Изучение почвенных ферментов и ферментативной активности почв

В зависимости от сочетания ряда природных факторов дальнейшее развитие почвообразовательного процесса протекает различно, обусловливая образование того или иного типа почвы. С первых этапов развития почвообразовательного процесса начинает накапливаться в почвенном слое перегной.

В создании перегноя почвы большое значение имеют микроорганизмы. Их роль весьма многогранна. Они разлагают различного рода остатки и среди прочих веществ образуют соединения, которые служат структурными единицами молекул гумусовых веществ. Частично подобного рода вещества создаются самими микроорганизмами. Наконец, многие микроорганизмы вырабатывают фенолоксидизы, которые окисляют полифенолы до хинонов, легко конденсирующихся при определенных условиях в перегнойные соединения.

Под термином «перегной», или «гумус», объединяется целая группа родственных высокомолекулярных соединений, химическая природа которых до сих пор точно не установлена. Гумус составляет 85-90% всего органического вещества почвы. В нем аккумулировано значительное количество азота, фосфора и ряда других элементов. Перегнойные соединения могут разлагаться очень многими микроорганизмами (бактериями, актиномицетами, грибами и т. д.).

В природных условиях накопление перегноя в почве является результатом двух диаметрально противоположных процессов - его синтеза и распада. Существенное значение при этом имеет поступление в почву растительных остатков.

Следует отметить также, что перегнойные соединения в небольших концентрациях стимулируют рост растений, что объясняется содержанием в них биологически активных веществ. Чем больше в почве перегноя, тем более энергично протекают в ней микробиологические и биохимические процессы, играющие огромную роль в накоплении питательных для растений соединений.

Как уже отмечалось ранее, микроорганизмов в почве очень большое количество. По данным М.С. Гилярова, в каждом грамме чернозема насчитывается 2-2,5 миллиарда бактерий [10, с. 26]. Микроорганизмы не только разлагают органические остатки на более простые минеральные и органические соединения, но и активно участвуют в синтезе высокомолекулярных соединений -- перегнойных кислот, которые образуют запас питательных веществ в почве. Поэтому, заботясь о повышении почвенного плодородия (а, следовательно, и о повышении урожайности), необходимо заботиться о питании микроорганизмов, создании условий для активного развития микробиологических процессов, увеличении популяции микроорганизмов в почве.

Основными поставщиками питательных веществ для растений являются аэробные микроорганизмы, которым для осуществления процессов жизнедеятельности необходим кислород. Поэтому увеличение рыхлости, водопроницаемости, аэрации при оптимальной влажности и температуре почвы обеспечивает наибольшее поступление питательных веществ к растениям, что и обуславливает их бурный рост и увеличение урожайности.

Однако растениям для нормального роста и полноценного развития необходимы не только макроэлементы, такие как калий, азот, фосфор, но и микроэлементы, например, селен, который выступает как катализатор в различных биохимических реакциях и без которого растения не в состоянии сформировать действенную иммунную систему. Поставщиками микроэлементов могут быть анаэробные микроорганизмы - это микроорганизмы, которые живут в более глубоких почвенных пластах и для которых кислород - яд. Анаэробные микроорганизмы способны по пищевым цепям «поднимать» необходимые растениям микроэлементы из глубинных слоев почвы.

В окультуренных плодородных почвах бурно развиваются не только микрофлора, но и почвенная фауна. Животные в почве представлены дождевыми червями, личинками различных почвенных насекомых и живущими в почве грызунами. Из числа микроскопической фауны черви являются наиболее активными почвообразователями. Они живут в поверхностных горизонтах почвы и питаются растительными остатками, пропуская через свой кишечный тракт большое количество органического вещества и минеральной составляющей почвы. Микроорганизмы в почве образуют сложный биоценоз, в котором различные их группы находятся между собой в сложных отношениях. Одни из них успешно сосуществуют, а другие являются антагонистами (противниками). Антагонизм их обычно проявляется в том, что одни группы микроорганизмов выделяют специфические вещества, которые тормозят или делают невозможным развитие других.

Почвы населены многочисленными представителями микроскопических существ. Мир их разделен на растительные и животные виды. Микроскопический растительный мир почвы представлен бактериями, актиномицетами, дрожжами, грибами, водорослями. Животный мир почвы составляют простейшие (протозоа), насекомые, черви и прочие. Кроме них, в почве обитают различные ультрамикроскопические существа - фаги (бактериофаги, актинофаги) и многие другие еще мало изученные виды.

