Биохимическое исследование почв юго-западной части Апшерона

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 631.46                                         

Почвенная микробиология к настоящему времени развилась в одну из сложнейших комплексных областей современной биологии. В сферу ее интересов включаются одновременно и детальное изучение природных сред обитания почвенных микроорганизмов, их распространение, качественный и количественный состав, особенности обмена веществ и участие в круговороте элементов в биосфере, взаимодействие друг с другом и с абиогенными факторами макро- и микроокружения. В этой связи важное значение при исследовании биологических свойств выделенных нами СПП с позиций экологического системного подхода имеет место изучение численности и активности в них микроорганизмов и почвенных ферментов [1].

Ферментный потенциал почвы — это ее функциональная характеристика, обусловленная взаимодействующими конкретными факторами почвообразования. Среди них материнская порода определяет естественный химический состав почвы.

Характеристика объекта исследования

Гобустан, небольшой геоморфологический район, расположенный на юго-западе Апшеронского полуострова преимущественно с инверсионным низкогорным рельефом. Внешние края синклинальных плато, уступом высотой 150–180 м круто, местами ступенчато обрываются и переходят к плоским котловинам, долинам и оврагам. На размытых сводах антиклиналей широко развиты грязевые вулканы. Местами в долинах и котловинах развиты эоловые формы рельефа (бугристые пески). Западная часть Апшерона представляет собой низкогорье и характеризуется относительно древним приподнятым и интенсивно расчлененным рельефом. Современный рельеф переработан позднейшими эрозионноденудационными процессами. Глубина расчленения поверхности достигает 200–300 м. Грязевые вулканы развиты слабо.

Анализ и обсуждение

Поступая в почву из различных источников и стабилизируясь, ферменты становятся обязательным компонентом почвы и обусловливают ее уникальное свойство — ферментативную активностью. Формированию такого подхода к почве способствовали работы И. В. Тюрина, М. М. Кононовой, Н. А. Красильникова, Д. С. Орлова, Д. Г. Звягинцева, В. Ф. Купревича и др. по биохимии гумуса, по физиологически-активным соединениям и ферментам почв [2, 3]

Метаболизм живых организмов, превращения органических и минеральных веществ в почве создают своеобразную биохимическую обстановку в ней.

Ферменты в почвах играют важную биогеохимическую роль. Тем самым ферменты участвуют в осуществлении важнейших биогеоценотических функций почвы – функции катализатора биохимических процессов и функции трансформатора веществ и энергии, находящихся в биогеоценозе или поступающих в него. Формирование ферментного потенциала почвы, так же как и формирование самой почвы, представляет собой сложный процесс, обусловливаемый взаимодействием экологических факторов почвообразования.

Процессы превращения веществ микроорганизмами осуществляются при участии разнообразных групп ферментов, поскольку они являются биологическими катализаторами превращений органического вещества почвы. Почвенные ферменты продуцируются главным образом комплексом почвенных микроорганизмов, однако значительный вклад может быть сделан растениями и почвенными животными. Как правило, молекулы ферментов связаны с различными биотическими и абиотическими компонентами почвы. Последние включают коллоидальные гуминовые вещества и частицы ила. Так для каждого вида ферментативной активности в почве характерен определенный оптимум рН. Оптимальные значения рН для уреаз, протеаз, дегидрогеназ, полифенолоксидаз и каталаз находится в диапазоне от 6,3 до 7,2, оптимальными для фосфатазной и инвертазной активностей были значения рН в диапазоне 4,2–4,5 [4]. Было показано, что устойчивость различных ферментов к изменениям рН сильно зависит от типа почвы. Различия между почвами определяются разнообразием растительности, микроорганизмов и почвенной фауны. Повышение содержания некоторых микроэлементов в почвах, вызывает отрицательное воздействие на свойства почв и почвенную биоту. Загрязнение почвенного покрова тяжелыми металлами, как это происходит на Апшероне в результате загрязнения почв сырой нефтью или же в результате выхлопных газов автотранспорта, приводит к ингибированию активности почвенных ферментов. Активность кислой фосфатазы наиболее сильно ингибировали ионы Hg, As, V, Mo (в среднем более чем на 50%). Подавляют ферментативную активность и другие микроэлементы, в том числе Cu, Ag, Cd, Zn, Mn, Sn, Ni, Pb, Fe, Cr, Al, V, Se. Степень ингибирования зависит от типа почв. При этом обнаружено, что многие металлы при высокой концентрации подавляют активность ряда почвенных ферментов, а при более низкой концентрации стимулируют активность. Активность ферментов может быть показателем микробных процессов и, следовательно, изменений во фракциях органического вещества почв. Было установлено, что для характеристики почвы применимы фосфатазная, сахаразная и уреазная активность, и кроме того, скорости минерализации азота и дыхания в почвы [9].

