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

Мал. 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.

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 грунтів.

Аналізи інвертази після 1 року свідчать про подальше зменшення її у всіх зразках у 2-3 рази в залежності від типу ґрунтів, що, мабуть, пояснюється виснаженням ґрунту углеродсодержащими сполуками.

З класу гідролаз вивчено активність інвертази, що гідролізує сахарозу на глюкозу та фруктозу, та уреази, що каталізує гідроліз сечовини. Активність цих ферментів у ґрунті дуже низька, але при внесенні торфу збільшується пропорційно дозам і мало залежить від кількості мінеральних добрив. Слід зазначити, що внесення найбільшої дози (ИРКЦ, і навіть СаСОэ немає переваг перед меншими дозами добрив стимулюванні активності як гідролаз, і оксидоредуктаз.[ ...]

Для траси аеропорт – сел. Кангаласи зворотна залежність між активністю уреази, інвертази та протеази та вмістом свинцю не виявлена. Це свідчить про відсутність інгібуючого ефекту свинцю в дозі, що не перевищує ГДК. Відзначається паралельне збільшення активності всіх ферментів і свинцю в міру віддалення джерела забруднення, що у разі пояснюється збільшенням гумусированности грунтів. Відомо, що ґрунти з високим вмістом гумусу більшою мірою накопичують ТМ і характеризуються підвищеною ФА.

Сполуки цієї групи затримують зростання нових пагонів, тимчасово знижують активність інвертази в цукрових буряках та пригнічують біосинтез хлорофілу. І все ж таки їх первинна дія - це придушення біосинтезу ароматичних амінокислот. З'єднання типу І-фосфонметилгліцину пригнічують цей синтез, діючи на ділянках перетворення дегідрохінної та префенової кислот.

Очевидно, утворення сахарози відбувається в паренхімних клітинах флоеми, звідки вона надходить у ситоподібні трубки, які позбавлені ферментів, що розкладають сахарозу (інвертази), що визначає збереження цього з'єднання на всьому шляху його транспорту.

Проведена робота дозволяє зробити висновок, що накопичення рухомих форм свинцю і нікелю в дозах, що перевищують ГДК, призводить до зниження активності ферментів у ґрунтах. Зниження активності протеази, уреази та інвертази у ґрунтах зумовлює відповідне гальмування процесів гідролізу білків, сечовини та олігосахаридів, що в цілому призводить до зниження біологічної активності ґрунтів. Зміна ФА -перспективний метод діагностики екологічного стану ґрунтів. З розглянутих нами ферментів найбільш високі діагностичні властивості виявляє уреазу.

Стан ґрунтів оцінювався двома біоіндикаційними методами: за ферментативною активністю ґрунтів та мутаційним впливом ґрунтів на тест-об'єкт. У міських ґрунтогрунтах визначалася активність трьох ферментів - інвертази, каталази та уреази (Хазієв, 1990), з яких найбільш варіабельною виявилася активність уреази. З цієї причини для інтегральної оцінки обрано показники саме цього ферменту, активність якого значною мірою залежала від концентрації у ґрунті широкого кола полютантів.

Гістохімічні аналізи дозволили встановити спільність окисного режиму пилку та пилкових трубок у різних представників покритонасінних рослин. При цьому встановлено, що найбільш інтенсивно біохімічні процеси протікають у кінчику пилкової трубки.

Інша група эвокациопых змін пов'язані з активацією енергетичних процесів, необхідні реалізацій морфогенетичної програми репродуктивного развития.[ ...]

При внесенні великих норм ГХБД і в рідкій, і в гранульованій формі пригнічення розвитку окремих груп мікроорганізмів не проходить і півтора року, що пройшли після фумігації. Активність ґрунтових ферментів (каталази та інвертази) до цього часу становить за цими (варіантами досвіду 70-80% від активності ферментів у контрольному варіанті. Через 5 місяців після внесення великих норм ГХБД (рідкого та гранульованого) знижується вміст у ґрунті нітратів, що свідчить про пригніченні процесу нітрифікації.

Агрохімічні властивості ґрунтів визначали загальноприйнятими методами, pH водної та сольової витяжок - потенціометричним, вміст вуглецю - методом Тюріна, рухомого азоту - за Башкіним і Кудеяровим, рухомого фосфору - по Чирикову, ферментативну активність ґрунтів (інвертазу, уреазу і каталазу). ...]