Особенно широко представлены в почве гнилостные, маслянокислые и нитрифицирующие бактерии, актиномицеты и плесневые грибы.

Количество микробной флоры зависит от плодородия почв. Чем плодороднее почвы, чем больше в них перегноя, тем плотнее заселены они микроорганизмами. Накопление микроорганизмов в значительной степени зависит от количественного и качественного содержания органических веществ в свежеотмерших растительных и животных остатках и продуктах их первичного распада.

Существенное значение в жизни микроорганизмов имеют витамины, ауксины и другие биотические вещества. Небольшие дозы их заметно ускоряют развитие и размножение клеток микробного населения.

Почва при высушивании обедняется микроорганизмами. Иногда численность их при высушивании образцов почвы уменьшается в 2-3 раза, а нередко в 5-10 раз. Наиболее стойко сохраняют жизнеспособность актиномицеты, затем микобактерии. Самый высокий процент гибели отмечается среди бактерий. Однако полного вымирания бактерий, даже в условиях длительной засухи почвы, как правило, не происходит. Даже у весьма чувствительных к высушиванию культур имеются единичные клетки, которые длительное время сохраняются в сухом состоянии.

На распределение отдельных микробов сильное влияние оказывает кислотность почвенного раствора. В почвах с нейтральной или слегка щелочной реакцией бактерий бывает значительно больше, чем в кислых, заболоченных или торфяных почвах.

Плесневые грибы лучше переносят кислую среду, чем бактерии, поэтому они обычно доминируют в кислых почвах.

Вопрос о распределении микробов в почве освещен недостаточно. Повседневные микробиологические исследования почв показывают, что клетки бактерий размещаются отдельными очагами, в каждом из которых разрастаются и концентрируются клетки одного или нескольких неантагонистических видов.

Групповой состав бактерий в разных почвах не одинаков. Из бактерий в почве преобладают формы, не образующие спор. Спороносные бактерии составляют около 10-20% 7, с. 90.

В почве в больших количествах обитают также актиномицеты, грибы, водоросли и простейшие. Грибов и актиномицетов в 1 г почвы насчитывается десятки и сотни тысяч, а нередко миллионы. Общая масса водорослей, по мнению исследователей, немногим уступает общей массе бактерий.

Простейшие и насекомые на гектар пахотного слоя составляют массу, равную 2-3 т. Вся эта масса живых существ находится в непрерывном развитии. Отдельные клетки - особи растут, размножаются, стареют и погибают. Происходит непрерывная смена и обновление всей живой массы. Вся бактериальная масса, по самым скромным подсчетам, регенерируется за лето в южной полосе 14-18 раз. Таким образом, общая бактериальная продукция пахотного горизонта почвы за вегетационный период определяется десятками тонн живой массы.

Самый верхний слой почвы беден микрофлорой, потому что находится под непосредственным влиянием вредно действующих на нее факторов: высушивание, ультрафиолетовые лучи солнечного света, повышенная температура и прочее. Наибольшее количество микроорганизмов располагается в почве на глубине 5-15 см, меньше - в слое 20-30 см и еще меньше - в подпочвенном горизонте 30-40 см. Глубже могут существовать лишь анаэробные формы микробов.

Влияние обработки почвы на интенсивность микробиологических процессов. Вспашка, культивация, боронование значительно стимулируют развитие микрофлоры. Это связано с улучшением водно-воздушного режима почв.

Наиболее благоприятные условия при обработке создаются для аэробных микробов, в результате чего весной уже через 8-20 дней после обработки численность микрофлоры возрастает в 5-10 раз [10, с. 94].

В условиях орошаемого земледелия глубина и способ обработки заметно увеличивают количество полезных микроорганизмов как в поверхностных, так и в нижних слоях почвы. При глубокой вспашке наверх выворачивается малоплодородный, бедный микроорганизмами слой почвы, количество микробов в горизонте 0-20 было больше, чем при пахоте на глубину 20 см. [10, с. 93]. Это можно объяснить положительным влиянием удобрений, орошения и другими факторами.

