Определение ферментативной активности почвы

Определение ферментативной активности почв.

Активность работы ферментов определяется многими факторами: температурой, рН почв, наличием субстрата, присутствием ингибиторов/активаторов их работы в среде, гетерогенностью почв ипр. На фоне антропогенного фактора возможно изменение физико-химических свойств почв, нарушение работы ферментных комплексов (каталазы, уреазы).

Определение дыхания почв

В биодиагностике почв большое значение имеет определение почвенного дыхания как интегрального показателя работы всей биоты. Интенсивность выделения углекислоты дает достоверную информацию о напряженности микробиально-биохимических процессов, о направленности трансформации органического вещества, а также позволяет судить о самоочищающей способности антропогенно нарушенных почв.

Определение углекислоты методом титрования – быстрый и достаточно простой способ исследовать биологические свойства почв в больших объемах, когда работа ставится на поток и необходимо получить репрезентативные данные

Билет 2

Фундаментальные уровни исследования физического состояния почвы и показатели.

Твердая фаза почвы (гранулометрический состав почв, удельная поверхность почвы, структура почвы, плотность и порозность почвы, пластичность, набухание, коэффициент трения, твердость, липкость).

гидрофизика почв (влажность, водопроницаемость)

аэрофизика почв (воздухоемкость, воздухопроницаемость, аэрация)

Биохимические методы исследований в растениеводстве

В основе биохимической методологии лежит фракционирование, анализ, изучение структуры и свойств отдельных компонентов живого вещества. Наиболее распространенными являются хроматография, изобретённая М.С. Цветом в 1906 г., центрифугирование и электрофорез.

С конца ХХ в. в биохимии всё шире применяются методы молекулярной и клеточной биологии, в особенности искусственная экспрессия и нокаут генов в модельных клетках и целых организмах.

Методы учета потенциальной засоренности почвы

При интенсивном земледелии и проектировании новых севооборотов необходимо учитывать степень засоренности полей и почвы Успешное выполнение данной работы зависит от систематического обследования сельскохозяйственных участков и составления специальных карт учета засоренности. Существует два метода учета засоренности почвы: глазомерный и количественно-весовой.

При глазомерном методе поле обходят по границам и диагоналям и на глаз определяют степень засоренности, используя при этом четырехбалльную систему. Это наиболее простой и поверхностный метод учета.

Более точный результат показывает количественно-весовой метод. В этом случае по диагонали поля через каждые 50-100 м накладывают рамки размером 1 м 2 . С этих площадок снимают растения, затем подсчитывают количество сорняков и определяют их вес. При этом желательно знать видовой состав сорняка. Подсчет и взвешивание многолетних и однолетних растений проводят отдельно. В группе многолетних растений отдельно отбирают корневищные и корнеотпрысковые сорняки, которые считаются наиболее злостными и трудновыводимыми засорителями полей. Для их искоренения обычно используются специальные меры борьбы.

На основании полученных данных составляют карту степени засоренности полей.

Билет 3

Методы исследований физического состояния на ионно-молекулярном уровне.

Ионно-молекулярный уровень. В качестве элементов на этом уровне структурной организации почвы выступают активные центры молекулярно-ионной природы, находящиеся на поверхности раздела твердой фазы почвы, а также молекулы и ионы жидкой и газообразной фаз, взаимодействующие с активными центрами и между собой.

Экспесс-методы определения химических свойств почвы.

Почвы, находящиеся в условиях города, испытывают мощное воздействие техногенного пресса. Одной из составляющих этого воздействия являются аэротехногенные поллютанты – вещества-загрязнители: тяжелые металлы, органические соединения, оксиды азота, серы и пр. На фоне антропогенного воздействия происходит изменение не только физических свойств (порозности, объемного веса), но и резко изменяются химические свойства почв. В этой связи ценную информацию о состоянии почв, а значит и природной среды в целом, могут дать химические методы, широко используемые как при анализе нативных, не нарушенных, так и при исследовании антропогенно преобразованных почв.

Подготовка почвы к химическому анализу. Образец почвы весом 600–750 г размещают на листе чистой оберточной или пергаментной бумаги и удаляют из него корни, включения и новообразования. Дернину тщательно отряхивают от комочков почвы.

Крупные комки почвы разламывают руками или раздробляют в фарфоровой ступке пестиком с резиновым наконечником до небольших комков, диаметром 5–7 мм (примерно до величины отдельностей мелкоореховатой структуры). Цель такого измельчения – получить более однородный образец и иметь возможность тщательно перемешать его при взятии средней пробы.

Методы исследования почвенной биоты: насекомых, червей, фитонематод, микроорганизмов.

Билет 4

Методы исследований физического состояния почвы на уровне элементарных частиц.

Уровень элементарных почвенных частиц. Элементарные почвенные частицы — это частицы различных размеров и различной природы (минеральные — кристаллические и аморфные, органические и органо-минеральные), унаследованные от материнской породы, измененные и новообразованные в процессе почвообразования. На этом уровне происходят основные превращения веществ в почве.Особую роль здесь играют почвенные коллоиды, которые определяют многие важнейшие свойства почвы — воднофизические, сорбционные, буферную способность и др.

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.

Оксиредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции.
Трансферазы, катализирующие реакции межмолекулярного переноса различных химических групп и остатков.
Гидролазы, катализирующие реакции гидролитического расщепления внутримолекулярных связей.
Лиазы, катализирующие реакции присоединения групп по двойным связям и обратные реакции отрыва таких групп.
Изомеразы, катализирующие реакции изомеризации.
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.

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,

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