Главная / Хранение овощей

Ферментативная активность почвы. Современные проблемы науки и образования Ферменты почвы

Ферментативная активность почв [от лат. Fermentum - закваска] -способность почвы проявлять каталитическое воздействие на процессы превращения экзогенных и собственных органических и минеральных соединений благодаря имеющимся в ней ферментам. Характеризуя ферментативную активность почв, имеют в виду суммарный показатель активности. Ферментативная активность различных почв неодинакова и связана с их генетическими особенностями и комплексом взаимодействующих экологических факторов. Уровень ферментативной активности почв определяется активностью различных ферментов (инвертазы, протеаз, уреазы, дегидрогеназ, каталазы, фосфатаз), выражаемой количеством разложенного субстрата за единицу времени на 1 г почвы.

Биокаталитическая активность почв зависит от степени обогащенности их микроорганизмами и от типа почв. Активность ферментов изменяется по генетическим горизонтам, которые отличаются по содержанию гумуса, типам реакций, окислительно-восстановительным потенциалом и другими показателями по профилю.

В целинных лесных почвах интенсивность ферментативных реакций в основном определяют горизонты лесной подстилки, а в пахотных - пахотные слои. Все биологически менее активные генетические горизонты, находящиеся под горизонтами А или Ап, имеют низкую активность ферментов. Активность их незначительно возрастает при окультуривании почв. После освоения лесных почв под пашню ферментативная активность образованного пахотного горизонта по сравнению с лесной подстилкой резко снижается, но по мере его окультуривания повышается и в сильно окультуренных почвах приближается или превышает показатели лесной подстилки.

Ферментативная активность отражает состояние плодородия почв и внутренние изменения, происходящие при сельскохозяйственном использовании и повышении уровня культуры земледелия. Эти изменения обнаруживаются как при вовлечении целинных и лесных почв в культуру, так и при различных приемах их использования .

По всей Беларуси в пахотных почвах ежегодно теряется до 0,9 т/га гумуса. В результате эрозии ежегодно безвозвратно уносится с полей 0,57 т/га гумуса. Причинами дегумификации почв являются усиление минерализации почвенного органического вещества, отставание процессов новообразования гумуса от минерализации в связи с недостаточным поступлением в почву органических удобрений и снижения ферментативной активности почвы .

Биохимические превращения органического вещества почвы происходят в результате микробиологической деятельности под влиянием ферментов. ферментативный активность почва микроорганизм

Особую роль играют ферменты в жизнедеятельности животных, растений и микроорганизмов. Почвенные ферменты участвуют при распаде растительных, животных и микробных остатков, а также синтезе гумуса. В результате питательные вещества из трудно усвояемых соединений переходят в легко доступные формы для растений и микроорганизмов. Ферменты отличаются высокой активностью, строгой специфичностью действия и большой зависимостью от различных условий внешней среды. Благодаря каталитической функции они обеспечивают быстрое протекание в организме или вне его огромного числа химических реакций .

Совместно с другими критериями ферментативная активность почв может служить надёжным диагностическим показателем для выяснения степени окультуренности почв. В результате исследований 4, с. 91 установлена зависимость между активностью микробиологических и ферментативных процессов и проведением мероприятий, повышающих плодородие почв. Обработка почв, внесение удобрений существенно изменяют экологическую обстановку развития микроорганизмов.

В настоящее время в биологических объектах обнаружено несколько тысяч индивидуальных ферментов, а несколько сотен из них выделено и изучено. Известно, что живая клетка может содержать до 1000 различных ферментов, каждый из которых ускоряет ту или иную химическую реакцию .

Интерес к применению ферментов вызван еще и тем, что постоянно возрастают требования по увеличению безопасности технологических процессов. Присутствуя во всех биологических системах, являясь одновременно продуктами и инструментами этих систем, ферменты синтезируются и функционируют при физиологических условиях (pH, температура, давление, присутствие неорганических ионов), после чего легко выводятся, подвергаясь разрушению до аминокислот. Как продукты, так и отходы большинства процессов, протекающих с участием ферментов, являются нетоксичными и легко разрушаемыми. Кроме того, во многих случаях, ферменты, используемые в промышленности, получают экологически безопасным путем. От небиологических катализаторов ферменты отличают не только безопасность и повышенная способность к биодеградации, но и специфичность действия, мягкие условия протекания реакций и высокая эффективность. Эффективность и специфичность действия ферментов позволяет получать целевые продукты с высоким выходом, что делает использование ферментов в промышленности экономически выгодным. Применение ферментов способствует сокращению расхода воды и энергии в технологических процессах, уменьшает выбросы в атмосферу CO2, снижает риск загрязнения окружающей среды побочными продуктами технологических циклов .

Применением передовой агротехники можно изменять в благоприятную сторону микробиологические процессы не только пахотного, но и подпахотного слоев почвы.

При непосредственном участии внеклеточных ферментов происходит разложение органических соединений почвы. Так, протеолитические ферменты расщепляют белковые вещества и до аминокислот.

Уреаза разлагает мочевину до СО2 и NH3. Образующийся аммиак и аммонийные соли служат источником азотного питания растений и микроорганизмов.