Чтобы количество гумуса в почве находилось на достаточном уровне, необходимо систематически вносить органические удобрения, которые повышают общую численность в почве не только бактерий, но и актиномицетов и плесневых грибов. Этим создаются благоприятные условия для развития всех групп почвенных микроорганизмов. Повышение общей активности микрофлоры обусловливается как количеством в почве энергетических или питательных веществ, так и внесением перегноя, торфа, навоза, которые усиливают аэрацию и повышают влагоудерживающую способность почвы, делая ее более структурной. Применение минеральных удобрений на почвах, богатых органическим веществом, оказывает стимулирующее действие на микрофлору. Питательные элементы, входящие в минеральные удобрения, обеспечивают возможность расщепления органических веществ и, следовательно, вызывают интенсивное размножение микробов.

Механизм действия минеральных удобрений на микрофлору в почве многогранен. Из повышающих факторов главными являются такие:

1. Изменение физических свойств почвы, оказывающих благоприятное влияние на размножение микробов.

2. Изменение реакции (рН) почвы в сторону нейтральной или слабощелочной.

3. Минеральные удобрения в значительной степени усиливают развитие растений, что, в свою очередь, оказывает стимулирующее действие на микрофлору: более интенсивно растут корни, а, следовательно, и количество ризосферных организмов быстро увеличивается.

Различные факторы внешней среды, стимулирующие или ограничивающие развитие микроорганизмов, оказывают непосредственное влияние и на содержание гумуса в почве. К этим факторам можно отнести температуру, аэрацию, влажность почвы, кислотность и др. Оптимальными условиями для разложения органических остатков является температура 30-35°С и влажность 70-80% предельной полевой влагоемкости. Но эти условия, в то же время, максимально благоприятны и для минерализации гумуса. Для сохранения перегноя необходимы рациональная обработка почвы и регулярное возобновление запасов органических веществ внесением навоза, торфа, сидератов и т. п. Способствует этому также применение минеральных удобрений [8, с. 75].

Гумус повышает количество водопрочных агрегатов почвы, что способствует хорошей водопроницаемости, экономному расходу воды, улучшает аэрацию и создает благоприятный биологический режим в структурной почве, гармонически сочетает аэробный процесс с анаэробным. Перегной служит источником энергии для микроорганизмов и одновременно делает почву более благоприятной для развития растений. Он, постепенно и медленно разлагаясь под действием почвенных микроорганизмов, является источником усвояемых питательных веществ для растений. Учитывая его многогранное влияние на почву, можно сказать, что основные свойства ее, включая плодородие, определяются гумусом.

1.6 Методы исследования активности почвенных ферментов

Чтобы обнаружить в почве свободные ферменты, нужно, прежде всего, освободить ее от живых организмов, т. е. произвести полную или частичную стерилизацию. Идеальный фактор, стерилизующий почву для нужд энзимологии, должен убивать живые клетки, не нарушая их клеточной структуры, и в то же время не влиять на сами ферменты. Трудно сказать, все ли применяемые в настоящее время методы стерилизации отвечают этим требованиям. Чаще всего почву для нужд энзимологии стерилизуют, добавляя в качестве антисептика толуол, путем обработки почвы окисью этилена или, что теперь практикуется все чаще, убивая микроорганизмы разного рода ионизирующими излучениями. Дальнейшая техника определения каталитических свойств почвы не отличается от методов определения активности ферментов растительного или животного происхождения. К почве добавляют определенную концентрацию субстрата для фермента и после инкубации изучают продукты реакции. Анализы многих почв, проведенные этим способом, показали, что в них содержатся свободные ферменты, обладающие каталитической активностью.

Биологическую активность почв определяют с помощью микробиологических и биохимических методов. К микробиологическим методам относятся аппликационные и методы определения численности микроорганизмов разных систематических и физиологических групп. К биохимическим относятся методы определения дыхания и ферментативной, активности почвы.

Описаны методы определения в почве активности ферментов оксидоредуктаз и гидролаз 8, с. 29. Наиболее простыми по выполнению являются методы определения активности дегидрогеназ и инвертазы.

