Ферментативная активность почв

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………...3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В условиях возросшей антропогенной нагрузки на биосферу планеты, почва, являясь элементом природной системы и находясь в динамичном равновесии со всеми другими компонентами, подвергается деградационным процессам. Потоки веществ, попадая в почву в результате антропогенной деятельности, включаются в естественные циклы, нарушая нормальное функционирование почвенной биоты, и как следствие, всей почвенной системы. Среди различных биологических критериев оценки антропогенного влияния на почвы наиболее оперативными и перспективными являются биохимические показатели, дающие сведения о динамике важнейших ферментативных процессов в почве: синтезе и разложении органического вещества, нитрификации и других процессах.

Имеющиеся сведения о ферментативной активности различных типов почв в настоящее время пока недостаточны и требуют дальнейшего изучения. Это делает весьма актуальным в теоретическом и практическом отношениях изучение вопросов, затрагиваемых в данной работе [1, с. 15].

Объект исследования: активность почвенных ферментов.

Цель курсовой работы: Изучение почвенных ферментов и ферментативной активности почв.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:

1. Дать общие представления о почвенных ферментах и ферментативной активности почв.
2. Рассмотреть методологические подходы к определению ферментативной активности почв.
3. Определить влияние различных природных факторов на ферментативную активность почв
4. Изучить вопрос о наличии и смене сообществ микроорганизмов в почвах
5. Перечислить и охарактеризовать методы исследования активности почвенных ферментов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Обзор  литературы 

 

 

1.1 Общее представление о почвенных ферментах

 

 

Трудно представить, чтобы ферменты, высокоорганизованные белковые молекулы, могли образовываться в почве вне живого организма. Известно, что почва обладает известной ферментативной активностью.

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

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 [1, с. 28].

Биосинтез ферментов в живых организмах осуществляется благодаря генетическим факторам, ответственным за наследственную передачу типа обмена веществ и его приспособительную изменчивость. Ферменты являются тем рабочим аппаратом, при помощи которого реализуется действие генов. Они катализируют в организмах тысячи химических реакций, из которых, в итоге, слагается клеточный обмен. Благодаря ферментам химические реакции в организме осуществляются с большой скоростью.

К настоящему времени из двух тысяч известных ферментов более 150 получено в кристаллическом виде. Ферменты подразделяют на шесть классов:

1. Оксиредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции.
2. Трансферазы – катализируют реакции межмолекулярного переноса различных химических групп и остатков.
3. Гидролазы – катализируют реакции гидролитического расщепления внутримолекулярных связей.
4. Лиазы – катализирующие реакции присоединения групп по двойным связям и обратные реакции отрыва таких групп.
5. Изомеразы – катализируют реакции изомеризации.
6. Лигазы – катализируют химические реакции с образованием связей за счет АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).

При отмирании и перегнивании живых организмов часть их ферментов разрушается, а часть, попадая в почву, сохраняет свою активность и катализирует многие почвенные химические реакции, участвуя в процессах почвообразования и в формировании качественного признака почв – плодородия.

В разных типах почв под определенными биоценозами сформировались свои ферментативные комплексы, отличающиеся активностью биокаталитических реакций.

Важной чертой ферментативных комплексов почв является упорядоченность действия имеющихся групп ферментов. Она проявляется в том, что обеспечивается одновременное действие ряда ферментов, представляющих различные группы. Ферменты исключают накопление избытка каких-либо соединений в почве. Излишки накопившихся подвижных простых соединений (например, NH3) тем или иным путем они временно связывают и направляют в циклы, завершающиеся образованием более сложных соединений. Ферментативные комплексы можно представить, в виде неких саморегулирующихся систем. В этом основную роль играют микроорганизмы и растения, постоянно пополняющие почвенные ферменты, так как многие из них являются короткоживущими.

О количестве ферментов косвенно судят по их активности во времени, которая зависит от химической природы реагирующих веществ (субстрата, фермента) и от условий взаимодействия (концентрация компонентов, рН, температура, состав среды, действие активаторов, ингибиторов и др.).

