ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ

Устойчивое, безопасное и продуктивное существование почвы возможно, когда ее биологические, биохимические, физические и химические свойства взаимосвязаны друг с другом и способствуют поддержанию всех процессов протекающих в ней. Среди этих свойств фундаментальную роль играет активность почвенных ферментов, важнейших посредников многочисленных химических реакций, вовлеченных в круговорот питательных веществ почвы; трансформацию растительных и животных остатков; минерализацию и трансформацию органического вещества в круговороте углерода, трансформацию и деградацию потенциально опасных загрязняющих веществ, и, следовательно, восстановление и рекультивацию загрязненных почв и др. Таким образом, ферменты почвы участвуют и контролируют протекание всех важнейших для сельскохозяйственного производства процессов и, таким образом, они могут быть использованы в качестве информативных здоровья и качества почвы (Enzymes in Agricultural Sciences, 2014).

Разнообразие и богатство ферментов в почве позволяет осуществляться последовательным биохимическим превращениям различных поступающих органических остатков. Ферментативная активность затрагивает наиболее важные повторяющиеся превращения в биохимических циклах углерода, азота, фосфора, серы и других соединений. Функциональная роль ферментов как катализаторов в почвенных процессах огромна. В почве функционируют системы ферментов, последовательно осуществляющие биохимические реакции, выполняющие материальные и энергетические обмены, в основе которых лежат синтетические и деструктивные функции. Под действием ферментов органические вещества почвы распадаются до различных промежуточных и конечных продуктов минерализации. При этом образуются доступные растениям и микроорганизмам питательные вещества, а также высвобождается энергия (Вальков и др., 2008).

Ферменты почвы - посредники и катализаторы важных функций почвы, которые включают: (1) разложений органических остатков; (2) преобразований почвенного органического вещества; (3) производство неорганических питательных веществ необходимых для роста растения; (4) N2 фик сация; (5) детоксикация ксенобиотиков; (6) нитрификация; и (7) денитрификация (Dick, 1997).

Ферменты присутствуют в двух общих местоположениях в почвах; связанные с жизнеспособными клетками (внутриклеточные ферменты) или как внеклеточные ферменты. Функция внутриклеточных ферментов связана с их центральной ролью в неисчислимых жизненных процессах клеток. Внеклеточные или абиотические ферменты как определено Skujins (1976) -находящиеся вне живых клеток.

Свойственная трудность изучения ферментов почвы - то, что только небольшое количество всех найденных в почве ферментов, может быть извлечено из нее. Более сильные экстрактанты в основном денатурируют белки, разрушают стереоспецифическую структуру ферментов, которая является необходимой для биохимических реакций. Следовательно, большинство исследований ферментов почвы проводится с помощью измерения их активности непосредственно в почве (Dick, 1997).

Есть ряд проблем связанных с определением ферментов в почве. Первая: определение ферментов чаще всего проводится, с добавлением раствора субстрата известной концентрации к известному количеству почвы с измерением степени преобразования субстрата в продукты. Это осуществляется при строгом соблюдении набора условий, включающем температуру, буфер pH, и ионная сила. Таким образом, результаты определяются условиями, и любое изменение условий изменит активность. Это означает, что измеряется потенциальная активность ферментов при оптимальных условиях, а не реальная активность, потому что условия определения весьма отличаются от таковых в естественной среде, особенно концентрация субстрата, которая насыщает систему (Dick, 1997).

Вторая: ферментативная активность абиотических или внеклеточных ферментов не может быть отделена от живущих клеток. При определении активности ферментов, особенно с длинным инкубационным периодом, используют антисептики типа толуола, чтобы ингибировать микробный рост и метаболизм в течение опыта (Tabatabai, 1994). При этом не ингибируется активность существующих ранее ферментов в жизнеспособных клетках. Другие процедуры с использованием антибиотиков или облучения, избирательной проницательности, не имели успеха в четком разделении между активностями фермента жизнеспособных клеток и абиотических ферментов. Эти и другие подходы обеспечивают косвенное свидетельство, что ферменты вне жизнеспособных клеток устойчивы в матрице почвы (Skujins, 1978). Кроме того, определение микробиологической биомассы, основанное на учете активности ферментов почвы, намного превышает возможную в почве численность бактерий или грибкового мицелия (Ramirez-Martinez, McLaren, 1966).

