Ферментативная активность почвы и способы ее определения

ВВЕДЕНИЕ

Ферментативная активность характеризует потенциальную способность почвы осуществлять различные биохимические реакции.
Почвенные ферменты являются высокомолекулярными белковыми веществами, находящимися в неподвижном состоянии в твердой фазе или стабилизированные в почвенном растворе. Источниками почвенных ферментов являются почвенные микроорганизмы и корневые выделения растений. Это природные биокатализаторы специфических процессов трансформации органических остатков и гумуса, которые включены в биохимические циклы углерода, азота, фосфора и других элементов [1].
В настоящее время уделяется большое внимание биохимическим процессам, происходящим в почве под воздействием ферментов, которые выделяются в результате жизнедеятельности микроорганизмов и корнями высших растений. Увеличение почвенного плодородия и урожайности сельскохозяйственных культур происходит не за счет интенсификации отдельных ферментативных процессов. В то же время активность ферментов может характеризовать биогенную активность почв, а, следовательно, и их плодородие. Активность почвенных ферментов, например каталазы, пероксидазы и полифенолоксидазы служит показателем интенсивности и направленности биохимических процессов в почве [2].
Как наиболее адекватно отражающий изменений свойств почв этот показатель успешно применяется при мониторинге динамики почв в условиях естественно-эволюционного развития и в результате антропогенных трансформаций.
Системы ферментов находятся и функционируют в почве, последовательно выполняют биохимические реакции, покомпонентные и энергетические обмены. Главная роль ферментов в почве заключается в том, что они реализуют функциональные связи между всеми звеньями экосистемы [3, 4].
1 ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ

Одним из основных факторов, влияющих на плодородие почвы, является ее ферментативная активность. Данный показатель может быть использован в качестве диагностического показателя плодородия различных почв, потому что активность ферментов отражает не только биологические свойства почвы, но и их изменения под влиянием агроэкологических факторов.
Ферментативная активность почв является одним из показателей биологической активности почвенной биоты, характеризующий потенциальную способность системы сохранять гомеостаз. Почвенно-энзимологические методы позволяют определять активность ферментов, находящихся в иммобилизованном состоянии на поверхности почвенных коллоидов и частично в почвенном растворе [2, 5].
Ферменты в почвах играют важную биогеохимическую роль. Являясь мощными катализаторами биохимических процессов, они обеспечивают успешное выполнение системой почва–микроорганизмы ее важнейшей планетарной функции – разрушение первичного органического вещества и синтез вторичного, обогащение почвы биогенными элементами и гумусом. Таким образом, ферменты участвуют в реализации важнейших биогеоценотических функций почвы – функции катализатора биохимических процессов и функции трансформатора веществ и энергии, находящихся в биогеоценозе или поступающих в него. Осуществляя функциональные связи между почвой и населяющими ее живыми организмами посредством механизмов материального и энергетического обмена, ферменты способствуют поддержанию целостности биогеоценоза, тем самым играя важную роль в экосистемных процессах и характеризуя качественное состояние почв.
Ферменты, находящиеся в почве, не являются продуктом химического синтеза, а поступают из живых организмов. Согласно системно-экологическому принципу анализа ферментативной активности, создание ферментного потенциала почвы и его динамика представляет собой единство процессов поступления ферментов в почву, их иммобилизации и активности в почве [3].
К наиболее важным почвенным фермента относят каталазы, уреазы, пероксидазы, дегидрогеназы, инвертазы, фосфатазы и протеазы.
Ферментативная активность почв является одним из объективных показателей суммарной биологической активности, отражающим интенсивность и направленность протекающих в ней биохимических процессов.
Ферментативная активность почв зависит от нескольких физико-химических свойств почв и ее состава [2, 3, 6].
1) Изучена зависимость ферментативной активности от физических свойств почв. Важнейшие свойства почв определяются гранулометрическим составом, в частности, абсорбционной способностью, которая определяет степень иммобилизации ферментов, поступающих в почву. Чем выше поглощающая способность почвы, тем больше ферментов адсорбируется. Большая часть ферментативного пула почв сосредоточена в мелких фракциях (менее 0,001 мм).
Аналогичная зависимость ферментативной активности наблюдается и от удельной поверхности почвы, которая напрямую зависит от гранулометрического состава и содержания гумуса. Почвы с более высокой удельной поверхностью, соответственно, с более высокой способностью к поглощению и иммобилизации ферментов, характеризуются более высокой активностью.
