Все о тюнинге авто

Ферментативная активность каталазы почв. Энциклопедия садовода-огородника. Характеристика почвенных ферментов

Из многочисленных показателей биологической активности почвы большое значение имеют почвенные ферменты. Их разнообразие и богатство делают возможным осуществление последовательных биохимических превращений, поступающих в почву органических остатков.

Название «фермент» происходит от латинского «ферментум» – брожу, закваска. Явление катализа и в настоящее время полностью не разгадано. Сущность действия катализатора заключается в снижении энергии активации, необходимой для химической реакции, направляя ее обходным путем через промежуточные реакции, которые требуют меньшей энергии, идущие без катализатора. Благодаря этому повышается и скорость основной реакции. Под действием фермента ослабляются внутримолекулярные связи в субстрате вследствие некоторой деформации его молекулы, происходящей при образовании промежуточного комплекса фермент-субстрата.

Таким образом, роль ферментов заключается в том, что они значительно ускоряют биохимические реакции и делают их возможными при обычной нормальной температуре.

Ферменты, в отличие от неорганических катализаторов, обладают избирательностью действия. Специфичность действия ферментов выражается в том, что каждый фермент действует лишь на определенное вещество, или же на определенный тип химической связи в молекуле. По своей биохимической природе все ферменты – высокомолекулярные белковые вещества. На специфичность ферментных белков влияет порядок чередования в них аминокислот. Некоторые ферменты помимо белка содержат более простые соединения. Например, в составе различных окислительных ферментов содержатся органические соединения железа. В состав других входят медь, цинк, марганец, ванадий, хром, витамины и другие органические соединения.

В основу единой классификации ферментов положена специфичность к типу реакции, и в настоящее время ферменты подразделяют на 6 классов. В почвах наиболее изучены оксидоредуктазы (катализируют процессы биологического окисления) и гидролазы (катализируют расщепление с присоединением воды). Из оксидоредуктаз в почве наиболее распространены катал аза, дегидрогеназы, фенолоксидазы и др.

Они участвуют в окислительно-восстановительных процессах синтеза гумусовых компонентов. Из гидролаз наиболее широко в почвах распространены инвертаза, уреаза, протеаза, фосфатазы. Эти ферменты участвуют в реакциях гидролитического распада высокомолекулярных органических соединений и тем самым играют важную роль в обогащении почвы подвижными и доступными растениям и микроорганизмам питательными веществами.

Исследованием ферментативной активности почв занималось большое количество исследователей. В результате исследований доказано, что ферментативная активность – это элементарная почвенная характеристика. Ферментативная активность почвы складывается в результате совокупности процессов поступления, иммобилизации и действия ферментов в почве. Источниками почвенных ферментов служит все живое вещество почв: растения, микроорганизмы, животные, грибы, водоросли и т. д. Накапливаясь в почве, ферменты становятся неотъемлемым реактивным компонентом экосистемы. Почва является самой богатой системой по ферментному разнообразию и ферментативному пулу. Разнообразие и богатство ферментов в почве позволяет осуществляться последовательным биохимическим превращениям различных поступающих органических остатков.

Значительную роль почвенные ферменты играют в процессах гумусообразования. Превращение растительных и животных остатков в гумусовые вещества является сложным биохимическим процессом с участием различных групп микроорганизмов, а также иммобилизованных почвой внеклеточных ферментов. Выявлена прямая связь между интенсивностью гумификации и ферментативной активностью.

Особо следует отметить значение ферментов в тех случаях, когда в почве складываются экстремальные для жизнедеятельности микроорганизмов условия, в частности при химическом загрязнении. В этих случаях метаболизм в почве остается в известной мере неизменным благодаря действию иммобилизированных почвой, и поэтому устойчивых, ферментов. Максимальная каталитическая активность отдельных ферментов наблюдается в относительно небольшом интервале pH, который является для них оптимальным. Поскольку в природе встречаются почвы с широким диапазоном реакции среды (pH 3,5-11,0), то их уровень активности весьма различен.

Исследованиями различных авторов установлено, что активность почвенных ферментов может служить дополнительным диагностическим показателем почвенного плодородия и его изменения в результате антропогенного воздействия. Применению ферментативной активности в качестве диагностического показателя способствуют низкая ошибка опытов и высокая устойчивость ферментов при хранении образцов.

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.[ ...]

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.

Цель работы ‑ определение биологической активности почв на разном удалении от дороги по четырем ферментным системам: дегидрогеназам, каталазе, инвертазе, уреазе.

Основные понятия

Почвенно-энзимологические методы позволяют определять не количественное содержание ферментов в почве, а активность ферментов, находящихся преимущественно в адсорбированном (иммобилизованном) состоянии на поверхности почвенных коллоидов и частично в почвенном растворе.

Принципметода определения активности почвенных ферментов основан на учете количества переработанного в процессе реакции субстрата или образующегося продукта реакции в оптимальных условиях температуры, рН среды и концентрации субстратов.

Ферменты, относящиеся к классу оксидоредуктаз, катализируют окислительно-восстановительные реакции, играющие ведущую роль в биохимических процессах в клетках живых организмов, а также в почве. Наиболее распространены в почвах такие оксидо-редуктазы, как каталаза и дегидрогеназы, активность которых является важным показателем генезиса почв.

Каталазаразлагает на воду и молекулярный кислород ядовитую для клетки перекись водорода, образующуюся в процессе дыхания живых организмов в результате различных биохимических реакций окисления органических веществ.

Активность каталазы определяется газометрическим методом по объему выделившегося кислорода, основанным на измерении скорости разложения перекиси водорода при ее взаимодействии с почвой.

Дегидрогеназы ‑ ферменты, которые участвуют в процессе дыхания, отщепляя водород от окисляемых субстратов. Одни дегидрогеназы переносят водород непосредственно на молекулярный кислород, другие - на какие-либо акцепторы, например на хиноны, метиленовую синь.

Для определения активности дегидрогеназы в качестве акцептора водорода применяют бесцветные соли тетразолия (2,3,5-трифенилтетразолий хлористый (ТТХ), которые восстанавливаются в красные соединения формазана (трифенилформазан (ТФФ).

Гидролазы осуществляют реакции гидролиза разнообразных сложных органических соединений, действуя на различные связи: сложноэфирные, глюкозидные амидные, пептидные и др. К этому классу относятся ферменты инвертаза, уреаза и др., активность которых является важным показателем биологической активности почв и широко используется для оценки антропогенного воздействия.

Инвертаза действует на p-фруктофуранозидную связь в сахарозе, рафинозе, стахиоэе и производит расщепление сахарозы на эквимолярные количества глюкозы и фруктозы.

Фотоколориметрическое определение активности инвертазы основано на учете восстанавливающих сахаров, образующихся при расщеплении сахарозы.

Разложение органических азотистых соединений осуществляется при непосредственном участии внеклеточных ферментов. Образующийся при уреазной активности аммиак служит источником питания растений.

