Ферментативная активность в торфяных залежах болота Таган

ПОЧВОВЕДЕНИЕ

УДК 631.465

Е. В. Порохина, О. А. Голубина ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ В ТОРФЯНЫХ ЗАЛЕЖАХ БОЛОТА ТАГАН

Приведены результаты по ферментативной активности в торфяных залежах эвтрофного болота в естественных и антропогенных условиях. Установлено, что в антропогенно-преобразованной залежи активнее происходят процессы гидролиза углеводов при участии инвертазы. В естественной торфяной залежи интенсивнее протекают действия гумификации органического вещества при участии оксидоредуктаз - полифенолоксида-зы, пероксидазы и каталазы.

Ключевые слова: торфяная залежь, ферменты, биохимическая активность, агролесомелиорация.

Необходимость мониторинга состояния торфяных болот, безусловно, является важной задачей в связи с повышением антропогенной нагрузки. Особенно это актуально для Западной Сибири, территория которой отличается очень высокой заболоченностью. При антропогенном воздействии изменяются как агрохимические свойства, так и направленность биохимических процессов в торфяной залежи. Наиболее ценными становятся результаты стационарных исследований, которые позволяют прогнозировать последствия освоения болот на глобальные изменения в биосфере. Следует отметить, что по разным причинам исследованию динамики процессов, происходящих в торфяных залежах, в настоящее время уделяется недостаточное внимание.

Цель нашей работы - исследование ферментативной активности в естественной и антропогенно-преобразованной торфяных залежах болота Таган с выявлением закономерностей изменения активности ферментов от природных факторов, влияющих на торфяную залежь.

В качестве объектов исследования были выбраны торфяные залежи эвтрофного болота Таган, расположенного в южно-таежной подзоне Западной Сибири на территории Томской области. Болото Таган находится в пределах подзоны эвтрофных древесно-травяно-моховых болот в ложбине древнего стока р. Томи.

Вся территория болота занята преимущественно эвтрофными фитоценозами древесно-топяных и топяных групп [1]. Болотные образования представлены эвтрофными видами торфа (древесными, осоково-древесными, древесно-гипновыми) максимальной мощностью до 9 м. Подстилающими породами служат пески, супеси и суглинки. Для наблюдений на территории болота определили два пункта с мощностью торфяной залежи около 3 м [2; 3].

Пункт 1 (П.1) представляет собой естественный участок. Пункт 2 (П.2) расположен на расстоянии

75-100 м от пункта 1 и является антропогенно-преобразованным участком. На пункте 2 в 70-х гг. XX в. была проведена агролесомелиорация: вдоль исследуемого участка сделали борозды глубиной 0.5 м и расстоянием между бороздами 2-3-4 м. Растительность на исследуемых пунктах близка по видовому составу: древесный ярус представлен березой, редкими угнетенными соснами; в травянистом ярусе преобладают осоки, папоротники, крапива. Верхние слои торфяных залежей (0.5 м) сложены древесными и травяными видами торфов, далее до 3 м залегают древесно-травяные виды торфов [2; 3]. Подстилающими породами являются заиленные пески.

Для изучения ферментативной активности в торфяной залежи болота Таган ежемесячно с мая по сентябрь 2009 г. проводился отбор проб торфа торфяным буром ТБГ-1 в соответствии с ботаническим составом на всю глубину торфяного профиля до минерального грунта. В отобранных образцах торфа были определены: ботанический состав, степень разложения, влажность, зольность, обменная и гидролитическая кислотность, сумма поглощенных оснований по соответствующим методикам [4-7]. Инвертазная активность торфов определялась по методу Т. А. Щербаковой [8] и измерялась в мг глюкозы на 1 г сухого торфа за 4 часа (далее по тексту - ед.). Активность ката-лазы - газометрическим методом в модификации Ю. В. Круглова и Л. Н. Пароменской [8; 9] в мл О2/2 мин на 1 г (далее по тексту - ед.); полифенолокси-дазная и пероксидазная активность - по методу Л. А. Карягиной и Н. А. Михайловской [10] в мг

1,4-п-бензохинона/30 мин (далее - ед). Исследования сопровождались наблюдениями за гидротермическим и окислительно-восстановительным режимами в торфяных залежах [11].

