Введение...3
1. Обзор литературы...5
1.1 Понятие о ферментативной активности почв...5
1.2 Влияние тяжелых металлов на ферментативную активность
1.3. Влияние агрохимических средств на ферментативную активность почв...23
2. Экспериментальная часть...32
2.1 Объекты, методы и условия проведения исследований...32
2.2. Влияние агрохимических фонов на ферментативную активность дерново-подзолистой почвы, загрязненной свинцом...34
2.2.1. Агрохимическая характеристика почвы при загрязнении свинцом и содержание его в почве опыта...34
2.2.2. Влияние агрохимических фонов на урожай яровых зерновых культур в фазе колошения на почве, загрязненной свинцом...41
2.2.3. Влияние агрохимических фонов на ферментативную активность почвы, загрязненной свинцом...43
2.3. Влияние агрохимических фонов на ферментативную активность дерново-подзолистой почвы, загрязненной кадмием...54
2.3.1. Агрохимическая характеристика почвы при загрязнении кадмием и содержание его в почве опыта...54
2.3.2. Влияние агрохимических фонов на урожай яровых зерновых культур в фазе колошения на почве, загрязненной кадмием...60
2.3.3. Влияние агрохимических фонов на ферментативную активность почвы, загрязненной кадмием...62
2.4. Влияние агрохимических фонов на ферментативную активность дерново-подзолистой почвы, загрязненной цинком...69
2.4.1. Агрохимическая характеристика почвы при загрязнении цинком и содержание его в почве опыта...69
2.4.2. Влияние агрохимических фонов на урожай яровых зерновых культур в фазе колошения на почве, загрязненной цинком...75
2.4.3. Влияние агрохимических фонов на ферментативную активность
почвы, загрязненной цинком...76
2.5. Влияние агрохимических фонов на ферментативную активность дерново-подзолистой почвы, загрязненной медью...82
2.5.1. Агрохимическая характеристика почвы при загрязнении медью и содержание его в почве опыта...83
2.5.2. Влияние агрохимических фонов на урожай яровых зерновых культур в фазе колошения на почве, загрязненной медью...89
2.5.3. Влияние агрохимических фонов на ферментативную активность
почвы, загрязненной медью...90
Заключение...96
Выводы...99
Список литературы...101
Приложение
Введение
Введение.
Использование агрохимических средств в агроэкосистеме является важнейшим условием развития современного земледелия. Это продиктовано необходимостью поддержания и улучшения уровня плодородия почв, и, как следствие, получение высоких и стабильных урожаев.
Агрохимические средства выполняют целый ряд экологических функций в агроценозе (Минеев, 2000). Одной из важнейших функций агрохимии является снижение негативных последствий от локального и глобального техногенного загрязнения агроэкосистем тяжелыми металлами (ТМ) и другими токсическими элементами.
Агрохимические средства снижают негативное влияние ТМ несколькими путями, в том числе инактивацией их в почве и усилением физиологических барьерных функций растений, препятствующих поступлению в них ТМ. Если по вопросу инактивации ТМ в почве в литературе встречается много сведений (Ильин, 1982 и т. д, Обухов, 1992, Алексеев, 1987 и др.), то по усилению барьерных функций растений - единичные исследования. Благодаря усилению физиологических барьерных функций под действием агрохимических средств, в растения поступает значительно меньше ТМ при их одинаковом содержании на разных агрохимических фонах (Соловьева, 2002). Усиление барьерных функций сопровождается оптимизацией питания растений, и как следствие улучшением биологической обстановки в почве.
Эта экологическая функция, а именно - улучшение биологической активности и структуры микробоценоза почвы загрязненной ТМ под действием агрохимических средств - пока не имеет достаточного экспериментального обоснования.
Известно, что некоторые показатели биологической активности при возникновении в почве стрессовой ситуации изменяются раньше, чем
другие почвенные характеристики, например, агрохимические (Звягинцев, 1989, Лебедева, 1984). Ферментативная активность почвы является одним из таких показателей. Многочисленными исследованиями установлено негативное влияние тяжелых металлов на активность ферментов. В тоже время известно, что агрохимические средства оказывают протекторное действие по отношению к ферментативной активности почвы. Мы попытались рассмотреть эту проблему в комплексе и выявить проявляются ли экологические защитные свойства агрохимических средств по отношению к ферментативной активности почвы при загрязнении биогенными и абиогенными металлами. Эту сторону агрохимических средств можно обнаружить только в том случае, если в разных вариантах опыта будет одинаковое количество ТМ, а такое возможно лишь при одинаковых показателях почвенной кислотности. Таких экспериментальных данных нам не удалось встретить в литературе.
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Понятие о ферментативной активности почв.
Все биологические процессы, связанные с превращением веществ и энергии в почве, осуществляются с помощью ферментов, играющих важную роль в мобилизации элементов питания растений, а так же, обуславливающих интенсивность и направленность наиболее важных биохимических процессов, связанных с синтезом и распадом гумуса, гидролизом органических соединений и окислительно-восстановительным режимом почвы (,1976; 1979 и др.).
Формирование и функционирование ферментативной активности почвы - сложный и многофакторный процесс. Согласно системно-экологической концепции он представляет собой единство экологически обусловленных процессов поступления, стабилизации и проявления активности ферментов в почве (Хазиев, 1991). Эти три звена определены как блоки продуцирования, иммобилизации и действия ферментов (Хазиев, 1962).
Ферменты в почве - это продукты метаболизма почвенного биоценоза, но мнения о вкладе различных компонентов в их накоплении противоречивы. Ряд исследователей (Козлов, 1964, 1966, 1967; Красильников, 1958; и др.) считает, что основная роль в обогащении почвы ферментами принадлежит корневым выделениям растений, другие (Кацнельсон, Ершов, 1958 и др.) - почвенным животным, большинство же (Галстян, 1963; Пейве, 1961; Звягинцев, 1979; Козлов, 1966; Дробник, 1955; Hofmann, Seegerer, 1951; Seegerer, 1953; Hofmann, Hoffmann, 1955,1961; Kiss et al., 1958, 1964, 1971; Sequi, 1974; и др.) придерживаются мнения о том, что ферментативный пул в почве состоит из внутриклеточных и внеклеточных ферментов, преимущественно микробного происхождения
Почвенные ферменты участвуют при распаде растительных, животных и микробных остатков, а также синтезе гумуса. В результате ферментативных процессов питательные вещества из трудно усвояемых
соединений переходят в легко доступные формы для растений и микроорганизмов. Ферменты отличаются исключительно высокой активностью, строгой специфичностью действия и большой зависимостью от различных условий внешней среды. Последняя особенность имеет большое значение в регулировании их активности в почве (Хазиев, 1982 и
Ферментативная активность почв по (1979 г)
складывается из:
а) внеклеточных иммобилизованных ферментов;
б) внеклеточных свободных ферментов;
в) внутриклеточных ферментов мертвых клеток;
г) внутриклеточных и внеклеточных ферментов, образованных в искусственных условиях эксперимента и не характерных для данной почвы.
Установлено, что каждый фермент действует лишь на вполне определенное вещество или сходную группу веществ и вполне определенный тип химической связи. Это вызвано их строгой специфичностью.
По своей биохимической природе все ферменты представляют собой высокомолекулярные белковые вещества. Полипептидная цепочка белков - ферментов расположена в пространстве исключительно сложным образом, неповторимым для каждого фермента. При определенном пространственном расположении функциональных групп аминокислот в молек6).
Ферментативный катализ начинается с образования активного промежуточного соединения - фермент-субстратного комплекса. Комплекс - результат присоединения молекулы субстрата к каталитически активному центру фермента. При этом пространственные конфигурации молекул субстрата несколько видоизменяются. Новое ориентированное
размещение на ферменте реагирующих молекул обеспечивает высокую эффективность ферментативных реакций, способствующих снижению энергии активации (Хазиев, 1962).