Представляет интерес, особенно в связи с проблемами засоления почв Апшерона, влияние свойств засоленных почв или высокой концентрации ионов на почвенные ферменты. Установлено, что по мере возрастания засоленности почвы уменьшалась активность: амидазы, уреазы, кислой фосфатазы, щелочной фосфатазы, дегидрогеназы, каталазы и др. Степень ингибирования варьировала в зависимости от вида фермента и от вида и количества соли. Засоленность почвы вызывала значительное подавление дегидрогеназной активности. Прямая связь между активностью ферментов и плодородием почв позволяет использовать их активность для диагностики почвы в свете их эволюционного развития и экологического состояния [10, 11].

Для оценки экобиологического состояния почвенных разностей исследуемых почв на Апшероне были использованы шкалы активностей ключевых ферментов почв, предложенные Д. Г. Звягинцевым [3].

Биохимическая активность почвенного покрова СПП определена по 5-бальной шкале: очень слабая; слабая; средняя; высокая; очень высокая. Эта шкала ориентировочно дает возможность судить об актуальном биологическом состоянии почвенных разностей в сравнительном аспекте (Таблица 1).

Таблица 1

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

ПОЧВЕННЫХ РАЗНОСТЕЙ СПП АПШЕРОНА

Наименование СПП                       Показатели*

6' и s 3: ^ SC £■ t< ^ й^ =4 Q =“ S'5 ^ e ^ s си Oq ^J ^ ^1 СП ^ ^ s о CD Луковично- 18,5–20,7 17–22 19,0-20,7 8,1–10,3 45–54 2,4–2,8 62–69 Очень собирающий высокая Радиально-округлый 17,5–19,7 15–18 16–18,7 6,1–8,3 41–49 2,3–2,9 52–58 Высокая Древовидноконцентрический 11–12 3,8–5,1 7,0–8,3 1,5–2,2 12–17 1,2–1,3 16–18,5 Средняя Древовидный вулканического происхождения 12,3–13,5 3,9–5,3 7,1–8,4 1,6–1,9 13–16 1,0–1,2 15–17 Средняя Древовидный 12–13 4,0–5,5 7,2–8,5 1,6–2,1 14–18 1,1–1,3 17–19 Средняя Радиально центростремительный 3,7–3,9 1,5–2,8 3,5–4,9 0,7–0,9 4,5–5,7 0,75-0,95 6,6–8,5 Слабая Радиально- 3,9–4,1 1,5–2,4 3,5–4,7 0,7–0,8 4,7–5,9 0,7–0,8 6,6–7,9 Слабая центробежный

Наименование СПП	Показатели* В  r  к  я^  :“  и й § |P   ^    ^    £    £     *
Древовидно– дихотомический	3,5–3,9    1,2–2,4   3,1–4,5   0,6–0,9   4,4–5,7   0,6–0,65   6,4–7,1     Слабая
Луковично-рассеивающий	3,3–3,6    1,2–2,2   3,1–4,4   0,6–0,7   4,3–5,4   0,6–0,52   6,0–7,5     Слабая
Древовиднорадиальный	3,5–3,7    1,2–2,1   3,2–4,5   0,6–0,8   4,2–5,5   0,6–0,55   6,1–7,7     Слабая
Древовидноравнинной части	3–4       0,9       2,1      0,4–0,5     2,3     0,3–0,5   4,5–4,9     Очень слабая

Примечание: * — в слое почвы 0–15 см

Для экобиологической оценки выделенных почвенных разностей различных структур почвенного покрова (СПП) юго-запада Апшерона изучена активность в них ряда оксидоредуктазных и гидролитических ферментов. Оксидоредуктазные и гидролитические ферменты осуществляют важнейшие функции в почве. Среди оксидоредуктазных ферментов важную роль в почвах играют каталаза и дегидрогеназа. Почвы, как правило, проявляют высокую каталазную активность. Каталаза широко представлена в клетках растений и микроорганизмов. Этот фермент катализирует реакции разложения перекиси водорода на воду и молекулярный кислород. Перекись водорода образуется в процессе дыхания микроорганизмов в почве и в результате различных биохимических реакций окисления органических веществ. Роль каталазы в почве заключается в том, что она разрушает ядовитую для организмов перекись водорода. В почве сравнительно активно действуют дегидрогеназы углеводов и органических кислот. Дегидрогеназы катализируют реакции отщепления водорода, т. е., дегидрирование органических веществ и выполняют роль промежуточных переносчиков водорода. В почве субстратами дегидрирования могут быть различные углеводы, органические кислоты, аминокислоты, спирты и гуминовые вещества. Среди гидролитических ферментов важная роль в почве принадлежит таким ферментам, как амилаза и целлюлаза. Они расщепляют сложные эфиры, глюкозидные, пептидные и некоторые другие связи в органических соединениях. Участвуя в реакциях гидролитического распада высокомолекулярных органических соединений, они играют важную роль в обогащении почвы подвижными и доступными растениям и микроорганизмам питательные вещества. Так, амилаза осуществляет гидролиз крахмала, который входит в состав органических остатков, попадающих в почву, с образованием декстринов и мальтозы. А целлюлаза катализирует гидролиз δ-1,4-глюконовых связей в целлюлозе [5].

В составе растительных остатков и микробных тел в почву поступает значительное количество белковых веществ, аминокислот и других азотсодержащих органических соединений. В дальнейшем превращении этих соединений большую роль играют присутствующие в почве протеолитические ферменты.

В результате последовательного протеолитического расщепления до аминокислот и их последующего распада с выделением аммиака азот белковых веществ превращается в доступную для высших растений форму. Это явление, в целом, известно как процесс аммонификации, а ферменты, осуществляющие этот процесс — протеазы. Эти ферменты обусловливают динамику азота, играют важную роль в жизни почвы [3, 10].

Другим представителем протеолитических ферментов в почве является уреаза. Этот фермент катализирует гидролиз мочевины. Конечными продуктами является аммиак и углекислый газ. Продукт гидролиза мочевины — аммиак служит непосредственным источником азотного питания для высших растений. Одним из важнейших почвенных ферментов, участвующих в превращении фосфорных соединений является фосфатаза. Это большая группа ферментов, катализирующих гидролиз разнообразных фосфорорганических соединений, которые составляют важную часть фосфора почвы (от 20% до 80%) и представлены нуклеиновыми соединениями. Анализ полученных данных (Таблицы 1, 2) позволяет со всей определенностью говорить о широком варьировании ферментативной (биохимической) активности почвенных разностей в зависимости от типа СПП.

Таблица 2

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ, БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ СЕРО-БУРЫХ И СЕРО-КОРИЧНЕВЫХ (КАШТАНОВЫХ) ПОЧВ ЮГО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ АПШЕРОНА

Наименование почвы	Содержание		Биологическая активность			i 50 i
	"S s □	53 S 3	6' и ^	. g l‘ О О X $ S Й § g ^ g	^ 1
Серо-бурые солонцеватые орошаемые	33,7	3,0	17,7–18,3	1,5–1,8×107	15,3–16,5	100
Серо-коричневые обыкновенные	60	4,3	21,2–24,5	4,5–5,1×107	19,0–20,5	155
Серо-коричневые светлые	34,6	2,4	19,8–20,1	2,1–2,6×107	16,4–17,1	103
Серо-бурые неполноразвитые орошаемые	30,8	3,0	16,3–17,0	1,2–1,9×107	13,9–15,1	98
Серо-бурые солончаковато-солонцеватые	28,3	2,5	14,9–15,5	0,8–1,1×106	10,1–12,5	95
Серо-бурые неполноразвитые	21,61	2,1	18,5–20,7	0,6–0,8×105	19–20,7	79
Серо-бурые заболоченные	31	2,6	13,2–14,5	0,5–0,6×105	8,2–9,1	76
Серо-бурые слаборазвитые	16,5	1,4	17,5–19,7	0,5–0,6×106	7,2–8,3	71
Серо-бурые слаборазвитые, орошаемые	17	1,9	12,1–13,7	0,8–1,3×105	6,9–9,2	64

Наиболее высокой ферментативной активностью обладали радиально-округлый, луковично-собирающий, а также древовидный вулканического происхождения, древовидный типы СПП. Активность всех исследуемых ферментов, а также продуцирование СО2 в почвенных разностях этих СПП была наиболее высокой. Это в основном серо-коричневые обыкновенные, серо-коричневые обыкновенные гипсоносные, серо-бурые глубинно-засоленные подтипы почв. Наиболее слабой ферментативной активностью характеризовались почвенные разности СПП древовидной равнинной части Апшерона. В первую очередь такое широкое варьирование в ферментативной активностью определяется физико-химическими параметрами самих почвенных разностей, в том числе степени засоления, содержания гумуса, емкостью поглощения и др. Как правило, почвы незасоленные, с высоким содержанием гумуса, высокой степени емкости поглощения отличаются сравнительно высокими активностями почвенных ферментов. А это в свою очередь показатель высокой скорости вещественно- энергетического обмена в почвенных разностях с высоким уровнем активности почвенных ферментов [5–7].

В Таблице 2 показаны результаты экологической оценки почв юго-западной части Апшерона. Как видно, наиболее высоким итоговым баллом (155) характеризуются серокоричневые обыкновенные и серо-коричневые светлые (103) почвы. Эти почвы характеризуются более высоким уровнем плодородия, чем эталонные серо-бурые солонцеватые орошаемые. Худшими свойствами по сравнению с эталонным типом почв характеризуются все другие подтипы серо-бурых почв. Их средневзвешенные баллы бонитета колеблются в пределах 64-98.

Биологические свойства почв, а именно численность гетеротрофной микрофлоры, активность фермента дегидрогеназы и интенсивность продуцирования углекислого газа коррелирует с их физико-химическими свойствами. Наиболее высокой биологической активностью характеризовались серо-коричневые обыкновенные и серо-коричневые светлые почвы. Биологическая активность этих почв была выше, чем в эталонной-серо-бурой солонцеватой орошаемой почве, и существенно выше, чем в других типах серобурых почв [8].

Выводы

Структура почв на Апшероне определяет темп и направление физико-химических и биологических процессов в них и влияет на характер роста и развития растений.

Установлена определенная зависимость физико-химических и биологических свойств почвы от ее структуры, генезиса и факторов окружающей среды.

Наиболее высокая биологическая активность — в серо-коричневых обыкновенных и серо-коричневых светлых почвах.