Согласно оценке влагообеспеченности по гидротермическому коэффициенту (ГТК), вегетационный период 2009 г. на территории исследований

можно характеризовать как умеренно влажный и теплый (ГТК=1.22). Среднесуточная температура за вегетационный период составляет 20.4 °С при норме 13.4 °С. Количество выпавших осадков в мае и июле было выше нормы почти в 1.5 раза, в июне осадков выпало в пределах нормы; а в августе и сентябре - ниже нормы в 1.3-1.7 раза. За период наблюдений наиболее теплая и влажная погода стояла в июле, когда среднемесячная температура и количество выпавших осадков превысили норму в 1.4 раза.

Результаты проведенных исследований показывают, что торфяная залежь П.1 сложена хорошо разложившимися торфами ^ = 30-40 %). На П.2 степень разложения торфов несколько выше, и в нижних слоях залежи достигала 50 %.

По значениям зольности исследуемые торфы относятся в малозольным. Зольность торфов П.1 изменялась от 8.89 до 12.09 %, а на П.2 максимальное значение 14.4 % имел слой 250-275 см. Обменная кислотность была в пределах 5.67-6.11, и 5.816.6 ед. рН на П.1 и П.2. соответственно.

Гидролитическая кислотность в залежи П.1 изменялась от 6.31 до 7.97 мг-экв/100 г с.т., а сумма поглощенных оснований - от 403.5 до 702.47 мг-экв/100 г с.т. Пределы изменения гидролитической кислотности в залежи П.2 составляли 5.16-9.04 мг-экв/100 г с.т., а суммы поглощенных оснований -246.52-774.22 мг-экв/100 г с.т.

Известно, что положение уровня болотных вод (УБВ) относительно поверхности болота определяет соотношение аэробных и анаэробных условий в торфяной залежи. Поэтому скорость и направленность биохимических превращений, происходящих в торфяной залежи, во многом обусловлена уровнем болотных вод в течение вегетационного периода. В торфяной залежи П.1 УБВ весной и в первой половине лета 2009 г. находился около поверхности. К середине лета он опустился на максимальную глубину 27 см. Уровень болотных вод на П.2 в течение вегетационного периода поддерживался в пределах 20-54 см от поверхности. Наиболее низкий УБВ отмечался в конце июля - начале августа 2009 г.

В торфяной залежи П.1 устойчивые окислительные условия наблюдались только в верхнем слое 0-40 см (|400|-|800| мВ), далее происходила постепенная смена на восстановительные условия (|0-200| мВ). Глубже 60 см в торфяной залежи в течение всего периода наблюдений поддерживались резко восстановительные условия (|-700|-0 мВ). В торфяной залежи П.2 до глубины 120 см сохранялись контрастные окислительно-восстановительные условия с преобладанием окислительных (|200|-|600| мВ). В нижней части торфяной залежи поддерживались восстановительные условия

(|0|-|-400|). Таким образом, по окислительно-восстановительным условиям можно сделать вывод о более благоприятном аэробном режиме в метровом слое торфяной залежи П.2.

Погодные условия 2009 г. и УБВ обуславливают особенности температурного режима торфяных залежей. Прогревание залежей пунктов наблюдений до активных температур (больше 10 °С) отмечается до глубины 2 м. Летние температуры (более 15 °С), наиболее благоприятные для деятельности микроорганизмов, в середине июля проникают на глубину 80 см в залежи антропогенно-преобразованного участка и на глубину 120 см в залежи естественного участка. В течение вегетационного периода лучше прогревается естественная торфяная залежь пункта 1, где изотерма в 20 °С в начале июля опускается до глубины 20 см и поддерживается в течение вегетационного периода. Таким образом, температурные условия торфяной залежи естественного участка более благоприятны для биохимической активности.

Все биологические процессы с превращением веществ и энергии в почве осуществляются с помощью ферментов. Они играют важную роль в мобилизации элементов питания растений, обуславливают интенсивность и направленность наиболее важных биохимических процессов, связанных с синтезом и распадом гумуса, гидролизом органических соединений и окислительно-восстановительным режимом почвы [12; 13]. Процесс трансформации органического вещества в торфяной залежи включает процессы минерализации и гумификации почвы. В их основе лежат ферментативные реакции, при этом питательные вещества из трудно усваиваемых соединений переходят в легкодоступные формы для растений и микроорганизмов.