Уреаза катализирует гидролиз мочевины. Конечными продуктами гидролиза являются аммиак и углекислый газ. Мочевина попадает в почву в составе растительных остатков, навоза и как азотное удобрение; она образуется также в самой почве в качестве промежуточного продукта в процессе превращения азотистых органических соединений - белков и нуклеиновых кислот.

Определение каталазной активности

Оборудование и реактивы:

Cистема для газометрии (рис. 8); 10%-й раствор Н 2 O 2 ; СаСО э.

Рис. 8 ‑ Установка для газометрического определения каталазной активности в почвенных образцах:

1 - колба, 2 - бюретка, 3 - переходник, 4 - груша с водой

Порядок выполнения работы

1. Навеску просеянной почвы 1 г внести в колбу на 100 см 3 , добавить 0,5 г СаСО 3 .

2. На дно осторожно поставить с помощью пинцета маленький стаканчик с 1,7 см 3 10%-го раствора перекиси водорода.

3. Навеску почвы смочить 4 см 3 дистиллированной воды.

4. Колбу плотно закрыть каучуковой пробкой с трубкой, соединенной с бюреткой толстостенным каучуком через тройник, снабженный зажимом. Бюретка сообщается с грушей. Бюретка и груша заполнены водой. Уровень воды в них уравновешивают и грушу закрепляют на определенной высоте.

5. Начало опыта отметить по секундомеру в момент, когда сосудик с перекисью водорода опрокинут, и вслед за этим встряхнуть содержимое колбы. Взбалтывание смеси следует продолжать во все время опыта, не касаясь непосредственно дна колбы руками. Выделяющийся кислород вытесняет из бюретки воду, уровень которой отмечают.

6. Количество выделившегося молекулярного кислорода учитывают в течение 1 мин при температуре 18-20 0 С.

7. Активность каталазы выражают в объеме (см 3) кислорода, выделившегося на 1 г почвы в минуту. Ошибка определения до 5%.

8. Аналогичные процедуры проделать со всеми образцами почв.

9. По табл. 15 оценить степень насыщения исследуемых почв каталазой.

Таблица15 ‑ Шкала для оценки степени обогащенности почв ферментами

Степень обогашенности почв Каталаза, О 2 см 3 /г за 1 мин Дегидрогеназы, мг ТФФ на 10 г за 24 ч Инвертаза, мг глюкозы на 1 г за 24 ч Уреаза, мг NH 4 , на 10 г за 24 ч Фосфотаза, мг Р 2 О 3 на 10 г за 1 ч
Очень бедная < 1 <1 <5 <3 <0,5
Бедная 1-3 1-3 5-15 3-10 0,5-1,5
Средняя 3-10 3-10 15-50 10-30 1,5-5,0
Богатая 10-30 10-30 50-150 30-100 5-15
Очень богатая >30 >30 > 150 > 100 > 15

Определение дегидрогиназной активности

Приборы, посуда, реактивы :

Фотоколориметр; миллиметровая бумага; 0,1М раствор глюкозы; 1 %-й раствор 2,3,5-трифенилтетразолия хлористого (ТТХ); СаСО 3 ; этиловый спирт; трифенилформазан (ТФФ).

Порядок выполнения работы

1. Навески воздушно-сухой почвы по 1 г из каждого образца поместить в пробирки, добавить по 10 мг (на кончике шпателя) СаСО 3 , по 1 см 3 0,1 М раствора глюкозы и по 1 см 3 1%-го раствора ТТХ; содержимое каждой пробирки тщательно смешать.

2. Пробирки поместить в анаэростат и откачать воздух насосом при разрежении 10-12 мм рт. ст. в течение 2-3 мин. Затем инкубировать при 30 0 С в течение 24 ч.

3. По истечении времени инкубации содержимое пробирок экстрагировать в 3-4 приема 25 см 3 этилового спирта. Для этого небольшой объем спирта внести в пробирку и встряхивать в течение 5 мин до появления красной окраски. Дать отстояться и надпочвенную жидкость профильтровать через бумажный фильтр. Добавить в пробирку следующую порцию спирта.

4. Полученный окрашенный раствор формазана колориметрировать на ФЭКе с синим светофильтром (500-600 нм).

5. Количество формазана в миллиграммах рассчитать по стандартной кривой. Для этого приготовить стандартный раствор формазана в этиловом спирте в концентрации 0,1 мг в 1 см 3 . Рабочие растворы для составления кривой приготовить путем разведений стандартного раствора (примерно 5 точек). Стандартную кривую построить на миллиметровой бумаге в системе: оптическая плотность при длине волны 500-600 нм - концентрация формазана в спирте.

6. Вычислить активность дегидрогеназы. По табл. 15 оценить степень насыщения исследуемых почв дегидрогеназой.

Обработка данных

Активность дегидрогеназы (X) выражают в миллиграммах ТФФ на 10 г почвы за сутки по формуле:

где V ‑ общий объем фильтрата, 25 см 3 ;

10 ‑ пересчетный коэффициент веса почвы, г;

v ‑ произведение объемов субстрата и реагента, 1 см 3 ;

А ‑ количество ТФФ, полученное по калибровочной кривой, мг/см 3 . Ошибка определения ‑ до 8 %.

Определение инвертазной активности

Приборы, посуда, реактивы :

Фотоколориметр; 5%-й раствор сахарозы; ацетатный буфер (рН 4,7); толуол; раствор Феллинга: а ‑ 40 г CuSO 4 ×5Н 2 О растворяют в воде и доводят до 1 дм 3 , фильтруют через бумажный фильтр, б ‑ 200 г сегнетовой соли (С 4 H 4 O 6 KNa×4Н 2 О) растворяют в дистиллированной воде, прибавляют 150 г КОН и доводят до 1 дм 3

Порядок выполнения работы

1. В колбы вместимостью 50 см 3 поместить по 5 г каждого образца почвы, добавить по 10 см 3 5%-го раствора сахарозы, 10 мл ацетатного буфера (рН 4,7) и 5-6 капель толуола.

2. Колбы закрыть пробками, встряхнуть, поместить в термостат при температуре 30 0 С на 24 ч и периодически встряхивать их.

3. После инкубации содержимое колб отфильтровать в мерные колбы на 25 см 3 . Довести до метки.

4. Из фильтратов взять по 6 см 3 в большие пробирки, добавить по 3 см 3 раствора сегнетовой соли и 3 см 3 раствора сернокислой меди, хорошо перемешать и кипятить на водяной бане 10 мин. Получается красный осадок.

5. Пробирки с раствором охладить в воде, содержимое отфильтровать в большие пробирки. Прозрачный фильтрат колориметрировать на ФЭК, используя светофильтр с длиной волны 630 нм, ширина кюветы 1 см.

6. Для получения калибровочной кривой приготовить стандартный раствор: 6 мг глюкозы в 1 см 3 . Разведением приготовить серию растворов. Фотоколориметрировать и построить кривую: оптическая плотность ‑ концентрация глюкозы в 1 см 3 .

