Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
12. Биологическая характеристика почв
Источники ферментов – все живое вещество почв: растения, микроорганизмы, животные, грибы, водоросли. Почва – самая богатая система по разнообразию и количеству ферментов.
Белки и аминокислоты – амфотерные электролиты, могут диссоциировать и кислоты, и основания. Белки способны рассеивать свет благодаря своим крупным размерам и поглощать ультрафиолетовое излучение. За счет строения и наличия функциональных групп они являются катализаторами химических реакций. В сочетании с другими макромолекулами они образуют смешанные сополимеры (нуклео-, липо-, гликопротеины).
Белки классифицируют с учетом особенностей их пространственной структуры (альфа, бета и смешанные) и по выполняемым ими функциям: гормоны, регуляторные, токсичные, транспортные, структурные (Ковалевская, 2008).
С 1979 г. Международная комиссия по номенклатуре ферментов насчитывает 2003 фермента. Каждому присвоен индивидуальный номер (шифр).
Ферменты значительно ускоряют биохимические реакции и делают возможными их протекание при обычной температуре. В отличие от неорганических катализаторов они обладают избирательным действием, которая выражается в том, что каждый из них действует на определенное вещество или тип химической связи в молекуле. На специфичность действия влияет порядок чередования аминокислот в их молекулах.
Ферментативная активность складывается в результате совокупности процессов поступления, иммобилизации и деятельности ферментов в почве (рис. 41). Для каждого фермента существует свой оптимум рН. Оптимальная температура для ферментов животного происхождения 40–50 °С, растительного – 50–60 °С.
В составе окислительных ферментов содержатся органические соединения железа. В другие входят медь, цинк, марганец, ванадий, хром, витамины и органические соединения.
Белки имеют несколько классификаций:
По степени сложности состава молекул
• простые, дающие при гидролизе аминокислоты;
• сложные – образуют еще и пигменты, липиды, соединения с катионами.
По форме
• волокнистые (фибриллярные);
• корпускулярные (глобулярные), их большинство;
По отношению к растворителям:
• протеиноиды (фибриллярные белки) – нерастворяющиеся в обычных растворителях белков (воде, солевых и спиртовых растворах), но растворяющиеся в специфических растворах (роданид лития);
•альбумины хорошо растворяются в воде и концентрированных растворах солей (например, 50 % раствор сульфата аммония), они осаждаются (высаливаются) при полном насыщении раствора сульфатом аммония.
•глобулярные нерастворяются в воде и растворах солей умеренных концентраций.
По аминокислотному составу
•протамины, простейшие. В их составе 80–90 % аргинина и ограничен набор других аминокислот, например, сальмин из молок семги.
•гистоны содержат не менее 30 % аргинина, лизина и гистидина.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 41. Ферменты в почвах |
|
По типу катализируемой реакции ферменты подразделяют на 6 классов.
1. Оксидоредуктазы – катализируют процессы биологического окисления-восстановления. Участвуют в окислительно-восстано-вительных процессах синтеза гумусовых веществ. Распространены каталаза, дегидрогеназа, фенолоксидаза, полифенолоксидаза, пероксидаза, ферриредуктаза.
2. Гидролазы – участвуют в реакциях гидролитического распада (реже) синтеза высокомолекулярных органических соединений (белки, углеводы, фосфорорганические соединения, липиды) и способствуют обогащению почвы подвижными, и доступными растениям и микроорганизмам питательными веществами. К ним относятся: инвертаза, уреаза, протеаза, протеиназа, целлюлаза, гликозидаза, сахараза, нуклеаза, фосфатаза, амилаза, эфиры карбоновых кислот. В результате реакции образуются промежуточные продукты распада: аминокислоты, нуклеотиды, органические кислоты, моносахариды и конечные продукты минерализации – СО2, аммиак, фосфорная кислота и осуществляются циклы углерода, азота, фосфора, серы в почве.
3. Трансферазы – ускоряют реакции, переносят группы атомов и молекулярных остатков. В этот класс входят ферменты фосфотрансферазы, аминотрансферазы, гликозилтрансферазы, ацилтрансферазы.
4. Лиазы – ускоряют реакции негидролитического отщепления от субстратов определенных групп атомов с образованием двойных связей или присоединением групп атомов по двойной связи без участия воды. Характерными представителями лиаз являются декарбоксилазы карбоновых кислот, особенно кетокислот и аминокислот, альдолаза.
5. Изомеразы – ускоряют реакции внутримолекулярных превращений, изменяют структуру соединения. К ним относят триозофосфатомеразы,. фосфоглицератизомеразы.
6. Лигазы (синтетазы) – ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом молекул-доноров энергии (АТФ). Катализируют реакции образования С–С, С–S, С–N, С–О-связей за счет реакций конденсации, сопряженных с распадом АТФ.
Экологическое значение ферментов
1. Уникальное богатство почв ферментами. Поступая в почву, они становятся обязательными компонентами почвы. В почве протекают направленные биохимические процессы, обусловленные ее ферментативной активностью.
2. Разрушение первичного органического веществ и синтез вторичного – главнейшая экологическая функций ферментов, в результате которой происходит обогащение почв биогенными элементами и гумусом.
3. Ферменты выполняют роль катализаторов энергетического и вещественного обмена в почве. Почву рассматривают как каталитическую матрицу биосферы, которая обеспечивает надежность существования последней (Димитриев и др., 2009). Они участвуют в реакциях гидролитического распада высокомолекулярных органических соединений (белки, углеводы, фосфорорганические соединения, липиды), обогащая почву питательными веществами, подвижными, и доступными растениям и микроорганизмам (табл. 10).