За каталитическую активность фермента ответственны не только активный центр фермента, но и вся структура молекулы в целом. Скорость ферментативной реакции регулируется множеством факторов: температурой, рН, концентрацией фермента и субстрата, наличием активаторов и ингибиторов. В роли активаторов могут выступать органические соединения, но чаще различные микроэлементы (Купревич, Щербакова, 1966).
Почва способна регулировать протекающие в ней ферментативные процессы в связи с изменением внутренних и внешних факторов посредством факторной или аллостерической регуляции (Галстян 1974, 1975). Под воздействием внесенных в почву химических соединений, в том числе удобрений, происходит аллостерическая регуляция. Факторная регуляция обусловлена кислотностью среды (рН), химическим и физическим составом, температурой, влажностью , водно-воздушным режимом и т. д. Влияние специфики почвы, содержания гумуса и биомассы и других факторов на активность ферментов, используемых для характеристики биологической активности почв, неоднозначно (Галстян, 1974; Kiss,1971,; Dalai, 1975, McBride, 1989, Tiler,1978).
Ферментативную активность почвы можно использовать в качестве диагностического показателя плодородия различных почв, потому что активность ферментов отражает не только биологические свойства почвы, но и их изменения под влиянием агроэкологических факторов (Галстян, 1967; Чундерова,1976; Чугунова, 1990 и др.).
Основные пути поступления ферментов в почву - это прижизненно выделяемые внеклеточные ферменты микроорганизмов и корней растений и внутриклеточные ферменты, поступающие в почву после отмирания почвенных организмов и растений.
Выделения ферментов в почву микроорганизмами и корнями растений обычно носит адаптивный характер в форме ответной реакции на присутствие или отсутствие субстрата для действия фермента или продукта реакции, что особенно четко проявляется с фосфатазами. При недостатке в среде подвижного фосфора микроорганизмы и растения резко усиливают выделение ферментов. На такой взаимосвязи и основано применение величины фосфатазной активности почвы как диагностического показателя обеспеченности растений доступным фосфором (Наумова, 1954, Котелев, 1964).
Ферменты, попадая из различных источников в почву, не разрушаются, а сохраняются в активном состоянии. Нужно полагать, что ферменты, являясь наиболее активным компонентом почвы, сосредоточены там, где наиболее напряженно идет жизнедеятельность микроорганизмов, то есть на поверхности раздела между почвенными коллоидами и почвенным раствором. Экспериментально доказано, что ферменты в почве находятся главным образом в твердой фазе (Звягинцев, 1979).
Многочисленные эксперименты, проведенные в условиях подавления синтеза ферментов в микробных клетках при помощи толуола (Drobnik, 1961; Beck, Poshenrieder, 1963), антибиотиков (Купревич, 1961; Kiss, 1971) или облучения (McLaren et al., 1957) свидетельствуют о том, что в почве содержится большое количество "аккумулированных ферментов", достаточное, чтобы осуществлять трансформацию субстрата в течение некоторого времени. Среди таких ферментов могут быть названы инвертаза, уреаза, фосфатаза, амилаза и др. Другие ферменты гораздо более активны в отсутствие антисептика , а значит, накапливаются в почве незначительно (а - и Р-галактозидазы, декстраназа, леваназа, малатэстераза и др.). Третья группа ферментов не аккумулируется в почве, активность их проявляется лишь в период вспышки жизнедеятельности микробов и индуцируется субстратом. Полученные к настоящему времени
экспериментальные данные свидетельствуют о различии в ферментативной активности почв разных типов (Коновалова, 1975; Звягинцев, 1976; Хазиев, 1976; Галстян, 1974, 1977, 1978; и др.).
Наиболее хорошо изученными ферментами в почве являются гидролазы, которые представляют обширный класс ферментов, осуществляющих реакции гидролиза разнообразных сложных органических соединений, действуя на различные связи: сложноэфирные, глюкозидные, амидные, пептидные и др. Гидролазы широко распространены в почвах и играют важную роль в обогащении их подвижными и достаточными для растений и микроорганизмов питательными веществами, разрушая высокомолекулярные органические соединения. К этому классу относятся ферменты уреаза (амидаза), инвертаза (карбогидраза), фосфатаза (фосфогидролаза) и др., активность которых является важнейшим показателем биологической активности почв (Звягинцев, 1980).
Уреаза - фермент, участвующий в регуляции азотного обмена в почве. Этот фермент катализирует гидролиз мочевины до аммиака и углекислого газа, вызывая гидролитическое расщепление связи между азотом и углеродом в молекулах органических веществ.
Из ферментов азотного обмена уреаза изучена лучше других. Она обнаруживается во всех почвах. Ее активность коррелирует с активностью всех основных ферментов азотного метаболизма (Галстян, 1980).
В почве уреаза находится в двух основных формах: внутриклеточной и внеклеточной. Наличие в почве свободной уреазы позволило Бриггсу и Сегалу (Briggs et al., 1963) выделить фермент в кристаллическом виде.
Часть внеклеточной уреазы адсорбирована почвенными коллоидами, имеющими высокое сродство к уреазе. Связь с почвенными коллоидами предохраняет фермент от разложения микроорганизмами и способствует ее аккумуляции в почве. Каждая почва имеет свой стабильный уровень уреазной активности, определяемый способностью почвенных коллоидов,
главным образом органических, проявлять защитные свойства (Звягинцев, 1989).
В почвенном профиле наиболее высокую активность фермента проявляет гумусовый горизонт, дальнейшее распределение по профилю зависит от генетических особенностей почвы.
В связи с широким применением мочевины в качестве азотного удобрения, вопросы, связанные с ее превращениями под действием уреазы, являются практически значимыми. Высокая уреазная активность большинства почв препятствует использованию мочевины в качестве универсального источника азотного питания, так как высокая скорость гидролиза мочевины почвенной уреазой приводит к локальной аккумуляции ионов аммония , повышению реакции среды до щелочных значений, и как следствие этого, потерям азота из почвы в виде аммиака (Tarafdar J. C, 1997). Расщепляя мочевину, уреаза предотвращает изомеризацию её в фототоксичный цианат аммония. Хотя сама мочевина частично используется растениями, однако в результате активного действия уреазы она не может долго сохраняться в почве. В исследованиях ряда ученых отмечено улетучивание из почвы азота мочевины в форме аммиака при высокой активности уреазы, а при внесении в почву различных ингибиторов уреазы замедлялся гидролиз мочевины и потери были меньше (Tool P. O., Morgan M. A.,1994). На скорость гидролиза мочевины в почве влияют температура (Иванов, Баранова, 1972; Галстян, 1974; Cortez et al., 1972 и др), кислотность почвы (Галстян, 1974; Моисеева, 1974 и др). Отрицательное воздействие оказывает насыщенность почвы карбонатами (Галстян, 1974), присутствие в значительных количествах солей мышьяка, цинка, ртути, сульфат-ионов, соединений меди и бора, из органических соединений существенно ингибируют уреазу алифатические амины, дегидрофенолы и хиноны (Paulson, 1970, Briggsatel., 1951).
Активность инвертазы - один из наиболее устойчивых показателей, обнаруживающий наиболее четкие коррелятивные связи с воздействующими факторами. Исследованиями (1966, 1974) установлена корреляция инвертазы с активностью других почвенных карбогидраз.