Инвертаза. Показателем трансформации углеводов является активность фермента инвертазы, которая осуществляет гидролиз сахарозы. Анализ полученных данных показывает (рис. 1), что в течение вегетационного периода 2009 г. в торфяных залежах болота Таган инвертазная активность варьировала в широких пределах (17.41-366.36 ед.). Самые высокие показатели инвертазной активности отмечались у торфов П. 2. Это связано как с лучшими условиями аэрации в торфяной залежи, что активизирует процессы минерализации, так и с изменением вида торфов, слагающих залежь. Гидролитические процессы интенсивно протекали в слое до 2 м (135.07-366.36 ед.), а в более глубоких слоях инвертазная активность снижалась в 3-4 раза. Отметим, что в верхнем слое торфяной залежи П.2, представленном древесным видом торфа, активность инвертазы в 6.5 раза ниже, чем в нижележащем слое, сложенном травяным видом торфа

[14; 15]. Это объясняется тем, что с увеличением доли древесных остатков в составе торфов содержание легкогидролизуемых соединений снижается и, соответственно, уменьшается активность инвер-тазы в торфах [15].

В торфяной залежи П.1 активность инвертазы варьировала от 17.41 до 283.52 ед. Наиболее интенсивно гидролиз углеводов осуществлялся в верхнем, аэрированном слое мощностью 75 см, а в более глубоких слоях активность фермента снижалась в 3-10 раз. В среднем инвертазная активность в торфах П.1 в 1.3 раза меньше, чем в торфах участка П.2.

мг глюкозы за 4 часа/г.с.т.

О 100 200 300 400

Пункт1 0Пункт2

Рис. 1. Инвертазная активность

В целом результаты исследований инвертазной активности в эвтрофных торфяных залежах соответствуют литературным данным [1; 8; 14]. Отметим, что на П. 2 инвертазная активность значительно выше, чем в торфяных залежах осушенных и не используемых в культуре торфяниках Беларуси и Западной Сибири.

Гидролитический распад органических соединений в торфяной залежи представляет собой важный этап, который предшествует стадии окислительно-восстановительных процессов гумусообра-зования. В этих процессах активное участие принимают ферменты из класса оксидоредуктаз - ка-талаза, полифенолоксидаза, пероксидаза.

Каталаза. В результате активирующего действия каталазы осуществляется разложение ядовитой для живых клеток перекиси водорода на воду и кислород. В почве высокоактивный кислород, образующийся при участии каталазы, играет важную роль в переносе электронов при синтезе органических соединений [16]. По мнению Т. Г. Зимен-ко [17], активность каталазы непосредственно связана с общей численностью и деятельностью основных групп микроорганизмов в почве.

В течение вегетационного периода каталазная активность в торфяных залежах П. 1 и П.2 изменялась в пределах 0.63-7.48 ед. и 0.46-9.83 ед. соответственно (рис. 2). В исследуемых торфяных за-

лежах она имела наибольшее проявление преимущественно в аэробном слое, контрастном по гидротермическим параметрам и характеризующемся постоянными окислительными условиями (рис. 2).

В течение вегетационного периода более низкие показатели каталазной активности наблюдались в торфяной залежи П.1, где УБВ практически до середины вегетационного периода находился выше уровня нулевой отметки, и в связи с этим создавались неблагоприятные условия для активности фермента. В торфяных залежах обоих пунктов прослеживалась тенденция к увеличению активности каталазы в июне и сентябре по всей залежи, что объясняется благоприятными гидротермическими условиями, сложившимися в эти месяцы, в то время как в июле активность каталазы снижалась в 3 раза во всей торфяной залежи из-за колебания УБВ и изменения окислительно-восстановительных условий в толще торфяной залежи в результате увеличения температуры воздуха, почвы и количества осадков. В целом полученные данные сопоставимы с научными исследованиями [1; 8; 17-19], согласно которым в эвтрофных торфах активность каталазы может варьировать в среднем от

0.78 до 27.3 ед., достигая максимального значения в осушенной высокозольной торфяной залежи.

Показателем интенсивности процессов гумификации разлагающихся в торфяных залежах органических соединений является активность ферментов полифенолоксидазы и пероксидазы.

Полифенолоксидаза катализирует распад фенольных соединений до хинонов и воды при участии кислорода воздуха [12; 13]. Пероксидаза окисляет органические вещества почвы за счет кислорода перекиси водорода и других органических перекисей, образующихся в почве в результате жизнедеятельности микроорганизмов и действия некоторых оксидаз. Пероксидаза способна окислять субстраты как за счет кислорода перекиси водорода, так и в присутствии кислорода воздуха [19; 20].

