Ферментативная активность почв это

Ферментативная активность почв

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.

Классы

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.

Группы ферментов

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, NH₃) 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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Полифенолоксидаза и пероксидаза — им в почвах принадлежит важная роль в процессах гумусообразования. Полифенолоксидаза катализирует окисление полифенолов в хиноны в присутствии свободного кислорода воздуха.
7. 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.
8. 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,

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 0₂ на 1 г почвы за 1 мин

мг пурпурогаллина на 100 г почвы

3. Дерново-среднеподзолистая среднесуглинистая (под лесом)

Источник

Ферментативная активность почвы как показатель ее плодородия

Дата публикации: 30.01.2014 2014-01-30

Статья просмотрена: 2797 раз

Библиографическое описание:

Саетгалиева, Г. Э. Ферментативная активность почвы как показатель ее плодородия / Г. Э. Саетгалиева. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2014. — № 2 (61). — С. 277-278. — URL: https://moluch.ru/archive/61/9098/ (дата обращения: 11.12.2021).

В последнее время все сильнее возрастает антропогенная нагрузка на почвы, что ведет к изменению количественного и качественного состава гумуса и снижению ферментативной активности почв.

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 [3].

По всей республике 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 [2].

Биохимические превращения органического вещества почвы происходят в результате микробиологической деятельности под влиянием ферментов.

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 [4].

Совместно с другими критериями ферментативная активность почв может служить надѐжным диагностическим показателем для выяснения степени окультуренности почв. В результате исследований 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 [5].

Интерес к применению ферментов вызван еще с 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 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 [1].

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 веществ 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 и по активности этих ферментов можно судить о скорости разложения углесодержащих органических соединений. 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 [4].

В условиях республики Башкортостан проводилось немало исследований 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 почвы¸ применения почвозащитных севооборотов, способствующих сохранению структуры, предотвращению переуплотнения почвы и улучшению их качественного состояния и восстановлению плодородия почв при минимальных затратах, весьма актуален.

1. Гамаюрова В. С. Ферменты [Текст]: Лабораторный практикум: учебное пособие/ В. С. Гамаюрова, М. Е. Зиновьева. — Спб.: Проспект Науки, 2011. — 256 с.

2. Государственный (национальный) доклад о состоянии и использовании земель в РБ [Текст]: ФГУП «ФКЦ «Земля», 2011.

3. Изменение почв в процессе их окультуривания [Текст]: Сборник статей, под ред. В. К. Гирфанова. Уфа — 1974.

4. Труды башкирского сельскохозяйственного института. Том XI, часть I, Агрономия. Уфа — 1963.

5. Филлиппович Ю. Б., Основы биохимии [Текст]: Учеб. для студ. хим. и биол. спец. пед. ин-тов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1985. — 503 с.

Источник