Біодіагностика ґрунтів з ферментативної активності. Поняття про ферментативну активність ґрунтів Системно-екологічний аналіз ферментативної активності ґрунтів

Ферменти – це каталізатори хімічних реакцій білкової природи, що відрізняються специфічністю дії щодо каталізу певних хімічних реакцій. Вони є продуктами біосинтезу всіх живих ґрунтових організмів: деревних та трав'янистих рослин, мохів, лишайників, водоростей, мікроорганізмів, найпростіших, комах, безхребетних та хребетних тварин, представлених у природній обстановці певними сукупностями – біоценозами.

Біосинтез ферментів у живих організмах здійснюється завдяки генетичним факторам, відповідальним за спадкову передачу типу обміну речовин та його пристосувальну мінливість. Ферменти є робочим апаратом, з якого реалізується дію генів. Вони каталізують в організмах тисячі хімічних реакцій, у тому числі складається клітинний обмін. Завдяки їм хімічні реакції в організмі здійснюються з швидкістю.

Нині відомо понад 900 ферментів. Їх поділяють на шість основних класів.

1. Оксиредуктази, що каталізують окисно-відновні реакції.

2. Трансферази, що каталізують реакції міжмолекулярного перенесення різних хімічних груп та залишків.

3. Гідролази, що каталізують реакції гідролітичного розщеплення внутрішньомолекулярних зв'язків.

4. Ліази, що каталізують реакції приєднання груп з подвійних зв'язків та зворотні реакції відриву таких груп.

5. Ізомерази, що каталізують реакції ізомеризації.

6. Лігази, що каталізують хімічні реакції з утворенням зв'язків за рахунок АТФ (аденозинтрифосфорної кислоти).

При відмиранні та перегниванні живих організмів частина їх ферментів руйнується, а частина, потрапляючи у ґрунт, зберігає свою активність і каталізує багато ґрунтових хімічних реакцій, беручи участь у процесах ґрунтоутворення та у формуванні якісної ознаки ґрунтів – родючості. У різних типах ґрунтів під певними біоценозами сформувалися свої ферментативні комплекси, що відрізняються активністю біокаталітичних реакцій.

В. Ф. Купревич і Т. А. Щербакова (1966) відзначають, що важливою рисою ферментативних комплексів ґрунтів є впорядкованість дії наявних груп ферментів, яка проявляється в тому, що забезпечується одночасна дія ряду ферментів, що представляють різні групи; виключаються утворення та накопичення сполук, що є у ґрунті в надлишку; надлишки рухомих простих сполук, що накопичилися (наприклад, NH 3) тим чи іншим шляхом тимчасово зв'язуються і направляються в цикли, що завершуються утворенням більш-менш складних сполук. Ферментативні комплекси є врівноваженими системами, що саморегулюються. У цьому основну роль відіграють мікроорганізми та рослини, що постійно поповнюють ґрунтові ферменти, оскільки багато з них є короткоживучими. Про кількість ферментів побічно судять з їхньої активності у часі, що залежить від хімічної природи речовин, що реагують (субстрату, ферменту) та від умов взаємодії (концентрації компонентів, рН, температури, складу середовища, дії активаторів, інгібіторів тощо).

У цьому розділі розглядається участь у деяких хімічних ґрунтових процесах ферментів з класу гідролаз - активність інвертази, уреази, фосфатази, протеази та з класу оксиредуктаз - активність каталази, пероксидази та поліфенолоксидази, що мають велике значення у перетворенні азот- та фосфоровмісних органічних речовин, речовин та у процесах утворення гумусу. Активність цих ферментів – суттєвий показник родючості ґрунтів. Крім того, буде охарактеризовано активність цих ферментів у лісових та орних ґрунтах різного ступеня окультуреності на прикладі дерново-підзолистих, сірих лісових та дерново-карбонатних ґрунтів.

ХАРАКТЕРИСТИКА ҐРУННИХ ФЕРМЕНТІВ

Інвертаза – каталізує реакції гідролітичного розщеплення сахарози на еквімолярні кількості глюкози та фруктози, впливає також на інші вуглеводи з утворенням молекул фруктози – енергетичного продукту для життєдіяльності мікроорганізмів, каталізує фруктозотрансферазні реакції. Дослідження багатьох авторів показали, що активність інвертази краще за інші ферменти відображає рівень родючості та біологічної активності ґрунтів.

Уреаза-каталізує реакції гідролітичного розщеплення сечовини на аміак та діоксид вуглецю. У зв'язку з використанням сечовини в агрономічній практиці необхідно мати на увазі, що активність уреази вища у більш родючих ґрунтів. Вона підвищується у всіх ґрунтах у періоди їх найбільшої біологічної активності – у липні – серпні.

