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.

 Описание: 480px-Purine_Nucleoside_Phosphorylase

 

Описание: 002(11)

 

 

Описание: 003(4)

Описание: rna-polymerase_626

                                                 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.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252