Активность инвертазы исследована во многих почвах и обсуждена в нескольких обзорных работах (Александрова, Шмурова, 1975; Купревич, Щербакова, 1971; Kiss et al.,1971, и др.). Инвертазная активность в почве убывает по профилю, коррелирует с содержанием гумуса (Пухитская, Ковриго, 1974; Галстян, 1974; Калатозова, 1975; Кулаковская, Стефанькина, 1975; Симонян, 1976; Toth, 1987 и др.). Корреляция с гумусом может отсутствовать при значительном содержании в почве алюминия , железа, натрия. Тесная связь активности инвертазы с количеством почвенных микроорганизмов и их метаболической активностью (Маштаков и др.,1954; Кацнельсон, Ершов, 1958; Козлов, 1964; Чундерова, 1970; Kiss, 1958; Hofinann, 1955 и др.) свидетельствуют о преимуществе в почве инвертазы микробного происхождения. Однако такая зависимость не всегда подтверждается (Низова, 1970), активность инвертазы значительно более устойчивый показатель и непосредственно может быть не связана с колебаниями численности микроорганизмов (Ross, 1976).
По сообщению (1974) почвы с тяжелым гранулометрическим составом обладают более высокой ферментативной активностью. Однако имеются сообщения, что инвертаза заметно инактивируется при адсорбции глинистыми минералами (Hofmann et al., 1961; Skujins, 1976; Rawald, 1970) и почвы с высоким содержанием монтмориллонита обладают низкой инвертазной активностью. Зависимость инвертазной активности от влажности и температуры почвы исследована недостаточно, хотя многие авторы объясняют сезонные изменения активности гидротермическими условиями.
Влияние температуры на потенциальную активность инвертазы подробно исследовал (1975), установив оптимум при температуре около 60°, порог инактивации фермента после прогревания почв при 70° и полную инактивацию после трехчасового прогревания при 180°С.
Многими авторами рассмотрена инвертазная активность почв в зависимости от произрастающих растений (Самцевич, Борисова, 1972; Галстян, 1974, Ross 1976; Cortez et al.,1972 и др.). Развитие лугового процесса, образование мощной дернины под травянистым покровом способствует увеличению инвертазной активности (Галстян, 1959). Однако имеются такие работы, в которых влияние растений на активность инвертазы не установлено (Коновалова, 1975).
В почвах в большом количестве имеется фосфор в форме органических соединений, поступающий с отмирающими остатками растений, животных и микроорганизмов. Высвобождение фосфорной кислоты из этих соединений осуществляется сравнительно узкой группой микроорганизмов, имеющих специфические ферменты фосфатазы (Чимитдоржиева и др., 2001).
Среди ферментов фосфорного обмена наиболее полно исследована активность ортофосфорных монофосфоэстераз (Александрова, Шмурова, 1974,; Skujins J. J., 1976; Котелев и др., 1964). Продуцентами фосфатаз преимущественно являются клетки почвенных микроорганизмов (Красильников, Котелев, 1957, 1959; Котелев и др., 1964).
Фосфатазная активность почвы определяется ее генетическими особенностями, физико-химическими свойствами и уровнем культуры земледелия. Среди физико-химических свойств почвы для фосфатазной активности особенно важна кислотность. Дерново-подзолистые и серые лесные почвы, имеющие кислую реакцию, преимущественно содержат кислые фосфатазы, в почвах со слабо щелочной реакцией преобладают щелочные фосфатазы. Следует отметить, что оптимум активности кислых
фосфатаз находится в слабокислой зоне, даже тогда, когда почвы имеют сильнокислую реакцию (Хазиев, 1979; Щербаков и др., 1983, 1988). Этот факт подтверждает важность известкования кислых почв для ускорения гидролиза сложных органических фосфатов и обогащения почвы доступным фосфором.
Наблюдаемое характерное распределение фосфатаз в почвах в зависимости от их кислотности обусловлено составом микрофлоры. В почве функционируют приспособленные к определенным условиям среды микробные сообщества, которые выделяют ферменты, активные в данных условиях.
Суммарная фосфатазная активность почвы зависит от содержания гумуса и органического фосфора, который является субстратом для фермента.
Наиболее высокой фосфатазной активностью характеризуются черноземы. В дерново-подзолистых и серых лесных почвах активность фосфатазы невелика. Низкая активность этих кислых почв обусловлена более сильной адсорбцией фосфатаз почвенными минералами. Вследствие малого содержания органического вещества в таких почвах адсорбирующая поверхность минералов больше обнажена по сравнению с высокогумусными черноземами, где глинистые минералы покрыты гумифицированным органическим веществом.
Активность фосфатазы динамична в течение вегетационного периода. В активные фазы роста растений при высокой температуре почвы и достаточной влажности в летние месяцы фосфатазная активность почв максимальна (Евдокимова, 1989).
В некоторых почвах отмечена корреляция фосфатазной активности с общей численностью микроорганизмов (Котелев и др., 1964; Алиев, Гаджиев, 1978, 1979; Арутюнян, 1975, 1977; и др.) и количеством микроорганизмов, минерализующих органические соединения фосфора (Пономарева и др., 1972), в других - связь активности фосфатазы с числом
микроорганизмов не установлена (Ramirez-Martinez, 1989). Влияние гумуса проявляется в характере изменения активности фермента по профилю, при сопоставлении почв разной степени гумусированности и проведении мероприятий по окультуриванию почвы (Александрова, Шмурова, 1975; Арутюнян, 1977). Исследования многих авторов свидетельствуют о прямой зависимости фосфатазной активности почв от содержания в почве органического фосфора (Гаврилова и др., 1973; Арутюнян, Галстян, 1975; Арутюнян, 1977; и др.).
Рассмотрим несколько подробнее общие закономерности формирования фосфатазного пула почв.
Значительную часть общего фосфора в почве составляют фосфорорганические соединения: нуклеиновые кислоты, нуклеотиды, фитин, лецитин и др. Большинство из встречающихся в почве органофосфатов непосредственно растениями не усваивается. Их поглощению предшествует ферментативный гидролиз, осуществляемый фосфогидролазами. Субстратами почвенных фосфатаз являются специфические гумусовые вещества, включающие фосфор гумусовых кислот, а также не специфические индивидуальные соединения, представленные нуклеиновыми кислотами, фосфолипидами и фосфопротеинами, а также метаболическими фосфатами. Первые накапливаются в почве в результате биогенеза гумусовых веществ, вторые, как правило, поступают в почву с растительными остатками и накапливаются в ней, как продукты промежуточных метаболических реакций.
Роль высших растений в формировании фосфатазного пула почв, используемых в сельском хозяйстве , ниже, чем микроорганизмов и связана в основном с поступлением в почву пожнивных остатков и корневых выделений, что подтверждается данными и (1994), которые исследовали в вегетационном опыте влияние различных сельскохозяйственных культур на активность гидролитических
и окислительно-восстановительных ферментов; фосфатазы, инвертазы, протеазы, уреазы, каталазы на маломощной торфяной почве. Активность фосфатазы оказалась примерно одинаковой под всеми культурами: ячменем, картофелем и черным паром и лишь немного больше под многолетними травами, тогда как активность других ферментов значительно различалась в зависимости от характера использования почв.
, (1972) отмечают увеличение активности фосфатазы в ризосфере пшеницы и бобовых, что может быть связано как с увеличением численности микроорганизмов в ризосфере, так и с внеклеточной фосфатазной активностью корней. С агрохимической точки зрения важен конечный результат - рост ферментативного пула почв с увеличением мощности корневых систем растений.