Фосфатаза (лужна та кисла) - каталізує гідроліз низки фосфорорганічних сполук з утворенням ортофосфату. Активність фосфатази знаходиться у зворотній залежності від забезпеченості рослин рухомим фосфором, тому вона може бути використана як додатковий показник при встановленні потреби внесення в ґрунт фосфорних добрив. Найбільш висока фосфатазна активність у ризосфері рослин.

Протеази - це група ферментів, за участю яких білки розщеплюються до поліпептидів та амінокислот, далі вони піддаються гідролізу до аміаку, діоксиду вуглецю та води. У зв'язку з цим протеази мають найважливіше значення у житті грунту, оскільки із нею пов'язані зміна складу органічних компонентів і динаміка засвоюваних рослин азоту.

Каталаза – в результаті її активуючої дії відбувається розщеплення перекису водню, токсичного для живих організмів, на воду та вільний кисень. Великий вплив на каталазну активність мінеральних ґрунтів має рослинність. Як правило, грунти, що знаходяться під рослинами з потужною кореневою системою, що глибоко проникає, характеризуються високою каталазною активністю. Особливість активності каталази полягає в тому, що вниз по профілю вона мало змінюється, має зворотну залежність від вологості ґрунтів та пряму – від температури.

Поліфенолоксидаза і пероксидаза - їм у ґрунтах належить важлива роль у процесах гумусутворення. Поліфенолоксидаза каталізує окислення поліфенолів у хінони у присутності вільного кисню повітря. Пероксидаза каталізує окислення поліфенолів у присутності перекису водню або органічних перекисів. При цьому її роль полягає в активуванні перекисів, оскільки вони мають слабку окислювальну дію на феноли. Далі може відбуватися конденсація хінонів з амінокислотами та пептидами з утворенням первинної молекули гумінової кислоти, яка надалі здатна ускладнюватися за рахунок повторних конденсацій (Кононова, 1963).

Помічено (Чундерова, 1970), що відношення активності поліфенолоксидази (S) до активності пероксидази (D), виражене у відсотках (), має зв'язок із накопиченням у ґрунтах гумусу, тому ця величина отримала назву умовний коефіцієнт накопичення гумусу (К). У орних слабоокультурених ґрунтів Удмуртії за період з травня по вересень він становив: у дерново-підзолистого – 24 %, у сірого лісового опідзоленого – 26 і у дерново-карбонатного ґрунту – 29 %.

ФЕРМЕНТАТИВНІ ПРОЦЕСИ У ҐРУНТАХ

Біокаталітична активність ґрунтів знаходиться у значній відповідності зі ступенем збагаченості їх мікроорганізмами (табл. 11), залежить від типу ґрунтів та змінюється за генетичними горизонтами, що пов'язано з особливостями зміни вмісту гумусу, реакції, Red-Ox-потенціалу та інших показників за профілем.

У цілинних лісових грунтах інтенсивність ферментативних реакцій переважно визначають горизонти лісової підстилки, а орних - орні верстви. Як в одних, так і в інших ґрунтах всі біологічно менш активні генетичні горизонти, що знаходяться під горизонтами А або А п, мають низьку активність ферментів, що незначно змінюється на позитивний бік при окультуренні ґрунтів. Після освоєння лісових ґрунтів під ріллю ферментативна активність утвореного орного горизонту в порівнянні з лісовою підстилкою виявляється різко зниженою, але в міру його окультурення підвищується і в сильно окультурених видах наближається або перевищує показники лісової підстилки.

11. Зіставлення біогенносгу та ферментативної активності ґрунтів Середнього Передуралля (Пухідська, Ковриго, 1974)

№ розрізу, назва ґрунту	Горизонт, глибина взяття зразка, см		Загальна кількість мікроорганізмів, тис. на 1 г абс. сухий. ґрунту (в середньому за 1962, 1964-1965 рр.)	Показники активності ферментів (загалом за 1969-1971 рр.)
				Інвертаза, мг глюкози на 1 г ґрунту за I добу	Фосфатаза, мг фенолфталеїну на 100 г ґрунту за 1 год	Уреаза, мг NH, на 1 г ґрунту за 1 добу	Каталаза, мл 0 2 на 1 г ґрунту за 1 хв	Поліфенолоксидаза		Пероксидаза
								мг пурпурогалліну на 100 г ґрунту
3. Дерново-середньопідзолиста середньосуглиниста (під лісом)
					Не визначали
1.Дерново-середньо-підзолиста середньо-суглиниста слабоокультурена
10. Сіраялісна опідзолена важко осуглиниста слабоокультурена
2. Дерново-карбонатна слабовищело-чена л егкосуглиниста слабоокультурена

Активність біокаталітичних реакцій ґрунтів змінюється. Найменша вона навесні та восени, а найвища зазвичай у липні-серпні, що відповідає динаміці загального ходу біологічних процесів у ґрунтах. Однак залежно від типу ґрунтів та їх географічного положення динаміка ферментативних процесів дуже різна.