Различные структурные агрегаты почвы не равнозначны по ферментативной активности. Гидролитические ферменты локализованы в основном в микроагрегатах – во фракциях менее 0,25 мм, окислительно-восстановительные ферменты дегидрогеназа и каталаза – в более крупных агрегатах. Большей активностью характеризуются водопрочные агрегаты. Активность гидролитических ферментов выше на поверхности, дегидрогеназы и каталазы – внутри. агрегатов.
Существенную роль в ферментативной активности почвы играют состав газовой фазы и газовый режим в почве. В почвах при насыщении кислородом активность гидролитических ферментов и каталазы возрастает, дегидрогеназы – снижается, а насыщение почв СО2, N2, Н2 вызывает противоположное воздействие.
2) Зависимость ферментативной активности от физико-химических свойств почв. Основные физико-химические характеристики почв (рН, комплекс поглощения нефти, абсорбционная способность, состав поглощенных катионов, потенциал ОВП) в значительной степени определяют уровень ферментативной активности. Эти свойства связаны с закреплением и сохранением активности ферментов. Души с более высокой абсорбционной способностью, высокой насыщенностью абсорбирующего комплекса основанием (Ca, Mg) и средой, которая близка к нейтральной реакции, обладают более высокой ферментативной активностью [3].
3) Зависимость ферментативной активности от агрохимических свойств почв. Роль агрохимических свойств почв в формировании ферментного потенциала почвы рассматривается с различных позиций: как условия для жизнедеятельности продуцентов ферментов (микроорганизмов, растений) (трофические условия) и как среда для функционирования поступающих в почву ферментов в качестве активаторов или ингибиторов их. Особое значение, в данном случае, имеет содержание микроэлементов.
Связь ферментативной активности с устойчивыми химическими свойствами (например, валовой химический состав) четко не проявляется, наиболее тесная связь обнаруживается с динамичными агрохимическими свойствами - содержанием подвижных форм фосфора, азота и калия, особенно в условиях внесения в почву удобрений. Так, с содержанием подвижных форм фосфора, нитратов и аммония положительно коррелируют активность инвертазы, протеазы, уреазы, дегидрогеназы, фосфатазы. Однако высокое содержание фосфора подавляет фосфатазу. Наблюдается тесная взаимосвязь ферментативной активности с агрохимическими свойствами почв в их сезонной динамике. В целом уровень ферментативной активности характеризует состояние режима питания в почве.
4) Зависимость ферментативной активности от содержания гумуса. Гумус является основным компонентом почв, который определяет уровень ферментативной активности. Во всех случаях, на генетически различных почвах с разным содержанием гумуса, при изменениях в пределах почвенного профиля (понижение к нижней части), когда состояние гумуса изменяется под влиянием различных агротехнологий, в частности внесения в почву органического вещества, наблюдается положительная корреляция с содержанием гумуса. Таким образом, в зональных почвах активность фермента в черноземах выше, чем в серых лесных и дерново-подзолистых почвах; она повышается, когда почву обогащают гумусом путем внесения органических удобрений. Особенно тесные связи наблюдаются с содержанием и динамикой неспецифических органических соединений в составе гумуса, например, углеводов с инвертазой, азоторганических соединений с протеазой, фосфорорганических соединений с фосфатазой.
Существует тесная взаимосвязь между динамикой содержания органического вещества в почве и активностью пероксидазы и фенолоксидазы, действие которых связано с синтезом гумуса в почве. Влияние гумуса на ферментативную активность почвы многогранно, как косвенно, через его воздействие на продуценты ферментов, так и непосредственно на сами ферменты, поступающие в почву. Косвенная роль почвенного гумуса в создании ферментативной активности почвы проявляется в его влиянии на жизнедеятельность почвенных организмов и растений. С одной стороны, в гумусе аккумулированы основные запасы питательных веществ и биогенных зольных элементов, с другой стороны, гумус во многом определяет такие важные физико-химические и водные свойства почвы, как структурность, буферность, обменная способность, влагоемкость, водопроницаемость и др. Эти свойства почвы, определяющие пищевой, водный, тепловой и воздушный режимы, определяют интенсивность жизнедеятельности, физиологическое состояние и биомассу микроорганизмов и растений и тем самым поступление ферментов в почву.
Прямое действие почвенного гумуса на ферментативную активность основывается на связывании молекул ферментов с гумусовыми кислотами в почве, образуя фермент-гумусовые комплексы. При этом, ферменты в почве закрепляются, сохраняя свою активность, и становятся защищенными от воздействия протеаз микроорганизмов. Также может проявиться и ингибирующий эффект гуминовых кислот на активность ферментов [3].