Кроме нескольких ферментов, таких как дегидрогеназа, большинство ферментов, изученных в почвах, имеет значительную часть ферментативной активности абиотического происхождения. Эти ферменты входят в матрицу почвы как внеклеточные ферменты, выделенные в почвенном растворе, или освобожденные в результате лизиса клетки или как часть остатков клетки. Кажется вероятным, что огромное большинство внеклеточных ферментов, поступивших в почву, выживает в течение только короткого времени и оперативно разлагаются или денатурализуются. Однако некоторые из этих ферментов устойчивы в матрице почвы и остаются катализаторами (Skujins, 1978). Абиотические ферменты могут существовать как стабильные в двух местоположениях: (i) адсорбируемые к внутренним или внешним поверхностям глины; и (ii) в комплексе с гуминовыми коллоидами через адсорбцию, захват, или сополимеризацию в ходе генезиса гуминового вещества (Boyd, Mortland, 1990). Ферменты могут быть связаны с гуминовыми веществами почвы или минеральными поверхностями через ионные или водородные связи. Но только маленькое количество общей активности связано с ферментами таких связей (McLaren, 1975). Более важная форма соединения ферментов в почвах - ковалентные связи с гумусовыми компонентами (Gosewinkel. Broadbent, 1986).

Ферментативная активность, связанная с цитоплазматическими функциями играет важную роль в процессах жизни почвенных организмов. Ферменты, выделенные микроорганизмами в почвенный раствор, могут быть важны: (i) в гидролизе субстратов, которые являются слишком большими или нерастворимыми, чтобы быть использованы непосредственно клетками; (ii) в детоксикации окружающей среды; или (iii) в создании, другими способами, благоприятной окружающей среды для выживания организма. Экологическая функция абиотических ферментов, которые стабилизированы в почвенной матрице или в остатках клеток, менее ясна. Burns (1982) выдвинул гипотезу, что комплексы гумус-фермент могут быть важны для субстратного катализа некоторых организмов. Продукты, полученные с помощью ферментов почвы, могут быть усвоены микроорганизмами или разрушаться далее другими ферментами почвы. Это может быть выгодно для микробных клеток, не имеющих способности индуцировать или продуцировать определенные ферменты, расположенных на поверхности гуминового коллоида, содержащего множество молекул фермента, и позволяет получать пользу от организмов, выделяющих внеклеточные ферменты (Dick, 1997).

Различия в активности ферментов могут быть связаны с биотическим и абиотическим вкладом в общую активность почвенных ферментов. Общий ферментный пул почвы состоит из сложного комплекса источников по локализации, составу и состоянию ферментов. Выделяют следующие составляющие (категории) ферментного пула в почве (Skujins, 1978; Burns, 1982; Хазиев, 2005):