Инвертаза и амилаза участвуют в расщеплении углеводов. Ферменты группы фосфатов разлагают фосфорорганические соединения почвы и играют важную роль в фосфатном режиме последней.

Для характеристики общей ферментативной активности почвы обычно используют наиболее распространенные ферменты, свойственные подавляющему большинству почвенной микрофлоры - инвертазу, каталазу, протеазу и другие .

В условиях нашей республики проводилось немало исследований 16, с. 115 по изучению изменения уровня плодородия и ферментативной активности почв при антропогенном воздействии, однако полученные данные не дают исчерпывающий ответ на характер изменений из-за сложности сопоставления результатов в виду различия условий проведения опытов и методик исследований.

В связи с этим поиск оптимального решения проблемы улучшения гумусного состояния почвы и ее ферментативной активности в конкретных почвенно-климатических условиях на основе разработки ресурсосберегающих приемов основной обработки почвыё применения почвозащитных севооборотов, способствующих сохранению структуры, предотвращению переуплотнения почвы и улучшению их качественного состояния и восстановлению плодородия почв при минимальных затратах, весьма актуален.

Ферменты - это катализаторы химических реакций белковой природы, отличающиеся специфичностью действия в отношении катализа определенных химических реакций. Они являются продуктами биосинтеза всех живых почвенных организмов: древесных и травянистых растений, мхов, лишайников, водорослей, микроорганизмов, простейших, насекомых, беспозвоночных и позвоночных животных, представленных в природной обстановке определенными совокупностями - биоценозами.

Биосинтез ферментов в живых организмах осуществляется благодаря генетическим факторам, ответственным за наследственную передачу типа обмена веществ и его приспособительную изменчивость. Ферменты являются тем рабочим аппаратом, при помощи которого реализуется действие генов. Они катализируют в организмах тысячи химических реакций, из которых в итоге слагается клеточный обмен. Благодаря им химические реакции в организме осуществляются с большой скоростью.

В настоящее время известно более 900 ферментов. Их подразделяют на шесть главных классов.

1. Оксиредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции.

2. Трансферазы, катализирующие реакции межмолекулярного переноса различных химических групп и остатков.

3. Гидролазы, катализирующие реакции гидролитического расщепления внутримолекулярных связей.

4. Лиазы, катализирующие реакции присоединения групп по двойным связям и обратные реакции отрыва таких групп.

5. Изомеразы, катализирующие реакции изомеризации.

6. Лигазы, катализирующие химические реакции с образованием связей за счет АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).

При отмирании и перегнивании живых организмов часть их ферментов разрушается, а часть, попадая в почву, сохраняет свою активность и катализирует многие почвенные химические реакции, участвуя в процессах почвообразования и в формировании качественного признака почв - плодородия. В разных типах почв под определенными биоценозами сформировались свои ферментативные комплексы, отличающиеся активностью биокаталитических реакций.

В. Ф. Купревич и Т. А. Щербакова (1966) отмечают, что важной чертой ферментативных комплексов почв является упорядоченность действия имеющихся групп ферментов, которая проявляется в том, что обеспечивается одновременное действие ряда ферментов, представляющих различные группы; исключаются образование и накопление соединений, имеющихся в почве в избытке; излишки накопившихся подвижных простых соединений (например, NH 3) тем или иным путем временно связываются и направляются в циклы, завершающиеся образованием более или менее сложных соединений. Ферментативные комплексы являются уравновешенными саморегулирующимися системами. В этом основную роль играют микроорганизмы и растения, постоянно пополняющие почвенные ферменты, так как многие из них являются короткоживущими. О количестве ферментов косвенно судят по их активности во времени, которая зависит от химической природы реагирующих веществ (субстрата, фермента) и от условий взаимодействия (концентрации компонентов, рН, температуры, состава среды, действия активаторов, ингибиторов и т.д.).

В данной главе рассматривается участие в некоторых химических почвенных процессах ферментов из класса гидролаз - активность инвертазы, уреазы, фосфатазы, протеазы и из класса оксиредуктаз - активность каталазы, пероксидазы и полифенолоксидазы, имеющих большое значение в превращении азот- и фосфорсодержащих органических веществ, веществ углеводного характера и в процессах образования гумуса. Активность этих ферментов - существенный показатель плодородия почв. Кроме того, будет охарактеризована активность этих ферментов в лесных и пахотных почвах разной степени окультуренности на примере дерново-подзолистых, серых лесных и дерново-карбонатных почв.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВЕННЫХ ФЕРМЕНТОВ

Инвертаза - катализирует реакции гидролитического расщепления сахарозы на эквимолярные количества глюкозы и фруктозы, воздействует также на другие углеводы с образованием молекул фруктозы - энергетического продукта для жизнедеятельности микроорганизмов, катализирует фруктозотрансферазные реакции. Исследования многих авторов показали, что активность инвертазы лучше других ферментов отражает уровень плодородия и биологической активности почв.

Уреаза- катализирует реакции гидролитического расщепления мочевины на аммиак и диоксид углерода. В связи с использованием мочевины в агрономической практике необходимо иметь в виду, что активность уреазы выше у более плодородных почв. Она повышается во всех почвах в периоды их наибольшей биологической активности - в июле - августе.

Фосфатаза (щелочная и кислая) - катализирует гидролиз ряда фосфорорганических соединений с образованием ортофосфата. Активность фосфатазы находится в обратной зависимости от обеспеченности растений подвижным фосфором, поэтому она может быть использована как дополнительный показатель при установлении потребности внесения в почвы фосфорных удобрений. Наиболее высокая фосфатазная активность в ризосфере растений.

Протеазы - это группа ферментов, при участии которых белки расщепляются до полипептидов и аминокислот, далее они подвергаются гидролизу до аммиака, диоксида углерода и воды. В связи с этим протеазы имеют важнейшее значение в жизни почвы, так как с ними связаны изменение состава органических компонентов и динамика усвояемых для растений форм азота.

Каталаза - в результате ее активирующего действия происходит расщепление перекиси водорода, токсичной для живых организмов, на воду и свободный кислород. Большое влияние на каталазную активность минеральных почв оказывает растительность. Как правило, почвы, находящиеся под растениями с мощной глубоко проникающей корневой системой, характеризуются высокой каталазной активностью. Особенность активности каталазы заключается в том, что вниз по профилю она мало изменяется, имеет обратную зависимость от влажности почв и прямую - от температуры.

Полифенолоксидаза и пероксидаза - им в почвах принадлежит важная роль в процессах гумусообразования. Полифенолоксидаза катализирует окисление полифенолов в хиноны в присутствии свободного кислорода воздуха. Пероксидаза же катализирует окисление полифенолов в присутствии перекиси водорода или органических перекисей. При этом ее роль состоит в активировании перекисей, поскольку они обладают слабым окисляющим действием на фенолы. Далее может происходить конденсация хинонов с аминокислотами и пептидами с образованием первичной молекулы гуминовой кислоты, которая в дальнейшем способна усложняться за счет повторных конденсаций (Кононова, 1963).

Замечено (Чундерова, 1970), что отношение активности полифенолоксидазы (S) к активности пероксидазы (D), выраженное в процентах (), имеет связь с накоплением в почвах гумуса, поэтому эта величина получила название условный коэффициент накопления гумуса (К). У пахотных слабоокультуренных почв Удмуртии за период с мая по сентябрь он составил: у дерново-подзолистой - 24 %, у серой лесной оподзоленной - 26 и у дерново-карбонатной почвы - 29 %.

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЧВАХ

Биокаталитическая активность почв находится в значительном соответствии со степенью обогащенности их микроорганизмами (табл. 11), зависит от типа почв и изменяется по генетическим горизонтам, что связано с особенностями изменения содержания гумуса, реакции, Red-Ox-потенциала и других показателей по профилю.

В целинных лесных почвах интенсивность ферментативных реакций в основном определяют горизонты лесной подстилки, а в пахотных - пахотные слои. Как в одних, так и в других почвах все биологически менее активные генетические горизонты, находящиеся под горизонтами А или А п, имеют низкую активность ферментов, незначительно изменяющуюся в положительную сторону при окультуривании почв. После освоения лесных почв под пашню ферментативная активность образованного пахотного горизонта по сравнению с лесной подстилкой оказывается резко сниженной, но по мере его окультуривания повышается и в сильно окультуренных видах приближается или превышает показатели лесной подстилки.

11. Сопоставление биогенносга и ферментативной активности почв Среднего Предуралья (Пухидская, Ковриго, 1974)

№ разреза, название почвы	Горизонт, глубина взятия образца, см	Общее количество микроорганизмов, тыс. на 1 г абс. сух. почвы (в среднем за 1962, 1964-1965 гг.)	Показатели активности ферментов (в среднем за 1969-1971 гг.)
			Инвертаза, мг глюкозы на 1 г почвы за I сут	Фосфатаза, мг фенолфталеина на 100 г почвы за 1 ч	Уреаза, мг NH, нa 1 г почвы за 1 сут	Каталаза, мл 0 2 на 1 г почвы за 1 мин	Полифенолоксидаза	Пероксидаза
			Инвертаза, мг глюкозы на 1 г почвы за I сут	Фосфатаза, мг фенолфталеина на 100 г почвы за 1 ч	Уреаза, мг NH, нa 1 г почвы за 1 сут	Каталаза, мл 0 2 на 1 г почвы за 1 мин	мг пурпурогаллина на 100 г почвы
3. Дерново-среднеподзолистая среднесуглинистая (под лесом)


				Не определяли
1.Дерново-средне-подзолистая средне-суглинистая слабоокультуренная


10.Сераялесная оподзоленная тяжел осуглинистая слабоокультуренная


2. Дерново-карбонатная слабовыщело-ченная л егкосуглинистая слабоокультуренная

Активность биокаталитических реакций почв изменяется. Наименьшая она весной и осенью, а наиболее высокая обычно в июле-августе, что соответствует динамике общего хода биологических процессов в почвах. Однако в зависимости от типа почв и их географического положения динамика ферментативных процессов весьма различна.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие соединения называют ферментами? Каковы их продуцирование и значение для живых организмов? 2. Назовите источники почвенных ферментов. Какую роль играют отдельные ферменты в почвенных химических процессах? 3. Дайте понятие о ферментативном комплексе почв и его функционировании. 4. Дайте общую характеристику течения ферментативных процессов в целинных и пахотных почвах.

Ферментативная активность почв - один из показателей потенциальной биологической активности почв, характеризующий потенциальную способность системы сохранять гомеостаз.

В почве накапливается определенный «пул» ферментов, качественный и количественный состав которого характерен для данного типа почв.

Характер воздействия нефтяных углеводородов на почвенные ферменты обусловлен прежде всего химической структурой углеводородов. Наиболее сильны-

356 Часть И. Примеры применения биотехнологии ВАВ в науке и производстве

ми ингибиторами являются ароматические соединения, отрицательное влияние которых проявляется ко всем рассмотренным окислительно-восстановительным и гидролитическим ферментам. н-Парафи- новые и цикло-парафиновые фракции, наоборот, оказывают в основном активирующее действие, осо бенно в низких концентрациях. Другой фактор, определяющий характер влияния нефтяного загрязнения, - свойства самой почвы и, прежде всего, ее естественная буферность. Почвы с высокой буферной емкостью менее резко реагируют на загрязнение.

Загрязнение нефтью влияет на ферментативную активность по всему профилю почвы. При загрязнении почв нефтью нарушается обмен основных органогенных элементов в почве: углерода, азота, фосфора. Об этом, в первую очередь, свидетельствуют изменения активности ферментных комплексов, участвующих в их круговороте.

Активность некоторых ферментов: каталазы, уреазы, нитрит- и нитратредуктазы, амилазы можно использовать в качестве индикаторных показателей загрязненности почв нефтью, так как степень изменения активности этих ферментов прямо пропорционально зависит от дозы загрязнителя и от времени пребывания его в почве. Кроме того, определение активности исследованных ферментов не представляет методических трудностей и может быть широко использовано для характеристики почв, загрязненных нефтяными углеводородами.

Окислительно-восстановительные ферменты. Известно, что с окислительно-восстановительными процессами, происходящими при участии различных ферментов, связан распад нефтяных углеводородов в почве. Важнейшими и широко распространенными у почвенных микроорганизмов деструкторами нефти являются ферменты дегидрогеназы и каталазы. Уровень их активности в почве является определенным критерием состояния почвы в отношении самоочищающей способности ее от нефтяных ингредиентов: дегидрогеназа принимает непосредственное участие в разложении углеводородов, а высокоактивный кислород, образующийся при участии каталазы, обеспечивает доступным кислородом микроорганизмы, участвующие в процессах разложения углеводородов.

В результате опытов, проведенных Н.А. Киреевой, установлено, что через 3 дня после загрязнения нефтью активность окислительно-восстановительных ферментов в почве заметно снижается по сравнению с контрольной почвой. Эти изменения сохраняются и через год после загрязнения. Тем не менее, через год после начала опытов активность окислительно-восстановительных ферментов несколько возрастает, заметно снижаются различия между активностью каталазы и дегидрогеназы почвы контрольного и слабозагрязненного варианта, что свидетельствует о способности почвенной экосистемы восстанавливать биологическую активность до исходного уровня в течение года при слабом загрязнении.

Ферменты азотного обмена. В почве обнаруживаются гидролитические и окислительно-восстановительные ферментные системы, осуществляющие последовательное превращение азотсодержащих органических веществ через промежуточные стадии до минеральной нитратной формы, и наоборот, восстанавливающие нитратный азот до аммиака.

Уреаза - фермент, с действием которого связаны процессы гидролиза и превращения в доступную форму азота мочевины, - наиболее изучен. В нефтезагрязненных почвах активность уреазы возрастает как в полевых, так и в лабораторных опытах во всех рассматриваемых почвах. Изменение активности этого фермента находится в полном соответствии с ростом численности гетеротрофных микроорганизмов, повышением содержания аммиачных форм азота и общего азота в загрязненной почве. Активность других гидролитических ферментов азотного обмена - протеазы, аспарагиназы, глутаминазы - снижается под воздействием нефтяного загрязнения.

Большая роль в азотном обмене в почве принадлежит окислительно-восстановительным ферментам: нитратредуктазе, нитритредуктазе и гидроксиламинредуктазе, которые в анаэробных условиях участвуют в процессах восстановления окисленных форм азота до аммиака. Загрязнение почвы нефтью неоднозначно действует на эти ферменты. Активность нитратредуктазы и нитритредуктазы снижается, а активность гидроксиламинредуктазы повышается.

Активность уреазы, нитрит- и нитратредуктазы можно использовать в качестве одного из диагностических показателей загрязнения почв нефтью, так как, во-первых, эти ферменты меньше подвержены действию экологических факторов, во-вторых, прослеживается четкая зависимость активности их от степени загрязнения почв.

Активность гидролитических ферментов, участвующих в круговороте углерода. Основная роль в круговороте углерода в почвах принадлежит карбогидразам, расщепляющим углеводы различной природы и происхождения.

Сразу после загрязнения темно-серой лесной почвы не обнаружено достоверных различий между активностью инвертазы почв загрязненных и не загрязненных вариантов. Повышение активности через год в образцах со слабой и средней дозами загрязнения, вероятно, связано с интенсивным разложением отмерших растительных остатков. Высокая концентрация нефти, ведущая к созданию анаэроби- озиса в большей степени, чем слабая и средняя, создает лимитирующие условия для развития

аэробных целлюлозоразрушающих микроорганизмов при обилии субстрата. Этим можно объяснить наблюдаемое снижение активности инвертазы в данном варианте. Активность целлюлазы и амилазы снижается при воздействии нефти.