Контрольні питання та завдання

1. Які сполуки називають ферментами? Які їх продукування та значення для живих організмів? 2. Назвіть джерела ґрунтових ферментів. Яку роль грають окремі ферменти у ґрунтових хімічних процесах? 3. Дайте поняття про ферментативний комплекс грунтів та його функціонування. 4. Дайте загальну характеристику перебігу ферментативних процесів у цілинних та орних ґрунтах.

З численних показників біологічної активності ґрунту велике значення мають ґрунтові ферменти. Їхня різноманітність і багатство уможливлюють здійснення послідовних біохімічних перетворень, що надходять у ґрунт органічних залишків.

Назва «фермент» походить від латинського «ферментум» - бродіння, закваска. Явище каталізу й у час повністю не розгадано. Сутність дії каталізатора полягає у зниженні енергії активації, необхідної для хімічної реакції, спрямовуючи її обхідним шляхом через проміжні реакції, які вимагають меншої енергії без каталізатора. Завдяки цьому підвищується швидкість основної реакції.

Під дією ферменту послаблюються внутрішньомолекулярні зв'язки у субстраті внаслідок деякої деформації його молекули, що відбувається при утворенні проміжного комплексу фермент-субстрату.

Ферментативну реакцію можна виразити загальним рівнянням:

E+S -> ES -> Е+Р,

т. е. субстрат (S) оборотно реагує з ферментом (Е) з утворенням фермент-субстратного комплексу (ES). Загальне прискорення реакції під дією ферменту зазвичай становить 1010-1015.

Таким чином, роль ферментів полягає в тому, що вони значно прискорюють біохімічні реакції і роблять їх можливими за нормальної нормальної температури.

Ферменти, на відміну від неорганічних каталізаторів, мають вибірковість дії. Специфічність дії ферментів виявляється у тому, що кожен фермент діє лише на певну речовину, або на певний тип хімічного зв'язку в молекулі. За своєю біохімічною природою всі ферменти – високомолекулярні білкові речовини. На специфічність ферментних силків впливає порядок чергування в них амінокислот. Деякі ферменти, крім білка, містять більш прості сполуки. Наприклад, у складі різних окисних ферментів містяться органічні сполуки заліза. До складу інших входять мідь, цинк, марганець, ванадій, хром, вітаміни та інші органічні сполуки.

В основу єдиної класифікації ферментів покладено специфічність до типу реакції, і ферменти поділяють на 6 класів. У ґрунтах найбільш вивчені оксидоредуктази (каталізують процеси біологічного окислення) та гідролази (каталізують розщеплення з приєднанням води). З оксидоредуктаз у ґрунті найбільш поширені каталаза, дегідрогенази, фенолоксидази та ін. Вони беруть участь в окисно-відновних процесах синтезу гумусових компонентів. З гідролаз найбільш широко у ґрунтах поширені інвертаза, уреаза, протеаза, фосфата-Mi. Ці ферменти беруть участь у реакціях гідролітичного розпаду високомолекулярних органічних сполук і тим самим відіграють важливу роль у збагаченні ґрунту рухомими та доступними рослинам та мікроорганізмам поживними речовинами.

Дослідженням ферментативної активності ґрунтів займалася велика кількість дослідників. В результаті досліджень доведено, що ферментативна активність – це елементарна ґрунтова характеристика. Ферментативна активність ґрунту складається внаслідок сукупності процесів надходження, іммобілізації та дії ферментів у ґрунті. Джерелами ґрунтових ферментів служить вся жива речовина ґрунтів: рослини, мікроорганізми, тварини, гриби, водорості і т. д. Накопичуючись у ґрунті, ферменти стають невід'ємним реактивним компонентом екосистеми. Грунт є найбагатшою системою по ферментному розмаїттю та ферментативному пулу. Різноманітність і багатство ферментів у грунті дозволяє здійснюватися послідовним біохімічним перетворенням різних органічних залишків, що надходять.

Значну роль ґрунтові ферменти грають у процесах гумусоутворення. Перетворення рослинних та тваринних залишків у гумусові речовини є складним біохімічним процесом за участю різних груп мікроорганізмів, а також іммобілізованих ґрунтом позаклітинних ферментів. Виявлено прямий зв'язок між інтенсивністю гумифікації та ферментативною активністю.