У багатьох представників променистих грибків виявлено фермент амілаза, з якого організми розщеплюють крохмаль з різною інтенсивністю, залежно від виду культури. Одні культури розкладають крохмаль до декстринів, інші – до цукрів. У деяких актиноміцетів виявлено фермент інвертазу, який розщеплює сахарозу на легкозасвоювані цукру – глюкозу та фруктозу. Зазначено, що проактиноміцети можуть засвоювати сахарозу без її розкладання.

Такі рівні забруднення відбилися і змісту рухомих, доступних рослинам форм сполук важких металів. Їхня кількість також збільшилася в 1,5-2 і навіть у 5 разів. Ці зміни відбилися на ґрунтовій біоті, загальних властивостях ґрунтів та ґрунтовій родючості. Зокрема, різко знизилася активність ґрунтових ферментів: інвертази, фосфатази, уреази, каталази; приблизно 2 разу знизилося продукування С02. Ферментативна активність - добрий інтегральний показник екологічної обстановки у системі «грунт - рослина». На забруднених ґрунтах різко знизилася й урожайність різних культур. Так, урожай томатів (ц/га) у середньому знизився від 118,4 до 67,2; огірків – від 68,3 до 34,2; капусти – від 445,7 до 209,0; картоплі – від 151,8 до 101,3; яблук - від 72,4 до 32,6 та персиків - від 123,6 до 60,6.

Серед тундрових ґрунтів заплави потенціал біохімічної активності зростає від ґрунтів прируслової заплави до центральної та притерасної. У свою чергу, ферментативна активність в органогенних заплавних ґрунтах вища, ніж у мінеральних. У гумусових горизонтах (0-13 см) вивчених ґрунтів відзначається досить висока активність уреази, інвертази, фосфатази та дегідрогенази - ферментів, що беруть участь в обмінних процесах азоту, вуглеводів, фосфору та окислювально-відновних.

Активність фосфатази низька, а в більшості випадків фосфатазна активність відсутня, що пов'язано з дуже низьким вмістом рухомого фосфору на фоні щодо високого вмісту у перегнійно-торф'янистих горизонтах його валових форм. На відміну від ферментів, що беруть участь в обмінних процесах азоту і фосфору, ферменти вуглеводневого обміну (інвертаза) виявляють свою активність до надмерзлотних горизонтів, що визначається гумусованістю профілю.

Зміна ферментативної активності ґрунтів за чотири роки проведення досвіду показано у табл. 6.8. Як видно з отриманих результатів, активність уреази та фосфатази знизилася, але основні закономірності - більш висока активність у варіантах без застосування ПКС при внесенні торфу та мінеральних добрив та відсутність ферментативної активності у контрольних варіантах - зберігаються. У той же час активність інвертази, що відіграє важливу роль у кругообігу вуглецю в біогеоценозі, зростає на четвертий рік майже за всіма варіантами досвіду, в тому числі і при внесенні ПКС, що підтверджує також інтенсивність мінералізаційних процесів торфу та універсинів. ]

Дуже перспективним методом очищення води від усіляких речовин, що забруднюють її, особливо синтетичних, є використання іммобілізованих (закріплених, нерозчинних) ферментів - «ферментів другого покоління». Ідея закріплення ферментів на нерозчинному у воді носії та застосування таких потужних каталізаторів у технологічних процесах та медицині виникла давно. Ще в 1916 р. здійснено адсорбцію інвертази на активованому вугіллі у свіжовиділеному гідроксиді алюмінію. З 1951 для фракціонування антитіл і виділення антигенів використовують кон'югацію білків з целюлозою. Донедавна існував єдиний спосіб закріплення ферментів - звичайна фізична адсорбція. Однак адсорбційна ємність відомих матеріалів щодо білків явно недостатня, а сили адгезії невеликі, і розрив зв'язку між ферментом та поверхнею адсорбенту може наступати від найменших змін умов процесу. Тому такий метод іммобілізації не знайшов широкого застосування, але, оскільки він простий і може, мабуть, сприяти з'ясуванню механізму дії ферментів у живих системах, мулах та ґрунті, а в деяких випадках застосовуватися на практиці, деякі дослідники займаються вивченням адсорбції ферментів, пошуком нових, ефективних носіїв тощо. буд.