Для определения активности дегидрогеназ в почве в качестве акцептора водорода применяют бесцветные соли тетразолия, которые восстанавливаются в красные соединения формазанов. Навеску 1 г почвы помещают в 50 мл вакуумную колбу с притертыми стеклянными пробками, добавляют 10 мг углекислого кальция и тщательно смешивают. Для определения дегидрогеназ лучше использовать свежие образцы почвы, т.к. при высушивании образцов почвы их активность падает до 50-80%. Затем добавляют 1 мл 1%-ного солей тетразолия. Определение проводят в анаэробных условиях, для этого воздух из колбы эвакуируют при разрежении 10-12 мм рт.ст. в течение 2-3 мин. Колбы осторожно встряхивают и ставят в термостат при 38С на 24 ч. Контролем служит стерилизованная почва и субстраты без почвы. После окончания инкубации в колбы добавляют по 25 мл этилового спирта и встряхивают в течение 5 мин. Содержимое колбы фильтруют, и полученный раствор формазанов анализируют на фотоэлектроколоримтре, используя кюветы шириной 5 мм и синий светофильтр с длиной волны 500-600 нм. Количество формазана в мг рассчитывают по стандартной кривой. Для составления калибровочной кривой готовят стандартный раствор формазана в этиловом спирте (0,1 г в 1 мл.), затем в мерные колбы на 25 мл берут соответствующее количество стандартного раствора, содержащего от 0,1 до 1 мг формазана, этанолом доводят до метки и фотоколориметрируют согласно вышеописанному способу. Ошибка определения - до 8% [8, с. 32].

Фотоколориметрический метод определения активности инвертазы заключается в следующем. В колбу емкостью 50 мл помещают 5 г почвы, добавляют 10 мл 5%-ного раствора сахарозы, 10 мл ацетатного буфера (pH 4,7) и 5-6 капель толуола. Колбы закрывают пробками, встряхивают и помещают в термостат при температуре 30С на 24 часа, периодически встряхивая их. Контроль - стерилизованная почва (3 ч при 180С) и чистый субстрат. После инкубации содержимое колб фильтруют в 100-мл мерные колбы. Из фильтра берут 6 мл в большие пробирки, добавляют 3 мг сегнетовой соли и 3 мл раствора сернокислой меди, хорошо перемешивают и кипятят на водяной бане в течение 10 мин. Затем пробирки с раствором охлаждают в холодной воде, содержимое переносят в пробирки и центрифугируют в течение 5-7 мин. при 3000 об/мин. Прозрачный центрифугат колориметрируют на фотоэлектроколориметре (светофильтр 630 нм), кюветы шириной 1 см. Количество глюкозы рассчитывают по предварительно составленным калибровочным кривым. Исходный стандартный раствор - 6 мг глюкозы в 1 мл. Активность инвертазы выражают в миллиграммах глюкозы на 1 г почвы за сутки. Ошибка определения - до 5% [8, с. 33].

Заключение

В заключении можно сделать следующие выводы:

1. Ферменты - это катализаторы химических реакций белковой природы, отличающиеся специфичностью действия в отношении катализа определенных химических реакций.

2. Ферменты являются продуктами биосинтеза живых почвенных организмов: древесных и травянистых растений, мхов, лишайников, водорослей, грибов, микроорганизмов, простейших, насекомых, беспозвоночных и позвоночных животных, которые представлены в природе определенными совокупностями - биоценозами.

3. К настоящему времени из двух тысяч известных ферментов более 150 получено в кристаллическом виде. Ферменты подразделяют на шесть классов: оксиредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы.

4. Ферментативная активность почв [от лат. Fermentum - закваска] -способность почвы проявлять каталитическое воздействие на процессы превращения экзогенных и собственных органических и минеральных соединений благодаря имеющимся в ней ферментам.

5. Пробная площадка - часть исследуемой территории, характеризующаяся сходными условиями (рельефом, однородностью структуры почвы и растительного покрова, характером хозяйственного использования). Пробная площадка должна располагаться на типичном для изучаемой территории месте. На площади 100 кв. м закладывается одна пробная площадка размером 25 м.

6. Для определения ферментативной активности обычно берут почву, подсушенную на открытом воздухе; влажные образцы следует подсушивать в лаборатории при комнатной температуре. Необходимо следить за тем, чтобы образец не содержал неразложившихся растительных остатков. Комки почвы измельчают и просеивают через сито с ячеями размером 1 мм. При изучении ферментативной активности свежего (влажного) образца полному удалению растительных остатков следует уделять еще больше внимания. Одновременно с изучением активности определяют и влажность почвы, полученный результат пересчитывают на 1 г абсолютно сухой почвы.