Особливо слід зазначити значення ферментів у випадках, як у грунті складаються екстремальні для життєдіяльності мікроорганізмів умови, зокрема при хімічному забрудненні. У цих випадках метаболізм у ґрунті залишається до певної міри незмінним завдяки дії іммобілізованих ґрунтом, і тому стійких, ферментів.

Максимальна каталітична активність окремих ферментів спостерігається відносно невеликому інтервалі рН, який є для них оптимальним. Оскільки в природі зустрічаються ґрунти з широким діапазоном реакції середовища (рН 3,5-11,0), їх рівень активності дуже різний.

Дослідженнями різних авторів встановлено, що активність ґрунтових ферментів може бути додатковим діагностичним показником ґрунтової родючості та її зміни в результаті антропогенного впливу. Застосування ферментативної активності як діагностичний показник сприяє низька помилка дослідів і висока стійкість ферментів при зберіганні зразків.

1.8.4. Біологічна активність ґрунту

При проведенні біомоніторингу та біодіагностики ґрунтів провідними є показники біологічної активності. Під біологічнеської активністюслід розуміти напруженість (інтенсивність) всіх біологічних процесів у ґрунті. Її слід відрізняти від біогенності ґрунту- заселеності ґрунту різними організмами. Біологічна активність та біогенність ґрунту часто не збігаються один з одним.

Біологічна активність ґрунту обумовлена ​​сумарним вмістом у ґрунті певного запасу ферментів, як виділених у процесі життєдіяльності рослин та мікроорганізмів, так і акумульованих ґрунтом після руйнування відмерлих клітин. Біологічна активність грунтів характеризує розміри та напрямок процесів перетворення речовин та енергії в екосистемах суші, інтенсивність переробки органічних речовин та руйнування мінералів.

Як показники біологічної активності грунтів використовуються: чисельність та біомаса різних груп грунтової біоти, їх продуктивність, ферментативна активність грунтів, активність основних процесів, пов'язаних з кругообігом елементів, деякі енергетичні дані, кількість та швидкість накопичення продуктів життєдіяльності грунтових організмів.

Через те, що важливі та загальні процеси, що здійснюються у ґрунті всіма або більшістю організмів (наприклад, термогенез, кількість АТФ), практично неможливо досліджувати, визначають інтенсивність більш приватних процесів, таких як виділення СО 2 накопичення амінокислот та ін.

Показники біологічної активності визначають, використовуючи різні методи: мікробіологічні, біохімічні, фізіологічні та хімічні.

Біологічна активність ґрунтів (і відповідно методів її визначення) поділяється на актуальну та потенційну. Потенційна біологічна активність вимірюється у штучних умовах, оптимальних для протікання конкретного біологічного процесу. Актуальна (дійсна, природна, польова) біологічна активність характеризує реальну активність ґрунту у природних (польових) умовах. Виміряти її можна лише у полі.

Методи визначення потенційної біологічної активності грунтів можуть бути хорошими діагностичними показниками потенційної родючості грунтів, ступеня добривості, окультуреності, еродування, а також забрудненості будь-якими хімічними речовинами. Однак при характеристиці інтенсивності біологічних процесів, що протікають у природних умовах, слід користуватися методами для визначення актуальної біологічної активності, тому що в реальній обстановці лімітуючі фактори (рН середовища, температура, вологість тощо) можуть різко обмежувати інтенсивність процесу і, незважаючи на великі потенційні можливості, процес може йти дуже повільно.

Важливою особливістю показників біологічної активності ґрунтів є їхнє значне просторове та тимчасове варіювання, що вимагає при їх визначенні великої кількості повторних спостережень та ретельної варіаційно-статистичної обробки.

З біологічною активністю грунту тісно взаємопов'язані її фізичні та хімічні властивості, такі як гумусовий стан, структура, лужно-кислотні умови, окислювально-відновний потенціал та інші. Слід зазначити, що фізичні та хімічні властивості характеризують відносно консервативні ознаки і властивості грунтів, що накопичилися, біологія грунтів має в своєму розпорядженні показники динамічних властивостей, що є індикаторами сучасного режиму життя грунтів.

Для виявлення негативних наслідків антропогенної дії використовують моніторинг ґрунтового покриву. Деградаційні явища насамперед торкаються біологічних об'єктів, знижуючи біологічну активність і, зрештою, родючість. Тому використання методів біологічної діагностики дозволяє визначити негативні наслідки антропогенного впливу на ранніх стадіях. Особливо це стосується діагностики різних забруднень.

Біологічні індикатори мають низку переваг у порівнянні з іншими. По-перше, це висока чутливість і чуйність на зовнішні впливи, по-друге, вони дозволяють простежити за негативними процесами на ранніх стадіях процесу, по-третє, тільки за ними можна судити про впливи, що не піддають суттєвій зміні речовий склад ґрунтів

(радіоактивне та біоцидне забруднення). До суттєвих недоліків можна віднести велику просторову та тимчасову варіабельність.