Якщо врахувати виражені та тривалі фізіологічні зміни процесів зростання та розвитку, що викликаються етиленом, не здасться дивним, що відбуваються також зміни у синтезі РНК та білка та в активності ферментів. Неодноразово перевірялася можливість прямого впливу етилену на активність різних ферментів, наприклад глюкозидази, а-амілази, інвертази та перок-сидази, але були отримані негативні результати; водночас синтез цілого ряду ферментів чітко зростає. До ферментів, щодо швидко синтезованих після впливу етилену, належить перокси-даза. У плодах цитрусових посилюється синтез феніл-аланін-аміак-ліази, причому С02 та інгібітори транскрипції блокують цей процес. У відділенні етилен викликає утворення целюлази. Очевидним є зв'язок цього ефекту зі стимуляцією процесу відділення. Правда, прискорене відділення настає ще до підйому синтезу целюлази, але це, ймовірно, пояснюється тим, що етилен викликає також вивільнення целюлази із зв'язаної форми та її секрецію до міжклітинників. Виділення амілази з алейронових клітин ячменю також прискорюється під впливом етилену. Швидкі ефекти етилену, наприклад придушення клітинного розтягування, що виявляється вже через 5 хв, пов'язані швидше з впливом на мембрани, ніж зі змінами білкового синтезу.

Як відомо, однією з причин токсичності ґрунтоґрунтів є їхнє засолення. Відпрацьовані бурові розчини та буровий шлам містять у своєму складі у ряді випадків значну кількість небезпечних для ґрунтів мінеральних солей. Тому цікавість виявлення впливу зазначеного чинника на біологічну продуктивність грунтів. Результати досліджень свідчать про те, що мінеральні сопін н кількості боттее 0 8-4,0 кт/м2 ґрунту різко знижують активність інвертази, а в кількості більше 1,5-1,6 кг/м2 ґрунту починають істотно позначатися і на врожайності оброблюваних на них сільгоспкультур.

Мед – висококалорійний продукт. Натуральним медом називається солодка, в'язка та ароматична речовина, що виробляється бджолами з нектару рослин, а також з медяної роси або паді. Мед може мати вигляд закристалізованої маси. Цінність меду полягає і в тому, що він має бактерицидні властивості. Тому мед не лише цінний продукт харчування, а й лікувальний засіб. Головними складовими частинами квіткового меду є плодовий та виноградний цукри, яких у ньому міститься близько 75 %. Калорійність меду понад 3 тис. кал. У ньому є ферменти: діастаза (або амілаза), інвертаза, каталаза, ліпаза.

Дослідження проводили в долині нижньої течії р. Сисола (Республіка Комі, підзона середньої тайги). Біохімічні параметри ґрунтів характеризували за рівнем активності оксидоредуктаз (каталаза), гідролаз (інвертаза) та виділення С02 з поверхні ґрунту. У всі терміни відбору максимальні значення каталітичної активності зазначені в лісових підстилках ґрунту Адл (4.2-8.6 мл 02/г ґрунту), найбільш «сухий» у дослідженому ряду ґрунтів. Однак за рівнем інвертази у всі терміни відбору лідирував ґрунт Ал (11.9-37.8 мг глюкози/г ґрунту в горизонті АТ). У цьому ж ґрунті відзначений у липні максимум у виділенні С02 (0.60±0.19) кг/га-година. При використанні інтегрального показника БАП, що враховує всі параметри біологічної активності, показано, що найбільш активно біологічні процеси в усі терміни відбору протікають у грунті Ал, що займає проміжне положення гідротермічного режиму між грунтами Адл і Алб.