  • 1. Ферменты, функционирующие внутри цитоплазмы живых микробных, животных и растительных клеток и осуществляющие основные метаболические процессы в них (например, гликолиз, цикл Кребса, окислительное фосфорилирование и др.). Все внутриклеточные ферменты грамполо-жительных бактерий относятся к этой группе. Вне клетки эти ферменты не могут функционировать, так как они связаны с различными кофакторами и физиологическими функциями клеток. При выделении во внешнюю среду после смерти и разрушения клеток эти ферменты могут оставаться в активном состоянии и поступать в фонд почвенных ферментов.
  • 2. Ферменты, находящиеся в периплазматическом пространстве живых грамотрицательных бактерий. При выделении через разрушающиеся клеточные стенки эти ферменты могут оказаться в различном состоянии: адсорбироваться или подвергаться протеолизу.
  • 3. Ферменты, прикрепленные к внешней поверхности живых клеток, активные центры которых свободны и направлены наружу. Эти связанные с клетками ферменты обычно относят к внеклеточным. Сюда же относятся ферменты, находящиеся в бактериальных и внекорневых слизях.
  • 4. Ферменты, выделяемые живыми клетками в течение нормального роста и деления, которые оказываются в жидкой фазе почвы. Они действительно внеклеточные ферменты, главным образом имеющие низкий молекулярный вес (20 000-40 000) и продуцируемые обильно грамположитель-ными бактериями, грибами и корнями растений. Их внеклеточная секреция связана с выполнением определённых функций: гидролиз высокомолекулярных или нерастворимых соединений; разрушение потенциально экзогенных токсинов; растворение ткани хозяина перед инвазией патогена; растворение питательных соединений; стимулирование взаимоблагоприятных реакций с другими видами организмов. Часть этих ферментов может иммобилизоваться в почве.
  • 5. Ферменты внутри недедящихся клеток. Это - споры грибов, цисты протозоа, семена растений, эндоспоры бактерий.
  • 6. Ферменты, связанные (а) внутри мертвых клеток и (б) с клеточными осколками. Постоянное поступление их в почву обеспечивает определённый уровень ферментативной активности, связанный с этими компонентами.
  • 7. Ферменты, выделяющиеся из функционирующих клеток или из лизирующихся клеток. Первоначально эти ферменты локализованы и функционируют на поверхности или внутри клеток. В почвенном растворе могут сохраняться в течение короткого периода. Многие гидролазы относятся к этой категории.
  • 8. Ферменты, связанные временно в растворимые или нерастворимые фермент-субстратные комплексы.
  • 9. Ферменты, которые адсорбированы на глинистых минералах на их внешней поверхности или внутри решётчатых структур силикатов. Ферменты, адсорбированные глинами, могут сохранить, или не сохранить каталитическую способность.
  • 10. Ферменты, которые связаны с гумусовыми коллоидами благодаря адсорбции, сополимеризации при образовании гумусовых веществ. Ферменты, иммобилизованные на почвенных коллоидах, имеют более длинный период полураспада, чем ферменты, находящиеся в одной фазе почвы. Внеклеточные ферменты в категории 10 и в меньшей степени категории 9 могут сохраняться в течение длительного периода в почве, отложениях и на суспендированных частицах в морской и пресноводной средах (Burns, 1982).

При интерпретации показателей ферментативной активности почв, определяемых экспериментально, проблемой является установить, к какой категории из указанных составляющих общего ферментного пула почвы относится эта активность. Это принципиально важная задача для фундаментального изучения почвенного метаболизма с участием ферментов. Дело в том, что распределение ферментов между различными категориями локализации не постоянное, изменяется во времени и неодинаково для различных ферментов. Многие из этих категорий представляют различные стадии "жизни" (функционирования) фермента в почве (Burns, 1982). Так, внутриклеточные ферменты живых организмов после их смерти и лизиса клеток и связанные с клеточными осколками оказываются в водной фазе почвы и в дальнейшем адсорбируются глинистыми поверхностями. Таким образом, например, ферменты в категории 7, бывшие прежде в категориях 1, 2 или 3, впоследствии могут переходить в категории 9 и 10, т.е. в иммобилизованные в почвенных компонентах состояния (Burns, 1982; Хазиев, 2005).

Для объединения различных категорий ферментов в группы по их состоянию в почве предложены следующие интегральные термины: для ферментов в категориях 5-10 - "накопленные ферменты", в категориях 4-10 -"абиотические" (Skujins, 1978) (не имеющие в данное время связи с живыми клетками организмов) и для относящихся к категориям 9 и 10 - "связанные в почве" (soil-bound) или "иммобилизованные" ферменты. Эти три группы ферментов составляют потенциально активный и динамичный ферментный фонд почвы и с некоторой условностью их можно назвать почвенными ферментами, определяющими ферментативную активность почвы (Bums, 1982; Хазиев, 2005).

В таблице 1 приведены основные группы наиболее часто используемых ферментов и их экологические функции (Dick, 1997).

Многие авторы рекомендуют биохимические свойства почв в качестве диагностических показателей из-за их способности незамедлительно реагировать на экологический стресс (Dalal, 1998). Например, активность почвенных ферментов очень чувствительна к стрессу в экосистемах и могут служить в качестве индикатора здоровья и устойчивости экосистем, находящихся под антропогенным прессом (Bergstrom et al., 1998; Dick, 1994; Dick and Tabatabai, 1992).