7. Вычислить активность и по табл. 15 оценить степень насыщения исследуемых почв инвертазой.

Обработка данных

Активность инвертазы (X) выражают в миллиграммах глюкозы на 1 г почвы за 24 ч по формуле:

где А ‑ количество глюкозы, полученное по калибровочной кривой из оптической плотности, мг/см 3 ;

m ‑ навеска почвы, 5 г;

V ‑ общий объем фильтрата, 25 см 3 ;

v ‑ объем фильтрата, взятого для анализа, 6 см 3 .

Ошибка определения ‑ до 5 %.

Определение уреазной активности почв

Приборы, посуда, реактивы :

Фотоколориметр; 2%-й раствор мочевины в фосфатном буфере (рН = 6,7); 50%-й раствор сегнетовой соли; 50%-й раствор CCl 3 COOH (трихлоруксусная кислота); 1%-й раствор КС1; реактив Несслера; стандартный раствор NH 4 C1.

Порядок выполнения работы

1. По 5 г воздушно-сухой почвы поместить в колбы емкостью 100 см 3 , прилить по 20 см 3 2%-го раствора мочевины в фосфатном буфере (рН 6,7) и по 200 мкл толуола.

2. Колбы плотно закрыть и поместить в термостат при температуре 37 0 С на 4 ч.

3. После экспозиции прилить по 1 см 3 50%-го раствора трихлоруксусной кислоты.

4. Для вытеснения из почвы поглощенного аммиака добавить по 50 см 3 1 н. раствора хлористого калия.

5. Содержимое колб отфильтровать.

6. По 2 см 3 фильтрата поместить в мерные колбы объемом 50 см 3 , развести водой до 30 см 3 , затем прилить по 2 см 3 50%-го раствора сегнетовой соли и по 2 см 3 реактива Несслера. Колбы долить водой до метки, перемешать и окрашенный раствор колориметрировать при длине волны 400 нм.

8. Вычисляют активность уреазы.

9. По табл. 15 оценить степень насыщения исследуемых почв уреазой.

Обработка данных

Активность уреазы (X) выражают в миллиграммах N-NH 4 на 1 г почвы за 4 ч по формуле:

V ‑ общий объем фильтрата, 50 см 3 ;

m - навеска почвы, 5 г.

Вопросы для самоподготовки:

1. Что такое каталазная активность?

2. Дайте оределение инвертазной активности.

3. Охарактеризуйте уреазную активность.

4. Что такое буферная смесь?

5. Принцип и сущность метода определения активности почвенных ферментов.

6. Методика отбора образцов почвы.


ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица 1 ‑ Примерный список организмов - индикаторов сапробности

Организмы Сапробность
Нитчатые бактерии:
Sphaerotilus natans р
Beggiatoa sp. р
Thiothrix sp. р
Грибы:
Leptomitus lacteus α
Mucor racemosus α
Fusarium aquaeductum р
Водоросли:
сине-зеленые:
Anabaena flos aquae β
Microcystis aeruginosa β
Aphanizomenon flos aquae β
Oscillatorla tenuis α
Диатомовые -
Cymbella cesati о
Oomphonema cevli о
Melostra granulata β
Navicula angustata α
Navicula apiculata α
Synedra acus β
Synedra ulna β
Nitzschia palea α
эвгленовые:
Euglena acus β
Euglena viridis р
Euglena deses α
зеленые и протококковые:
Volvox globator о-β
Ankistrodesmus falcatus β-α
Crucigenta rectangularis а-β
Scenedesmus quadricauda β
Draparnaldia sp. о
Ulothrix zonata о
Stlgeoclonium tenue α
Животные:
амебы:
Pelornyxa palustris р
Организмы Сапробность
инфузории:
Colpidium, campylum p
Colpldlum colpoda p
Euplotes charon β
Chllodon cucullulus p
Opercularia coaretata α
Paramecium caudatum α
Spirostomum amblguum α
Stentor coeruleus α
Vortlcella convallarla α
Vorticella microstoma p
Podophrya fixa α
коловратки:
Kellcottia longispina (syn. Notholca Iongispina) о
Keratella cochlearls β
Keratella quadrata β
Leucane lunarls (syn. Monostyla lunarls) β
Rotaria rotatoria (syn. Rotifer vulgaris) α
олигохеты:
Limnodrilus hofmelsterl p
Tub if ex tublfex p
Stylarla lacustris β
ракообразные:
Daplmla magna α
Daphnla pulex α
Leptodora Kindtli о
Eudiaptomus gracilis o
Astacus fluviatilis o
насекомые:
Caenls macrura o
Heptagenia coerulana β
Chironomus Plumosus р
рыбы:
лещ: β
усач β
форель o
линь β-α

Таблица 2 ‑ Шкала частот для пересчета организмов в 100 полях на частоту

Значение частоты Микробентос Обрастания
Данные подсчета Сумма в 100 полях
1-я категория крупности
Не более 1 в каждом 2-м поле зрения Не более 2 в поле зрения Не более 10 в поле зрения Не более 30 в поле зрения Не более 60 в поле зрения Более 60 в поле зрения Не более 1 в каждом 2-м поле зрения Не более 2 в поле зрения Не более 10 в поле зрения Не более 50 в поле зрения Не более 250 в поле зрения Более 250 в поле зрения 1-50 50-200 200-1000 1000-5000 5000-25000 Более 25000
2-я категория крупности
Не более 1 в каждом 20-м поле зрения Не более 1 в каждом 5-м поле зрения Не более 1 в поле зрения Не более 3 в поле зрения Не более 6 в поле зрения Более 6 в поле зрения Не более 2 в 20 полях зрения Не более 1 в 5 поле зрения Не более 1 в поле зрения Не более 5 в поле зрения Не более 25 в поле зрения Более 25 в поле зрения 1-5 6-20 21-100 100-500 500-2500 Более 2500
3-я категория крупности
1 в 100 полях зрения 1 в 50 полях зрения Не более 1 в 10 полях зрения Не более 1 в 4 полях зрения Не более 1 в 2 полях зрения Приблизительно 1 в поле зрения 1 в 100 полях зрения 1 в 50 полях зрения Не более 1 в 10 в полях зрения 1в2 полях зрения Не более 2 в поле зрения Более 2 в поле зрения 3-10 10-50 50-200 Более 200

Приложение

Таблица 13. Пересчет результатов количественного учета на значение частоты


Приложение

Пример вычисления сапробности

Проба: река ниже города. Дата ________________ Сообщество: обрастания.

Организмы s h sft
Euglena viridis p
Scenedesmus acuminatus β
Spirogyra sygmoidea β
Closterium acerosum α
Closterium moniliierum β
Cyclotella menengiana α
Cymbella vesiculosa β
Diatoma vulgare β
Melosira italica β
Melosira varians β
Navicula cryptocephala α
Navicula viridua α
Nitzschia acicularis β
Nitzschia palea α
Surirella ovata β
Chilidonella cuculata α
Colpoda cuculus α
Sh=41 S(sh)=103

Sh p =3; Sh α =15; Sh β =23.