7. Биологическую активность почв определяют с помощью микробиологических и биохимических методов. К микробиологическим методам относятся аппликационные и методы определения численности микроорганизмов разных систематических и физиологических групп. К биохимическим относятся методы определения дыхания и ферментативной, активности почвы.

Список использованных источников

1. Гамаюрова, В.С. Ферменты: Лабораторный практикум: учебное пособие/ В.С. Гамаюрова, М.Е. Зиновьева. - Спб.: Проспект Науки, 2011. - 256 с.

2. Государственный (национальный) доклад о состоянии и использовании земель в РБ: ФГУП «ФКЦ «Земля», 2011.

3. Изменение почв в процессе их окультуривания: Сборник статей, под ред. В.К. Гирфанова. - Уфа, 1974.

4. Филиппович, Ю. Б., Основы биохимии: Учеб. для студ. хим. и биол. спец. пед. ин-тов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985. - 503 с.

5. Крамарева, Т.Н. Изменение ферментативной активности чернозема выщелоченного под влиянием длительного применения удобрений /Т.Н. Крамарева // Докучаевские молодежные чтения - 2001, Санкт-Петербург, 27 февраля-2 марта 2001 г.: Тез. докл. - СПб., 2001. - С.134-135.

6. Девятова, Т.А. Биологическая активность антропогенно измененных почв /Т.А. Девятова, Т.Н. Крамарева, И.Н. Богомолова // Современные проблемы земледелия и экологии: Сб. докл. Международной науч.-практич. конф., Курск, 10-12 сентября, 2002 г. - С.332-334.

7. Казеев, К.Ш. Биологическая диагностика и индикация почв: Методология и методы исследования / К.Ш. Казеев, С.И. Колесников, В.Ф. Вальков. - Ростов на Дону, 2003. - 204 с.

8. Хазиев, Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. - М.: Наука, 1990. - 189 с.

9. Практикум по агрохимии./ Под. ред. В.Г. Минеева. - М.: МГУ, 2001. - 689 с.

10. Звягинцев, Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. - М.: Изд-во МГУ, 1991. - 304 с.

11. Гапонюк, Э.И. Комплексная система показателей экологического мониторинга почв. Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах./ Э.И. Гапонюк, С.Г. Малахов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 98 с.

12. Кульман, А. Искусственное структурообразование почвы. - М., 1982. - 100 с.

13. Исмаилов, Н.М. Микробиологическая и ферментативная активность нефтезагрязненных почв // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. - М., 1988. - 120 с.

14. Практикум по почвоведению / Под ред. Кауричева И.С.- 4-е изд. - М.: «Агропромиздат», 1986. - 336 с.

15. Авраменко, И.Ф. Микробиология: учеб. пособие. - М.: КолосС, 1972. - 190с.

16. Геннадиев, А.Н., Глазовская, М.А. География почв с основами почвоведения. - М.: Высшая школа, 2008. - 462 с.

17. Звягинцев, Д.Г., Бабьева, И.П., Зенова, Г.М. Биология почв. - М.: МГУ, 2005. - 445 с.

18. Звягинцев, Д.Г. Почва и микроорганизмы. - М.: МГУ, 1987. - 256 с.

19. Мирчинк, Т.Г. Почвенная микробиология. - М.: МГУ, 1988. - 220 с.

20. Теппер, Е.З., Шильникова, В.К., Переверзева, Г.И. Практикум по микробиологии. - М.: Агропромиздат, 1987. - 239с.

21. Почвоведение с основами геологии: Учебное пособие / Горбылева А.И., Андреева Д.М., Воробьев В.Б., Петровский Е.И.; Под редакцией Горбылевой А.И. - Минск: «Новое знание», 2002. - 392 с.

22. Экология микроорганизмов. /А.И. Нетрусов и др.; под ред. А.И. Нетрусова. - М.: «Академия», 2004. - 272 с.

23. Ковриго, В.П., Кауричев, И.С., Бурлакова, Л.М. Почвоведение с основами геологии - М.: «Колос», 2000. - 416 с.

24. Ганжара, Н. Ф. Почвоведение. - М.: Агроконсалт, 2001. - 392 с.

25. Орлов, Д.С., Горшкова, Е.И. Практикум и семинары по химии почв; МГУ, 1997. - С. 42

Размещено на Allbest.ru