Активность ферментов является более устойчивым и чувствительным показателем биогенности почв, чем интенсивность микробиологических процессов и продуцирование почвой углекислого газа (дыхание), численность и состав микрофлоры и фауны (Галстян, 1982).

Наибольшую эффективность методы ферментативной активности почв имеют при диагностике сельскохозяйственного использования, загрязнения тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами, гидроморфизма и ионизирующих излучений (Даденко, 2013).

Важнейшую роль в почвенной биодинамике играют два класса ферментов: оксидоредуктазы и гидролазы. Это наиболее изученные классы почвенных ферментов.

В обмене веществ и энергии в почве важное место принадлежит окислительно-восстановительным ферментам. В основе синтеза гумусовых компонентов почвы лежат восстановительные процессы, в которых участвуют соответствующие ферменты. Различные фенольные соединения растительных остатков после их окисления при участии оксидаз переходят в биохимически активную хиноидную форму и впоследствии в результате реакций конденсации, полимеризации и связывания с азоторганическими соединениями образуют молекулы гуминовых кислот (Кононова, 1961; Хазиев, 2005).

Таблица 1

Основные почвенные ферменты и их экологические функции и роль

Номер комиссии, подгруппы

Фермент

Экологические функции и роль в почве

Оксидоредуктазы

1.1

Дегидрогеназы

Существуют, как неотъемлемая часть живой клетки отражают общую окислительную активность почвенных микроорганизмов важную в окислении органического вещества почвы. Реакции дегидрирования органических веществ.

1.1

Г л юкозооксидаза

Метаболизм углеводов в почве. Окисление глюкозы.

1.11

Каталаза

Разложение перекиси водорода. Разрушение токсичной для организмов перекиси.

Пероксидаза

Окисление органических веществ почвы за чет кислорода перекиси водорода. Участие в образовании гумуса.

1.10

Полифенолокси-даза

Окисляет фенольные соединения в компоненты гумуса и т.о. вовлечены в процесс гумификации

Г идролазы

3.1

Фосфатаза

Отщепляет доступный для растений РО4 из фосфорорганического вещества

Сульфатаза

Отщепляет доступный для растений SO, из сероорганических веществ почвы

3.2

Амилаза

Гидролизуют крахмал в мальтозу

Целлюлаза

Гидролиз 1,4-0-глюконовых связей в целлюлозе, основной компонент растительных волокон

Ксиланаза

Гидролиз ксилана входящего в состав гемицеллюлоз. Круговорот углерода.

0- и а-

глюкозидаза

Гидролиз глюкозидов с образованием глюкозы. Энергетический материал для почвенных микроорганизмов.

0- и а-

галактозидаза

Гидролизует а-галактозиды (мелибиозы, рафинозы) и галактозы (лактаза) соответственно.

Инвертаза, сахараза

Гидролизует сахарозу до глюкозы и фруктозы. Энергетический материал для почвенных микроорганизмов.

3.4

Протеиназа

Гидролизует белки, освобождая аминокислоты важные в круговороте азота и N минерализации

Пептидаза

Гидролизует полипептиды и дипептиды, освобождая аминокислоты важные в круговороте азота и N минерализации

Продолжение таблицы 1

Номер комиссии, подгруппы

Фермент

Экологические функции и роль в почве

3.5

Аспарагиназа, глутаминаза

Действует на C-N связи (кроме пептидных связей) соответствующих аминокислот высвобождая NHj важный для N минерализации и обеспечивая растения доступным N

Амидаза

Гидролиз C-N связей амидов высвобождение NH3 необходимый для N минерализации. Обеспечение растений доступной формой N

Уреаза

Принадлежит к группе ферментов, действующих на C-N связи мочевины (источник удобрений и основная составляющая в моче пастбищных животных)

3.5

Арилациламидаза

Гидролизует широкий спектр гербицидов

Трансферазы

2.4

Дскстрансахараза

Гидролизует сахарозу, высвобождая глюкозу и фруктозу

2.8

Тиосульфат S-трансфераза (ро-данеза)