Обедненность агроценозов растениями приводит к снижению ризосферного эффекта и, как следствие, к уменьшению активности фосфатазы почвы. Отмечено значительное снижение фосфатазной активности почв при возделывании монокультуры. Включение почв в севооборот создает условия для улучшения гидролитических процессов, что приводит к увеличению метаболизма фосфорных соединений. (Евдокимова, 1992)
(1994) исследовала дерново-подзолистые почвы, сформированные под естественной (лесной) растительностью разного состава и определяла распределение фосфатазной активности в профиле почвы, соотношение между лабильными и стабильными формами ферментов, пространственную и временную их вариабельность. Установлено, что в почвах, сформированных под естественной лесной растительностью, генетические горизонты различаются по активности фосфатазы, распределение которой в профиле тесно коррелирует с содержанием гумуса. По данным, наибольшая фосфатазная активность наблюдалась в подстилочном слое, затем в раз уменьшалась в гумусово-аккумулятивном и резко падала в почвенном слое
ниже 20 см в почве под ельником (лесная растительность). Под луговой растительностью несколько иное распределение: максимальная активность в дерновом горизонте, в 1,5-2 раза ниже в гумусово-аккумулятивном, а дальнейшее значительное снижение наблюдается только после 40 - 60 см. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что максимальный вклад в формирование фосфатазного пула под естественной растительностью вносят микроорганизмы и растительные остатки в качестве субстрата, корневые выделения и постморально поступающие внутриклеточные ферменты играют несколько меньшую роль.
Интенсивность биохимических процессов в почве и уровень её плодородия зависит как от условий существования живых организмов, которые поставляют ферменты в почву, так и от факторов, способствующих закреплению ферментов в почве и регулирующих их актуальную активность.
1.2. Влияние тяжёлых металлов и микроэлементов на ферментативную активность почв.
Одним из перспективных направлений использования ферментативной активности для диагностики биологических свойств почв является выявление уровня загрязненности почв ТМ.
Тяжелые металлы, поступая в почву в виде различных химических соединений, могут накапливаться в ней до высоких уровней, представляющих существенную опасность для нормального функционирования почвенной биоты. В литературе накоплено большое количество данных, свидетельствующих о негативном влиянии загрязнения почв ТМ на почвенную биоту. При нарушении химического равновесия в почве возникает стрессовая ситуация. Существуют данные о том, что биологические показатели раньше агрохимических реагирует на изменение условий, влияющих на различные свойства почвы (Лебедева,
Список литературы
Из многочисленных показателей биологической активности почвы большое значение имеют почвенные ферменты. Их разнообразие и богатство делают возможным осуществление последовательных биохимических превращений, поступающих в почву органических остатков.
Название «фермент» происходит от латинского «ферментум» – брожу, закваска. Явление катализа и в настоящее время полностью не разгадано. Сущность действия катализатора заключается в снижении энергии активации, необходимой для химической реакции, направляя ее обходным путем через промежуточные реакции, которые требуют меньшей энергии, идущие без катализатора. Благодаря этому повышается и скорость основной реакции. Под действием фермента ослабляются внутримолекулярные связи в субстрате вследствие некоторой деформации его молекулы, происходящей при образовании промежуточного комплекса фермент-субстрата.
Таким образом, роль ферментов заключается в том, что они значительно ускоряют биохимические реакции и делают их возможными при обычной нормальной температуре.
Ферменты, в отличие от неорганических катализаторов, обладают избирательностью действия. Специфичность действия ферментов выражается в том, что каждый фермент действует лишь на определенное вещество, или же на определенный тип химической связи в молекуле. По своей биохимической природе все ферменты – высокомолекулярные белковые вещества. На специфичность ферментных белков влияет порядок чередования в них аминокислот. Некоторые ферменты помимо белка содержат более простые соединения. Например, в составе различных окислительных ферментов содержатся органические соединения железа. В состав других входят медь, цинк, марганец, ванадий, хром, витамины и другие органические соединения.
В основу единой классификации ферментов положена специфичность к типу реакции, и в настоящее время ферменты подразделяют на 6 классов. В почвах наиболее изучены оксидоредуктазы (катализируют процессы биологического окисления) и гидролазы (катализируют расщепление с присоединением воды). Из оксидоредуктаз в почве наиболее распространены катал аза, дегидрогеназы, фенолоксидазы и др.
Они участвуют в окислительно-восстановительных процессах синтеза гумусовых компонентов. Из гидролаз наиболее широко в почвах распространены инвертаза, уреаза, протеаза, фосфатазы. Эти ферменты участвуют в реакциях гидролитического распада высокомолекулярных органических соединений и тем самым играют важную роль в обогащении почвы подвижными и доступными растениям и микроорганизмам питательными веществами.Исследованием ферментативной активности почв занималось большое количество исследователей. В результате исследований доказано, что ферментативная активность – это элементарная почвенная характеристика. Ферментативная активность почвы складывается в результате совокупности процессов поступления, иммобилизации и действия ферментов в почве. Источниками почвенных ферментов служит все живое вещество почв: растения, микроорганизмы, животные, грибы, водоросли и т. д. Накапливаясь в почве, ферменты становятся неотъемлемым реактивным компонентом экосистемы. Почва является самой богатой системой по ферментному разнообразию и ферментативному пулу. Разнообразие и богатство ферментов в почве позволяет осуществляться последовательным биохимическим превращениям различных поступающих органических остатков.
Значительную роль почвенные ферменты играют в процессах гумусообразования. Превращение растительных и животных остатков в гумусовые вещества является сложным биохимическим процессом с участием различных групп микроорганизмов, а также иммобилизованных почвой внеклеточных ферментов. Выявлена прямая связь между интенсивностью гумификации и ферментативной активностью.
Особо следует отметить значение ферментов в тех случаях, когда в почве складываются экстремальные для жизнедеятельности микроорганизмов условия, в частности при химическом загрязнении. В этих случаях метаболизм в почве остается в известной мере неизменным благодаря действию иммобилизированных почвой, и поэтому устойчивых, ферментов. Максимальная каталитическая активность отдельных ферментов наблюдается в относительно небольшом интервале pH, который является для них оптимальным. Поскольку в природе встречаются почвы с широким диапазоном реакции среды (pH 3,5-11,0), то их уровень активности весьма различен.
Исследованиями различных авторов установлено, что активность почвенных ферментов может служить дополнительным диагностическим показателем почвенного плодородия и его изменения в результате антропогенного воздействия. Применению ферментативной активности в качестве диагностического показателя способствуют низкая ошибка опытов и высокая устойчивость ферментов при хранении образцов.
Цель работы ‑ определение биологической активности почв на разном удалении от дороги по четырем ферментным системам: дегидрогеназам, каталазе, инвертазе, уреазе.
Основные понятия
Почвенно-энзимологические методы позволяют определять не количественное содержание ферментов в почве, а активность ферментов, находящихся преимущественно в адсорбированном (иммобилизованном) состоянии на поверхности почвенных коллоидов и частично в почвенном растворе.
Принципметода определения активности почвенных ферментов основан на учете количества переработанного в процессе реакции субстрата или образующегося продукта реакции в оптимальных условиях температуры, рН среды и концентрации субстратов.
Ферменты, относящиеся к классу оксидоредуктаз, катализируют окислительно-восстановительные реакции, играющие ведущую роль в биохимических процессах в клетках живых организмов, а также в почве. Наиболее распространены в почвах такие оксидо-редуктазы, как каталаза и дегидрогеназы, активность которых является важным показателем генезиса почв.
Каталазаразлагает на воду и молекулярный кислород ядовитую для клетки перекись водорода, образующуюся в процессе дыхания живых организмов в результате различных биохимических реакций окисления органических веществ.
Активность каталазы определяется газометрическим методом по объему выделившегося кислорода, основанным на измерении скорости разложения перекиси водорода при ее взаимодействии с почвой.
Дегидрогеназы ‑ ферменты, которые участвуют в процессе дыхания, отщепляя водород от окисляемых субстратов. Одни дегидрогеназы переносят водород непосредственно на молекулярный кислород, другие - на какие-либо акцепторы, например на хиноны, метиленовую синь.
