Каталазная активность и почвенные гелевые структуры

КАТАЛАЗНАЯ АКТИВНОСТЬ И ПОЧВЕННЫЕ ГЕЛЕВЫЕ

СТРУКТУРЫ

Г.Н. ФЕДОТОВ, Е.И. ПАХОМОВ

За последние два десятилетия выполнено большое число работ, подтверждающих наличие связи между ферментативной активностью почв и почвенным плодородием [1-3].

При анализе литературы обращает на себя внимание, что ферменты в почвах находятся в иммобилизованном состоянии [4-6]. Однако вопрос о месте и механизме закрепления ферментов в почвах изучен мало.

Для лучшего понимания явления почвенного ферментативного катализа нами было изучено изменение каталазной активности различных почв от времени, прошедшего после добавления воды и водных растворов солей в воздушно-сухие почвы.

В качестве объектов исследования были выбраны торфяная и дерново-подзолистая почвы из поймы р. Яхрома и ее окрестностей, а также тепличный субстрат и кубанский выщелоченный чернозем. Выбор определялся тем, чтобы исследуемые почвы достаточно сильно отличались по своим характеристикам. Свойства почв, определенные по общепринятым методикам, приведены в работе [7].

Каталазную активность измеряли газометрическим методом [8], заключающимся в определении количества кислорода, выделившегося при распаде пероксида водорода в единицу времени. В соответствии с этим навеску (1 г) почвы вносили в колбу емкостью 100 мл, добавляли 0,5 г углекислого кальция для стабилизации рН на нейтральном уровне. На дно колбы с помощью пинцета помещали стаканчик с 5 мл 3-процентного раствора пероксида водорода. Колбу плотно закрывали каучуковой пробкой со стеклянной трубкой, которая соединена с измерительной системой. Опыт проводили при температуре 18-22 °С. Начало опыта отмечали в тот момент, когда

сосуд с раствором пероксида водорода опрокидывали и содержимое колбы встряхивали. Взбалтывание смеси проводили в течение всего опыта. Выделяющийся кислород вытеснял воду, уровень которой отмечали через 2 мин. Активность каталазы выражали в мл кислорода, выделившегося за 1 минуту на 1 г воздушно-сухой почвы. Ошибка не превышала 5 %.

Воду или растворы солей добавляли в воздушно-сухие почвы до содержания, соответствующего 0,8-0,9 наименьшей влагоем-кости (НВ), тщательно перемешивали и оставляли в закрытой емкости, из которой периодически отбирали образцы для определения каталазной активности. С целью предотвращения развития микрофлоры и дополнительного выделения этой микрофлорой в почву каталазы в емкость добавляли толуол.

В ряде работ показано, что коллоидные частицы в почвах организованы в коллоидные структуры [7, 9, 10]. Ферменты, представляя собой коллоидные частицы, должны входить в состав этих структур, и изменения последних должны влиять на активность ферментов и скорость ферментативных реакций, т. к. скорость ферментативных реакций лимитируется либо кинетической стадией реакции - активностью фермента, либо диффузионной стадией реакции - скоростью диффузии субстрата к ферменту или скоростью диффузии продуктов реакции от фермента [11, 12].

Сравним поведение систем (почв) при двух различных вариантах расположения в них ферментов: при наличии и отсутствии коллоидных структур. В отсутствии коллоидных структур ферменты могут быть иммобилизованы только на поверхности почвенных частиц. В этом случае их активность и скорости диффузии молекул субстрата и продуктов реакции и, как следствие,

скорости ферментативных реакций могут изменяться только в начальный момент времени после добавления воды в воздушно-сухие почвы, пока система не придет к равновесию по распределению в ней воды.

51 V кислорода, мл

При наличии в почвах коллоидных структур удаление воды из почв должно приводить к их сжатию, а добавление воды в высушенные почвы - к постепенному расширению с поглощением добавленной воды.

п: V кислорода, мл

Рис. 1. Зависимость каталазной активности чернозема (1), Рис. 2. Изменение каталазной активности дерново-

тепличного субстрата (2), торфяной (3) и дерново-подзолистой почв (4) от времени, прошедшего после добавления воды в воздушно-сухие почвы

подзолистой почвы от времени, прошедшего после добавления 0,1 н растворов солей в воздушно-сухую почву до влажности 0,8-0,9 НВ

Рис. 3. Изменение каталазной активности дерново- Рис. 4. Изменение каталазной активности торфяной

подзолистой почвы от времени, прошедшего почвы от времени, прошедшего после

после добавления 1 н растворов солей в добавления 0,1 н растворов солей в воздушно-

воздушно-сухую почву до влажности 0,8-0,9 НВ сухую почву до влажности 0,8-0,9 НВ

Ферменты, которые в этом случае входят в состав коллоидных структур, во-первых, могут изменять свою активность из-за изменения расстояния между ними и коллоидными частицами, которые их окружают, а во-вторых, из-за изменения коллоидных

структур могут изменяться скорости диффузии субстратов и продуктов реакции. Все это должно приводить к изменению скорости ферментативных реакций в течение нескольких дней, пока происходят изменения коллоидных структур.

1 2 3 4 6 6 7

Рис. 5. Изменение каталазной активности торфяной почвы от времени, прошедшего после добавления 1 н растворов солей в воздушно-сухую почву до влажности 0,8-0,9 НВ

Рис. 6. Изменение каталазной активности тепличного субстрата от времени, прошедшего после добавления 0,1 н растворов солей в воздушно-сухую почву до влажности 0,8-0,9 НВ

Рис. 7. Изменение каталазной активности тепличного субстрата от времени, прошедшего после добавления 1 н растворов солей в воздушно-сухую почву до влажности 0,8-0,9 НВ

Рис. 8. Изменение каталазной активности чернозема от времени, прошедшего после добавления 0,1 н растворов солей в воздушно-сухую почву до влажности 0,8-0,9 НВ

Из полученных данных по изменению каталазной активности гумусоаккумулятивных горизонтов чернозема, тепличного субстрата, торфяной и дерново-подзолистой почв (рис. 1) хорошо видно, что каталазная активность всех

изученных почв непрерывно возрастает в течение недели. Для одних почв эта тенденция выражена сильнее, для других - в меньшей степени, но во всех случаях происходит увеличение каталазной активности почв.

1 2 3 4 Б 6 7

Рис. 9. Изменение каталазной активности чернозема Рис. 10. Зависимость каталазной активности образцов

от времени, прошедшего после добавления 1 н с различной глубины слабо оподзоленной

растворов солей в воздушно-сухую почву до серой лесной почвы от времени, прошедшего

влажности 0,8-0,9 НВ после добавления воды

Рис. 11. Зависимость каталазной активности образцов Рис. 12. Зависимость каталазной активности образцов

с различной глубины сильно оподзоленной с различной глубины серой лесной почвы со

серой лесной почвы от времени, прошедшего вторым гумусовым горизонтом от времени,

после добавления воды прошедшего после добавления воды

Для подтверждения влияния состояния коллоидных структур на активность иммобилизованной в них каталазы было изучено изменение каталазной активности почв после добавления в них растворов солей (рис.

2-9). Различными линиями на графиках обозначены: 1 - дистиллированная вода; 2 - раствор хлорида кальция; 3 - раствор хлорида калия; 4 - раствор пирофосфата натрия.

Из представленных данных видно, что при добавлении растворов различных солей почвы ведут себя по-разному, но во всех случаях прослеживается изменение ка-талазной активности во времени после добавления растворов.

Обращает на себя внимание угнетающее действие ионной силы на каталазную активность почв. Возрастание ионной силы растворов при увеличении концентрации солей должно сжимать коллоидные структуры и уменьшать их каталазную активность, что и наблюдается в действительности. После добавления 1 н растворов солей каталазная активность, как правило, ниже, чем после добавления 0,1 н растворов солей. Исключением является тепличный субстрат, на нем наблюдаются более сложные зависимости.

При этом из-за отрицательного заряда почвенных коллоидов раствор хлорида кальция должен сжимать коллоидные структуры в максимальной степени, а раствор пи-рофосфата натрия в минимальной. В целом это и наблюдается в экспериментах (рис. 29). Обращает на себя внимание, что использование 0,1 н растворов всех солей повышает каталазную активность по сравнению с дистиллированной водой. Так, на дерново-подзолистых почвах она повышается в

3-4 раза (рис. 2), на тепличном субстрате в 2-3 раза (рис. 6). Эти результаты несколько неожиданны из-за того, что, пытаясь прогнозировать поведение коллоидных структур, мы исходим из характера изменений двойного электрического слоя единичной коллоидной мицеллы. Данные, полученные при изучении влияния солей на каталазную активность почв, однозначно свидетельствуют о влиянии на нее перестройки структур почвенных коллоидов.

Для подтверждения наличия коллоидного структурирования почвенного раствора во всех почвенных горизонтах было определено изменение каталазной активности от времени, прошедшего после добавления воды, в образцах, взятых из разных почвенных горизонтов серых лесных почв Владимирского ополья. Эксперименты были проведены как на сильно оподзоленных, так и на слабо оподзо-ленных почвах, а также на серых лесных почвах со вторым гумусовым горизонтом.

Для всех этих почв были получены сходные зависимости (рис. 10-12): нарастание каталазной активности наблюдается для всех почвенных горизонтов, и это можно рассматривать как подтверждение универсальности распространения коллоидных структур в почвах.