Участвует в промежуточной реакции окисления элементарной серы, которая в небольших количествах находится в почве или поступает как S удобрения

Лиазы

4.1

Глутаматдекарбоксилаза

а-декарбоксилирование глутаминовой кислоты

4.1

Тирозин декарбоксилаза

Гидролизует тирозин, продукт протеиназной активности и участвует в минерализации N

4.3

L-гистидин-аммиак-лиаза (гистидиназа)

Дезаминирует L-гистидин с образованием уроканата и аммиака, участвует в минерализации N

Ферменты широкого спектра действия

Флуоресцеин диацетат гидролаза

Представляет общий показатель гидролитической активности почвы путем анализа гидролиза 3',3'-диметил флуоресцеина, который осуществляется с помощью протеазы, липазы и эстеразы

Каталаза - одна из самых распространенных почвенных оксидоредуктаз. Каталаза (от греч. «katalio» - разрушаю) катализирует окислительно-восстановительную реакцию, в ходе которой из двух молекул ядовитой для организма перекиси водорода образуется вода и кислород.

В некоторых работах по изучению каталазной активности почв отмечалось, что преимущественно биогенная природа разложения перекисей в почве сомнительна. Установлено, что многие почвенные горизонты обладают существенным запасом неорганических катализаторов и недоокисленных соединений, которых начинают играть существенную роль в формировании так называемой псевдокаталазной активности (Зубкова, Карпа-чевский, 1979, 2001; Тульская, Звягинцев, 1981; Семиколенных, 2001).

По сути, существует две точки зрения на природу каталазной активности в почве. Первая из них гласит, что каталаза иммобилизуется различными почвенными компонентами, после чего приобретает устойчивость, не теряя полностью своей активности. Это позволяет говорить, что каталазная активность - устойчивый показатель (Алиев, 1975; Тульская, Звягинцев. 1981; Хазиев 1986; Семиколенных, 2001).

В иностранной литературе также есть подтверждение этой точки зрения. Поступая в почву, каталаза иммобилизуется на поверхности глинистых минералов или связывается с органическими коллоидами (Perez-Mateos et al., 1985; Serban et al., 1986.). Таким образом, способность к разложению экзогенной Н2О2 в почве может также включать каталитическое действие "абиотических" внеклеточных каталаз. Активность фермента не связана с микробной активностью и, следовательно, достаточно устойчива и, возможно, не чувствительна к условиям окружающей среды (Nannipieri et al., 1996).

Другая точка зрения рассматривает каталазную активность почвы как проявление функционирование микробного комплекса, а именно, организмов, находящихся в активной форме и присутствующих в образце на момент определения показателя. В этом случае каталазная активность должна оказаться высоко динамичной характеристикой и следовать за изменениями биомассы организмов (Воробьева, 1978; Семиколенных, 2001).

Эту точку зрения также подтверждает ряд исследований иностранных авторов. Активность каталазы считается показателем аэробной микробиологической активности и связана с количеством аэробных микроорганизмов и плодородием почвы (Trasar-Cepeda, 1999). Она может быть связана с метаболической активностью аэробных организмов (Glinsky et al., 1986; Kizilkaya et al., 2004; Kizilkaya, Hep§en, 2007) Ее активность коррелирует с численностью бактерий и грибов, катионообменной способностью, активностью дегидрогеназы (Rodriguez-Kabana, Truelove, 1970, 1982).

Активность каталазы демонстрирует значительную корреляцию с содержанием органического углерода, микробной биомассой, потреблением кислорода, эмиссией углекислого газа и активностью дегидрогеназы (Margesin et al., 2000).

Активность каталазы в почве в большей степени зависит от воздушного режима, гранулометрического состава почв, окислительно-восстановительного потенциала (Алиев, 1975; Тульская, Звягинцев, 1981; Хазиев 1986).

Одни авторы (Liu et al., 2006) отмечают отсутствие зависимости активности каталазы от типа землепользования, другие наоборот отметили ее изменчивость на землях разного использования (Shi et al., 2008).