В даний час розроблено великий набір біологічних показників, що визначають здатність ґрунту забезпечувати рослини факторами життя, тобто визначальних потенційну родючість ґрунтів, і корелюючих з урожайністю.

Ферментативна активність ґрунтів - один із показників потенційної біологічної активності ґрунтів, що характеризує потенційну здатність системи зберігати гомеостаз.

У ґрунті накопичується певний «пул» ферментів, якісний та кількісний склад якого характерний для даного типу ґрунтів.

Характер впливу нафтових вуглеводнів на ґрунтові ферменти обумовлений насамперед хімічною структурою вуглеводнів. Найбільш сильні-

356 Частина І. Приклади застосування біотехнології ВАВ у науці та виробництві

ми інгібіторами є ароматичні сполуки, негативний вплив яких проявляється до всіх розглянутих окислювально-відновних та гідролітичних ферментів. н-парафінові і цикло-парафінові фракції, навпаки, мають в основному активуючу дію, особливо в низьких концентраціях. Інший фактор, що визначає характер впливу нафтового забруднення, - властивості самого ґрунту і, перш за все, його природна буферність. Ґрунти із високою буферною ємністю менш різко реагують на забруднення.

Забруднення нафтою впливає ферментативну активність по всьому профілю грунту. При забрудненні ґрунтів нафтою порушується обмін основних органогенних елементів у ґрунті: вуглецю, азоту, фосфору. Про це, насамперед, свідчать зміни активності ферментних комплексів, що у їх кругообігу.

Активність деяких ферментів: каталази, уреази, нітрит- і нітратредуктази, амілази можна використовувати як індикаторні показники забрудненості ґрунтів нафтою, тому що ступінь зміни активності цих ферментів прямо пропорційно залежить від дози забруднювача та від часу перебування його в ґрунті. Крім того, визначення активності досліджених ферментів не є методичними труднощами і може бути широко використане для характеристики ґрунтів, забруднених нафтовими вуглеводнями.

Окисно-відновні ферменти. Відомо, що з окислювально-відновними процесами, що відбуваються за участю різних ферментів, пов'язаний розпад нафтових вуглеводнів у ґрунті. Найважливішими та найпоширенішими у ґрунтових мікроорганізмів деструкторами нафти є ферменти дегідрогенази та каталази. Рівень їх активності в ґрунті є певним критерієм стану ґрунту щодо самоочищувальної здатності його від нафтових інгредієнтів: дегідрогеназа бере безпосередню участь у розкладанні вуглеводнів, а високоактивний кисень, що утворюється за участю каталази, забезпечує доступним киснем мікроорганізми, що беруть участь.

Внаслідок дослідів, проведених Н.А. Кірєєвої, встановлено, що через 3 дні після забруднення нафтою активність окислювально-відновних ферментів у ґрунті помітно знижується порівняно з контрольним ґрунтом. Ці зміни зберігаються через рік після забруднення. Тим не менш, через рік після початку дослідів активність окисно-відновних ферментів дещо зростає, помітно знижуються відмінності між активністю каталази та дегідрогенази ґрунту контрольного та слабозабрудненого варіанту, що свідчить про здатність ґрунтової екосистеми відновлювати біологічну активність до вихідного рівня протягом року при слабкому забрудненні.

Ферменти азотного обміну. У ґрунті виявляються гідролітичні та окислювально-відновні ферментні системи, що здійснюють послідовне перетворення азотовмісних органічних речовин через проміжні стадії до мінеральної нітратної форми, і навпаки, що відновлюють нітратний азот до аміаку.

Уреаза - фермент, з дією якого пов'язані процеси гідролізу та перетворення на доступну форму азоту сечовини, - найбільш вивчений. У нафтозабруднених ґрунтах активність уреази зростає як у польових, так і в лабораторних дослідах у всіх аналізованих ґрунтах. Зміна активності цього ферменту знаходиться у повній відповідності до зростання чисельності гетеротрофних мікроорганізмів, підвищення вмісту аміачних форм азоту та загального азоту в забрудненому ґрунті. Активність інших гідролітичних ферментів азотного обміну – протеази, аспарагінази, глутамінази – знижується під впливом нафтового забруднення.

Велика роль азотному обміні в грунті належить окислювально-відновним ферментам: нітратредуктазі, нітритредуктазі та гідроксиламінредуктазі, які в анаеробних умовах беруть участь у процесах відновлення окислених форм азоту до аміаку. Забруднення грунту нафтою неоднозначно діє ці ферменти. Активність нітратредуктази та нітритредуктази знижується, а активність гідроксиламінредуктази підвищується.