S=S(sh)/(Sh)-103/41=2,51/

Вычисление погрешности:

Интервал точности для статистической надежности 95%.

S=s±t 0,05 s S =2,51±2,02×0,1;


Похожая информация.


По типу катализируемых реакций все известные ферменты разделены на шесть классов:

1. Оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции.

2. Гидролазы, катализирующие реакции гидролитического расщепления внутримолекулярных связей в различных соединениях.

3. Трансферазы, катализирующие реакции межмолекулярного или внутримолекулярного переноса химической группы и остатков с одновременным переносом энергии, заключенной в химических связях.

4. Лигазы (синтетазы), катализирующие реакции соединения двуx молекул, сопряжённые с расщеплением фирофосфатных связей АТФ или другого аналогичного трифосфата.

5. Лиазы, катализирующие реакции негидролитического отщепления или присоединения различных химических групп органических соединений по двойным связям.

6, Изомеразы, катализирующие реакции превращения органических соединений в их изомеры.

В почве широко распространены и довольно подробно изучены оксидоредуктазы и гидролазы, имеющие очень важное значение в почвенной биодинамике.

Каталаза

(Н 2 О 2: Н 2 О 2 –оксидоредуктаза)

Каталаза катализирует реакцию разложения перекиси водорода с образованием воды и молекулярного кислорода:

Н 2 О 2 + Н 2 О 2 О 2 + Н 2 О.

Перекись водорода образуется в процессе дыхания живых орга­низмов и в результате различных биохимических реакций окисления органических веществ. Токсичность перекиси водорода определяется его высокой реакционной способностью, которую проявляет синглетный кислород, *О 2 . Его высокая реакционная способность приводит к некон­тролируемым реакциям окисления. Роль каталазы заключается в том, что она разрушает ядовитую для организмов перекись водорода.

Каталаза широко распространена в клетках живых организмов, в том числе микроорганизмов и растений. Высокую каталазную активность проявляют также почвы.

Методы определения каталазной активности почвы основаны на измерении скорости распада перекиси водорода при взаимодействии ее с почвой по объему выделяющегося кислорода (газометрические методы) или по количеству неразложенной перекиси, которое определяют перманганатометрическим титрованием или колориметрическим методом с образованием окрашенных комплексов.



Исследованиями Е.В. Даденко и К.Ш. Казеева установлено, что при хранении образцов активность каталазы из всех ферментов снижается в наибольшей степени, поэтому ее определение необходимо проводить в первую неделю после отбора образцов.

Метод А.Ш. Галстяна

Ход анализа. Для определения активности каталазы используют прибор из двух соединенных резиновым шлангом бюреток, которые заполняют водой и уравновешивают ее уровень. Поддерживание определенного уровня воды в бюретках свидетельствует о достижении температурного равновесия в приборе. Навеску (1 г) почвы вносят в одно из отделений сдвоенной колбы. В другое отделение колбы приливают 5 мл 3-процентного раствора перекиси водорода. Колбу плотно закрывают каучуковой пробкой со стеклянной трубкой, которая соединена с измерительной бюреткой с помощью резинового шланга.

Опыт проводят при температуре 20 °С, так как при другой температуре скорость реакции будет отличаться, что исказит результаты. В принципе важна температура не воздуха, а перекиси, именно она должна быть 20 0 С. Если температура воздуха значительно выше 20 0 С (летом), рекомендуется проводить анализ в подвале или в другом прохладном помещении. Рекомендованное в таких случаях применение водяной бани с температурой 20°С вряд ли эффективно.

Начало опыта отмечают по секундомеру или песочным часам в тот момент, когда перекись смешивается с почвой, и содержимое сосуда встряхивают. Взбалтывание смеси производят в течение всего опыта, стараясь не касаться колбы руками, держа ее за пробку. Выделяющийся кислород вытесняет из бюретки воду, уровень которой отмечают через 1 и 2 мин. Рекомендация определять количество кислорода через каждую минуту в течение 3 мин ввиду прямолинейности реакции разложения перекиси лишь увеличивает затраты времени на анализ.

Данная методика позволяет одному исследователю за день проанализировать активность каталазы более чем 100 образцов. Удобно проводить анализ вдвоем, используя 5-6 сосудов. При этом один человек непосредственно занимается анализом и следит за уровнем бюретки, а второй следит за временем, записывает данные и моет сосуды.

Контролем служит стерилизованная сухим жаром (180°С) почва. Некоторые почвы, соединения и минералы обладают высокой активностью неорганического катализа разложения перекиси даже после стерилизации - до 30-50 % от общей активности.

Активность каталазы выражают в миллилитрах О 2 , выделяющегося за 1 мин из 1 г почвы.

Реактивы: 3-процентный раствор Н 2 О 2 . Концентрацию пергидроля обязательно периодически проверяют, рабочий раствор готовят непосредственно перед анализом. Для установления концентрации пергидроля на аналитических весах в мерной колбе емкостью 100 мл взвешивают 1 г Н 2 О 2 , объем доводят до метки и взбалтывают. Помещают 20 мл полученного раствора в конические колбы на 250 мл (3 повторности), добавляют 50 мл дистиллированной воды и 2 мл 20-процентной Н 2 SO 4 . Затем титруют 0,1 н. раствором КМnО 4 . 1 мл раствора КМnО 4 соответствует 0,0017008 г Н 2 О 2 . После установления концентрации пергидроля готовят 3-процентный раствор разбавлением дистиллированной водой. Титровальный раствор КМnО 4 готовят из фиксанала и выдерживают несколько дней для установления титра.

Дегидрогеназы

(субстрат: НАД (Ф)-оксидоредуктазы).

Дегидрогеназы катализируют окислительно-восстановительные реакции путем дегидрирования органических веществ. Они проходят по следующей схеме:

АН 2 + В А+ ВН 2

В почве субстратом дегидрирования могут быть неспецифические органические соединения (углеводы, аминокислоты, спирты, жиры, фенолы и т.д.) и специфические (гумусовые вещества). Дегидрогеназы в окислительно-восстановительных реакциях функционируют как переносчики водорода и разделяются на две группы: 1) аэробные, передающие мобилизированный водород кислороду воздуха; 2) анаэробные, которые передают водород другим акцепторам, ферментам.

Основным методом обнаружения действия дегидрогеназ является восстановление индикаторов с низким редокс-потенциалом типа метиленовой сини.

Для определения активности дегидрогеназ почвы в качестве водорода применяют бесцветные соли тетразолия (2,3,5-трифенилтетразолий хлористый - ТТХ), которые восстанавливаются в красные соединения формазанов (трифенилформазан - ТФФ).