Активность каталазы показала очень хорошие результаты в качестве диагностического показателя состояния почв (Даденко, Денисова и др., 2013). Данный фермент чувствителен, и на воздействие большинства изучаемых факторов (загрязнение нефтью и нефтепродуктами, тяжелыми металлами, воздействие ионизирующих излучений, гидроморфизма и др.), кроме сельскохозяйственного использования и загрязнения пестицидами, он реагировал в сторону снижения активности.

Широкое использование каталазной активности при бимониторинге и биодиагностике почвенного покрова объясняется тем, что метод ее определения прост в применении, позволяет проводить большие объемы работ и отличается точностью воспроизведения. Уровень активности каталазы является эффективным эколого-биологическим диагностическим показателем при изучении различных видов антропогенного воздействия (Даденко, Денисова и др., 2013)

Дегидрогеназы катализируют реакции отщепления водорода, т.е. дегидрирования органических веществ, и играют роль промежуточных переносчиков водорода. Дегидрогеназа действует в анаэробных условиях. Так как дегидрогеназа существует только в живых клетках, ее активность зависит от биомассы и активности микроорганизмов в почве (Bums, 1982; Bandick et al., 1999; Microbiological Methods For..., 2006).

Дегидрогеназы катализируют широкий спектр окислительных реакций, ответственных за деградацию почвенного органического вещества (Margesin др., 2000). Почвенные дегидрогеназы могут отражать изменения в дыхательной активности микроорганизмов в ответ на изменения в окружающей среде почвы (Schinner et al., 1996).

Некоторые экологические факторы, в том числе влажность почвы, наличие кислорода, окислительно-восстановительный потенциал, pH, содержание органического вещества, глубина почвенного профиля, температура, сезон года, загрязнение тяжелыми металлами и применение удобрений или пестицидов могут существенно влиять на активность дегидрогеназы в почвенной среде (Wolinska, Ste pniewska 2012).

Бремнер и Табатабай (Bremner. Tabatabai, 1973) обнаружили, что некоторые наиболее часто встречаемые анионы в почве, такие как нитрат ион, могут снижать значения активности дегидрогеназы, также выступая в качестве альтернативных акцепторов водорода. Еще одной проблемой данного является то, что медь также может в ходе аналитической процедуры занижать значения активности дегидрогеназы (Chander and Brookes, 1991).

Показатель активности дегидрогеназы очень чувствителен и на большинство антропогенных воздействий реагирует в сторону снижения его активности. Использование данного фермента приемлемо для диагностики последствий сельскохозяйственного использования, переувлажнения, загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами, тяжелыми металлами, воздействия ионизирующих излучений (Даденко и др., 2013).

Определение активности полифенолоксидазы и пероксидазы, участвующих в процессах гумусообразования, является дополнительной характеристикой процессов синтеза и распада гумусовых веществ. Полифено-локсидаза 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 (Кононова, 1963).

Пероксидаза - фермент, осуществляющий окисление органических веществ почв за счет кислорода воздуха и перекиси водорода; его влияние направлено на окисление гумусовых веществ. Пероксидазы участвуют в деградации лигнина, удаление перекиси водорода в клетке и окислении токсичных веществ.

Полифеиолоксидаза - фермент, участвующий в превращении органических соединений ароматического ряда в компоненты гумуса (Гулько, Хазиев, 1992; Зенова и др., 2002; Сулейманов и др., 2012). Полифенолоксидаза играет ключевую роль в круговороте ароматических соединений.

Микроорганизмы и растения производят внеклеточные и внутриклеточные фенолоксидазы для различных целей. Растения используют фено-локсидазы для синтеза лигнина и других вторичных соединений. Многие грибы, но особенно аскомицеты и базидиомицеты используют внутриклеточные фенолоксидазы для синтеза защитных соединений, таких как меланин, часто в сочетании со спорообразованием или других морфогенетических процессов. Некоторые организмы используют внеклеточные фенолоксидазы для разрушения лигнина и перегноя, для получения углерода и других питательных веществ. Внеклеточные фенолоксидазы вводятся в действие грибами и бактериями, чтобы нейтрализовать токсичность фенольных молекул и ионов металлов, и для антибактериальной защиты. Но независимо от их происхождения и начальной функции, фенолоксидазы выпущенные в окружающую среду путем секреции или лизиса клеток являются независимыми агентами, которые катализируют неспецифические реакции, в том числе окисления Мп и Fe, которые могут полимеризовать, деполимеризовать или трансформировать широкий спектр фенольных молекул. Эти реакции, в свою очередь, влияют на активность и состав почвенного микробного сообщества, потому что фенольные молекулы по своей природе токсичны (Sinsabaugh, 2010).