Дестабілізація процесу нітрифікації порушує надходження в біологічний кругообіг нітратів, кількість яких визначає реакцію у відповідь на зміну довкілля у комплексу денітрифікаторів. Ферментні системи денітрифікаторів зменшують швидкість повного відновлення, слабше залучаючи закис азоту до кінцевого етапу, здійснення якого потребує значних енергетичних витрат. В результаті цього вміст закису азоту в надґрунтовій атмосфері еродованих екосистем досягало 79 - 83% (Косінова та ін, 1993). Відчуження частини органічних речовин із чорноземів під впливом ерозії відбивається на поповненні азотного фонду в ході фото- та гетеротрофної фіксації азоту: аеробної та анаеробної. На перших етапах ерозії швидкими темпами йде придушення саме анаеробної азотфіксації через параметри лабільної частини органічної речовини (Хазієв, Багаутдінов, 1987). Активність ферментів інвертази та каталази у сильнозмитих чорноземах порівняно з незмитими зменшилася більш ніж на 50%. У сірих лісових ґрунтах у міру збільшення їхньої змитості найбільш різко знижується інвертазна активність. Якщо в слабозмитих грунтах відзначається поступове згасання активності з глибиною, то в сильнозмитих вже в підорному шарі інвертазна активність дуже мала або не виявляється. Останнє пов'язане з виходом на денну поверхню ілювіальних горизонтів із вкрай низькою активністю ферменту. За активністю фосфатази та, особливо, каталази чітко вираженої залежності від ступеня змитості ґрунтів не спостерігалося (Лічко, 1998).

Первинні речовини в лишайниках загалом самі, що й інших рослинах. Оболонки гіф в лишайниковій слоевище складені в основному вуглеводами, часто виявляється в гіфах хітин (С30 Н60 К4019). Характерною складовою гіф є полісахарид ліхенін (С6Н10О6)п, званий лишайниковим крохмалем. Рідше зустрічається ізомер ліхеніну - ізоліхенін - знайдений, крім оболонок гіф, у протопласті. З високомолекулярних полісахаридів у лишайниках, зокрема в оболонках гіф, трапляються геміцелюлози, які, очевидно, є резервними вуглеводами. У міжклітинних просторах у деяких лишайників виявлені пектинові речовини, які, вбираючи у великій кількості воду, набухають і ослизняють слоевище. У лишайниках зустрічаються також багато ферментів - інвертаза, амілаза, каталаза, уре-аза, зимаза, ліхеназа, у тому числі і позаклітинні. З азотовмісних речовин у гіфах лишайників виявлено багато амінокислот - аланін, аспарагінова кислота, глютамінова кислота, лізин, валін, тирозин, триптофан та ін. Фікобіонт продукує в лишайниках вітаміни, але майже завжди в малих кількостях.

У ході експериментів встановлено, що напіврідкі та тверді відходи буріння вкрай негативно впливають на біологічну продуктивність ґрунтів. Відомо, що найбільший негативний вплив надають нафту та нафтопродукти, що містяться у відходах. Зазначені забруднювачі значно знижують активність окислювально-відновних та гідролітичних ферментів, що призводить до придушення мікробіологічної активності ґрунту. Такий ефект яскраво виражений для відходів, що містять понад 4-5% нафти та нафтопродуктів. При меншому вмісті даного забруднювача ефект зниження біологічної продуктивності аналізованих типів грунтів характерний для періоду від 3 до 6 міс., а потім відзначається посилене розмноження азотфіксуючих, денітрифікуючих і сульфатвосста-наочивающих бактерій, які використовують нафту і її похідні як джерело вуглецю та енергії, внаслідок чого відбуваються поступове окислення та мінералізація нафти. При цьому закономірно знижується врожайність сільгоспкультур та активність інвертази. При вмісті у складі відходів більше 5% нафти і нафтопродуктів видимої активності вуглеводневої бактеріальної мікрофлори не відзначається навіть після закінчення 1 року. Зазначений рівень забрудненості відходів є критичним, а тому потрібне застосування спеціальних агротехнічних та агрохімічних прийомів, що стимулюють біологічну продуктивність грунтів (внесення добрив, що містять азот, фосфор і калій; інтенсивна аерація зони нафтового забруднення; посів спеціальних трав, що підсилюють діяльність вугілля). ...]

Для вивчення механізму та характеру впливу напіврідких (відпрацьовані бурові розчини) та твердих (буровий шлам) відходів буріння, тобто. тих видів відходів, які піддаються засипанню мінеральним ґрунтом у шламових коморах при їх ліквідації, на біологічну продуктивність ґрунтів та розробки на цій основі комплексу агротехнічних заходів щодо відновлення забруднених земель було проведено вегетаційно-польові та польові дослідження. Експерименти проводили за стандартними методиками. Експериментували з відходами буріння різного ступеня забрудненості по нафті та нафтопродуктах (НП), органічному вуглецю (показник хімічного споживання кисню - ГПК) та мінеральним солям (показник прожареного залишку - ПЗ), які додавали у ґрунти у співвідношенні 1:1. Діапазон та рівень забруднених відходів такі: по НГ1 – 1,0-12,0%; за ГПК - 20,0 - 60,0 кг/м3; за ПЗ (у перерахунку на одиницю площі ґрунту) - 0,4-1,6 кг/м2 ґрунту. У дослідженнях використовували три типи грунту, тобто. найбільш поширені типи ґрунтів, на яких ведеться буріння у зонах активного сільгоспкористування земель. Інтегральними показниками біологічної продуктивності ґрунтів були врожайність стандартного ячменю сорту "Кур'єр" та активність інвертази, яку визначали за відомою методикою.

Однак, незважаючи на тісну залежність, що існує між лишайниками та субстратом, на якому вони поселяються, досі з достовірністю ще невідомо, використовують лишайники субстрат лише як місце прикріплення або вони витягують із нього деякі поживні речовини, необхідні для їхньої життєдіяльності. З одного боку, здатність лишайників зростати на субстратах, бідних на поживні речовини, дає підстави вважати, що вони використовують субстрат лише як місце прикріплення. Однак, з іншого боку, виборча сновидність, що виявляється лишайниками при розселенні, строга приуроченість більшості з них до певного субстрату, залежність видового складу лишайникової рослинності не тільки від фізичних, а й від хімічних властивостей субстрату мимоволі наводять на думку, що лишайники використовують субстрат додаткове джерело живлення. Це підтверджується і біохімічними дослідженнями, проведеними останніми роками. Наприклад, з'ясувалося, що в того самого виду лишайника, що росте на різних деревних породах, склад лишайникових речовин може бути неоднаковим. Ще більш очевидним доказом є відкриття у лишайників позаклітинних ферментів, які виділяються у зовнішнє середовище. Позаклітинні ферменти, такі, наприклад, як інвертаза, амілаза, цел-люлаза та багато інших, представлені в лишайниках досить широко і мають досить високу активність. Причому, як виявилося, вони найактивніші в нижній частині слані, якій лишайник прикріплений до субстрату. Це вказує на можливість активної дії слані лишайників на субстрат з метою вилучення з неї додаткових поживних речовин.

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.

За типом реакцій, що каталізуються, всі відомі ферменти розділені на шість класів:

1. Оксидоредуктази, що каталізують окисно-відновні реакції.

2. Гідролази, що каталізують реакції гідролітичного розщеплення внутрішньомолекулярних зв'язків у різних сполуках.

3. Трансферази, що каталізують реакції міжмолекулярного або внутрішньомолекулярного перенесення хімічної групи та залишків з одночасним перенесенням енергії, укладеної у хімічних зв'язках.

4. Лігази (синтетази), що каталізують реакції сполуки двох молекул, пов'язані з розщепленням фірофосфатних зв'язків АТФ або іншого аналогічного трифосфату.

5. Ліази, що каталізують реакції негідролітичного відщеплення або приєднання різних хімічних груп органічних сполук подвійних зв'язків.

6, Ізомерази, що каталізують реакції перетворення органічних сполук в їх ізомери.

У ґрунті широко поширені і досить докладно вивчені оксидоредуктази та гідролази, що мають дуже важливе значення у ґрунтовій біодинаміці.

Каталаза

(Н 2 Про 2: Н 2 Про 2 -оксидоредуктаза)

Каталаза каталізує реакцію розкладання перекису водню з утворенням води та молекулярного кисню:

Н2О2+Н2О2О2+Н2О.

Перекис водню утворюється в процесі дихання живих організмів та внаслідок різних біохімічних реакцій окислення органічних речовин. Токсичність перекису водню визначається його високою реакційною здатністю, яку виявляє синглетний кисень, *О 2 . Його висока реакційна здатність призводить до неконтрольованих реакцій окиснення. Роль каталази полягає в тому, що вона руйнує отруйний для організмів перекис водню.

Каталаза широко поширена у клітинах живих організмів, у тому числі мікроорганізмів та рослин. Високу каталазну активність виявляють також ґрунти.