Активність уреази, нітрит- і нітратредуктази можна використовувати як один з діагностичних показників забруднення ґрунтів нафтою, так як, по-перше, ці ферменти менше схильні до дії екологічних факторів, по-друге, простежується чітка залежність активності їх від ступеня забруднення ґрунтів.

Активність гідролітичних ферментів, що у кругообігу вуглецю. Основна роль у кругообігу вуглецю в ґрунтах належить карбогідразам, що розщеплює вуглеводи різної природи та походження.

Відразу після забруднення темно-сірого лісового ґрунту не виявлено достовірних відмінностей між активністю інвертази ґрунтів забруднених та не забруднених варіантів. Підвищення активності через рік у зразках зі слабкою та середньою дозами забруднення, ймовірно, пов'язане з інтенсивним розкладанням відмерлих рослинних решток. Висока концентрація нафти, що веде до створення анаеробі-озису більшою мірою, ніж слабка і середня, створює лімітуючі умови для розвитку

аеробних целюлозоруйнівних мікроорганізмів при великій кількості субстрату. Цим можна пояснити зниження активності інвертази в даному варіанті. Активність целюлази та амілази знижується при дії нафти.

Таким чином, розгляд функціонування лише трьох основних ферментів вуглеводного обміну при попаданні нафтових вуглеводнів у ґрунт свідчить про глибокі зміни, що відбуваються у ґрунті. Уповільнюються процеси розпаду рослинних залишків, наслідком є ​​зміна трансформації органічних сполук у бік погіршення. Простежується чітка залежність активності карбогідразу від ступеня забруднення ґрунту нафтою.

Фосфогідролази. У ґрунті фосфор представлений у вигляді неорганічних та органічних сполук. Недоступні форми фосфору засвоюються рослинами завдяки діяльності фосфогідролаз, що відщеплюють фосфор від органічних сполук. Забруднення сірого лісового ґрунту нафтою знижує активність фосфатази. Причиною такого зниження активності фосфатази може бути як обволікання ґрунтових частинок нафтою, що перешкоджає надходженню субстрату, так і інгібуючу дію важких металів, концентрація яких у нафтозабруднених ґрунтах збільшується. Спостережуване зниження активності фосфатаз є однією з причин зменшення вмісту рухомого фосфору нафтозабрудненого ґрунту. Через рік після забруднення активність фосфатази зберігається на низькому рівні, вміст рухомого фосфору зі зростанням дози нафти зменшується.

Нафтові вуглеводні пригнічують активність ДНКази, РНКази, АТФази.

Таким чином, попадання нафти в ґрунт призводить до порушення фосфорного режиму ґрунту, зменшення вмісту рухомих фосфатів, до інактивації фосфогідролаз. Внаслідок цього погіршується фосфорне харчування рослин, забезпеченість їх доступними формами фосфору.

Процеси обміну речовин та енергії при розкладанні та синтезі органічних сполук, перехід важко засвоюваних поживних речовин у форми, легкодоступні для рослин та мікроорганізмів, відбуваються за участю ферментів.

Фермент инвертаза (а-фруктофуранозидаза) каталізує розщеплення різних вуглеводів на молекули глюкози та фруктози.

Багатьма даними підтверджується зв'язок між активністю інвертази з біологічною активністю ґрунту, вмістом у ній органічної речовини, врожайністю польових культур та змінами, що відбуваються в ґрунті при сільськогосподарському використанні (Хазієв Ф.Х., 1972; Галстян А.Ш., 1978; Л.І., 1980).

Зі збільшенням глибини оранки активність інвертази у верхньому шарі ґрунту дещо знижувалася, що пояснюється збіднінням цього шару ґрунту, тому що при глибоких оранках основна кількість рослинних залишків закладається в нижні шари. Акумуляція більшої частини післяжнивних залишків у верхньому шарі ґрунту при безвідвальних обробках викликає зниження активності інвертази в шарі 30-40 см до кінця вегетації рослин на 5-15 %.

На фоні активність інвертази підвищувалася в середньому на 5% лише за оранкою. За безвідвальними прийомами обробки ґрунту добрива не вплинули на активність цього ферменту.

