Ферменты — это катализаторы химических реакций белковой природы, отличающиеся специфичностью действия в отношении катализа определенных химических реакций.
Они являются продуктами биосинтеза всех живых почвенных организмов: древесных и травянистых растений, мхов, лишайников, водорослей, микроорганизмов, простейших, насекомых, беспозвоночных и позвоночных животных, представленных в природной обстановке определенными совокупностями — биоценозами.
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 им химические реакции в организме осуществляются с большой скоростью.
Классы
В настоящее время известно более 900 ферментов. Их подразделяют на шесть главных классов.
- Оксиредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции.
- Трансферазы, катализирующие реакции межмолекулярного переноса различных химических групп и остатков.
- Гидролазы, катализирующие реакции гидролитического расщепления внутримолекулярных связей.
- Лиазы, катализирующие реакции присоединения групп по двойным связям и обратные реакции отрыва таких групп.
- Изомеразы, катализирующие реакции изомеризации.
- Лигазы, катализирующие химические реакции с образованием связей за счет АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).
Ранее мы писали про Подзолистые почвы таежно-лесной зоны
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.
Группы ферментов
В. Ф. Купревич и Т. А. Щербакова (1966) отмечают, что важной чертой ферментативных комплексов почв является упорядоченность действия имеющихся групп ферментов, которая проявляется в том:
- что обеспечивается одновременное действие ряда ферментов, представляющих различные группы;
- исключаются образование и накопление соединений, имеющихся в почве в избытке;
- излишки накопившихся подвижных простых соединений (например, NH3) тем или иным путем временно связываются и направляются в циклы, завершающиеся образованием более или менее сложных соединений.
Ферментативные комплексы являются уравновешенными саморегулирующимися системами. 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 (концентрации компонентов, рН, температуры, состава среды, действия активаторов, ингибиторов и т.д.).
Рекомендуем прочитать: Солоди
В данной главе рассматривается участие в некоторых химических почвенных процессах ферментов из класса гидролаз — активность инвертазы, уреазы, фосфатазы, протеазы и из класса оксиредуктаз — активность каталазы, пероксидазы и полифенолоксидазы.
Имеющих большое значение в превращении азот- и фосфорсодержащих органических веществ, веществ углеводного характера и в процессах образования гумуса. Активность этих ферментов — существенный показатель плодородия почв.
Кроме того, будет охарактеризована активность этих ферментов в лесных и пахотных почвах разной степени окультуренности на примере дерново-подзолистых, серых лесных и дерново-карбонатных почв.
Характеристика почвенных ферментов
Инвертаза — катализирует реакции гидролитического расщепления сахарозы на эквимолярные количества глюкозы и фруктозы, воздействует также на другие углеводы с образованием молекул фруктозы — энергетического продукта для жизнедеятельности микроорганизмов, катализирует фруктозотрансферазные реакции.
Исследования многих авторов показали, что активность инвертазы лучше других ферментов отражает уровень плодородия и биологической активности почв.
Читайте также: Сероземы
- 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 находится в обратной зависимости от обеспеченности растений подвижным фосфором, 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, при участии которых белки расщепляются до полипептидов и аминокислот, далее они подвергаются гидролизу 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 усвояемых для растений форм азота.
- Каталаза — в результате ее активирующего действия происходит расщепление перекиси водорода, токсичной для живых организмов, на воду и свободный кислород. Большое влияние на каталазную активность минеральных почв оказывает растительность.
- Как правило, 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.
- Полифенолоксидаза и пероксидаза — им в почвах принадлежит важная роль в процессах гумусообразования. Полифенолоксидаза катализирует окисление полифенолов в хиноны в присутствии свободного кислорода воздуха.
- Пероксидаза же 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 (Кононова, 1963).
Вам понравится: Болотные почвы
Замечено (Чундерова, 1970), что 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).
У пахотных слабоокультуренных почв Удмуртии за период с мая по сентябрь он составил: у дерново-подзолистой — 24 %, у серой лесной оподзоленной — 26 и у дерново-карбонатной почвы — 29 %.
Ферментативные процессы в почвах
Биокаталитическая активность почв находится в значительном соответствии со степенью обогащенности их микроорганизмами (табл. 11), зависит от типа почв и изменяется по генетическим горизонтам, что связано с особенностями изменения содержания гумуса, реакции, Red-Ox-потенциала и других показателей по профилю.