Активность полифенолоксидазы и пероксидазы зависит от влажности и температуры, а также от доступности питательных веществ и содержания гумуса (Sinsabaugh et al., 2008). Уровень активности фенолоксидаз и пероксидаз может изменяться в зависимости от содержания органического вещества и климата. Низкое содержание органического вещества почвы и засушливые условия могут стабилизировать активность (Stursova, Sinsabaugh, 2008), в то время как влажный климат и высокое содержание гумуса может уменьшить эффективную жизнь фермента (Sinsabaugh, 2010).

Экспрессия пероксидазы и полифенолоксидазы повышается в ответ на окислительный стресс, т.е. увеличение концентрации активных форм кислорода, который может быть создан с помощью различных комбинаций содержания кислорода и питательных веществ (Rabinovich et al., 2004).

Гидролазы представляют обширный класс ферментов, осуществляющих реакции гидролиза разнообразных сложных органических соединений, действуя на различные связи: сложноэфирные, глюкозидные, амидные, пептидные и др. Гидролазы широко распространены в почвах и играют важную роль в обогащении их подвижными и достаточными для растений и микроорганизмов питательными веществами, разрушая высокомолекулярные органические соединения. К этому классу относятся ферменты уреаза (амидаза), инвертаза (карбогидраза), фосфатаза (фосфогидролаза) и др., активность которых является важнейшим показателем биологической активности почв (Звягинцев, 1980).

Фосфор (Р) является основным питательным веществом для всех живых организмов, компонентом жизненно важных макромолекул, в том числе нуклеиновых кислот и фосфолипидов, необходимым условием для энергии, роста и развития (Hammond, White, 2008). Недостаток фосфора ограничивает рост растений в природных сообществах и агроценозах (Fraser et al., 2015).

Органический фосфор составляет значительную долю от общего фосфора в почве и является важным его источником для растений и микроорганизмов. Органический фосфор должен быть преобразован в неорганической, прежде чем он может быть использован. Почвенные микроорганизмы являются ключевыми факторами биохимического цикла фосфора, через экскреции внеклеточных ферментов, таких как фосфатазы. Фосфатазы -широкая группа ферментов, которые преобразуют органический Р в фосфаты (Sharpley, 1985; Tarafdar, Jungk, 1987). Фосфатазы способны гидролизовать сложноэфирные фосфатные связи (Nannipieri et al., 2011).

Большинство из встречающихся в почве органофосфатов непосредственно растениями не усваивается. Их поглощению предшествует ферментативный гидролиз, осуществляемый фосфогидролазами. Субстратами почвенных фосфатаз являются специфические гумусовые вещества, включающие фосфор гумусовых кислот, а также не специфические индивидуальные соединения, представленные нуклеиновыми кислотами, фосфолипидами и фосфопротеинами, а также метаболическими фосфатами. Первые накапливаются в почве в результате биогенеза гумусовых веществ, вторые, как правило, поступают в почву с растительными остатками и накапливаются в ней, как продукты промежуточных метаболических реакций.

Роль высших растений в формировании фосфатазного пула сельскохозяйственно освоенных почв ниже, чем микроорганизмов и связана в основном с поступлением в почву пожнивных остатков и корневых выделений (Арзамазова, 2004). С. Н. Ивлеева и Т. А. Щербакова (1994), исследовали в вегетационном опыте влияние различных сельскохозяйственных культур на активность гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов. Активность фосфатазы оказалась примерно одинаковой под всеми культурами: ячменем, картофелем и черным паром и лишь немного больше под многолетними травами, тогда как активность других ферментов значительно различалась в зависимости от характера использования почв.