Таким образом, рассмотрение функционирования только трех основных ферментов углеводного обмена при попадании нефтяных углеводородов в почву свидетельствует о глубоких изменениях, происходящих в почве. Замедляются процессы распада растительных остатков, следствием чего является изменение трансформации органических соединений в сторону ухудшения. Прослеживается четкая зависимость активности карбогидраз от степени загрязнения почвы нефтью.

Фосфогидролазы. В почве фосфор представлен в виде неорганических и органических соединений. Недоступные формы фосфора усваиваются растениями благодаря деятельности фосфогидролаз, отщепляющих фосфор от органических соединений. Загрязнение серой лесной почвы нефтью снижает активность фосфатазы. Причиной такого снижения активности фосфатазы может быть как обволакивание почвенных частиц нефтью, препятствующее поступлению субстрата, так и ингибирующее действие тяжелых металлов, концентрация которых в нефтезагрязненных почвах увеличивается. Наблюдаемое снижение активности фосфатаз является одной из причин уменьшения содержания подвижного фосфора нефтезагрязненной почвы. Через год после загрязнения активность фосфатазы сохраняется на низком уровне, содержание подвижного фосфора с ростом дозы нефти уменьшается.

Нефтяные углеводороды ингибируют активность ДНКазы, РНКазы, АТФазы.

Таким образом, попадание нефти в почву приводит к нарушению фосфорного режима почвы, уменьшению содержания подвижных фосфатов, к инактивации фосфогидролаз. В результате ухудшается фосфорное питание растений, обеспеченность их доступными формами фосфора.

Анализы инвертазы после 1 года свидетельствуют о дальнейшем уменьшении ее во всех образцах в 2-3 раза в зависимости от типа почв, что, по-видимому, объясняется истощением почвы углеродсодержащими соединениями.[ ...]

Из класса гидролаз изучена активность инвертазы, гидролизирующей сахарозу на глюкозу и фруктозу, и уреазы, катализирующей гидролиз мочевины. Активность этих ферментов в грунте очень низкая, но при внесении торфа увеличивается пропорционально его дозам и мало зависит от количества минеральных удобрений. Следует отметить, что внесение самой большой дозы (ЫРКЦ, а также СаСОэ не имеет преимуществ перед меньшими дозами удобрений в стимулировании активности как гидролаз, так и оксидоредуктаз.[ ...]

Для трассы аэропорт - пос. Кангалассы обратная зависимость между активностью уреазы, инвертазы и протеазы и содержанием свинца не обнаружена. Это свидетельствует об отсутствии ингибирующего эффекта свинца в дозе, не превышающей ПДК. Отмечается параллельное увеличение активности всех ферментов и свинца по мере удаления от источника загрязнения, что в данном случае объясняется увеличением гумусированности почв. Известно, что почвы с высоким содержанием гумуса в большей степени накапливают ТМ и характеризуются повышенной ФА.[ ...]

Соединения данной группы задерживают рост новых побегов, временно снижают активность инвертазы в сахарной свекле и подавляют биосинтез хлорофилла. И все же их первичное действие - это подавление биосинтеза ароматических аминокислот. Соединения типа Ы-фосфонметилглицина подавляют этот синтез, действуя на участках преобразования дегидрохинной и префеновой кислот.[ ...]

По-видимому, образование сахарозы происходит в паренхимных клетках флоэмы, откуда она поступает в ситовидные трубки, которые лишены ферментов, разлагающих сахарозу (инвертазы), что и определяет сохранность этого соединения на всем пути его транспорта.[ ...]

Проведенная работа позволяет заключить, что накопление подвижных форм свинца и никеля в дозах, превышающих ПДК, приводит к снижению активности ферментов в почвах. Понижение активности протеазы, уреазы и инвертазы в почвах обусловливает соответствующее торможение процессов гидролиза белков, мочевины и олигосахаридов, что в целом приводит к снижению биологической активности почв. Изменение ФА -перспективный метод диагностики экологического состояния почв. Из рассмотренных нами ферментов наиболее высокие диагностические свойства проявляет уреаза.[ ...]

Состояние почв оценивалось двумя биоиндикационными методами: по ферментативной активности почв и мутационному воздействию почв на тест-объект. В городских почвогрунтах определялась активность трех ферментов - инвертазы, каталазы и уреазы (Хазиев, 1990), из которых наиболее вариабильной оказалась активность уреазы. По этой причине для интегральной оценки выбраны показатели именно этого фермента, активность которого в значительной степени зависела от концентрации в почве широкого круга поллютантов.[ ...]

Гистохимические анализы позволили установить общность окислительного режима пыльцы и пыльцевых трубок у различных представителей покрытосеменных растений. При этом установлено, что наиболее интенсивно биохимические процессы протекают в кончике пыльцевой трубки.[ ...]

Другая группа эвокациопыых изменений связана с активацией энергетических процессов, необходимых для реализаций морфогенетической программы репродуктивного развития.[ ...]

При внесении больших норм ГХБД и в жидкой, и в гранулированной форме угнетение развития отдельных групп микроорганизмов не проходит и к полутора годам, прошедшим после фумигации. Активность почвенных ферментов (каталазы и инвертазы) к этому времени составляет по этим (вариантам опыта 70-80% от активности ферментов в контрольном варианте. Через 5 месяцев после внесения больших норм ГХБД (жидкого и гранулированного) снижается содержание в почве нитратов, что свидетельствует об угнетении процесса нитрификации.[ ...]

Агрохимические свойства почв определяли общепринятыми методами , pH водной и солевой вытяжек - потенциометрическим, содержание углерода - методом Тюрина, подвижного азота - по Башкину и Кудеярову, подвижного фосфора - по Чирикову, ферментативную активность почв (инвертазу, уреазу и каталазу) - по Хазиеву .[ ...]

У многих представителей лучистых грибков выявлен фермент амилаза, при помощи которого организмы расщепляют крахмал с различной интенсивностью, в зависимости от вида культуры. Одни культуры разлагают крахмал до декстринов, другие - до сахаров. У некоторых актиномицетов обнаружен фермент инвертаза, который расщепляет сахарозу на легкоусвояемые сахара - глюкозу и фруктозу. Отмечено, что проактиномицеты могут усваивать сахарозу без ее разложения.[ ...]

Такие уровни загрязнения отразились и на содержании подвижных, доступных растениям форм соединений тяжелых металлов. Их количество также увеличилось в 1,5-2 и даже в 5 раз. Эти изменения отразились на почвенной биоте, общих свойствах почв и почвенном плодородии. В частности, резко снизилась активность почвенных ферментов: инвертазы, фосфатазы, уреазы, каталазы; примерно в 2 раза снизилось продуцирование С02. Ферментативная активность - хороший интегральный показатель экологической обстановки в системе «почва - растение». На загрязненных почвах резко снизилась и урожайность различных культур. Так, урожай томатов (ц/га) в среднем снизился от 118,4 до 67,2; огурцов - от 68,3 до 34,2; капусты - от 445,7 до 209,0; картофеля - от 151,8 до 101,3; яблок - от 72,4 до 32,6 и персиков - от 123,6 до 60,6.[ ...]

Среди тундровых почв поймы потенциал биохимической активности возрастает от почв прирусловой поймы к центральной и притеррасной. В свою очередь, ферментативная активность в органогенных пойменных почвах выше, чем в минеральных. В гумусовых горизонтах (0-13 см) изученных почв отмечается довольно высокая активность уреазы, инвертазы, фосфатазы и дегидрогеназы - ферментов, участвующих в обменных процессах азота, углеводов, фосфора и окислительно-восстановительных.[ ...]

Активность фосфатазы низкая, а в большинстве случаев фосфатазная активность отсутствует, что связано с очень низким содержанием подвижного фосфора на фоне относительно высокого содержания в перегнойно-торфянистых горизонтах его валовых форм. В отличие от ферментов, участвующих в обменных процессах азота и фосфора, ферменты углеводородного обмена (инвертаза) проявляют свою активность до надмерзлотных горизонтов, что определяется гуму-сированностью профиля.[ ...]

Изменение ферментативной активности почв за четыре года проведения опыта показано в табл. 6.8. Как видно из полученных результатов, активность уреазы и фосфатазы снизилась, но основные закономерности - более высокая активность в вариантах без применения ППС при внесении торфа и минеральных удобрений и отсутствие ферментативной активности в контрольных вариантах - сохраняются. В то же время активность инвертазы, играющей важную роль в круговороте углерода в биогеоценозе, возрастает на четвертый год почти по всем вариантам опыта, в том числе и при внесении ППС, что подтверждает также интенсивность мине-рализационных процессов торфа и универсинов.[ ...]

Очень перспективным методом очистки воды от всевозможных загрязняющих ее веществ, особенно синтетических, является использование иммобилизованных (закрепленных, нерастворимых) ферментов - «ферментов второго поколения». Идея закрепления ферментов на нерастворимом в воде носителе и применения таких мощных катализаторов в технологических процессах и медицине возникла давно. Еще в 1916 г. осуществлена адсорбция инвертазы на активированном угле в свежевыделенной гидроокиси алюминия. С 1951 г. для фракционирования антител и выделения антигенов используют конъюгацию белков с целлюлозой. До недавнего времени существовал единственный метод закрепления ферментов - обыкновенная физическая адсорбция. Однако адсорбционная емкость известных материалов относительно белков явно недостаточна, а силы адгезии невелики, и разрыв связи между ферментом и поверхностью адсорбента может наступать от малейших изменений условий процесса. Поэтому такой метод иммобилизации не нашел широкого применения, но, поскольку он прост и может, по-видимому, способствовать выяснению механизма действия ферментов в живых системах, илах и почве, а в некоторых случаях применяться на практике, некоторые исследователи занимаются изучением адсорбции ферментов, поиском новых, эффективных носителей и т. д. .[ ...]

Если учесть выраженные и длительные физиологические изменения процессов роста и развития, вызываемые этиленом, не покажется удивительным, что происходят также изменения в синтезе РНК и белка и в активности ферментов. Неоднократно проверялась возможность прямого воздействия этилена на активность различных ферментов, например глюкозидазы, а-амилазы, инвертазы и перок-сидазы, но были получены отрицательные результаты-Вместе с тем синтез целого ряда ферментов четко возрастает. К числу ферментов, относительно быстро синтезируемых после воздействия этилена, относится перокси-даза. В плодах цитрусовых усиливается синтез фенил-аланин-аммиак-лиазы, причем С02 и ингибиторы транскрипции блокируют этот процесс. В отделительной ткани этилен вызывает образование целлюлазы. Очевидна связь этого эффекта со стимуляцией процесса отделения. Правда, ускоренное отделение наступает еще до подъема синтеза целлюлазы, но это, вероятно, объясняется тем, что этилен вызывает также высвобождение целлюлазы из связанной формы и ее секрецию в межклетники. Выделение амилазы из алейроновых клеток ячменя тоже ускоряется под действием этилена. Быстрые» эффекты этилена, например подавление клеточного растяжения, проявляющееся уже через 5 мин, связаны скорее с влиянием на мембраны, чем с изменениями белкового синтеза.[ ...]

Как известно, одной из причин токсичности почвогрунтов является их засоление. Отработанные буровые растворы и буровой шлам содержат в своем составе в ряде случаев значительное количество опасных для почв минеральных солей. Поэтому представляет интерес выявление влияния указанного фактора на биологическую продуктивность почв. Результаты исследований свидетельствуют о том, что минеральные сопи н количестве боттее 0 8-4,0 кт/м2 почвы резко снижают активность инвертазы, а в количестве более 1,5-1,6 кг/м2 почвы начинают существенно сказываться и на урожайности возделываемых на них сельхозкультур .[ ...]

Мед - высококалорийный продукт. Натуральным медом называется сладкое, вязкое и ароматическое вещество, вырабатываемое пчелами из нектара растений, а также из медвяной росы или пади. Мед может иметь вид закристаллизованной массы. Ценность меда заключается и в том, что он обладает бактерицидными свойствами. Поэтому мед не только ценный продукт питания, но и лечебное средство. Главными составными частями цветочного меда являются плодовый и виноградный сахара, которых в нем содержится около 75 %. Калорийность меда свыше 3 тыс. кал. В нем имеются ферменты: диастаза (или амилаза), инвертаза, каталаза, липаза.[ ...]

Исследования проводили в долине нижнего течения р.Сысола (Республика Коми, подзона средней тайги). Биохимические параметры почв характеризовали по уровню активности оксидоредуктаз (каталаза), гидролаз (инвертаза) и выделению С02 с поверхности почвы. Во все сроки отбора максимальные значения каталитической активности отмечены в лесных подстилках почвы Адл (4.2-8.6 мл 02/г почвы), наиболее «сухой» в исследованном ряду почв. Однако по уровню инвертазы во все сроки отбора лидировала почва Ал (11.9-37.8 мг глюкозы/г почвы в горизонте АО). В этой же почве отмечен в июле максимум в выделении С02 (0.60±0.19) кг/га-час. При использовании интегрального показателя БАП, учитывающего все параметры биологической активности, показано, что наиболее активно биологические процессы во все сроки отбора протекают в почве Ал, занимающей промежуточное положение по гидротермическому режиму между почвами Адл и Алб.[ ...]

Дестабилизация процесса нитрификации нарушает поступление в биологический круговорот нитратов, количество которых предопределяет ответную реакцию на изменение среды обитания у комплекса денитрификаторов. Ферментные системы денитрификаторов уменьшают скорость полного восстановления, слабее вовлекая закись азота в конечный этап, осуществление которого требует значительных энергетических затрат. В результате этого содержание закиси азота в надпочвенной атмосфере эродированных экосистем достигало 79 - 83% (Косинова и др., 1993). Отчуждение части органических веществ из черноземов под воздействием эрозии отражается на пополнении азотного фонда в ходе фото- и гетеротрофной фиксации азота: аэробной и анаэробной. На первых этапах эрозии быстрыми темпами идет подавление именно анаэробной азотфиксации в силу параметров лабильной части органического вещества (Хазиев, Багаутдинов, 1987). Активность ферментов инвертазы и каталазы в сильносмытых черноземах по сравнению с несмытыми уменьшилась более чем на 50%. В серых лесных почвах по мере увеличения их смытости наиболее резко снижается инвертазная активность. Если в слабосмытых почвах отмечается постепенное затухание активности с глубиной, то в сильносмытых уже в подпахотном слое инвертазная активность очень мала или не обнаруживается. Последнее связано с выходом на дневную поверхность иллювиальных горизонтов с крайне низкой активностью фермента. По активности фосфатазы и, особенно, каталазы четко выраженной зависимости от степени смытости почв не наблюдалось (Личко, 1998).[ ...]

Первичные вещества в лишайниках в общем те же, что и в других растениях. Оболочки гиф в лишайниковом слоевище составлены в основном углеводами, Часто обнаруживается в гифах хитин (С30 Н60 К4 019). Характерной составной частью гиф является полисахарид лихенин (С6Н10О6)п, называемый лишайниковым крахмалом. Реже встречающийся изомер лихенина - изолихенин - найден, кроме оболочек гиф, в протопласте. Из высокомолекулярных полисахаридов в лишайниках, в частности в оболочках гиф, встречаются гемицеллюлозы, являющиеся, очевидно, резервными углеводами. В межклеточных пространствах у некоторых лишайников обнаружены пектиновые вещества, которые, впитывая в большом количестве воду, набухают и ослизняют слоевище. В лишайниках встречаются также многие ферменты - инвертаза, амилаза, каталаза, уре-аза, зимаза, лихеназа, в том числе и внеклеточные. Из азотсодержащих веществ в гифах лишайников обнаружены многие аминокислоты - аланин, аспарагиновая кислота, глютаминовая кислота, лизин, валин, тирозин, триптофан и др. Фикобионт продуцирует в лишайниках витамины, но почти всегда в малых количествах.[ ...]

В ходе экспериментов установлено, что полужидкие и твердые отходы бурения крайне отрицательно влияют на биологическую продуктивность почв. Известно, что наибольшее негативное влияние оказывают нефть и нефтепродукты, содержащиеся в отходах . Указанные загрязнители значительно снижают активность окислительновосстановительных и гидролитических ферментов, что приводит к подавлению микробиологической активности почвы. Такой эффект ярко выражен для отходов, содержащих более 4-5 % нефти и нефтепродуктов. При меньшем содержании данного загрязнителя эффект снижения биологической продуктивности рассматриваемых типов почв характерен для периода от 3 до 6 мес., а затем отмечается усиленное размножение азотфиксирующих, денитрифицирующих и сульфатвосста-наачивающих бактерий, которые используют нефть и ее производные в качестве источника углерода и энергии, в результате чего происходят постепенное окисление и минерализация нефти. При этом закономерно падает урожайность сельхозкультур и активность инвертазы. При содержании в составе отходов более 5% нефти и нефтепродуктов видимой активности углеводородокисляющей бактериальной микрофлоры не отмечается даже по истечении 1 года. Указанный уровень загрязненности отходов является критическим, а потому требуется применение специальных агротехнических и агрохимических приемов, стимулирующих биологическую продуктивность почв (внесение удобрений, содержащих азот, фосфор и калий; интенсивная аэрация зоны нефтяного загрязнения; посев специальных трав, усиливающих деятельность углеводородусваивающей бактериальной микрофлоры) .[ ...]

Для изучения механизма и характера влияния полужидких (отработанные буровые растворы) и твердых (буровой шлам) отходов бурения, т.е. тех видов отходов, которые подвергаются засыпке минеральным грунтом в шламовых амбарах при их ликвидации, на биологическую продуктивность почв и разработки на этой основе комплекса агротехнических мер по восстановлению загрязненных земель были проведены вегетационно-полевые и полевые исследования. Эксперименты проводили по стандартным методикам . Экспериментировали с отходами бурения различной степени загрязненности по нефти и нефтепродуктам (НП), органическому углероду (показатель химического потребления кислорода - ХПК) и минеральным солям (показатель прокаленного остатка - ПО), которые добавляли в почвы в соотношении 1:1. Диапазон и уровень загрязненных отходов следующие: по НГ1 - 1,0-12,0%; по ХПК - 20,0 - 60,0 кг/м3; по ПО (в пересчете на единицу площади почвы) - 0,4-1,6 кг/м2 почвы. В исследованиях использовали три типа почвы, т.е. наиболее распространенные типы почв, на которых ведется бурение в зонах активного сельхозпользования земель. Интегральными показателями биологической продуктивности почв являлись урожайность стандартного ячменя сорта "Курьер" и активность инвертазы, которую определяли по известной методике .[ ...]

Однако, несмотря на тесную зависимость, существующую между лишайниками и субстратом, на котором они поселяются, до сих пор с достоверностью еще неизвестно, используют лишайники субстрат только как место прикрепления или они извлекают из него некоторые питательные вещества, необходимые для их жизнедеятельности. С одной стороны, способность лишайников расти на субстратах, бедных питательными веществами, дает основание считать, что они используют субстрат лишь как место прикрепления. Однако, с другой стороны, избирательная снособность, проявляемая лишайниками при расселении, строгая приуроченность большинства из них к определенному субстрату, зависимость видового состава лишайниковой растительности не только от физических, но и от химических свойств субстрата невольно наводят на мысль, что лишайники используют субстрат и как дополнительный источник питания. Это подтверждается и биохимическими исследованиями, проведенными в последние годы. Например, выяснилось, что у одного и того же вида лишайника, растущего на разных древесных породах, состав лишайниковых веществ может быть неодинаковым. Еще более очевидным доказательством служит открытие у лишайников внеклеточных ферментов, которые выделяются во внешнюю среду. Внеклеточные ферменты, такие, например, как инвертаза, амилаза, цел-люлаза и многие другие, представлены в лишайниках довольно широко и обладают достаточно высокой активностью. Причем, как оказалось, они наиболее активны в нижней части слоевища, которой лишайник прикреплен к субстрату. Это указывает на возможность активного воздействия слоевища лишайников на субстрат с целью извлечения из него дополнительных питательных веществ.

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