В целинных лесных почвах интенсивность ферментативных реакций в основном определяют горизонты лесной подстилки, а в пахотных — пахотные слои.
Читайте также: Дерновые почвы
Как в одних, так и в других почвах все биологически менее активные генетические горизонты, находящиеся под горизонтами А или Ап, имеют низкую активность ферментов, незначительно изменяющуюся в положительную сторону при окультуривании почв.
После освоения лесных почв под пашню ферментативная активность образованного пахотного горизонта по сравнению с лесной подстилкой оказывается резко сниженной, но по мере его окультуривания повышается и в сильно окультуренных видах приближается или превышает показатели лесной подстилки.
11. Сопоставление биогенносга и ферментативной активности почв Среднего Предуралья (Пухидская, Ковриго, 1974)
№ разреза, название почвы | Горизонт, глубина взятия образца, см | Гумус, % | Общее количество микроорганизмов, тыс. на 1 г абс. сух. почвы (в среднем за 1962, 1964-1965 гг.) | Показатели активности ферментов (в среднем за 1969—1971 гг.) | ||||||
Инвертаза, мг глюкозы на 1 г почвы за I сут | Фосфатаза, мг фенолфталеина на 100 г почвы за 1 ч | Уреаза, мг NH, нa 1 г почвы за 1 сут | Каталаза, мл 02 на 1 г почвы за 1 мин | Полифенолоксидаза | Пероксидаза | |||||
мг пурпурогаллина на 100 г почвы за 1,5 ч | ||||||||||
3. Дерново-среднеподзолистая среднесуглинистая (под лесом) | Ао1-6 |
| 5431 | 9,18 | 0,23 | 0,27 | 2,96 | 2,21 | 8,75 | |
А1 9-19 | 2,57 | 1339 | 2,67 | 0,07 | 0,10 | 1,65 | 0,81 | 2,56 | ||
А2 24-34 | 0,79 | 623 | 1,11 | 0,03 | 0,02 | 1,24 | 0,28 | 0,71 | ||
В2 57-67 | 0,36 | 102 | 0,50 | Не определяли | 0,03 | 1,12 | Следы | 0,12 | ||
1.Дерново-средне-подзолистая средне-суглинистая слабоокультуренная | Ап 0-22 | 2,51 | 4018 | 4,98 | 0,11 | 0,18 | 1,97 | 1,43 | 4,72 | |
А2 22-30 | 0,75 | 742 | 1,66 | 0,06 | 0,04 | 1,31 | 0,56 | 1,49 | ||
В1 32-42 | 0,48 | 353 | 0,63 | 0,03 | 0,02 | 1,35 | 0,24 | 0,50 | ||
10.Сераялесная оподзоленная тяжел осуглинистая слабоокультуренная | Ап 0-22 | 6,29 | 4894 | 8,32 | 0,20 | 0,18 | 1,91 | 1,70 | 6,02 | |
А/В1 24-34 | 2,46 | 1900 | 2,51 | 0,07 | 0,07 | 1,38 | 0,62 | 1,63 | ||
В1 42-52 | 0,92 | 1196 | 1,17 | 0,03 | 0,03 | 1,33 | 0,26 | 0,57 | ||
2. Дерново-карбонатная слабовыщело-ченная л егкосуглинистая слабоокультуренная | Ап 0-20 | 4,20 | 6203 | 10,48 | 0,24 | 0,23 | 2,20 | 2,35 | 7,84 | |
В1 22-32 | 1,27 | 688 | 2,91 | 0,08 | 0,09 | 1,38 | 0,81 | 2,22 | ||
В2 38-48 | 0,93 | 446 | 0,94 | 0,03 | 0,03 | 1,24 | 0,35 | 0,65 | ||
Активность биокаталитических реакций почв изменяется. Наименьшая она весной и осенью, а наиболее высокая обычно в июле-августе, что соответствует динамике общего хода биологических процессов в почвах. Однако в зависимости от типа почв и их географического положения динамика ферментативных процессов весьма различна.
Контрольные вопросы и задания
- Какие соединения называют ферментами?
- Каковы их продуцирование и значение для живых организмов?
- Назовите источники почвенных ферментов. Какую роль играют отдельные ферменты в почвенных химических процессах?
- Дайте понятие о ферментативном комплексе почв и его функционировании.
- Дайте общую характеристику течения ферментативных процессов в целинных и пахотных почвах.