Фосфатазная активность почвы определяется ее генетическими особенностями, физико-химическими свойствами и уровнем культуры земледелия. Суммарная фосфатазная активность почвы зависит от содержания гумуса и органического фосфора, который является субстратом для фермента. Наиболее высокой фосфатазной активностью характеризуются черноземы. В дерново-подзолистых и серых лесных почвах активность фосфатазы невелика. Низкая активность этих кислых почв обусловлена более сильной адсорбцией фосфатаз почвенными минералами. Вследствие малого содержания органического вещества в таких почвах адсорбирующая поверхность минералов больше обнажена по сравнению с высокогумусными черноземами, где глинистые минералы покрыты гумифицированным органическим веществом (Арзамазова, 2004).

Активность фосфатазы динамична в течение вегетационного периода. В активные фазы роста растений при высокой температуре почвы и достаточной влажности в летние месяцы фосфатазная активность почв максимальна (Евдокимова, 1989; Арзамазова, 2004).

Включение почв в севооборот создает условия для улучшения гидролитических процессов, что приводит к увеличению метаболизма фосфорных соединений. (Евдокимова, 1992; Арзамазова, 2004). Максимальный вклад в формирование фосфатазного пула под естественной растительностью вносят микроорганизмы и растительные остатки в качестве субстрата (Раськова, 1994).

Инвертаза катализирует гидролиз дисахаридов до моносахаридов и играет важную роль в освобождении сахаров с низкой молекулярной массой - важнейшего источника энергии для микроорганизмов. Активность инвертазы в почве рекомендовано использовать как показатель преобразования питательных веществ, метаболизма энергии и деградации загрязнителей (Nannipieri et al., 1990).

Инвертаза частично отвечает за расщепление растительного опада в почвах. Добавление растительных остатков может стимулировать секрецию инвертазы микроорганизмами почвы. Подстилка содержит большое количество растворимых углеводов, которые могут стимулировать активность микроорганизмов и синтез инвертазы. Соотношение C/N в растительном опаде, влияет на уровень органического углерода почвы, через изменения в численности и биомассе микроорганизмов и активности инвертазы почвы (Katsalirou et al., 2010).

Активность инвертазы - один из наиболее устойчивых показателей, обнаруживающий наиболее четкие коррелятивные связи с воздействующими факторами. Исследованиями А.Ш. Галстяна (1966, 1974) установлена корреляция инвертазы с активностью других почвенных карбогидраз. Инвертазная активность в почве убывает вниз по профилю и положительно связана с содержанием гумуса.

По сообщению А.Ш. Галстяна (1974) почвы с тяжелым гранулометрическим составом обладают более высокой ферментативной активностью. Однако имеются сообщения, что инвертаза заметно инактивируется при адсорбции глинистыми минералами и почвы с высоким содержанием монтмориллонита обладают низкой инвертазной активностью. Зависимость инвертазной активности от влажности и температуры почвы исследована недостаточно, хотя многие авторы объясняют сезонные изменения активности гидротермическими условиями. Влияние температуры на потенциальную активность инвертазы подробно исследовал А.Ш. Галстян (1975), установив оптимум при температуре около 60°, порог инактивации фермента после прогревания почв при 70° и полную инактивацию после трехчасового прогревания при 180°С.

Z.J. Shi с соавторами (2008) отмечают что инвертаза может быть использована в качестве эффективного индикатора качества почвы. Ее активность значительно зависит от типа землепользования. Активность инвертазы значительно и положительно коррелирует с содержанием органического углерода почвы, а также с другими биологическими и химическими показателями (Wang et al. 2003).

Активность инвертазы в пахотных почвах не зависит от микробной биомассы и активности (Katsalirou et al., 2010). Но показывает значительную зависимость от растительной компоненты и часто коррелирует с плотностью растений и их составом. Различие в поведении инвертазы в почвах под разными культурами может быть связано с различиями в источниках субстрата. Pancholy с соавторами (1973) предположили, что тип органического вещества, поступающего в почву из различных источников, изменяет доступность субстрата.

Активность инвертазы оказалась малочувствительной к загрязнению почвы тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами и пестицидами. Большую чувствительность инвертаза продемонстрировала при оценке последствий воздействия ионизирующих загрязнений и гидроморфизма (Да-денко и др., 2013).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >