Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Ферментативная активность как индикатор экологического состояния почв

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Ферментативная активность как индикатор экологического состояния почв"

РГ6 од

На правах рукописи

Личко Валентина Ивановна

ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ КАК ИНДИКАТОР ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Воронеж - 1998

Работа выполнена в Институте фундаментальных проблем биологии РАН

Научный руководитель - доктор биологических наук, ведущий

научный сотрудник О.И. Худяков

Официальные оппоненты - академик РАСХН, доктор биологических наук А.П. Щербаков

кандидат биологических наук НД.Верзилина

Ведущая организация - кафедра физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ

Защита состоится "30" июня 1998г на заседании диссертационного совета Д- 063.48.09 при Воронежском Государственном Университете по адресу: 394693, г.Воронеж, Университетская площадь, д.1, биолого-почвенный факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГУ

Автореферат разослан "29" мая 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Л.И.Брехова

Введение

Актуальность темы. Экологическое состояние почв явлиося составной частью параметров, формирующей взаимодействие живых организмов с минеральной массой почвы. Вместе с тем при экологической оценке почвы. как среды обитания живых организмов, недостаточное внимание уделяется биотестам. Не в полной мере освещены вопросы влияния процессов гидроморфизма, остепнения, орошения, засоления и развития эрозионных процессов на накопление уг леводов и ферментативную активность почв, чго и определило актуальность настоящей работы.

Цель работы - изучить влияние экологического состояния почв на динамику углеводов и ферментативную активность почв.

Задачи исследования:

1. Изучить влияние гидроморфизма и остепнения на содержание углеводов и ферментативную активность в аллювиальных гидроморфных почвах.

2. Изучить влияние орошения на содержание углеводов и ферментативную активность чернозема.

3. Изучить влияние солей и эрозионных процессов на содержание углеводов и ферментативную активность почв.

Защищаемое положение: Б изученном гидроморфном ряду почв луго-вый режим активизирует ферментативную активность, что способствует развитию биологических процессов и накоплению органическог о вещества.

В орошаемых черноземах обводненность способствует увеличению ферментативной активности, что служит начальным механизмом в дегумифика-ции почв.

Соли в почвах оказывают избирательное действие на ферменты. Физиологически щелочные соли ингибируют р-фругстофуранозидазу и активизируют фосфатазу, каталазу, полифенолоксидазу, дегидрогеназу. Физиологически нейтральные соли ингибируют активность ферментов только при высоких концентрациях.

Соли меди ингибируют активность ферментов.

Степень эродированности серых лесных почв обратно пропорциональна инвертазной активности.

Научная новизна. Показано, что усиление гидроморфизма активизирует гидролитические ферменты в почвах, что в свою очередь активизация гидролитических ферментов создает углеводную основу дегумификации в орошаемых черноземах. Развитие эрозионных процессов серых лесных почв снижает ферментативную активность почв.

Практическое значение. Полученные данные могут быть использованы при составлении рекомендаций по сельскохозяйственному использованию почв в орошаемом земледелии, составлении противоэрозионных мероприятий.

Реализация работы. Работа выполнена в рамках гранта 10.1.3.2. п программы «Экобезопасность России», при выполнении договорных научно-исследовательских проектов.

Апробация работы. Основные положения работы были представлены на конференции в почвенном институте им. Докучаева (Москва. 1979), на конференции «Изучение иррационального использования животного и растительного мира» (Рига, 1981), на конференции «Теоретические и практические вопросы почвозащитного земледелия» (Курск, 1981), на Всесоюзном совещании «Современные мегоды исследования почв» (М ГУ. 1983). на VII съезде почвоведов (Новосибирск, 1989), на конференциях «Экологические проблемы накопления нитратов в окружающей среде (Бущино, 1989, 1990, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и выводов. Она включает 100 страниц машинописного текста, из них 11 рисунков и 11 таблиц. Список литературы насчитывает 131 работу, из них 31 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение.

Обосновывается актуальность работы по изучению ферментативной активности в почвах гидроморфного ряда, в условиях орошения, засоления и эрозионных процессов.

Глава I. Фермент ы в почвах:.

Посвящена обзору литературных источников, основных подходов и методов. Показано что, почвенные ферменты это физиологически активные вещества биологического происхождения, оказывающие влияние на процессы почвообразования в условиях различных факторов среды, хозяйственной деятельности человека и природных процессов.

Глаза II. Объекты и методы исследования.