Для определения активности дегидрогеназы в качестве акцептора водорода применяют бесцветные соли тетразолия (2,3,5-трифенилтетразолий хлористый (ТТХ), которые восстанавливаются в красные соединения формазана (трифенилформазан (ТФФ).
Гидролазы осуществляют реакции гидролиза разнообразных сложных органических соединений, действуя на различные связи: сложноэфирные, глюкозидные амидные, пептидные и др. К этому классу относятся ферменты инвертаза, уреаза и др., активность которых является важным показателем биологической активности почв и широко используется для оценки антропогенного воздействия.
Инвертаза действует на p-фруктофуранозидную связь в сахарозе, рафинозе, стахиоэе и производит расщепление сахарозы на эквимолярные количества глюкозы и фруктозы.
Фотоколориметрическое определение активности инвертазы основано на учете восстанавливающих сахаров, образующихся при расщеплении сахарозы.
Разложение органических азотистых соединений осуществляется при непосредственном участии внеклеточных ферментов. Образующийся при уреазной активности аммиак служит источником питания растений.
Уреаза катализирует гидролиз мочевины. Конечными продуктами гидролиза являются аммиак и углекислый газ. Мочевина попадает в почву в составе растительных остатков, навоза и как азотное удобрение; она образуется также в самой почве в качестве промежуточного продукта в процессе превращения азотистых органических соединений - белков и нуклеиновых кислот.
Определение каталазной активности
Оборудование и реактивы:
Cистема для газометрии (рис. 8); 10%-й раствор Н 2 O 2 ; СаСО э.
Рис. 8 ‑ Установка для газометрического определения каталазной активности в почвенных образцах:
1 - колба, 2 - бюретка, 3 - переходник, 4 - груша с водой
Порядок выполнения работы
1. Навеску просеянной почвы 1 г внести в колбу на 100 см 3 , добавить 0,5 г СаСО 3 .
2. На дно осторожно поставить с помощью пинцета маленький стаканчик с 1,7 см 3 10%-го раствора перекиси водорода.
3. Навеску почвы смочить 4 см 3 дистиллированной воды.
4. Колбу плотно закрыть каучуковой пробкой с трубкой, соединенной с бюреткой толстостенным каучуком через тройник, снабженный зажимом. Бюретка сообщается с грушей. Бюретка и груша заполнены водой. Уровень воды в них уравновешивают и грушу закрепляют на определенной высоте.
5. Начало опыта отметить по секундомеру в момент, когда сосудик с перекисью водорода опрокинут, и вслед за этим встряхнуть содержимое колбы. Взбалтывание смеси следует продолжать во все время опыта, не касаясь непосредственно дна колбы руками. Выделяющийся кислород вытесняет из бюретки воду, уровень которой отмечают.
6. Количество выделившегося молекулярного кислорода учитывают в течение 1 мин при температуре 18-20 0 С.
7. Активность каталазы выражают в объеме (см 3) кислорода, выделившегося на 1 г почвы в минуту. Ошибка определения до 5%.
8. Аналогичные процедуры проделать со всеми образцами почв.
9. По табл. 15 оценить степень насыщения исследуемых почв каталазой.
Таблица15 ‑ Шкала для оценки степени обогащенности почв ферментами
| Степень обогашенности почв | Каталаза, О 2 см 3 /г за 1 мин | Дегидрогеназы, мг ТФФ на 10 г за 24 ч | Инвертаза, мг глюкозы на 1 г за 24 ч | Уреаза, мг NH 4 , на 10 г за 24 ч | Фосфотаза, мг Р 2 О 3 на 10 г за 1 ч |
| Очень бедная | < 1 | <1 | <5 | <3 | <0,5 |
| Бедная | 1-3 | 1-3 | 5-15 | 3-10 | 0,5-1,5 |
| Средняя | 3-10 | 3-10 | 15-50 | 10-30 | 1,5-5,0 |
| Богатая | 10-30 | 10-30 | 50-150 | 30-100 | 5-15 |
| Очень богатая | >30 | >30 | > 150 | > 100 | > 15 |
Определение дегидрогиназной активности
Приборы, посуда, реактивы :
Фотоколориметр; миллиметровая бумага; 0,1М раствор глюкозы; 1 %-й раствор 2,3,5-трифенилтетразолия хлористого (ТТХ); СаСО 3 ; этиловый спирт; трифенилформазан (ТФФ).
Порядок выполнения работы
1. Навески воздушно-сухой почвы по 1 г из каждого образца поместить в пробирки, добавить по 10 мг (на кончике шпателя) СаСО 3 , по 1 см 3 0,1 М раствора глюкозы и по 1 см 3 1%-го раствора ТТХ; содержимое каждой пробирки тщательно смешать.
2. Пробирки поместить в анаэростат и откачать воздух насосом при разрежении 10-12 мм рт. ст. в течение 2-3 мин. Затем инкубировать при 30 0 С в течение 24 ч.
3. По истечении времени инкубации содержимое пробирок экстрагировать в 3-4 приема 25 см 3 этилового спирта. Для этого небольшой объем спирта внести в пробирку и встряхивать в течение 5 мин до появления красной окраски. Дать отстояться и надпочвенную жидкость профильтровать через бумажный фильтр. Добавить в пробирку следующую порцию спирта.
4. Полученный окрашенный раствор формазана колориметрировать на ФЭКе с синим светофильтром (500-600 нм).
5. Количество формазана в миллиграммах рассчитать по стандартной кривой. Для этого приготовить стандартный раствор формазана в этиловом спирте в концентрации 0,1 мг в 1 см 3 . Рабочие растворы для составления кривой приготовить путем разведений стандартного раствора (примерно 5 точек). Стандартную кривую построить на миллиметровой бумаге в системе: оптическая плотность при длине волны 500-600 нм - концентрация формазана в спирте.
6. Вычислить активность дегидрогеназы. По табл. 15 оценить степень насыщения исследуемых почв дегидрогеназой.
Обработка данных
Активность дегидрогеназы (X) выражают в миллиграммах ТФФ на 10 г почвы за сутки по формуле:
где V ‑ общий объем фильтрата, 25 см 3 ;
10 ‑ пересчетный коэффициент веса почвы, г;
v ‑ произведение объемов субстрата и реагента, 1 см 3 ;
А ‑ количество ТФФ, полученное по калибровочной кривой, мг/см 3 . Ошибка определения ‑ до 8 %.
Определение инвертазной активности
Приборы, посуда, реактивы :
Фотоколориметр; 5%-й раствор сахарозы; ацетатный буфер (рН 4,7); толуол; раствор Феллинга: а ‑ 40 г CuSO 4 ×5Н 2 О растворяют в воде и доводят до 1 дм 3 , фильтруют через бумажный фильтр, б ‑ 200 г сегнетовой соли (С 4 H 4 O 6 KNa×4Н 2 О) растворяют в дистиллированной воде, прибавляют 150 г КОН и доводят до 1 дм 3
Порядок выполнения работы
1. В колбы вместимостью 50 см 3 поместить по 5 г каждого образца почвы, добавить по 10 см 3 5%-го раствора сахарозы, 10 мл ацетатного буфера (рН 4,7) и 5-6 капель толуола.
2. Колбы закрыть пробками, встряхнуть, поместить в термостат при температуре 30 0 С на 24 ч и периодически встряхивать их.
3. После инкубации содержимое колб отфильтровать в мерные колбы на 25 см 3 . Довести до метки.
4. Из фильтратов взять по 6 см 3 в большие пробирки, добавить по 3 см 3 раствора сегнетовой соли и 3 см 3 раствора сернокислой меди, хорошо перемешать и кипятить на водяной бане 10 мин. Получается красный осадок.
5. Пробирки с раствором охладить в воде, содержимое отфильтровать в большие пробирки. Прозрачный фильтрат колориметрировать на ФЭК, используя светофильтр с длиной волны 630 нм, ширина кюветы 1 см.
