Каталазная активность почвы это

Каталазная активность почвы это

Главная
• Список секций
• Биология
• Каталазная активность почв в оценке экологического состояния г. Сыктывкара

Каталазная активность почв в оценке экологического состояния г. Сыктывкара

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Сохранение экологической чистоты в городе — одна из самых сложных задач на сегодняшний день во всем мире. Это связано, прежде всего, с транспортной активностью, с большим количеством активных промышленных производств, процессов строительства, использованием промышленной техники, требующей использование необходимых ресурсов для обеспечения производства, с загрязнением бытовыми отходами.

Нагрузка на почвенную систему приводит к изменению практически всех ее компонентов, начиная с агрохимических и физических свойств и заканчивая микробиологическими и биохимическими показателями, лишая почвенный покров в городах способности выполнять важные экологические функции. Микробиота, биохимические параметры почвы, ее биологическая активность под влиянием антропогенного воздействия изменяются в первую очередь, поэтому считаются многими исследователями наиболее чувствительными к загрязнению показателями состояния почвенного покрова[5].

Каталазную активность почв можно рассматривать как показатель функциональной активности микрофлоры в различных экологических условиях [6]. Установлено, что увеличение антропогенной нагрузки приводит к снижению каталазной активности почв.

Цель работы: оценить экологическое состояние почвы городского района на основании показателей каталазной активности.

Задачи:

1. Определить каталазную активность почв исследуемого участка и дать оценку по шкале степени обогащения почв.

2. Определить зависимость каталазной активности почвы в точках наблюдения от положения предполагаемого источника загрязнения.

3. Рассмотреть зависимость каталазной активности почв от других показателей: от температуры, влажности, уплотнения почвенного покрова, нарушения растительного покрова и корневой системы растений.

4. Сравнить каталазную активность почв Сыктывкара с аналогичными данными по другим городам.

Наше исследование показывает результат влияния антропогенной деятельности на биологическую активность почв в городе, что является на данный момент актуальным. Именно поэтому нас интересовала тема загрязненности почв в родном городе.

Практическая значимость работы. Результаты исследования можно использовать в школьных курсах экологии, географии, биологии и химии при изучении национально-регионального компонента.

Обзор литературы

Почвы города Сыктывкар

Почвы типичные сильноподзолистые, торфянисто-подзолисто-глееватые. На прибрежных террасах рр. Вычегды и Сысолы, преимущественно на песчаном субстрате, развиты железистые подзолы. В долинах рр. Вычегды и Сысолы распространены пойменные аллювиальные дерновые почвы, занятые, как правило, лугами и кустарниками [10].

Основные источники загрязнения почвы в городе Сыктывкар

Основными источниками загрязнения воздуха МО ГО «Сыктывкар» являются предприятия теплоэнергетики, стройиндустрии, целлюлозно-бумажной промышленности. Значительную долю выбросов в атмосферу города вносит автомобильный транспорт [3].

Каталазная активность почвы

Каталаза – фермент, разрушающий пероксид водорода до воды и кислорода. Обусловлена активностью ферментов-каталаз, относящихся к группе дыхательных ферментов, и наличием в почве неорганических катализаторов этого процесса.

2Н2О2 = О2 + 2Н2О [9].

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 [2].

Каталаза вырабатывается микроорганизмами с целью уменьшения содержания в среде их обитания пероксида водорода – продукта жизнедеятельности микроорганизмов, то, следовательно, распределение каталазы по слоям почвы характеризует либо распределение по почве микроорганизмов, либо интенсивность переноса каталазы по почве при нахождении микроорганизмов в верхнем слое почвы [8].

Тенденция к уменьшению каталазной активности с глубиной отбора проб сохраняется как в почвах парков и лесопарка, так и в почвах скверов и бульваров. Это можно объяснить тем, что каталаза в почве синтезируется по большей части аэробными микроорганизмами, численность которых, вероятно, снижается с глубиной в связи с уменьшением содержания кислорода в почве. Кроме того, активность каталазы выше в верхнем горизонте почвенного покрова потому, что в нем наибольшее количество гумуса, то есть наибольшая интенсивность процессов трансформации органического вещества, также на каталазную активность оказывает влияние гранулометрический состав почвы, который становится менее благоприятным с глубиной.

Для рекреационных территорий города характерна более низкая каталазная активность по сравнению с пробами почвы ненарушенных территорий. Вероятно, снижению активности этого фермента способствует уплотнение почвенного покрова рекреационных территорий, а также антропогенная нагрузка, испытываемая ими в условиях города [5].

В естественных почвах лиственных лесов функциональная активность почвенных микроорганизмов выше, чем в антропогенно – нарушенных, так как почвы урбоэкосистем характеризуются малым поступлением растительного опада, а также большей загрязненностью (тяжелыми металлами и другими химическими токсикантами), что в совокупности приводит к угнетению жизнедеятельности почвенных организмов [7].

1. Организация, район и методы исследования 1.1. Район исследования

В своей работе мы выбрали участок г. Сыктывкара, ограниченный следующими улицами:

С Ю-В – Коммунистическая улица, с Ю-З – Морозова и Элеваторная улицы, с С-З – Элеваторная и Орджоникидзе, с С-В – Октябрьский проспект.

Основными источниками загрязнения воздуха города в данном районе, а, следовательно, почв, являются предприятие Сыктывкарская центральная водогрейная котельная, железнодорожный и автомобильный транспорт. Именно наличие ежедневной активности этих факторов в данном участке вызвал у нас интерес к исследованию именно этого района.

Для исследования был выбран отрезок, проходящий внутри обозначенного участка. Отрезок соединил железнодорожный вокзал и предприятие Сыктывкарская центральная водогрейная котельная (ЦВК). Схема маршрута обозначена на рисунках 1.1 и 1.2

Железнодорожный

вокзал

Центральная водогрейная

котельная

Рисунок 1.1. – Точки сбора проб почвы 1-13 (перекресток улиц Коммунистическая и Морозова – Катаева).

Рисунок 1.2. — Точки сбора проб почвы 14 — 28 (Катаева: магазин Магнит — ЦВК).

1.2. Организация исследования

Отбор проб производился 14-22 августа 2017 г. Отбор производили согласно методам отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа ГОСТ 17.4.4.02-84. Отбирался верхний слой почвы под дерном, с глубины 0 – 15 см. Образцы почвы были взяты в 3-х повторностях. На месте осуществили заполнение паспорта исследуемого участка и сопроводительный талон для получения точных сведений о местности и условиях отбора проб каждой точки.

Затем почву доводили до сухого состояния.

На основании паспорта обследуемого участка и сопроводительного талона давалась характеристика исследуемых участков.

1.3. Методика исследования

Каталазная активность определялась в лаборатории почвоведения Института естественных наук ФГБОУ ВО «СГУ им. Питирима Сорокина».

Мы пользовались методикой, подготовленной Е. И. Сарапульцевой по разработкам Л.В.Лысак, взятой из учебного пособия «Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование» [1] .

За 1-2 суток почву увлажняли для того, чтобы запустить ферментативные процессы.

Перед работой собирали газометрический прибор, представляющий собой две бюретки, закреплённые на штативе, соединённые между собой мягкой трубкой. Залив в них воду, опуская и поднимая бюретки относительно друг друга, уравновешивали уровни в бюретках и устанавливали этот уровень в одной из них на нулевой отсечке.

Использовали двухколенный каталазник, в одно колено аккуратно помещали почву массой 1 г, к которой добавляли 0,5 г карбоната кальция и смешивали, а в другую по бюретке вливали 5 мл 1% перекиси водорода. Затем присоединяли каталазник к прибору, изолируя соединение, и устанавливали водяную шкалу на нулевой отсечке. Резким, но аккуратным движением смешивали содержимое обоих колен и, продолжая периодические перемешивания, наблюдали выделение кислорода, который двигал водяную шкалу. Определяли объём выделившегося газа за минуту. Данные заносили в таблицу (Приложения А, Б).

Прибор для определения активности каталазы: 1 – каталазник; 2 – бюретка на 100 мл; 3 – стеклянная груша; 4 – стеклянный тройник; 5 – зажим Мора.

Таблица 1.2. — Сравнительная характеристика каталазной активности [1]

Активность каталазы, мл О₂ на 1 г почвы в 1 мин,

Источник

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