Ход анализа. Навеску (1 г) подготовленной почвы аккуратно через воронку помещают на дно пробирки емкостью 12-20 мл и тщательно перемешивают. Прибавляют 1 мл 0,1 М раствора субстрата дегидрирования (глюкоза) и 1 мл свежеприготовленного 1-процентного раствора ТТХ. Пробирки помещают в анаэростат или вакуумный эксикатор. Определение проводят в анаэробных условиях, для чего воздух эвакуируют при разрежении 10-12 мм рт. ст. в течение 2-3 мин и ставят в термостат на 24 ч при 30 °С. При инкубировании почвы с субстратами толуол в качестве антисептика не прибавляют, так как; он сильно ингибирует действие дегидрогеназ. Контролем служат стерилизованная почва (при 180°С в течение 3 ч) и субстраты без почвы. После инкубации в колбы добавляют 10 мл этилового спирта или ацетона, встряхивают 5 мин. Полученный окрашенный раствор ТФФ фильтруют и колориметрируют. При очень интенсивной окраске раствор разбавляют спиртом (ацетоном) в 2-3 раза. Используют 10-мм кюветы и светофильтр с длиной волны 500-600 им. Количество формазана в мг рассчитывают по стандартной кривой (0,1 мг в 1 мл). Активность дегидрогеназ выражают в мг ТТФ на 10 г почвы за 24 ч. Ошибка определения до 8 %.

Реактивы:

1) 1-процентный раствор 2,3,5-трифенилтетразолия хлористого;

2) 0,1 М раствор глюкозы (18 г глюкозы растворяют в 1000 мл дистиллированной воды);

3) этиловый спирт или ацетон;

4) трифенилформазан для стандартной шкалы. Для составления калибровочной кривой готовят ряд растворов в этиловом спирте, ацетоне или толуоле с концентрацией формазана (от 0,01 до 0,1 мг формазана в 1 мл) и фотоколориметрируют, как описано выше.

При отсутствии формазана его получают восстановлением ТТХ гидросульфитом натрия (сульфитом аммония, порошком цинка в присутствии глюкозы). Исходная концентрация раствора ТТХ 1 мг/мл. К 2 мл исходного раствора ТТХ добавляют на кончике ланцета кристаллический гидросульфит натрия. Выпавший осадок формазана извлекают 10 мл толуола. В таком объеме толуола содержится 2 мг формазана (0,2 мг/мл). Дальнейшим разведением готовят рабочие растворы для шкалы.

Инвертаза

(β-фруктофуранозидаза, сахараза)

Инвертаза является карбогидразой, она действует на β-фруктофуранозидазную связь в сахарозе, раффинозе, генцианозе и др. Наиболее активно этот фермент гидролизует сахарозу с образованием редуцирующих сахаров - глюкозы и фруктозы:

инвертаза

С 12 Н 22 О 11 + Н 2 О С 6 Н 12 О 6 + С 6 Н 12 О 6

сахароза глюкоза фруктоза

Инвертаза широко распространена в природе и встречается почти во всех типах почв. Очень высокая активность инвертазы обнаружена в горно-луговых почвах. Активность инвертазы четко коррелирует с содержанием гумуса и почвенным плодородием. Рекомендуется при изуче­нии влияния удобрений для оценки их эффективности. Методы опреде­ления активности инвертазы почв основаны на количественном учете восстанавливающих сахаров по Бертрану и по изменению оптических свойств раствора сахарозы до и после воздействия фермента. Первый способ может быть применен при изучении фермента с очень широкой амплитудой активности и концентрации субстрата. Поляриметрический и фотоколориметрический способы более требовательны к концентрации сахаров и неприемлемы для почв с высоким содержанием органического вещества, где получаются, окрашенные растворы; поэтому эти методы ограниченно применяются в почвенных исследованиях.

1

Проведено исследование ферментативной активности почвы в агросистемах Верхневолжья, сформированных в длительных стационарных опытах на дерново-подзолистой и серой лесной почве, с целью оценки их экологического состояния. В дерново-подзолистой почве лесных экосистем средний уровень инвертазной активности составляет 21,1 мг глюкозы /1г почвы, а в почве агросистем – 8,6 мг глюкозы/1г почвы. Сельскохозяйственное использование снизило активность инвертазы в среднем в 2,5 раза. Особенно сильная депрессия инвертазы просматривается на нулевых фонах, где ежегодно проводятся агротехнические мероприятия по выращиванию сельскохозяйственных культур, без внесения удобрительных материалов. Средняя активность уреазы в почве агроэкосистем составила 0,10 мг N- NН4/1г почвы, незначительно выше она и в почве лесных экосистем – 0,13 мг N- NН4/1г, что обусловлено, в первую очередь, генетическими особенности дерново-подзолистых почв и уровнем их плодородия. На серой лесной почве изучаемый уровень агрогенной нагрузки не оказал негативного влияния на активность почвенных ферментов, а, наоборот, наблюдается тенденция повышения их активности на пашне, что сопровождается мобилизацией общей активности биологических процессов в почве по сравнению с залежью. Интенсивность воздействия на почвенный покров разнообразными технологическими приемами проявилась в снижении показателей ферментативной активности только у дерново-подзолистых почв. В экологическом плане эти результаты можно считать признаком ответной реакции почвенного покрова на внешние нагрузки антропогенного характера.

агроландшафты

инвертаза

кататаза

дерново- подзолистые

серые лесные почвы

ферментатиная активность

1. Виттер А.Ф. Обработка почвы как фактор регулирования почвенного плодородия /А.Ф. Виттер, В.И. Турусов, В.М. Гармашов, С.А. Гаврилова. – М.: Инфра–М, 2014. – 174 с.

2. Джанаев З.Г. Агрохимия и биология почв юга России / З.Г. Джанаев. – М.: Изд-во МГУ, 2008. – 528 с.

3. Звягинцев Д.Г. Биология почв / Д.Г. Звягинцев, Н.А. Бабьева. – М., 2005. – 520 c.

4. Зинченко М.К. Ферментативный потенциал агроландшафтов серой лесной почвы Владимирского ополья / М.К. Зинченко, С.И. Зинченко // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 1. – С. 1319-1323.

5. Зинченко М.К. Реакция почвенной микрофлоры серой лесной почвы на длительное применение разных по уровню интенсификации систем удобрения/ М.К. Зинченко, Л.Г. Стоянова // Достижения науки и техники АПК. – 2016. – № 2. – Т. 30. – С.21-24.

6. Емцев В.Т. Микробиология: учебник для вузов / В.Т. Емцев. – М.: Дрофа, 2005. – 445 с.

7. Енкина О.В. Микробиологические аспекты сохранения плодородия черноземов Кубани/ О.В. Енкина, Н.Ф. Коробский. – Краснодар, 1999. – 140 с.

8. Методы почвенной микробиологии и биохимии; [под ред. Д.Г. Звягинцева]. – М.: Изд- во МГУ, 1991. – 292 с.

9. Хазиев Ф.Х. Ферментативная активность почв агроценозов и перспективы ее изучения / Ф.Х. Хазиев, А.Е. Гулько // Почвоведение. – 1991. – № 8. – С. 88-103.

10. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии / Ф.Х. Хазиев. – М.: Наука, 2005. – 254 с.

Агроэкологические функции почв выражаются определенными количественными и качественными параметрическими характеристиками, важнейшими из которых являются биологические показатели. Процессы разложения растительных остатков, синтез и минерализация гумуса, превращение труднодоступных форм питательных веществ в усвояемые для растений формы, ход аммонификации, нитрификации и фиксации свободного азота воздуха обусловлены деятельностью почвенных микроорганизмов.

Процессы обмена веществ и энергии при разложении и синтезе органических соединений, переход трудноусвояемых питательных веществ в формы, легкодоступные для растений и микроорганизмов, происходят при участии ферментов. Поэтому ферментативная активность почвы является важнейшим диагностическим показателем воздействия антропогенной нагрузки на почвенные системы. Особенно это актуально для агроэкосистем с ежегодным агротехническим воздействием на почву. Определение активности почвенных ферментов очень важно для выявления степени влияния агротехнических мероприятий и агрохимических средств на активность биологических процессов, чтобы судить о скорости мобилизации основных органогенных элементов .

Целью исследований было оценить экологическое состояние почв в агросистемах Верхневолжья по показателям ферментативной активности. Объектами исследований были дерново-подзолистые почвы разной степени оподзоленности и серые лесные почвы на сопряженных целинных и окультуренных ландшафтах.

Материалы и методы исследования

Так как объективные данные о плодородии почв и ее биологической активности можно получить в длительных стационарных опытах, то для исследования отбирались образцы почв на вариантах многолетних стационарных опытов, расположенных на базе Костромского НИИСХ, Ивановской СХА и Владимирского НИИСХ. В результате активность ферментов анализировалась в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве (Опыт 1, Кострома), дерново-среднеподзолистой легкосуглинистой почве (Опыт 2, Иваново); серной лесной среднесуглинистой почве (Опыт 3, Суздаль).

Чтобы иметь возможность выявить степень влияния различного рода антропогенной нагрузки на почвы агроэкосистем, мы изучили эталонные образцы почвы ненарушеных экосистем, прилегающих к опытным участкам. Целинные варианты дерново-подзолистых почв представляли собой участки под сосновым лесом с примесью лиственных пород. Серые лесные почвы многолетней залежи сформированы под широколиственными лесами с обильным разнотравьем в наземном покрове.

Серые лесные почвы Владимирского ополья характеризуются средней аккумуляцией органического вещества. Содержание гумуса в горизонте А1 (А п) составляет 1,9 - 4%; гумусовый горизонт маломощный (17-37 см). Значение кислотности, характерное для этих почв, меньше, чем для дерново-подзолистых, преобладают слабо кислые почвы (рН=5,2-6,0). Поэтому серые лесные почвы Владимирской области характеризуются более благоприятными агрохимическими показателями по сравнению с дерново-подзолистыми. Стационарный полевой опыт на серой лесной почве заложен в 1997 г. для изучения эффективности адаптивно-ландшафтных систем земледелия (АЛСЗ). На изучаемых вариантах за ротацию 6-ти польного севооборота вносится: на нулевом фоне - навоз 40т/га (единовременно); среднем - N 240 Р 150 К 150 ; высокоинтенсивном минеральном- N 510 Р 480 К 480 ; высокоинтенсивном органоминеральном - навоз 80т/га (единовременно) + N 495 Р 300 К 300 .

Содержание гумуса в почвы опытного участка Ивановской сельскохозяйственной академии составляет 1,92 %; рН ксl - 4,6-6,4; Р 2 О 5 - 170-180 мг/кг почвы, К 2 О - 110-170 мг/кг почвы. Мощность пахотного слоя - 21-23 см. Опыт заложен в 1987 году. Образцы почвы отбирали в четырехпольном севообороте на нормальном фоне (N 30 Р 60 К 60) по двум приемам обработки почвы - отвальной вспашке на глубину 20-22см (ОВ) и безотвальной плоскорезной обработке на 20-22 см (ПО).

Плодородие дерново-подзолистой почвы длительного стационарного опыта Костромского НИИСХ в период отбора образцов характеризовалось следующми средними показателями: содержание гумуса 1,39-1,54 %; рН ксl - 4,6-6,4; Р 2 О 5 - 105-126 мг/кг; К 2 О - 104-156 мг/кг. Длительный стационарный полевой опыт по изучению влияния извести на свойства почвы и урожайность сельскохозяйственных культур был заложен в 1978 году. Исследования проводились в ротации семипольного севооборота. Для данной работы были отобраны образцы почвы в вариантах N 45 Р 45 К 45 - нулевой фон; - нормальный и Са 2,5 (N 135 Р 135 К 135) - интенсивный. Мелиорантом в опыте была доломитовая мука, внесенная однократно при закладке опыта в дозе 25 т/га в физическом весе для варианта Са 2,5 (NPK) 3 . В варианте Cа 0,5 +Са 0,5 (NPK) 1 мелиорант применяли дробно, первый раз - при закладке опыта в дозе 5 т/га, по 0,5 гидролитической кислотности; повторно - по окончании четвертой ротации в 2007 году осенью, под перепашку, в дозе 3,2 т/га, по 0,5 от потребности по гидролитической кислотности.

В почвенных образцах определяли: каталазную активность газометрическим методом по Галстяну , инвертазную активность методом И.Н. Ромейко, С.М. Малиновской и уреазную активность методом Т.А. Щербаковой . Активность этих ферментов почвы непосредственно касается превращения углерода, азота и окислительно-восстановительных процессов, а значит, характеризует функциональное состояние микроорганизмов почвы. Комплексное определение указанных параметров дает возможность точнее выяснить направление изменений в активности ферментативного пула почвенных разностей.

Биохимические исследования активности ферментов проводились в период с 2011-2013 гг. в слое почвы 0-20 см, поскольку основная биологическая активность и наибольшая биогенность присущи верхним слоям почвенного профиля, максимально обогащенных органическим веществом, с наиболее благоприятным для микрофлоры гидротермическим и воздушным режимом.

Результаты исследований и их обсуждение

Важнейшим звеном круговорота углерода в природе является стадия ферментативного превращения углеводов в почвенной среде. Она обеспечивает передвижение поступающего в почву в огромных количествах органического материала и накопленной в нем энергии, а также аккумуляцию его в почве в форме гумуса, так как при этом образуются предгумусовые компоненты .

Поступающие в почву растительные остатки на 60 % состоят из углеводов. В почве обнаружены моно-, ди- и полисахариды (целлюлозы, гемицеллюлозы, крахмал и др.). Очевидно, что агроэкологические воздействия, приводящие к изменению физико- химического и биологического состояния почв, оказывают влияние на активность ферментов углеводного обмена. Данные инвертазной активности почвы представлены в таблице 1.