Полифенолоксидаза. Активность полифеноло-ксидазы на П.1 в течение изучаемого периода изменялась от 0.21 ед. до 5.17 ед., а в торфяной залежи естественного участка - от 0.11 ед. до 5.85 ед.

Более благоприятные условия для окислительных процессов в условиях 2009 г. отмечались в торфяной залежи П.1, где активность фермента в 1.7 раз выше, чем в торфяной залежи П.2 (рис. 2). Вероятно, в торфяной залежи П.2 лимитирующим фактором для действия полифенолоксидазы стала высокая влажность из-за обильных осадков и пониженные температуры в залежи. Активнее процессы гумификации в торфяных залежах пунктов наблюдений протекают в верхнем полуметровом слое, а также слоях 100-125 см и 250-275 см.

Динамика полифенолоксидазной активности в торфяной залежи пунктов наблюдений имела бимодальное распределение с максимумами в июне и августе. Эти месяцы характеризовались количеством осадков и температурами, близкими к норме. В то же время в теплом и избыточно влажном июле в торфяной залежи П.1 и П.2 складывались неблагоприятные условия для процесса гумификации органического вещества, что подтверждается очень низкими значениями полифенолоксидазы.

Пероксидаза. Активность пероксидазы изменялась в пределах: 28.93-83.35 ед. на П.1 и 15.34 -85.25 ед. на П.2. Высокими показателями фермента характеризовались слои глубже 25 см. В залежи П.1 благоприятные условия для действия пероксидазы отмечались в июне и сентябре (рис. 2), а в торфяной залежи П. 2 в течение вегетационного периода одновременно с прогреванием залежи пе-роксидазная активность почти по всей глубине увеличивалась, достигая максимума в июле-авгу-

Каталаза

мл О2 за 2 мин на 1 г в.с.т.

0 2 4 6 8 10 12

0-25

5 25-50

о

я 100-125

4= 175-200 Г

“ 200-225

250-275

май  июнь И июль Н август  сентябрь

А

Б Каталаза

мл О2 за 2 мин на 1 г в.с.т.

0 2 4 6 8 10 12

0-25 25-50 100-125 175-200 200-225 250-275

Емай Виюнь Ииюль Павгуст ^сентябрь

А Полифеннолоксидаза

Пероксидаза

мг 1,4 п-бензохинона / 30 мин г. с.т.

0 20 40 60 80 100

0-25

2 25-50

о

<8 100-125

175-200

200-225

250-275

тгтгтгтгтгттъ^Й^Н =ы =ЕН

\ч\\чч\ч\ч\ч\чч\\чч\ч'';:^1 Н Ън зн ж вн

май  июнь 0 июль ЕЭ август  сентябрь

А

Б Пероксидаза

мг 1,4 п-бензохинона / 30 мин г. с.т.

0 20 40 60 80 100

0-25 25-50 100-125 175-200 200-225 250-275

май  июнь Ш июль ^ август  сентябрь

Рис. 2. Активность окислительно-восстановительных ферментов в торфяных залежах болота Таган, 2009 г. А - пункт 1, Б - пункт 2

сте. Исключение составляет только слой 175-200 ется несколько высокими значениями активности

см, где самые высокие показатели пероксидазы каталазы и пероксидазы.

наблюдались в мае и августе, а минимум активно- Торфяные залежи болота Таган характеризуют-

сти фермента приходился на теплый влажный ся выраженной сезонной динамикой окислительно-июль. восстановительных ферментов, которая определя-

Таким образом, по результатам проведенных ется в первую очередь погодными условиями года.

исследований можно сделать следующие выво- Выявлено, что окислительно-восстановительные

ды: процессы в торфяных залежах болота наиболее ин-

Среди исследуемых торфяных залежей болота тенсивно протекают в июне, августе и сентябре, от-

Таган процессы гумификации органического ве- личающихся умеренным и недостаточным количе-

щества активнее совершаются в залежи естествен- ством осадков. На антропогенно-преобразованном

ного участка. В торфяной залежи антропогенно- участке максимум пероксидазной активности отме-

преобразованного участка более интенсивно про- чается в июле и августе.

исходят процессы гидролиза углеводов, что под- Работа выполнена при финансовой поддержке тверждается высокими показателями активности гранта Министерства образования и науки от

инвертазы. Торфяная залежь этого участка отлича- 05.11.2011.