4. Ферменты являются регуляторами связей между компонентами географических экосистем. При распаде микроорганизмов и растений образуются доступные для растений питательные вещества (трофические связи) и освобождается энергия (энергетические связи).
5. Ферменты осуществляют разложение и превращение многих минеральных соединений.
6. Биохимический процесс превращения органических остатков в гумус проходит при участии различных групп ферментов микроорганизмов, а также внеклеточных ферментов.
7. Многие ферменты играют существенную роль в расщеплении, превращении, минерализации органических веществ.
8. Ферменты по сравнению с неорганическими соединениями-катализаторами действуют при низких температурах, нормальном давлении (Ковалевская, 2008).
9. Выделенные из организма ферменты не утрачивают свои каталитические свойства (Ковалевская, 2008).
Таблица 10
Характеристики ферментов
|
Ферменты |
Источники |
Химические и биотехнологические процессы |
|
Амилазы |
Бактерии, грибы |
Гидролиз крахмала до декстринов, мальтозы и глюкозы |
|
Глюкоизо-меразы |
Более 80 видов организмов |
Изомеризация D-глюкозы в D-фруктозу |
|
Липазы |
Поджелудочные железы животных, семена растений, микроорганизмы:Candida lipolytica Streptomyces flavogriceus Aspergillis ssp Saccharomyces lipolytica |
Гидролиз жиров и масел |
|
Пептидо-гидролазы |
Поджелудочные железы и слизистая желудка животных, плоды, побеги. Отходы переработки некоторых растений (дынное дерево, инжир, ананас), микроорганизмы. |
Лизис белка |
Из многочисленных показателей биологической активности почвы большое значение имеют почвенные ферменты. Их разнообразие и богатство делают возможным осуществление последовательных биохимических превращений органических остатков, поступающих почву (табл. 11).
Таблица 11
Шкала оценки степени обогащенности почв ферментами
(на см2 поверхности почвы, Звягинцев, 1987)
|
Степень |
Каталаза О2 см3/н за 1 мин |
Дегидрогеназа, мг ТФФ на 10 г за 24 ч |
Инвертаза, мг глюкозы на 1 г за 24 ч |
Уреаза, г NН3 на 10 г за 24 ч |
Фосфатаза мг Р2О5 на 10 г за 24 ч |
|
Очень бедная |
Меньше 25 |
Меньше 2,5 |
Меньше 125 |
Меньше 7,5 |
Меньше 1,2 |
|
Бедная |
25–75 |
2,5–7,5 |
125–375 |
7,5–25 |
1,2–3,8 |
|
Средняя |
75–250 |
7,5–25 |
375–1250 |
23–75 |
3.8–12,5 |
|
Богатая |
250–750 |
25–75 |
1250–3750 |
75–250 |
12,5–38 |
|
Очень богатая |
Больше 750 |
75 |
3750 |
250 |
38 |
Механизм действия ферментов
Во взаимодействии фермента с субстратом выделяют три стадии:
1. Присоединение субстрата к макромолекуле фермента.
2. Непосредственно ферментативная реакция.
3. Отделение продуктов превращения субстратов от фермента.
В общем виде реакция действия ферментов как биологического катализатора следующая:
Е + S → ES → EP → E + P,
где Е – фермент; S – субстрат, на которое действует фермент; ES – фермент-субстратный комплекс (промежуточное соединение); Р – продукт реакции (Димитриев и др., 2009).
Роль ферментов в обезвреживании токсикантов
Микроорганизмы успешно используют для синтеза аминокислот, превращения парафинов нефти в белки, углеводы, липиды (Ковалевский, 2008). В ходе естественного метаболизма в почве, как и в организме, образуются аммиак, аминокислоты. Ксенобиотики, в основном гидрофобные, подвергаются под действием ферментов химическим превращениям. Эти процессы идут в две стадии.
1. Ксенобиотик вступает в реакцию гидроксилирования, переходит в гидрофильную растворимую форму. Токсикант под действием монооксигеназ (класс оксиредуктазы) окисляется и, тем самым, обезвреживается.
2. Реакция конъюгации. Продукты, полученные на первой стадии под действием трансфераз (глутатионтрансферазы), связываются с разнообразными субстратами (глутатион. глюкоза, глюкуроновая кислота), что увеличивает их растворимость (Ковалевская, 2008).
Биологическая активность почв (БАП)
Биологическая активность почв – совокупность и интенсивность биологических процессов, протекающих в почве. Отражает жизнедеятельность почвенной биоты и действие внеклеточных ферментов.
БАП обусловлена суммарным содержанием в почве запаса ферментов, выделенных в процессе жизнедеятельности растений и микроорганизмов, и аккумулированных почвой после разрушения отмерших клеток.
Показатели БАП: численность и биомасса разных групп почвенной биоты, их продуктивность, активность основных процессов, связанных с круговоротом элементов, количество и скорость накопления продуктов жизнедеятельности почвенных организмов, активность ферментов, действие на тест-культуры (целлюлоза, желатин), биотестирование. Интенсивность частных процессов определяют по выделению (эмиссии) из почвы СО2, накоплению аминокислот.
Активность ферментов максимальна в верхних горизонтах и снижается с глубиной. Это связано с уменьшением запасов органических веществ в нижних слоях.
Виды БАП
Потенциальная – ее измеряют в искусственных условиях, оптимальных для протекания конкретного биологического процесса.
Актуальная, действительная, полевая, естественная – характеризует реальную активность почвы в естественных, полевых условиях.
Показатели БАП обладают широким пространственным и временным варьированием, что требует большого числа повторных наблюдений и тщательной обработки.
Преимущество биологических индикаторов – высокая чувствительность и отзывчивость на воздействие, это позволяют проследить за негативными процессами на всех стадиях.