Таблица 1

Активность инвертазы в почвах агроэкосистем

Место отбора проб

Агроэкосистемы

Активность инвертазы, мг глюкозы /1г почвы за 40 часов

Дерново- подзолистая

легкосуглинистая почва

Кострома

Лес (контроль)

Нулевой фон

N 45 Р 45 К 45

Нормальный

Cа 0,5 +Са 0,5 (N 45 Р 45 К 45)

Интенсивный

Са 2,5 (N 135 Р 135 К 135)

Дерново-среднеподзолистая

легкосуглинистая

Лес (контроль)

Нормальный N 30 Р 60 К 60

Нормальный N 30 Р 60 К 60

Залежь (контроль)

*Нулевой фон

N 30-60 Р 30 - 60 К 30-60

Высокоинтенсивный

минеральный

N 120 Р 120 К 120

N 120 Р 120 К 120 ;

Навоз 80т/га + N 90

Примечание: В таблице дозы удобрений на серой лесной почве приводятся в период исследований.

Выявлено, что в дерново-подзолистой почве лесных экосистем средний уровень инвертазной активности составляет 21,1 мг глюкозы /1г почвы, а в почве агросистем - 8,6 мг глюкозы/1г почвы. То есть сельскохозяйственное использование пашни оказало значительное влияние на активность инвертазы, снизив ее в среднем в 2,5 раза.

Особенно сильная депрессия инвертазы просматривается на нулевых фонах, где ежегодно проводятся агротехнические мероприятия по выращиванию сельскохозяйственных культур, без внесения удобрительных материалов. Это может быть связано с незначительным поступлением мортмассы в виде корне-пожнивных остатков, а также с изменением физико- химических свойств в результате обработок почвы.

Агротехническое использование серой лесной почвы не значительно снижает активность углеводного обмена по сравнению с почвой залежи. На участках многолетней залежи средний показатель активности инвертазы составляет 50,0 мг глюкозы на 1 г почвы за 40 часов, что на 9 % выше, чем в среднем на пашне. Вариация значений фермента в серой лесной почве агросистем за 2 года исследований (2012-2013 гг.) составила V= 7,6 %, при среднем показателе XS = 45,8 мг глюкозы / 1г почвы за 40 часов. Влияние систем удобрений на активность инвертазы наиболее выражено на среднем фоне. На этом варианте показатели активности фермента были достоверно выше (НСР 05 = 2,9), чем на других фонах интенсификации. Поэтому при использовании средних доз удобрений создаются благоприятные условия для превращений органических соединений ароматического ряда в компоненты гумуса. Это подтверждают данные о содержании органического углерода, так как максимальные запасы гумуса накоплены на среднем фоне - 3,62 %.

Одним из информативных показателей ферментативной активности почвы является активность уреазы. Многими исследователями уреазная активность рассматривается в качестве показателя самоочищающей способности почвы, загрязненной ксенобитиками органической природы. Действие уреазы связано с гидролитическим расщеплением связи между азотом и углеродом (СО- NН) в молекулах азотсодержащих органических соединений. В агроэкосистемах быстрое нарастание активности уреазы также свидетельствует о способности накопления в почве аммиачного азота. Поэтому многими исследователями отмечается положительная корреляция активности уреазы с содержанием азота и гумуса в почвах .

О том, что описываемые дерново-подзолистые почвы слабо обеспечены исходным органическим субстратом, свидетельствует низкая активность этого фермента (табл. 2). В наших исследованиях средняя активность уреазы в почве агроэкосистем составила 0,10 мгN-NН 4 /1г почвы, незначительно выше она и в почве лесных экосистем - 0,13 мг N- NН 4 /1г, что обусловлено, в первую очередь, генетическими особенности дерново-подзолистых почв и уровнем их плодородия.

Таблица 2

Активность уреазы в почвах агросистем

Место отбора проб

Агроэкосистемы

Активность уреазы, мг N-NН 4 /1г почвы за 4 часа

Дерново- подзолистая

легкосуглинистая почва

Кострома

Лес (контроль)

Нулевой фон

N 45 Р 45 К 45

Нормальный

Cа 0,5 +Са 0,5 (N 45 Р 45 К 45)

Интенсивный

Са 2,5 (N 135 Р 135 К 135)

Дерново-среднеподзолистая

легкосуглинистая

Лес (контроль)

Нормальный N 30 Р 60 К 60

Серая лесная среднесуглинистая почва

Залежь (контроль)

Нулевой фон

N 30-60 Р 30 - 60 К 30-60

Высокоинтенсивный

минеральный

N 120 Р 120 К 120

Высокоинтенсивный органоминеральный

N 120 Р 120 К 120 ;

Навоз 80т/га + N 90

На уровне природных биотопов сохраняется активность уреазы в опыте 1, где агротехнические мероприятия, кроме применения минеральных удобрений, включали известкование почвы. На фоне уменьшения содержания в почвенном - поглощающем комплексе ионов водорода и алюминия наблюдается стабилизация активности фермента.

Окультуривание дерново-подзолистых почв без систематического внесения известковых материалов, даже при использовании средних доз минеральных удобрений, по отвальной вспашке и плоскорезному рыхлению (Опыт 2) приводит к снижению уреазной активности по сравнению с их природными аналогами.

Исследования на серых лесных почвах показывают, что в среднем уровень уреазной активности этих почв в 2,5 раза выше, чем у дерново-подзолистых, что обусловлено генезисом почвообразования и уровнем их плодородия. Об этом свидетельствуют данные, как природных биотопов залежи, так и почв агроэкосистем. Многими исследователями установлено, что активность уреазы находится в прямо пропорциональной зависимости от количества органического углерода в почве.

На уровне природных биотопов показатель уреазной активности отмечен на высокоинтенсивном органоминеральном фоне - 0,34мгN-NН 4 /1гпочвы (Опыт 3). На высокоинтенсивном органоминеральном фоне был повышен уровень уреазной активности относительно других агроэкосистем и залежи. Это обусловлено, в первую очередь, тем, что в период исследований на этом варианте было внесено 80 т/га навоза, что обогатило почву свежим органическим веществом, мочевиной и стимулировало развитие комплекса уробактерий. Как и в почве многолетней залежи, при длительном использовании органоминеральных удобрительных средств, формируется органическое вещество с наиболее широким отношением углерода к азоту (С:N). Такому типу органического вещества соответствует наибольшая активность уреазы . Наблюдаемая тенденция свидетельствует о способности почвы этих экосистем к интенсивному накоплению аммиачного азота. Достоверно ниже (при НСР 05 = 0,04) активность фермента в почве других агроэкосистем. Самый низкий показатель (0,21мгN-NН 4 /1г) отмечен на высокоинтенсивном минеральном фоне, где в течение 18 лет вносились только высокие дозы минеральных удобрений. Можно предположить, что при использовании только минеральных удобрений, из-за недостатка специфического энергетического субстрата, в микробном пуле почвы снижается эколого-трофическая группа бактерий, продуцирующих уреазу.