Ферменты, относящиеся к классам гидролаз и оксидоредуктаз, участвуют в основных процессах гумификации почв, поэтому их активность – это существенный показатель плодородия почв. Поэтому кратко остановимся на характеристике ферментов, относящихся к данным классам.

К гидролазам относят инвертазу, уреазу, фосфатазу, протеазу и др.

Инвертаза – катализирует реакции гидролитического расщепления сахарозы на эквимолярные количества глюкозы и фруктозы, воздействует также на другие углеводы (галактозы, глюкозы, рамнозы) с образованием молекул фруктозы – энергетического продукта для жизни микроорганизмов, катализирует фруктозотрансферазные реакции. Исследования многих авторов показали, что активность инвертазы лучше других ферментов отражает уровень плодородия и биологической активности почв [3, с. 27].

Уреаза – катализирует реакции гидролитического расщепления мочевины на аммиак и диоксид углерода. В связи с использованием мочевины в агрономической практике необходимо иметь в виду, что активность уреазы выше у более плодородных почв. Она повышается во всех почвах в периоды их наибольшей биологической активности – в июле-августе.

Фосфатаза (щелочная и кислая) – катализирует гидролиз ряда фосфорорганических соединений с образованием ортофосфата. Активность фосфатазы тем выше, чем меньше в почве подвижных форм фосфора, поэтому она может быть использована как дополнительный показатель при установлении потребности внесения в почвы фосфорных удобрений. Наиболее высокая фосфатазная активность в ризосфере растений.

Протеазы – это группа ферментов, расщепляющих белки до полипептидов и аминокислот, которые в последующем гидролизуются до аммиака, диоксида углерода и воды. В связи с этим протеазы имеют важнейшее значение в жизни почвы, так как с ними связаны изменение состава органических компонентов и динамика форм азота, которые легко усваиваются растениями.

К классу оксидоредуктаз относят каталазу, пероксидазу и полифенолоксидазу и др.

Каталаза – в результате ее действия происходит расщепление перекиси водорода, токсичной для живых организмов:

Н2О2 → Н2О + О2

Большое влияние на каталазную активность минеральных почв оказывает растительность. Почвы, находящиеся под растениями с мощной глубоко проникающей корневой системой, характеризуются высокой каталазной активностью. Особенность активности каталазы заключается в том, что вниз по профилю она мало изменяется, имеет обратную зависимость от влажности почв и прямую – от температуры.

Полифенолоксидазе и пероксидазе в почвах принадлежит основная роль в процессах гумусообразования.

Полифенолоксидаза катализирует окисление полифенолов в хиноны в присутствии свободного кислорода воздуха. Пероксидаза 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. Далее может происходить конденсация хинонов с аминокислотами и пептидами с образованием первичной молекулы гуминовой кислоты, которая в дальнейшем способна усложняться за счет повторных конденсаций.

Отношение активности полифенолоксидазы (S) к активности пероксидазы (D), выраженное в процентах имеет связь с накоплением в почвах гумуса, поэтому эта величина получила название условный коэффициент накопления гумуса (К):

        S

К = ---- x 100,

        D

Рассмотрим разновидности почвенных ферментов.

К классу оксидоредуктаз относятся катализирующие окислительно-восстановительные реакции.

В подавляющем большинстве биологических окислений происходит не присоединение кислорода к окисляющейся молекуле, а отщепление водорода от окисляемых субстратов. Этот процесс получил название дегидрирования и катализируется ферментами дегидрогеназами.

Различают аэробные дегидрогеназы, или оксидазы, и анаэробные дегидрогеназы, или редуктазы. Оксидазы переносят атомы водорода или электроны от окисляемого вещества на кислород воздуха. Анаэробные дегидрогеназы передают атомы водорода и электроны другим акцепторам, ферментам или переносчикам водорода, без передачи их на кислородные атомы. Окислению подвергаются многочисленные органические соединения, попадающие в почву с растениями и животными: белки, жиры, углеводы, клетчатка, органические кислоты, аминокислоты, пурины, фенолы, хиноны, специфические органические вещества типа гуминовых и фульвокислот и др.