Дія уреази пов'язана з гідролітичним розщепленням зв'язку між азотом і вуглецем (СО-ІН) в молекулах азотовмісних органічних сполук. Тому багатьма дослідниками відзначається позитивна кореляція активності уреази із вмістом азоту та гумусу у ґрунтах. Однак активність уреази залежить не тільки від загальної кількості гумусу, а й від його якості, корелюючи головним чином з величиною відношення вуглецю до азоту (С: 14). Органічній речовині з найширшим ставленням вуглецю до азоту відповідає найбільша активність уреази, при зменшенні величини відношення вуглецю до азоту знижується активність ферменту. Це, на думку В.Д. Мухи та Л.І. Васильєвої, вказує на регулюючу дію уреази на процеси перетворення в грунті азотовмісних органічних сполук. У наших дослідженнях серед варіантів відвальної обробки найбільша активність уреази виявлялася за оранкою на глибину 20-22 см. Поглиблення обробки призводило до значного зниження активності цього ферменту. Так, на початку вегетації рослин за оранкою на 35-37 см у шарі ґрунту 0-40 см виділялося аміаку на 20 % менше, ніж по обробці на нормальну глибину 20-22 см (середня за 1980-1982 рр., мг ЙН 3 на 1 г повітряно-сухого ґрунту).

Інтенсивність і спрямованість процесів трансформації органічної речовини в ґрунті визначається і активністю окисно-відновних ферментів поліфенолоксидази та пероксидази. По-ліфенолоксидаза бере участь у перетворенні органічних сполук ароматичного ряду на компоненти гумусу (Мішустін Є.М. та ін, 1956, Кононова М.М., 1963, 1965). У розкладанні гумусових речовин велике місце відводиться пероксидазі і каталазі (Нікітін Д.І., 1960). Дослідники відзначають високий позитивний кореляційний зв'язок розкладання гумусу з пероксидазною активністю та майже функціональний негативний зв'язок з активністю поліфенолоксидази (Чундерова А.І., 1970, Дульгеров А.М., 1981). Протилежна спрямованість функцій пероксидази та поліфенолоксидази та єдиний об'єкт їх застосування дали змогу О.І. Чундеровій запропонувати поняття «коефіцієнт накопичення гумусу», величина якого визначається ставленням поліфенолоксидазної активності ґрунту до пероксидазної.

За даними наших досліджень, збільшення глибини оранки з 20-22 см до 35-37 см та застосування безвідвальних обробітків ґрунту плоскорізом, плугом без відвалів, чизелем, знаряддям типу «параплау», стійками СибІМЕ, а також при обробітку ґрунту на кшталт «No- til» призводили до підвищення активності пероксидази на 4-6% та зниження активності поліфенолоксидази на 4-5% (табл. 15). Коефіцієнт накопичення гумусу при цьому знижувався на 8-10%.

15. Активність пероксидази та поліфенолоксидази у шарі ґрунту 0-40 см під горохом, мг пурпургаліну на 100 г повітряно-сухий

ґрунту за 30 хв. (1980-1982 рр.)

Варіанти
		пероксиду-	поліфено- локсидаза	накопичення	пероксиду-	поліфено- локсидаза	накопичення
Щорічна	з добривами
	без добрив
Щорічна	з добривами
	без добрив
Щорічна обробка плоскорі	з добривами
	без добрив
Поклад некосимий з 1885 року

Дослідженнями встановлено зв'язок коефіцієнта накопичення гумусу з відношенням числа мікроорганізмів, що асимілюють мінеральний азот, до мікроорганізмів, що засвоюють азот органічних сполук, (КАА: МПА). Коефіцієнт кореляції між двома показниками дорівнює -0,248±0,094. Збільшення першого показника у багатьох випадках призводить до зменшення останнього та навпаки, що підтверджує наявність зв'язку між структурою мікробного ценозу та спрямованістю процесу біохімічної трансформації органічної речовини ґрунту. Ставлення цих двох коефіцієнтів, певне, може характеризувати спрямованість культурно-почвообразовательного процесу.

Це дозволяє зробити висновок, що трансформація органічної речовини ґрунту, обумовлена ​​активністю пероксидази та поліфено-локсидази, при поглибленні оранки та обробках без обороту пласта зміщується у бік посилення розкладання гумусу (рис. 5).

• ? Ряд4
• ? РядЗ
• ? Ряд2
• ? Ряд1

Рис. 5. Вплив різних способів та глибини основної обробки на активність пероксидази в шарі ґрунту 0-40 см у період 2-4 пар справжніх листків у соняшнику, мг пурпургаліну на 1 г повітряно-сухого ґрунту (1989-1991 рр.)

Певне місце у спрямованості та інтенсивності біохімічних процесів, що протікають у ґрунті, займає фермент каталаза. В результаті її активізуючої дії відбувається розщеплення перекису водню на воду та вільний кисень. Є думка, що каталаза поряд з пероксидазою може брати участь у реакціях пероксидазного типу, в ході яких піддаються окисленню відновлені сполуки. У дослідах НДІБХ ЦПП ім. В.В. Докучаєва не встановлено залежності активності каталази від глибини чи способів основного обробітку грунту. Однак при збільшенні глибини оранки понад 25-27 см, а також по обробітку ґрунту без обороту пласта відзначалося достовірне підвищення каталазної активності порівняно з оранкою на глибину 20-22 см та 25-27 см.

