu. Tento přehledový článek shrnuje poznatky o chemickém složení ligninu a jeho obsahu v lesních půdách, biodegradaci ligninu a mikroorganismech produkujících ligninolytické enzymy; mezi nejprostudovanější ligninolytické enzymy patří ligninperoxidasa, mangan-dependentní peroxidasa a jiné versatilní peroxidasy.c) článek o vlivu agrochemikálií na půdu a půdní mikroorganismy. Cílem tohoto přehledového článku bylo shrnutí poznatků o vlivu agrochemikálií na trvalou udržitelnost a zdraví půdy.Druhá experimentální část obsahuje poznatky o vlivu xenobiotických (chlortetracyklin a sulfapyridin) a biogenních látek (kyselina askorbová a aminokyseliny) na půdní mikroorganismy. Získané výsledky ukázaly vliv chlortetracyklinu a sulfapyridinu na aktivitu půdních enzymů v závislosti na studovaném enzymu a použitém antibiotiku. V rámci této experimentální části byl rovněž studován vliv oxytetracyklinu a sulfamethoxazolu na strukturu a funkci mikrobiálního společenstva v půdě. Získané výsledky ukázaly rozdílný vliv obou testovaných antibiotik na kumulativní respiraci a uhlík mikrobiální biomasy v půdě.V rámci předložené disertační práce bylo také realizováno studium respirace lesních půd po aplikaci kyseliny askorbové a aminokyselin. Získané výsledky těchto experimentů ukázaly vzrůst respirační aktivity po aplikaci kyseliny askorbové či kyseliny askorbové v kombinaci s aminokyselinami v závislosti na vlastnostech testovaných půdních vzorků; maximální respirační aktivita v kyselých půdách byla indukována po přídavku kyseliny L-glutamové a v zásaditých půdách po přídavku beta-alaninu. Velikost otvorů sít má významný vliv na narušení půdy, které ovlivňují strukturu pórů, houbové hyfy, podíl plísní k bakteriím a frakce organické hmoty. Účinky jsou závislé na půdním typu a vegetačním krytu. Prosévá

Abstract:

ní přes 2 mm síta zvyšuje mineralizaci exogenně dodaných sacharidů a fenolických látek ve srovnání s 5 mm a síty s průkazným významem (p<0,05), a to zejména v organických horizontech, v důsledku zvýšeného mikrobiálního metabolismu a změn dalších vlastností půdy.

Abstract:

Soil is one of the natural habitats of microorganisms that are significantly involved in the continuous transformation of organic and inorganic substances.The issues currently faced by this area of research are based on the occurrence of extraneous synthetic substances (xenobiotics) in the environment. These xenobiotics do not have a natural origin but have been artificially synthesized by humans. The contamination of the xenobiotic environment occurs with the development of human economic activity (industry and agriculture); xenobiotics are resistant to degradation processes, accumulate in soil and act on microorganisms. Biogenic substances are, by way of exception, easily decomposable. Few studies have been conducted to analyze the relationship between the occurrence of biogenic and xenobiotic substances in soil and their effects on microorganisms.The aim of this dissertation was to gain knowledge about the influence of biogenic and xenobiotic substances on the metabolism of soil microorganisms and to improve the procedures used to evaluate the influence of chemicals applied to the soil. This dissertation is also devoted to the study of soil enzymes.The dissertation is divided into two parts. The first theoretical part is further divided into: a) a review article on adsorption of enzymes to the solid soil component and factors limiting their activity. This review article summarizes some of the important findings published in the scientific literature and provides information on adsorption of enzymes to the solid soil component and factors limiting their activity. The first part of this review article discusses in particular the problems of enzyme interactions with the solid soil component and enzyme adsorption kinetics. In the second part of this paper I deal with the issue of factors that can affect the activity of adsorbed enzymes (b) An overview on lignin. This review article summarizes the knowledge about the chemical composition of lignin and its content in forest soils, lignin biodegradation and microorganisms producing ligninolytic enzymes; lignin peroxidase, manganese-dependent peroxidase and other versatile peroxidases are amongst the most conspicuous ligninolytic enzymes.(c) An article on the influence of agrochemicals on soil and soil micro-organisms. The aim of this review article was to summarize the knowledge of the influence of agrochemicals on sustainability and soil health.The second experimental part contains knowledge about the effects of xenobiotic (chlortetracycline and sulfapyridine) and biogenic substances (ascorbic acid and amino acids) on soil microorganisms. The results obtained showed the effect of chlortetracycline and sulfapyridine on the activity of soil enzymes depending on the enzyme studied and the antibiotic used. Within this experimental part, the influence of oxytetracycline and sulfamethoxazole on the structure and function of the microbial community in the soil was also studied. The results obtained showed the different effects of both tested antibiotics on cumulative respiration and carbon microbial biomass in soil.In the framework of this dissertation, a study of respiration of forest soils after application of ascorbic acid and amino acids was also carried out. The results obtained from these experiments showed an increase in respiratory activity after administration of ascorbic acid or ascorbic acid in combination with amino acids, depending on the properties of the soil samples tested; maximum respiratory activity in acidic soils was induced after the addition of L-glutamic acid and alkaline soils after the addition of beta-alanine.The size of the mesh holes has a significant effect on soil disturbance that affects pore structure, fungal hyphae, fungal fraction and bacterial fraction. The effects are dependent on the soil type and the vegetation cover. Sifting through 2 mm sieve increases the mineralization of exogenously supplied carbohydrates and phenolic substances compared to 5

Abstract:

mm and the sieve of significant importance (p <0.05), especially in organic horizons, due to increased microbial metabolism and changes in other soil properties.

Keywords

lignin, enzymová adsorpce, xenobiotikum

Keywords

Xenobiotics, Enzyme adsorption, Lignin

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 3. 2018

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Pavel Formánek, Ph.D.
• Reader: Lubica Pospíšilová, CSc.

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

Doctoral programme / field:
Landscape Engineering / Forest Ecology