В окислительно-восстановительных процессах в клетках животных, растений, микроорганизмов участвуют, как правило, анаэробные дегидрогеназы, которые передают отщепляемый от субстрата водород промежуточным переносчикам. В почвенной среде участвуют в окислительно-восстановительных процессах в основном аэробные дегидрогеназы, с помощью которых водород субстрата переносится непосредственно на кислород воздуха, т.е. акцептором водорода является кислород. Простейшая окислительно-восстановительная система в почвах состоит из окисляемого субстрата, оксидаз и кислорода.

Особенность оксидоредуктаз состоит в том, что, несмотря на ограниченный набор активных групп (коферментов), они способны ускорять большое число самых разнообразных окислительно-восстановительных реакций. Это достигается за счет способности одного кофермента соединяться со многими апоферментами и образовывать каждый раз оксидоредуктазу, специфичную по отношению к тому или иному субстрату.

Другой важной особенностью оксидоредуктаз является то, что они ускоряют химические реакции, связанные с высвобождением энергии, которая необходима для синтетических процессов. Окислительно-восстановительные процессы в почве катализируются как аэробными, так и анаэробными дегидрогеназами. По химической природе это двукомпонентные ферменты, состоящие из белка и активной группы, или кофермента.

В качестве активной группы могут выступать:

• НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид),
• НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат);
• ФМН (флавинмононуклеотид);
• ФАД (флавинадениндинуклеотид), цитохромы.

Обнаружено около пятисот различных оксидоредуктаз. Однако наиболее распространнеными оксидоредуктазами являются такие, которые содержат в качестве активной группы НАД+.

Соединяясь с белком и образуя двукомпонентный фермент (пиридинпротеин), НАД+ усиливает свою способность восстанавливаться. В результате пиридинпротеины становятся способны отнимать от субстратов, в качестве которых могут быть углеводы, дикарбоновые и кетокислоты, аминокислоты, амины, спирты, альдегиды, специфические почвенные органические соединения (гуминовые и фульвокислоты) и др., атомы водорода в виде протонов (Н+). В результате активная группа фермента (НАД+) восстанавливается, а субстрат переходит в окисленное состояние.

Механизм связывания двух атомов водорода, т.е. двух протонов и двух электронов, состоит в следующем. Активный группой дегидрогеназ, которая принимает протоны и электроны, является пиридиновое кольцо. При восстановлении НАД+ к одному из углеродных атомов пиридинового кольца присоединяются один протон и один электрон, т.е. один атом водорода. Второй электрон присоединяется к положительно заряженному атому азота, а оставшийся протон переходит в окружающую среду.

Все пиридинпротеины являются анаэробными дегидрогеназами. Они не передают снятые с субстрата атомы водорода на кислород, а посылают их на другой фермент.

Кроме НАД+ пиридинферменты могут содержать в качестве кофермента никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+). Этот кофермент является производным НАД+, у которого водород ОН- группы второго углеродного атома рибозы аденозина замещен на остаток фосфорной кислоты. Механизм окисления субстратов при участии НАДФ* в качестве кофермента аналогичен НАД+.

После присоединения водорода НАДН и НАДФН обладают значительным восстановительным потенциалом. Они могут передавать свой водород другим соединениям и восстанавливать их, а сами превращаются при этом в окисленную форму. Однако водород, присоединенный к анаэробной дегидрогеназе, не может передаваться на кислород воздуха, а только преносчикам водорода. Такими промежуточными переносчиками являются флавиновые ферменты (флавопротеины). Они представляют собой двухкомпонентные ферменты, в качестве активной группы в которых может находиться фосфорилированный витамин В2 (рибофлавин). Каждая молекула такого фермента имеет молекулу рибофлавинфосфата (или флавинмононуклеотида, ФМН). Таким образом, ФМН представляет собой соединение азотистого основания диметилизоаллоксазина с остатками пятиуглеродного спирта рибита и фосфорной кислоты. ФМН способен принимать и отдавать два атома водрода (Н) по атомам азота (N) изоаллоксазинового кольца [1, с. 32].