5) Зависимость ферментативной активности от гидротермического режима. Температура и влажность являются наиболее важными из педоэкологических условий. Именно они определяют функционирование всех компонентов процесса формирования и динамического изменения ферментативной активности почв. Оптимальной температурой для активности ферментов в почвах является 50-60°С, выше и ниже которых активность снижается. Полная инактивация происходит при 100°С. При отрицательных значениях температуры актуальная активность практически не проявляется, при этом потенциальная активность сохраняется на исходном уровне.
Как избыток, так и недостаток влажности отрицательно сказываются на активности ферментов. Она наиболее сильно модифицируется при высушивании почвы. В воздушносухой почве активность снижается на 20-30 % и более, а при увлажнении восстанавливается.
В естественных условиях уровень ферментативная активность почв зависит от температуры воздуха и почвы, а также от количества атмосферных осадков и запасов воды в почве.
Различны оптимальные значения сочетания температуры и влажности для активности ферментов у почв, сформированных в различных климатических условиях. Наиболее благоприятные гидротермические условия создаются при сочетании температуры 20-30°С и влажности 40-60 % от полной влагоемкости. В почвах в лесостепной зоне ферментативная активность лимитируется преимущественно температурой, в южных степных почвах – влажностью [3].
6) Зависимость ферментативной активности от эрозии почв. При эрозии из почвы водно-воздушными потоками удаляются мелкодисперсные органо-минеральные фракции, где сосредоточена основная часть иммобилизованного ферментного пула почвы. В связи с этим эродированные почвы имеют пониженную ферментативную активность. Так, в слабо,- средне- и сильноэродированных серых лесных почвах активность инвертазы ниже на 25, 40, 50%, а в черноземе выщелоченном, соответственно, на 10, 24 и 40%. Относительное снижение ферментативной активности при эрозии в черноземах менее выражено при большей потере ферментного пула в связи с более высокой активностью и большей мощностью гумусового профиля этих почв. Степень эродированности почв наиболее адекватно отражают активность инвертазы и протеазы и эти ферменты рекомендуются как мониторинговые параметры. При проведении противоэрозионных мероприятий происходит повышение ферментативной активности почв [3].
Определение биологической активности почвы наряду с изучением физико-химических свойств является важнейшим диагностическим признаком ее состояния. Почвенные экосистемы загрязнены большим количеством химических соединений с различной структурой, свойствами и уровнем токсичности, попадающими в почву в результате антропогенного воздействия. Вносящими весомый вклад в загрязнение почв являются промышленные предприятия, теплоэнергетический комплекс, коммунальные стоки, сельское хозяйство, включая животноводство и растениеводство. Многие из загрязнителей аккумулируются в почве, тем самым оказывая негативное воздействие на окружающую среду.
На загрязнение почвы первой реагирует микробиота, при этом уже на начальных стадиях загрязнения может изменяться состав, численность микроорганизмов, их метаболизм, активность почвенных ферментов. Почвенная среда обладает уникальной природной способностью к очищению от загрязнений. Очищение происходит в результате многих физико-химических процессов, таких, как дисперсия, сорбция, испарение, гидролиз, окислительно-восстановительные реакции и др., но наиболее важную роль в разложении загрязняющих веществ играет биодеградация.
Почвенные ферменты являются важным элементом в процессе биологического разложения загрязняющих веществ. В последние десятилетия широко исследуется и обсуждается роль ферментов различного происхождения в осуществлении биогеохимических циклов. Почвенные ферменты катализируют специфические реакции, необходимые для восстановления загрязненных почв, причем скорость ферментативных процессов часто превышает скорость процессов с участием химических катализаторов.
Основная функция ферментов в загрязненной почве заключается в преобразовании поллютантов до простых и менее токсичных продуктов. Практическая значимость почвенных ферментов определяется развитием технологий, урбанизацией, климатическими изменениями, которые постоянно оказывают негативное воздействие на почву и окружающую среду в целом [7].
Выделяют следующий ряд функций почвенных ферментов:
1. участие в распаде органических остатков и минеральных соединений;
2. участие в биогенезе гумуса;
3. поддержка биохимического гомеостаза почвы;
4. роль ферментов в осуществлении биогеоценотических функций почв;
5. роль ферментов в почвенном метаболизме в условиях, неблагоприятных для жизнедеятельности микроорганизмов.
Уровень ферментативной активности почвы определяет не только биотический компонент, но и гидротермический режим, агрохимические и физико-химические свойства. В почвах агроценозов мощным фактором выступает антропогенное воздействие, например: механическая обработка, внесение минеральных и органических удобрений, химических средств защиты растений, стимуляторов роста. Большинство препаратов, которые используются человеком, обладают высокой активностью, поэтому даже в небольших количествах они могут оказывать влияние на уровень ферментативной активности почвы, изменяя его в ту или иную сторону [1, 4].