З численних показників біологічної активності ґрунту велике значення мають ґрунтові ферменти. Їхня різноманітність і багатство уможливлюють здійснення послідовних біохімічних перетворень, що надходять у ґрунт органічних залишків.

Назва «фермент» походить від латинського «ферментум» – бродіння, закваска. Явище каталізу й у час повністю не розгадано. Сутність дії каталізатора полягає у зниженні енергії активації, необхідної для хімічної реакції, спрямовуючи її обхідним шляхом через проміжні реакції, які вимагають меншої енергії без каталізатора. Завдяки цьому підвищується швидкість основної реакції. Під дією ферменту послаблюються внутрішньомолекулярні зв'язки у субстраті внаслідок деякої деформації його молекули, що відбувається при утворенні проміжного комплексу фермент-субстрату.

Таким чином, роль ферментів полягає в тому, що вони значно прискорюють біохімічні реакції і роблять їх можливими за нормальної нормальної температури.

Ферменти, на відміну від неорганічних каталізаторів, мають вибірковість дії. Специфічність дії ферментів виявляється у тому, що кожен фермент діє лише на певну речовину, або на певний тип хімічного зв'язку в молекулі. За своєю біохімічною природою всі ферменти – високомолекулярні білкові речовини. На специфічність ферментних білків впливає порядок чергування у яких амінокислот. Деякі ферменти, крім білка, містять більш прості сполуки. Наприклад, у складі різних окисних ферментів містяться органічні сполуки заліза. До складу інших входять мідь, цинк, марганець, ванадій, хром, вітаміни та інші органічні сполуки.

В основу єдиної класифікації ферментів покладено специфічність до типу реакції, і ферменти поділяють на 6 класів. У ґрунтах найбільш вивчені оксидоредуктази (каталізують процеси біологічного окислення) та гідролази (каталізують розщеплення з приєднанням води). З оксидоредуктаз у ґрунті найбільш поширені каталази, дегідрогенази, фенолоксидази та ін.

Вони беруть участь в окислювально-відновних процесах синтезу гумусових компонентів. З гідролаз найбільш широко у ґрунтах поширені інвертаза, уреаза, протеаза, фосфатази. Ці ферменти беруть участь у реакціях гідролітичного розпаду високомолекулярних органічних сполук і тим самим відіграють важливу роль у збагаченні ґрунту рухомими та доступними рослинам та мікроорганізмам поживними речовинами.

Дослідженням ферментативної активності ґрунтів займалася велика кількість дослідників. Внаслідок досліджень доведено, що ферментативна активність – це елементарна грунтова характеристика. Ферментативна активність ґрунту складається внаслідок сукупності процесів надходження, іммобілізації та дії ферментів у ґрунті. Джерелами ґрунтових ферментів служить вся жива речовина ґрунтів: рослини, мікроорганізми, тварини, гриби, водорості і т. д. Накопичуючись у ґрунті, ферменти стають невід'ємним реактивним компонентом екосистеми. Грунт є найбагатшою системою по ферментному розмаїттю та ферментативному пулу. Різноманітність і багатство ферментів у грунті дозволяє здійснюватися послідовним біохімічним перетворенням різних органічних залишків, що надходять.

Значну роль ґрунтові ферменти грають у процесах гумусоутворення. Перетворення рослинних та тваринних залишків у гумусові речовини є складним біохімічним процесом за участю різних груп мікроорганізмів, а також іммобілізованих ґрунтом позаклітинних ферментів. Виявлено прямий зв'язок між інтенсивністю гумифікації та ферментативною активністю.

Особливо слід зазначити значення ферментів у випадках, як у грунті складаються екстремальні для життєдіяльності мікроорганізмів умови, зокрема при хімічному забрудненні. У цих випадках метаболізм у ґрунті залишається до певної міри незмінним завдяки дії іммобілізованих ґрунтом, і тому стійких, ферментів. Максимальна каталітична активність окремих ферментів спостерігається відносно невеликому інтервалі pH, який є для них оптимальним. Оскільки в природі зустрічаються ґрунти з широким діапазоном реакції середовища (pH 3,5-11,0), їх рівень активності дуже різний.

Дослідженнями різних авторів встановлено, що активність ґрунтових ферментів може бути додатковим діагностичним показником ґрунтової родючості та її зміни в результаті антропогенного впливу. Застосування ферментативної активності як діагностичний показник сприяє низька помилка дослідів і висока стійкість ферментів при зберіганні зразків.