Рассматривая ферментативную активность почв, нужно обратить внимание на окисление продуктов гидролиза органических соединений с образованием предгумусовых веществ. Эти реакции идут при участии оксиредуктаз, важным представителем которых является каталаза. Каталазная активность характеризует процессы биогенеза гумусовых веществ. Значения показателей каталазной активности дерново-подзолистых почв демонстрируют пространственно-временную вариабельность, но в целом обнаруживают колебания в пределах 0,9-2,8мл О 2 /1г почвы в мин. (табл. 3). В агроэкосистемах дерново- подзолистой почвы, сформированных в Ивановской и Костромской области, показатели активности каталазы находятся на уровне их природных аналогов (почвы леса). То есть, степень антропогенной нагрузки не оказала существенного влияния на процессы биогенеза гумусовых веществ. Они протекают с одинаковой интенсивностью как в почвах этих агросистем, так и в почве природных биотопов. Это является положительной тенденцией, так как формирование агроэкосистем на дерново-подзолистых почвах с легким гранулометрическим составом, без использования органических удобрений, может вызвать увеличение активности каталазы. Возрастание активности фермента характеризует интенсивную трансформацию гумусовых веществ в почве в сторону их минерализации, для обеспечения элементами питания возделываемых культур. Активизация этих процессов способна привести к уменьшению содержания гумуса в почве и снижению потенциального плодородия почвы.

Таблица 3

Активность каталазы в почвах агросистем

Место отбора проб

Агроэкосистемы

Активность каталазы, мл О 2 /1г почвы в минуту

Дерново- подзолистая

легкосуглинистая почва

Кострома

Лес (контроль)

Нулевой фон

N 45 Р 45 К 45

Нормальный

Cа 0,5 +Са 0,5 (N 45 Р 45 К 45)

Интенсивный

Са 2,5 (N 135 Р 135 К 135)

Дерново-среднеподзолистая

легкосуглинистая

Лес (контроль)

Нормальный N 30 Р 60 К 60 (ОВ)

Нормальный

N 30 Р 60 К 60

Серая лесная среднесуглинистая почва

Залежь (контроль)

Нулевой фон

N 30-60 Р 30 - 60 К 30-60

Высокоинтенсивный

минеральный

N 120 Р 120 К 120

Высокоинтенсивный органоминеральный

N 120 Р 120 К 120 ;

Навоз 80т/га + N 90

Коэффициент вариации значений каталазной активности в серой лесной почве агроэкосистем составляет V= 18,6 %. В целом обнаруживаются колебания в пределах 1,8-2,9мл О 2 /1г почвы. При существующем уровне антропогенной нагрузки на пашню наблюдается тенденция активизации окислительно-восстановительных процессов по сравнению с почвой залежи. Наибольшая активность этих процессов наблюдается при использовании средних доз удобрений, что характеризуется достоверным повышением активности каталазы (при НСР 05 = 0,4) на среднем фоне интенсификации. Это связано с достаточным обогащением почвы органической массой и улучшением режима ее трансформации за счет увеличения численности и мобилизационной деятельности микробного пула пашни .

Чтобы оценить степень агрогенного влияния на активность различных ферментов и определить общую ферментативную активность каждой агроэкосистемы в сопоставимых единицах, нами была использована методика О.В. Енкиной . Более точно судить об уровне ферментативной активности отдельных агрофонов, интерпретировав обширный экспериментальный материал, возможно, если сравнить их активность с контролем (в нашем случае с почвой природных экосистем), принимая показатели их ферментативной активности за 100 %. То есть, степень влияния антропогенной нагрузки на различные группы ферментов отражается отношением показателей их активности в агросистемах к природным аналогам (табл. 4).

В результате исследований установлено, что в большинстве дерново-подзолистых почв региона уровень ферментативной активности агроландшафтов ниже, чем в их природных аналогах. Ферментативный потенциал дерново-подзолистой почвы в опыте 1 (Кострома) снизился на 31 % по сравнению с контролем, а в опыте 3 (Иваново) - на 24 %. На изучаемых фонах в этих опытах вносились средние и высокие дозы минеральных удобрений. Длительное применение минеральных удобрений, особенно азотных, часто нарушает экологический фон для размножения полезных микроорганизмов на почвах с низким потенциальным плодородием. Это, как правило, происходит за счет подкисления почвенного раствора, присутствия в почвенно-поглощающем комплексе ионов алюминия и железа, корневых выделений растений, вызывающих активное размножение микроскопических грибов, способствующих увеличению биологической токсичности почвы . Негативные изменения при этом сопровождаются не только перестройкой структуры микробоценоза, но и снижением ферментативной активности почвы, потерей потенциального и эффективного плодородия.

Таблица 4

Уровень ферментативной активности почв агросистем (в % к почве природных экосистем)

Место отбора проб

Агроэкосистемы

Каталаза

Инвертаза

Средний показатель активности ферментов

Кострома

Лес (контроль)

Нулевой фон

Нормальный

Интенсивный

В среднем по опыту,%

Лес (контроль)

Нормальный

Нормальный

В среднем по опыту,%

Высокоинтенсивный минеральный

Высокоинтенсивный органоминеральный

В среднем по опыту,%

Таким образом, основные показатели ферментативной активности дерново- подзолистых почв, связанные с их эффективным плодородием, более высоки в природных экосистемах, чем в почвах пашни.

При повышенном уровне плодородия почвы влияние агрогенных факторов на ферментативный потенциал почвы несколько сглаживается. Это мы наблюдаем в агросистемах серой лесной почвы. Установлено, что в течение 3-х лет исследований самый высокий ферментативный потенциал сформировался на среднем фоне - 108 %. Средние дозы минеральных и органических удобрений (40 т/га навоза 1 раз в 6 лет) обусловили повышение каталазной и инвертазной активности почвы, что характеризует активизацию процессов синтеза гумусовых веществ.

Заключение

Установлено, что на серой лесной почве изучаемый уровень агрогенной нагрузки не оказал негативного влияния на активность почвенных ферментов, а, наоборот, наблюдается тенденция повышения их активности на пашне, что сопровождается интенсификацией общей активности биологических процессов в почве по сравнению с залежью. Интенсивность воздействия на почвенный покров разнообразными технологическими приемами проявилась в снижении показателей ферментативной активности дерново-подзолистых почв. В экологическом плане эти результаты можно считать признаком ответной реакции почвенного покрова на внешние нагрузки антропогенного характера.

В целях рационального использования и охраны плодородия почв показатели ферментативной активности необходимо использовать при проведении биомониторинга и биодиагностики почв. Это особенно важно при проведении производственных задач в сельском хозяйстве.

Библиографическая ссылка

Зинченко М.К., Зинченко С.И., Борин А.А., Камнева О.П. ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ АГРАРНЫХ ПОЧВ ВЕРХНЕВОЛЖЬЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2017. – № 3.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=26458 (дата обращения: 01.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»