Методи визначення каталазної активності грунту засновані на вимірюванні швидкості розпаду перекису водню при взаємодії її з грунтом за обсягом кисню, що виділяється (газометричні методи) або за кількістю нерозкладеного перекису, яке визначають перманганатометричним титруванням або колориметричним методом з утворенням пофарбованих комплексів.

Дослідженнями Є.В. Даденко та К.Ш. Казєєва встановлено, що при зберіганні зразків активність каталази з усіх ферментів знижується найбільше, тому її визначення необхідно проводити в перший тиждень після відбору зразків.

Метод А.Ш. Галстяна

Хід аналізу. Для визначення активності каталази використовують прилад із двох з'єднаних гумовим шлангом бюреток, які заповнюють водою та врівноважують її рівень. Підтримка певного рівня води у бюретках свідчить про досягнення температурної рівноваги у приладі. Наважку (1 г) ґрунту вносять в одне з відділень здвоєної колби. В інше відділення колби доливають 5 мл 3-відсоткового розчину перекису водню. Колбу щільно закривають пробкою каучукової зі скляною трубкою, яка з'єднана з вимірювальною бюреткою за допомогою гумового шлангу.

Досвід проводять при температурі 20 °С, так як при іншій температурі швидкість реакції відрізнятиметься, що спотворить результати. В принципі важлива температура не повітря, а перекису, саме вона повинна бути 20 0 С. Якщо температура повітря значно вища 20 0 С (влітку), рекомендується проводити аналіз у підвалі чи іншому прохолодному приміщенні. Рекомендоване у разі застосування водяної лазні з температурою 20°З навряд чи ефективно.

Початок досвіду відзначають по секундоміру або пісочному годиннику в той момент, коли перекис змішується з ґрунтом, і вміст посудини струшують. Збовтування суміші проводять протягом усього досвіду, намагаючись не торкатися колби руками, тримаючи її за пробку. Кисень, що виділяється, витісняє з бюретки воду, рівень якої відзначають через 1 і 2 хв. Рекомендація визначати кількість кисню через кожну хвилину протягом 3 хв через прямолінійність реакції розкладання перекису лише збільшує витрати часу на аналіз.

Ця методика дозволяє одному досліднику за день проаналізувати активність каталази більш ніж 100 зразків. Зручно проводити аналіз удвох, використовуючи 5-6 судин. При цьому одна людина безпосередньо займається аналізом та стежить за рівнем бюретки, а друга стежить за часом, записує дані та миє судини.

Контролем служить стерилізований сухим жаром (180 ° С) грунт. Деякі грунти, сполуки та мінерали мають високу активність неорганічного каталізу розкладання перекису навіть після стерилізації - до 30-50 % від загальної активності.

Активність каталази виражають у мл О 2 , що виділяється за 1 хв з 1 г грунту.

Реактиви: 3-відсотковий розчин Н2О2. Концентрацію пергідролю обов'язково періодично перевіряють, робочий розчин готують безпосередньо перед аналізом. Для встановлення концентрації пергідролю на аналітичних вагах у мірній колбі ємністю 100 мл зважують 1 г Н 2 Про 2 об'єм доводять до мітки і збовтують. Поміщають 20 мл отриманого розчину конічні колби на 250 мл (3 повторності), додають 50 мл дистильованої води і 2 мл 20-відсоткової Н 2 SO 4 . Потім титрують 0,1 н. розчином КМnО 4 . 1 мл розчину КМnО 4 відповідає 0,0017008 р Н 2 Про 2 . Після встановлення концентрації пергідролю готують 3-відсотковий розчин розведенням дистильованою водою. Тітрувальний розчин КМnО 4 готують з фіксаналу і витримують кілька днів для встановлення титру.

Дегідрогенази

(Субстрат: НАД (Ф)-оксидоредуктази).

Дегідрогенази каталізують окисно-відновні реакції шляхом дегідрування органічних речовин. Вони проходять за такою схемою:

АН 2 + В А + ВН 2

У ґрунті субстратом дегідрування можуть бути неспецифічні органічні сполуки (вуглеводи, амінокислоти, спирти, жири, феноли тощо) та специфічні (гумусові речовини). Дегідрогенази в окислювально-відновних реакціях функціонують як переносники водню та поділяються на дві групи: 1) аеробні, що передають мобілізований водень кисню повітря; 2) анаеробні, що передають водень іншим акцепторам, ферментам.