Следует отметить, что характер изменения каталазной активности по почвенным горизонтам соответствует степени их опод-золенности. Если для слабо оподзоленной серой лесной почвы каталазная активность для горизонтов 0-10 и 10-20 см практически совпадает (рис. 10), то для сильно оподзоленной почвы она заметно отличается (рис. 11). При этом каталазная активность верхнего горизонта 0-10 см для всех серых лесных почв (рис. 10-12) практически одна и та же.

Принимая во внимание, что каталаза вырабатывается микроорганизмами с целью уменьшения содержания в среде их обитания пероксида водорода - продукта жизнедеятельности микроорганизмов, то, следовательно, распределение каталазы по слоям почвы характеризует либо распределение по почве микроорганизмов, либо интенсивность переноса каталазы по почве при нахождении микроорганизмов в верхнем слое почвы. По данным графиков (рис. 10-11), однозначный ответ дать достаточно сложно, т. к. может происходить снос и накопление по горизонтам не только каталазы, но и питательных для микроорганизмов веществ, и они, как следствие, могут менять свое местонахождение (интенсивность развития) вслед за питательными веществами.

Однако данные, полученные для серой лесной почвы со вторым гумусовым горизон-

Загрязнение среды, его ограничение и влияние на растения

том (рис. 12), подтверждают предположение об изменении перераспределения микроорганизмов по слоям почвы. Каталазная активность во втором гумусовом горизонте превышает каталазную активность в почвенных горизонтах 0-10 и 10-20 см, а каталазная активность в серой лесной почве в горизонте 40-50 см заметно превышает этот показатель для этого горизонта в слабо и сильно оподзо-ленных серых лесных почвах.

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что раз количество микроорганизмов во втором гумусовом горизонте повышено, то и биологические процессы должны протекать в этом почвенном слое более интенсивно, что ставит под сомнение концепцию о реликтовости второго гумусового слоя.

1. Изучение каталазной активности гумусоаккумулятивных горизонтов почв подтверждает концепцию коллоидного структурирования в них почвенного раствора.

2. Исследование ферментативной активности различных горизонтов серых лесных почв свидетельствует о наличии коллоидного структурирования почвенного раствора во всех почвенных горизонтах.

Работа выполнена при поддержке РФФИ по грантам 03-04-48216а, 04-04-48586а.

Библиографический список

1. Масленникова, Г.П. Активность почвенных ферментов как один из критериев уровня плодородия разных типов почв / Г.П. Масленникова // Бюллетень ВНИИ с.-х. микробиологии. - Л., 1988. - № 50. - С. 5-8.

2. Кольцова, О.М. Ферментативная активность как метод диагностики плодородия почв / О.М. Кольцова, К.Е. Стекольников, П.К. Казанджьян // Мелиорация и водное хозяйство. - 1993. - № 2. - С. 29-31.

3. Михайловская, Н.А. Ферментативная активность как показатель плодородия дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы / Н.А. Михайловская: ав-тореф. дис ... канд. с.-х. наук. - Минск: Белорусский НИИ почвоведения и агрохимии, 1988. - 17 с.

4. Звягинцев, Д.Г. Иммобилизованные ферменты в почвах / Д.Г. Звягинцев // Микробные метаболиты. - М.: МГУ, 1979. - С. 31-46.

5. Тульская, Е.М. Роль органического вещества почв при иммобилизации ферментов / Е.М. Тульская // Вестник МГУ, сер. 17, 1981. - № 2. - С. 76-78.

6. Щербакова, Т.А. Почвенные ферменты, их выделение, свойства и связь с компонентами почвы / Т.А. Щербакова // Почвоведение. - 1980. - № 5. -С. 102-113.

7. Федотов, Г.Н. Роль органоминерального геля в формировании естественных электрических полей в почвах / Г.Н. Федотов, Ю.Д. Третьяков, А.И. Поздняков и др. // Доклады Академии наук.

- Т. 393. - 2003.- № 4. - С. 497-500.

8. Хазиев, Ф.Х. Ферментативная активность почв / Ф.Х. Хазиев. - М.: Наука, 1976. - 179 с.

9. Федотов, Г.Н. Возникновение остаточной поляризации при неустановившейся фильтрации воды через коллоидные почвенные структуры / Г.Н. Федотов, Ю.Д. Третьяков, А.И. Поздняков // Доклады Академии наук. - Т. 392. - 2003. - № 3.

- С. 350-355.

10. Федотов, Г. Н. Влияние коллоидной структуры органоминерального геля на свойства почв / Г.Н. Федотов, Ю.Д. Третьяков, А.И. Поздняков и др. // Доклады Академии наук. - Т. 394. - 2004. -№ 2. - С. 212-214.

11. Тривен, М. Иммобилизованные ферменты / М. Тривен. - М.: Мир, 1983. - 213 с.

12. Иммобилизованные ферменты / под ред. И.В. Березина, В.К. Антонова, К. Мартинека. -М.: МГУ. - Т. 2. - 1976. - 359 с.