Список литературы

1. Инишева Л. И., Порохина Е. В., Аристархова В. Е., Боровкова А. Ф. Выработанные торфяные месторождения, их характеристика и функционирование. Томск: Изд-во ТГПУ. 2007. 225 с.

2. Инишева Л. И., Виноградов В. Ю., Голубина О. А., Ларина Г. В. и др. Болотные стационары Томского государственного педагогического университета. Томск: Изд-во ТПУ, 2010. 118 с.

3. Инишева Л. И., Головченко А. В., Бубина А. Б., Голубина О. А. Характеристика биохимических процессов в эвтрофных и мезотрофных

болотах Сибири // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (Tomsk State Pedagogical University Bulletin). 2009. Т. 89. № 11. С. 207-212.

4. ГОСТ 28245-89 Торф. Методы определения ботанического состава и степени разложения.

5. ГОСТ 11305-85 Торф. Методы определения влаги.

6. ГОСТ 11623-89 Торф и продукты его переработки для сельского хозяйства. Методы определения обменной и активной кислотности.

7. ГОСТ 27894.1.88 Торф и продукты его переработки для сельского хозяйства. Метод определения гидролитической кислотности.

8. Инишева Л. И., Ивлева С. Н., Щербакова Т. А. Руководство по определению ферментативной активности торфяных почв и торфов. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003. 122 с.

9. Круглов Ю. В., Пароменская Л. Н. Модификация газометрического метода определения каталазной активности // Почвоведение. 1966. № 1. С. 93-95.

10. Каряпна Л. А., Михайлоуская Н. А. Вызначэнне актыунасц полiфенолаксiдазы i перакксщазы у глебе / Весцы АН БССР. Сер. сельска-гаспадаргных навук. 1986. № 2. С. 40-41.

11. Наставления гидрометрическим станциям и постам. Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1987. 70 с.

12. Щербакова. Т. А. Ферментативная активность и трансформация органического вещества. Минск: Наука и техника, 1983. 221 с.

13. Хазиев Ф. Х. Системно-экологический анализ ферментативной активности почв. М.: Наука, 1982. 200 с.

14. Савичева О. Г. Инишева. Л. И. Ферментативная активность торфяных почв // Сибирский экологический журн. 2000. № 5. С. 607-614.

15. Савичева О. Г., Инишева Л. И. Биохимическая активность торфов разного ботанического состава // Химия растительного сырья. 2003. № 3. С. 41-50.

16. Купревич В. Ф. Почвенная энзимология. Минск: Наука и техника, 1974. 402 с.

17. Зименко Т. Г. Микробиологические процессы в мелиорированных торфяниках Белоруссии и их направленное регулирование. Минск: Наука и техника, 1977. 208 с.

18. Дырин В. А. Активность каталазы в торфе целинного и рекультивируемого участков болотной экосистемы низинного типа // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (Tomsk State Pedagogical University Bulletin). 2009. Т. 89. № 6. С. 121-125.

19. Славнина Т. П. Инишева Л. И. Биологическая активность почв Томской области. Томск: Изд-во Том. ун-та. 1987. 216 с.

20. Гулько А. Е., Хазиев Ф. Х. Фенолоксидазы почв: продуцирование, иммобилизация, активность // Почвоведение 1992. № 11. С. 55-67.

Порохина Е. В., доцент, кандидат биологических наук.

Томский государственный педагогический университет.

Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.

E-mail: agroecol@yandex.ru

Голубина О. А., доцент, кандидат химических наук.

Томский государственный педагогический университет.

Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.

E-mail: mtgolubin@yandex.ru

Материал поступил в редакцию 16.03.2012.

E. V Porokhina, O. A. Golubina ENzYMATIC ACTIVITY IN PEAT DEPOSITS ТAGAN BOG

The results of enzyme activity in peat deposits of eutrophic bog Tagan in natural and anthropogenic conditions are described. It was stated that in the anthropogenically transformed deposits there are more active hydrolysis of carbohydrates, with the participation of invertase. In the natural peat deposits more intense humification processes of organic matter.

Key words: peat deposit, enzymes, biochemical activity, agrosilviculture.

Porokhina E. V

Tomsk State Pedagogical University.

Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634061.

E-mail: agroecol@yandex.ru

Golubina O. A.

Tomsk State Pedagogical University.

Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634061.

E-mail: mtgolubin@yandex.ru