6. Для получения калибровочной кривой приготовить стандартный раствор: 6 мг глюкозы в 1 см 3 . Разведением приготовить серию растворов. Фотоколориметрировать и построить кривую: оптическая плотность ‑ концентрация глюкозы в 1 см 3 .
7. Вычислить активность и по табл. 15 оценить степень насыщения исследуемых почв инвертазой.
Обработка данных
Активность инвертазы (X) выражают в миллиграммах глюкозы на 1 г почвы за 24 ч по формуле:
где А ‑ количество глюкозы, полученное по калибровочной кривой из оптической плотности, мг/см 3 ;
m ‑ навеска почвы, 5 г;
V ‑ общий объем фильтрата, 25 см 3 ;
v ‑ объем фильтрата, взятого для анализа, 6 см 3 .
Ошибка определения ‑ до 5 %.
Определение уреазной активности почв
Приборы, посуда, реактивы :
Фотоколориметр; 2%-й раствор мочевины в фосфатном буфере (рН = 6,7); 50%-й раствор сегнетовой соли; 50%-й раствор CCl 3 COOH (трихлоруксусная кислота); 1%-й раствор КС1; реактив Несслера; стандартный раствор NH 4 C1.
Порядок выполнения работы
1. По 5 г воздушно-сухой почвы поместить в колбы емкостью 100 см 3 , прилить по 20 см 3 2%-го раствора мочевины в фосфатном буфере (рН 6,7) и по 200 мкл толуола.
2. Колбы плотно закрыть и поместить в термостат при температуре 37 0 С на 4 ч.
3. После экспозиции прилить по 1 см 3 50%-го раствора трихлоруксусной кислоты.
4. Для вытеснения из почвы поглощенного аммиака добавить по 50 см 3 1 н. раствора хлористого калия.
5. Содержимое колб отфильтровать.
6. По 2 см 3 фильтрата поместить в мерные колбы объемом 50 см 3 , развести водой до 30 см 3 , затем прилить по 2 см 3 50%-го раствора сегнетовой соли и по 2 см 3 реактива Несслера. Колбы долить водой до метки, перемешать и окрашенный раствор колориметрировать при длине волны 400 нм.
8. Вычисляют активность уреазы.
9. По табл. 15 оценить степень насыщения исследуемых почв уреазой.
Обработка данных
Активность уреазы (X) выражают в миллиграммах N-NH 4 на 1 г почвы за 4 ч по формуле:
V ‑ общий объем фильтрата, 50 см 3 ;
m - навеска почвы, 5 г.
Вопросы для самоподготовки:
1. Что такое каталазная активность?
2. Дайте оределение инвертазной активности.
3. Охарактеризуйте уреазную активность.
4. Что такое буферная смесь?
5. Принцип и сущность метода определения активности почвенных ферментов.
6. Методика отбора образцов почвы.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Таблица 1 ‑ Примерный список организмов - индикаторов сапробности
| Организмы | Сапробность |
| Нитчатые бактерии: | |
| Sphaerotilus natans | р |
| Beggiatoa sp. | р |
| Thiothrix sp. | р |
| Грибы: | |
| Leptomitus lacteus | α |
| Mucor racemosus | α |
| Fusarium aquaeductum | р |
| Водоросли: | |
| сине-зеленые: | |
| Anabaena flos aquae | β |
| Microcystis aeruginosa | β |
| Aphanizomenon flos aquae | β |
| Oscillatorla tenuis | α |
| Диатомовые | - |
| Cymbella cesati | о |
| Oomphonema cevli | о |
| Melostra granulata | β |
| Navicula angustata | α |
| Navicula apiculata | α |
| Synedra acus | β |
| Synedra ulna | β |
| Nitzschia palea | α |
| эвгленовые: | |
| Euglena acus | β |
| Euglena viridis | р |
| Euglena deses | α |
| зеленые и протококковые: | |
| Volvox globator | о-β |
| Ankistrodesmus falcatus | β-α |
| Crucigenta rectangularis | а-β |
| Scenedesmus quadricauda | β |
| Draparnaldia sp. | о |
| Ulothrix zonata | о |
| Stlgeoclonium tenue | α |
| Животные: | |
| амебы: | |
| Pelornyxa palustris | р |
| Организмы | Сапробность |
| инфузории: | |
| Colpidium, campylum | p |
| Colpldlum colpoda | p |
| Euplotes charon | β |
| Chllodon cucullulus | p |
| Opercularia coaretata | α |
| Paramecium caudatum | α |
| Spirostomum amblguum | α |
| Stentor coeruleus | α |
| Vortlcella convallarla | α |
| Vorticella microstoma | p |
| Podophrya fixa | α |
| коловратки: | |
| Kellcottia longispina (syn. Notholca Iongispina) | о |
| Keratella cochlearls | β |
| Keratella quadrata | β |
| Leucane lunarls (syn. Monostyla lunarls) | β |
| Rotaria rotatoria (syn. Rotifer vulgaris) | α |
| олигохеты: | |
| Limnodrilus hofmelsterl | p |
| Tub if ex tublfex | p |
| Stylarla lacustris | β |
| ракообразные: | |
| Daplmla magna | α |
| Daphnla pulex | α |
| Leptodora Kindtli | о |
| Eudiaptomus gracilis | o |
| Astacus fluviatilis | o |
| насекомые: | |
| Caenls macrura | o |
| Heptagenia coerulana | β |
| Chironomus Plumosus | р |
| рыбы: | |
| лещ: | β |
| усач | β |
| форель | o |
| линь | β-α |
Таблица 2 ‑ Шкала частот для пересчета организмов в 100 полях на частоту
| Значение частоты | Микробентос | Обрастания | |
| Данные подсчета | Сумма в 100 полях | ||
| 1-я категория крупности | |||
| Не более 1 в каждом 2-м поле зрения Не более 2 в поле зрения Не более 10 в поле зрения Не более 30 в поле зрения Не более 60 в поле зрения Более 60 в поле зрения | Не более 1 в каждом 2-м поле зрения Не более 2 в поле зрения Не более 10 в поле зрения Не более 50 в поле зрения Не более 250 в поле зрения Более 250 в поле зрения | 1-50 50-200 200-1000 1000-5000 5000-25000 Более 25000 | |
| 2-я категория крупности | |||
| Не более 1 в каждом 20-м поле зрения Не более 1 в каждом 5-м поле зрения Не более 1 в поле зрения Не более 3 в поле зрения Не более 6 в поле зрения Более 6 в поле зрения | Не более 2 в 20 полях зрения Не более 1 в 5 поле зрения Не более 1 в поле зрения Не более 5 в поле зрения Не более 25 в поле зрения Более 25 в поле зрения | 1-5 6-20 21-100 100-500 500-2500 Более 2500 | |
| 3-я категория крупности | |||
| 1 в 100 полях зрения 1 в 50 полях зрения Не более 1 в 10 полях зрения Не более 1 в 4 полях зрения Не более 1 в 2 полях зрения Приблизительно 1 в поле зрения | 1 в 100 полях зрения 1 в 50 полях зрения Не более 1 в 10 в полях зрения 1в2 полях зрения Не более 2 в поле зрения Более 2 в поле зрения | 3-10 10-50 50-200 Более 200 |
Приложение
Таблица 13. Пересчет результатов количественного учета на значение частоты
Приложение
Пример вычисления сапробности
Проба: река ниже города. Дата ________________ Сообщество: обрастания.
| Организмы | s | h | sft |
| Euglena viridis | p | ||
| Scenedesmus acuminatus | β | ||
| Spirogyra sygmoidea | β | ||
| Closterium acerosum | α | ||
| Closterium moniliierum | β | ||
| Cyclotella menengiana | α | ||
| Cymbella vesiculosa | β | ||
| Diatoma vulgare | β | ||
| Melosira italica | β | ||
| Melosira varians | β | ||
| Navicula cryptocephala | α | ||
| Navicula viridua | α | ||
| Nitzschia acicularis | β | ||
| Nitzschia palea | α | ||
| Surirella ovata | β | ||
| Chilidonella cuculata | α | ||
| Colpoda cuculus | α | ||
| Sh=41 | S(sh)=103 |
Sh p =3; Sh α =15; Sh β =23.