Основним методом виявлення дії дегідрогеназу є відновлення індикаторів з низьким редокс-потенціалом типу метиленової сині.

Для визначення активності дегідрогеназу ґрунту як водень застосовують безбарвні солі тетразолію (2,3,5-трифенілтетразолій хлористий - ТТХ), які відновлюються у червоні сполуки формазанів (трифенілформазан - ТФФ).

Хід аналізу. Наважку (1 г) підготовленого ґрунту акуратно через лійку поміщають на дно пробірки ємністю 12-20 мл і ретельно перемішують. Додають 1 мл 0,1 М розчину субстрату дегідрування (глюкоза) та 1 мл свіжоприготовленого 1-відсоткового розчину ТТХ. Пробірки поміщають в анаеростат або вакуумний ексікатор. Визначення проводять в анаеробних умовах, навіщо повітря евакуюють при розрідженні 10-12 мм рт. ст. протягом 2-3 хв і ставлять термостат на 24 год при 30 °С. При інкубуванні ґрунту з субстратами толуол як антисептик не додають, оскільки; він сильно інгібує дію дегідрогеназу. Контролем служать стерилізований ґрунт (при 180°С протягом 3 год) та субстрати без ґрунту. Після інкубації колби додають 10 мл етилового спирту або ацетону, струшують 5 хв. Отриманий забарвлений розчин ТФФ фільтрують та колориметрують. При дуже інтенсивному фарбуванні розчин розбавляють спиртом (ацетоном) у 2-3 рази. Використовують 10-мм кювети та світлофільтр з довжиною хвилі 500-600 ім. Кількість формазану в мг розраховують за стандартною кривою (0,1 мг на 1 мл). Активність дегідрогеназу виражають у мг ТТФ на 10 г ґрунту за 24 год. Помилка визначення до 8 %.

Реактиви:

1) 1-відсотковий розчин 2,3,5-трифенілтетразолію хлористого;

2) 0,1 М розчин глюкози (18 г глюкози розчиняють у 1000 мл дистильованої води);

3) етиловий спирт чи ацетон;

4) трифенілформазан для стандартної шкали. Для складання калібрувальної кривої готують ряд розчинів в етиловому спирті, ацетоні або толуолі з концентрацією формазану (від 0,01 до 0,1 мг формазану в 1 мл) та фотоколориметрують, як описано вище.

За відсутності формазану його одержують відновленням ТТХ гідросульфітом натрію (сульфітом амонію, порошком цинку у присутності глюкози). Початкова концентрація розчину ТТХ 1 мг/мл. До 2 мл вихідного розчину ТТХ додають на кінчику ланцету кристалічний гідросульфіт натрію. Осад, що випав формазану, отримують 10 мл толуолу. У такому обсязі толуолу міститься 2 мг формазану (0,2 мг/мл). Подальшим розведенням готують робочі розчини для шкали.

Інвертаза

(β-фруктофуранозідазу, сахаразу)

Інвертаза є карбогідразою, вона діє на β-фруктофуранозидазний зв'язок у сахарозі, раффінозі, генціанозі та ін.

інвертаза

С 12 Н 22 О 11 + Н 2 О С 6 Н 12 О 6 + С 6 Н 12 О 6

сахароза глюкоза фруктоза

Інвертаза широко поширена у природі та зустрічається майже у всіх типах ґрунтів. Дуже висока активність інвертази виявлена ​​у гірничо-лугових ґрунтах. Активність інвертази чітко корелює із вмістом гумусу та ґрунтовою родючістю. Рекомендується щодо впливу добрив з метою оцінки їх ефективності. Методи визначення активності інвертази ґрунтів засновані на кількісному обліку відновлювальних цукрів за Бертраном та зміни оптичних властивостей розчину сахарози до і після впливу ферменту. Перший спосіб може бути застосований щодо ферменту з дуже широкою амплітудою активності і концентрації субстрату. Поляриметричний та фотоколориметричний способи більш вимогливі до концентрації цукрів та неприйнятні для ґрунтів з високим вмістом органічної речовини, де виходять, забарвлені розчини; тому ці методи обмежено застосовують у ґрунтових дослідженнях.

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.