Response of phosphomonoesterases in soils to chloroform fumigation

• Published in: Journal of plant nutrition and soil science Vol. 165; no. 4; pp. 429 - 434
• Main Authors: Klose, Susanne, Tabatabai, M. Ali
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Weinheim WILEY-VCH Verlag 01.08.2002; WILEY‐VCH Verlag; Wiley
• Subjects: Biological and medical sciences; chloroform fumigation; enzyme protein concentrations; Fundamental and applied biological sciences. Psychology; intracellular and extracellular enzyme pools; P cycling in soils; phosphomonoesterases
• ISSN: 1436-8730; 1522-2624
• DOI: 10.1002/1522-2624(200208)165:4<429::AID-JPLN429>3.0.CO;2-S

The chloroform fumigation technique has been successfully employed to quantify intracellular and extracellular urease and arylsulfatase activities in soil. In this study, the same approach was evaluated for its ability to differentiate between various pools of phosphomonoesterase activities in soils and reference proteins purified from plant and microbial sources. The activities of acid and alkaline phosphatases were assayed in 10 surface soils and reference proteins at their optimal pH values before and after chloroform fumigation and in the presence and absence of toluene. Chloroform fumigation decreased the activities of acid and alkaline phosphatases in soils, on average, by 6 and 8%, respectively. Similarly, the activities of two purified reference enzyme proteins were decreased after fumigation, with acid and alkaline phosphatase activities exhibiting a reduction of 17 and 8%, respectively. Toluene treatment caused an increase in the activities of acid and alkaline phosphatases by 8 to 18% in nonfumigated soils, but showed no effect in the fumigated soils. Average enzyme protein concentrations, calculated for the 10 soils based on the activity values of the soils and the specific activity of the purified enzymes (i.e., activity values per mg protein), were 22.5 and 2.1 mg protein (kg soil)—1 for acid and alkaline phosphatase, respectively. The decrease in enzyme activity by the fumigant was either by direct denaturing of the periplasmic and extracellular portion of the particular protein after lysis of the microbial cell membrane, by absorption and/or inhibition of the released phosphomonoesterases by organic and inorganic constituents or by degradation of the protein by soil proteases. The ratios of acid phosphatase protein concentrations relative to organic C in six soils were significantly, but negatively correlated with soil organic C, suggesting differences in organic C quality. Comparison of the activity values of soil phosphatases with those of the protein concentrations present in soils indicated that alkaline phosphatase has greater catalytic efficiency than does acid phosphatase. Reaktion von Phosphomonoesterasen auf die Fumigation von Böden mit Chloroform Die Chloroform‐Fumigationsmethode wurde erfolgreich zur Quantifizierung von intrazellulären und extrazelluären Fraktionen von Urease‐ und Arylsulfataseaktivitäten in Böden angewendet. In diesen Untersuchungen wurde derselbe Ansatz auf seine Eignung zur Differenzierung von verschiedenen Pools von Phosphomono‐esteraseaktivitäten in Böden und Referenzproteinen (purifiziert aus pflanzlichen und mikrobiellen Quellen) geprüft. Die Aktivitäten von saurer und alkalischer Phosphatase wurden bei ihrem optimalen pH‐Wert in fumigierten und unfumigierten Aliquoten von 10 Oberböden und Referenzproteinen mit und ohne Toluolbehandlung bestimmt. Die Chloroform‐Fumigation führte zur Herabsetzung der Aktivitäten von saurer und alkalischer Phosphatase um durchschnittlich 6 bzw. 8%. Die Behandlung der unfumigierten Böden mit Toluol bewirkte eine Erhöhung der Aktivitäten von saurer und alkalischer Phosphatase um 8 bzw. 18%, zeigte jedoch keinen Effekt auf die enzymatischen Aktivitäten in den fumigierten Böden. Die durchschnittlichen Proteinkonzentrationen, welche auf der Grundlage der Enzymaktivitäten in den 10 Böden und der spezifischen Aktivitäten der Referenzproteine (d.h. Aktivitätswerte pro mg Protein) berechnet wurden, lagen bei 22.5 und 2.1 mg Protein (kg Boden)—1 für saure bzw. alkalische Phosphatase. Die Hemmung der Enzymaktivitäten durch Chloroform kann ihre Ursache in den folgenden Faktoren haben: direkte Denaturierung der periplasmatischen und extrazellulären Fraktionen des entsprechenden Proteins nach Lysivierung der mikrobiellen Zellmembran, Adsorption und/oder Hemmung der freigesetzten Phosphomonoesterasen durch organische und anorganische Bodenbestandteile oder Degradierung der Proteine durch Proteasen im Boden. Die Proteinkonzentration der sauren Phosphatase, bezogen auf den Gehalt des Bodens an organischen C, war in 6 Böden signifikant negativ mit dem Corg‐Gehalt des Bodens korreliert. Dieses Ergebnis ist vermutlich auf Unterschiede in der Qualität der organischen C‐Verbindungen in den untersuchten Böden zurückzuführen. Ein Vergleich der Enzymaktivitäten in den Oberböden mit den berechneten Proteinkonzentrationen gibt einen Hinweis darauf, dass die alkalische Phosphatase über eine höhere katalytische Effizienz verfügt als die saure Phosphatase.