S=S(sh)/(Sh)-103/41=2,51/
Вычисление погрешности:
Интервал точности для статистической надежности 95%.
S=s±t 0,05 s S =2,51±2,02×0,1;
Похожая информация.
Процессы обмена веществ и энергии при разложении и синтезе органических соединений, переход трудно усвояемых питательных веществ в формы, легкодоступные для растений и микроорганизмов, происходят при участии ферментов.
Фермент инвертаза (а-фруктофуранозидаза) катализирует расщепление различных углеводов на молекулы глюкозы и фруктозы.
Многими данными подтверждается связь между активностью инвер-тазы с биологической активностью почвы, содержанием в ней органического вещества, урожайностью полевых культур и изменениями, происходящими в почве при сельскохозяйственном использовании (Хазиев Ф.Х., 1972; Галстян А.Ш., 1978; Васильева Л.И., 1980).
С увеличением глубины вспашки активность инвертазы в верхнем слое почвы несколько снижалась, что объясняется обеднением этого слоя почвы, так как при глубоких вспашках основное количество растительных остатков заделывается в нижние слои. Аккумуляция большей части послеуборочных остатков в верхнем слое почвы при безотвальных обработках вызывает снижение активности инвертазы в слое 30-40 см к концу вегетации растений на 5-15 %.
На удобренном фоне активность инвертазы повышалась в среднем на 5 % лишь по вспашке. По безотвальным приемам обработки почвы удобрения не оказали влияния на активность этого фермента.
Действие уреазы связано с гидролитическим расщеплением связи между азотом и углеродом (СО-ИН) в молекулах азотсодержащих органических соединений. Поэтому многими исследователями отмечается положительная корреляция активности уреазы с содержанием азота и гумуса в почвах. Однако активность уреазы зависит не только от общего количества гумуса, сколько от его качества, коррелируя главным образом с величиной отношения углерода к азоту (С: 14). Органическому веществу с наиболее широким отношением углерода к азоту соответствует наибольшая активность уреазы, при уменьшении величины отношения углерода к азоту снижается и активность фермента. Это, по мнению В.Д. Мухи и Л.И. Васильевой, указывает на регулирующее действие уреазы на процессы превращения в почве азотсодержащих органических соединений. В наших исследованиях среди вариантов отвальной обработки наибольшая активность уреазы проявлялась по вспашке на глубину 20-22 см. Углубление обработки приводило к значительному снижению активности этого фермента. Так, в начале вегетации растений по вспашке на 35-37 см в слое почвы 0-40 см выделялось аммиака на 20 % меньше, чем по обработке на нормальную глубину 20-22 см (среднее за 1980-1982 гг., мг ЙН 3 на 1 г воздушно-сухой почвы).
Интенсивность и направленность процессов трансформации органического вещества в почве определяется и активностью окислительно -восстановительных ферментов полифенолоксидазы и пероксидазы. По-лифенолоксидаза участвует в превращении органических соединений ароматического ряда в компоненты гумуса (Мишустин Е.Н. и др., 1956, Кононова М.М., 1963, 1965). В разложении же гумусовых веществ большое место отводится пероксидазе и каталазе (Никитин Д.И., 1960). Исследователи отмечают высокую положительную корреляционную связь разложения гумуса с пероксидазной активностью и почти функциональную отрицательную связь с активностью полифенолоксидазы (Чундерова А.И., 1970, Дульгеров А.Н., 1981). Противоположная направленность функций пероксидазы и полифенолоксидазы и единый объект их применения дали возможность А.И. Чундеровой предложить понятие «коэффициент накопления гумуса», величина которого определяется отношением полифенолоксидазной активности почвы к перокси-дазной.
По данным наших исследований, увеличение глубины вспашки с 20-22 см до 35-37 см и применение безотвальных обработок почвы плоскорезом, плугом без отвалов, чизелем, орудием типа «параплау», стойками СибИМЭ, а также при обработке почвы по типу «No-til» приводили к повышению активности пероксидазы на 4-6 % и снижению активности полифенолоксидазы на 4-5 % (табл. 15). Коэффициент накопления гумуса при этом снижался на 8-10 %.
15. Активность пероксидазы и полифенолоксидазы в слое почвы 0-40 см под горохом, мг пурпургаллина на 100 г воздушно-сухой
почвы за 30 мин. (1980-1982 гг.)
|
Варианты | |||||||
|
пероксида- |
полифено- локсидаза |
накопления |
пероксида- |
полифено- локсидаза |
накопления |
||
|
Ежегодная |
с удобрениями |
||||||
|
без удобрений |
|||||||
|
Ежегодная |
с удобрениями |
||||||
|
без удобрений |
|||||||
|
Ежегодная обработка плоскоре |
с удобрениями |
||||||
|
без удобрений |
|||||||
|
Залежь некосимая с 1885 года |
|||||||
Исследованиями установлена связь коэффициента накопления гумуса с отношением числа микроорганизмов, ассимилирующих минеральный азот, к числу микроорганизмов, усваивающих азот органических соединений, (КАА: МПА). Коэффициент корреляции между двумя показателями равен -0,248±0,094. Увеличение первого показателя во многих случаях приводит к уменьшению последнего и наоборот, что подтверждает наличие связи между структурой микробного ценоза и направленностью процесса биохимической трансформации органического вещества почвы. Отношение этих двух коэффициентов, видимо, может характеризовать направленность культурнопочвообразовательного процесса.
Это позволяет сделать вывод, что трансформация органического вещества почвы, обусловленная активностью пероксидазы и полифено-локсидазы, при углублении вспашки и обработках без оборота пласта смещается в сторону усиления разложения гумуса (рис. 5).
- ? Ряд4
- ? РядЗ
- ? Ряд2
- ? Ряд1
Рис. 5. Влияние различных способов и глубины основной обработки на активность пероксидазы в слое почвы 0-40 см в период 2-4 пар настоящих листьев у подсолнечника, мг пурпургаллина на 1 г воздушно-сухой почвы (1989-1991 гг.)
Определенное место в направленности и интенсивности биохимических процессов, протекающих в почве, занимает фермент каталаза. В результате ее активизирующего действия происходит расщепление перекиси водорода на воду и свободный кислород. Есть мнение, что каталаза наряду с пероксидазой может участвовать в реакциях пероксидазного типа, в ходе которых окислению подвергаются восстановленные соединения. В опытах НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева не установлено зависимости активности каталазы от глубины или способов основной обработки почвы. Однако при увеличении глубины вспашки свыше 25-27 см, а также по обработке почвы без оборота пласта отмечалось достоверное повышение каталазной активности по сравнению со вспашкой на глубину 20-22 см и 25-27 см.
Из многочисленных показателей биологической активности почвы большое значение имеют почвенные ферменты. Их разнообразие и богатство делают возможным осуществление последовательных биохимических превращений, поступающих в почву органических остатков.
Название «фермент» происходит от латинского «ферментум» - брожу, закваска. Явление катализа и в настоящее время полностью не разгадано. Сущность действия катализатора заключается в снижении энергии активации, необходимой для химической реакции, направляя ее обходным путем через промежуточные реакции, которые требуют меньшей энергии, идущие без катализатора. Благодаря этому повышается и скорость основной реакции.
Под действием фермента ослабляются внутримолекулярные связи в субстрате вследствие некоторой деформации его молекулы, происходящей при образовании промежуточного комплекса фермент-субстрата.
Ферментативную реакцию можно выразить общим уравнением:
E+S -> ES -> Е+Р,
т. е. субстрат (S) обратимо реагирует с ферментом (Е) с образованием фермент-субстратного комплекса (ES). Общее ускорение реакции под действием фермента обычно составляет 10 10 -10 15 .
Таким образом, роль ферментов заключается в том, что они значительно ускоряют биохимические реакции и делают их возможными при обычной нормальной температуре.
Ферменты, в отличие от неорганических катализаторов, обладают избирательностью действия. Специфичность действия ферментов выражается в том, что каждый фермент действует лишь на определенное вещество, или же на определенный тип химической связи в молекуле. По своей биохимической природе все ферменты - высокомолекулярные белковые вещества. На специфичность ферментных Силков влияет порядок чередования в них аминокислот. Некоторые ферменты помимо белка содержат более простые соединения. Например, в составе различных окислительных ферментов содержатся органические соединения железа. В состав других входят медь, цинк, марганец, ванадий, хром, витамины и другие органические соединения.
В основу единой классификации ферментов положена специфичность к типу реакции, и в настоящее время ферменты подразделяют на 6 классов. В почвах наиболее изучены оксидоредуктазы (катализируют процессы биологического окисления) и гидролазы (катализируют расщепление с присоединением воды). Из оксидоредуктаз в почве наиболее распространены каталаза, дегидрогеназы, фенолоксидазы и др. Они участвуют в окислительно-восстановительных процессах синтеза гумусовых компонентов. Из гидролаз наиболее широко в почвах распространены инвертаза, уреаза, протеаза, фосфата-Mi. Эти ферменты участвуют в реакциях гидролитического распада высокомолекулярных органических соединений и тем самым играют важную роль в обогащении почвы подвижными и доступными растениям и микроорганизмам питательными веществами.
Исследованием ферментативной активности почв занималось большое количество исследователей. В результате исследований доказано, что ферментативная активность - это элементарная почвенная характеристика. Ферментативная активность почвы складывается в результате совокупности процессов поступления, иммобилизации и действия ферментов в почве. Источниками почвенных ферментов служит все живое вещество почв: растения, микроорганизмы, животные, грибы, водоросли и т. д. Накапливаясь в почве, ферменты становятся неотъемлемым реактивным компонентом экосистемы. Почва является самой богатой системой по ферментному разнообразию и ферментативному пулу. Разнообразие и богатство ферментов в почве позволяет осуществляться последовательным биохимическим превращениям различных поступающих органических остатков.
Значительную роль почвенные ферменты играют в процессах гумусообразования. Превращение растительных и животных остатков в гумусовые вещества является сложным биохимическим процессом с участием различных групп микроорганизмов, а также иммобилизованных почвой внеклеточных ферментов. Выявлена прямая связь между интенсивностью гумификации и ферментативной активностью.
Особо следует отметить значение ферментов в тех случаях, когда в почве складываются экстремальные для жизнедеятельности микроорганизмов условия, в частности при химическом загрязнении. В этих случаях метаболизм в почве остается в известной мере неизменным благодаря действию иммобилизированных почвой, и поэтому устойчивых, ферментов.
Максимальная каталитическая активность отдельных ферментов наблюдается в относительно небольшом интервале рН, который является для них оптимальным. Поскольку в природе встречаются почвы с широким диапазоном реакции среды (рН 3,5-11,0), то их уровень активности весьма различен.
Исследованиями различных авторов установлено, что активность почвенных ферментов может служить дополнительным диагностическим показателем почвенного плодородия и его изменения в результате антропогенного воздействия. Применению ферментативной активности в качестве диагностического показателя способствуют низкая ошибка опытов и высокая устойчивость ферментов при хранении образцов.
1.8.4. Биологическая активность почвы
При проведении биомониторинга и биодиагностики почв ведущими являются показатели биологической активности. Под биологиче ской активностью следует понимать напряженность (интенсивность) всех биологических процессов в почве. Ее следует отличать от биогенности почвы - заселенности почвы различными организмами. Биологическая активность и биогенность почвы часто не совпадают друг с другом.
Биологическая активность почвы обусловлена суммарным содержанием в почве определенного запаса ферментов, как выделенных в процессе жизнедеятельности растений и микроорганизмов, так и аккумулированных почвой после разрушения отмерших клеток. Биологическая активность почв характеризует размеры и направление процессов превращения веществ и энергии в экосистемах суши, интенсивность переработки органических веществ и разрушения минералов.
В качестве показателей биологической активности почв используются: численность и биомасса разных групп почвенной биоты, их продуктивность, ферментативная активность почв, активность основных процессов, связанных с круговоротом элементов, некоторые энергетические данные, количество и скорость накопления продуктов жизнедеятельности почвенных организмов.
Из-за того, что важные и всеобщие процессы, осуществляемые в почве всеми или большинством организмов (например, термогенез, количество АТФ), практически невозможно исследовать, определяют интенсивность более частных процессов, таких как выделение СО 2 , накопление аминокислот и др.
Показатели биологической активности определяют, используя различные методы: микробиологические, биохимические, физиологические и химические.
Биологическая активность почв (и соответственно методов ее определения) подразделяется на актуальную и потенциальную. Потенциальная биологическая активность измеряется в искусственных условиях, оптимальных для протекания конкретного биологического процесса. Актуальная (действительная, естественная, полевая) биологическая активность характеризует реальную активность почвы в естественных (полевых) условиях. Измерить ее можно только непосредственно в поле.
Методы определения потенциальной биологической активности почв могут служить хорошими диагностическими показателями потенциального плодородия почв, степени удобреиности, окультуренности, эродированно, а также загрязненности какими-либо химическими веществами. Однако при характеристике интенсивности биологических процессов, протекающих в естественных условиях, следует пользоваться методами для определения актуальной биологической активности, так как в реальной обстановке лимитирующие факторы (рН среды, температура, влажность и т. д.) могут резко ограничивать интенсивность процесса и, несмотря на большие потенциальные возможности, процесс может идти очень медленно.
Важной особенностью показателей биологической активности почв является их значительное пространственное и временное варьирование, что требует при их определении большого числа повторных наблюдений и тщательной вариационно-статистической обработки.
С биологической активностью почвы тесно взаимосвязаны ее физические и химические свойства, такие как гумусовое состояние, структура, щелочно-кислотные условия, окислительно-восстановительный потенциал и другие. Следует отметить, что физические и химические свойства характеризуют относительно консервативные накопившиеся признаки и свойства почв, биология почв располагает показателями динамических свойств, являющихся индикаторами современного режима жизни почв.
Для выявления негативных последствий антропогенного воздействия используют мониторинг почвенного покрова. Деградационные явления прежде всего затрагивают биологические объекты, снижая биологическую активность и, в конечном счете, плодородие. Поэтому использование методов биологической диагностики, позволяет определить негативные последствия антропогенного воздействия на ранних стадиях. Особенно это касается диагностики разных загрязнений.
Биологические индикаторы обладают рядом преимуществ по сравнению с другими. Во-первых, это высокая чувствительность и отзывчивость на внешние воздействия, во-вторых, они позволяют проследить за негативными процессами на ранних стадиях процесса, в третьих, только по ним можно судить о воздействиях, не подвергающих существенному изменению вещественный состав почв
(радиоактивное и биоцидное загрязнение). К существенным недостаткам можно отнести большую пространственную и временную вариабельность.
В настоящее время разработан большой набор биологических показателей, определяющих способность почвы обеспечивать растения факторами жизни, т. е. определяющих потенциальное плодородие почв, и коррелирующих с урожайностью.