В работе изучался гвдроморфный ряд пойменных почв Ажиновского стационара Ростовской области: лугово-темноцветная слитая, лугово-темноцветная солонцеватая, иловато-болотная солончаковая, лугово-черноземная, солонец черноземно-луговый осолоделый, солонец-солончак сульфатно-содовый, чернозем южный среднемощный малогумусный (Азовская оросительная система совхоза Краснокутский Ростовской обл.), чернозем предкавказский, серые лесные почвы Путинской экспериментальной станции ИПФС РАН. Активность инвертазы определяли по методике, разработанной нами, отличительной особенностью которой является то, что время инкубации уменьшается до 2 часов, вместо 24. Кроме того глюкозу

анализировали более экспрессивным полумикрометодом фирмы «Wortington» Активност ь фермента выражали в мг глюкозы на 1г почвы за час. Контролем служили стерилизованные почвы (160-180" 3 часа). Фосфа-тазная активность определялась по Tabatabai and Bremner (1967) и выражалась в мг Р-нитрофенола за 1 час на 1 г.

Активность каталазы определяли по общепринятой мегодике газометрическим способом и акшвность выражалась в см3 О? на 1г почвы за минуту. Активность дсгидрогеназы определялась по общепринятой методике коллориметрически и выражалась в мг ТТФ на Юг ггочвы. Продуцирование С02 определялось в закрытых сосудах по Купревичу (1967) и выражалось в мг ССЬ за сут ки на 1 ООг почвы.

Автор с 1973 года и по настоящее время принимает участие в комплексных работах на Ажиновском стационаре Ростовской области и на Путинской экспериментальной станции ИПФС РАН.

Глава 111. Влияние гндроморфизма на содержание углеводов и ферментативную активтюсть почв.

Углеводы в почвах относятся к индивидуальным органическим веще-ст вам, количественное содержание которых характеризует скорость и направленность биогеохимических процессов. В свою очередь биогеохимические процессы находятся в прямой зависимости or физических и физико-химических факторов среды, то содержание углеводов и ферментативная активность отражает всю динамику почвенно-экологических условий, складывающихся в почве в процессе почвообразования и антропогенного воздействия. В исследуемом гидроморфном ряду почв содержание углеводов коррелирует с содержанием биомассы в почве, однако четкой закономерности в соотношении фи гомассы и количества углеводов в почве не обнаружено. Это связано, по-видимому, с различными качественными и количественными характеристиками их растительных ассоциаций и, следовательно, различным биохимическим составом их опада. Вместе с тем относительное содержание гидролизуемых углеводов (СугЛ\Сорг) в почвах с признаками ос-тепнения значительно выше ( рис. 1), чем в почвах луговых. Наибольшей ве личиной относительного накопления углеводов отличается солонец-солончак в ряду луговых почв, минимальной способностью к накоплению относительного содержания углеводов обладает лугово-темноцветная слитая почва. По мнению Д.С.Орлова и др.(1975), относительное увеличение углеводов по профилю объясняется или «более активным и быстрым разложением в верхних горизонтах по сравнению с нижележащими, или передвижением углеводов, как относительно более растворимой фракции с нисходящим потоком почвенных растворов».

О более интенсивном разложении углеводов в луговых и иловато-болотной по сравнению с осте!шлющимися почвами свидетельствует более

высокая активность в них почвенной Р-фруктофуранозидазы. В почвах лугового ряда активность этого фермента сохраняется на значительной глубине по сравнению с остепняющимися почвами, у которых она падаегг в верхних горизонтах. Наличие активности [З-фруктофуранозидазы в иллювиальном и нижелажащих горизонтах луговых почв, по-видимому, ограничивает возможность накопления углеводов в нижних горизонтах.

Следует также отметить различную степень увлажненности рассматриваемых почв. Луговые почвы более увлажнены в течение сезона и, следовательно, в них почти всегда складываются оптимальные условия для активности карбогидраз (наличие влаги - необходимое условие для действия гидролитических ферментов). Лугово-степные почвы иссушаются а летний период, что приводит к дезактивации гидролитических процессов. Активность дегидрогеназы и каталазы в гидроморфных почвах значительно выше, чем в почвах остепняющихся. Исключение составляет иловато-болотная почва,у которой активность каталазы очень низкая, что связано с анаэробными условиями и накоплением токсичного для каталазы даже в малых количествах сероводорода. Вместе с тем эта почва характеризуется наибольшей активностью дегидрогеназы и следовательно, потребление моносахаридов на процессы анаэробного дыхания идет в ней очень интенсивно. Определенное значение в увеличении потребления (моносахаридов) при анаэробном типе дыхания имеет низкий коэффициент использования субстрата в связи с тем, что окисление здесь идет не до конечных продуктов.

В лугово-степных почвах наблюдается определенная корреляция между активностью р-фруктофуранозидазы и окислительно-восстановительными ферментами. В почвах лугового ряда эта закономерность не такая четкая. Это свидетельствует о том, что в условиях остепняющихся почв сопряжение окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов выше, чем в луговых почвах, и моносахара, по-видимому почти полностью мстаболизируются в верхних горизонтах почв. В остепняющихся почвах и в солонце-солончаке относительное увеличение содержания углеводов вниз по профилю объясняется высокой миграционной способностью углеводов в условиях щелочной среды и облегченного гранулометрического состава.

В гидроморфных луговых почвах тяжелого гранулометрического состава, по-видимому, происходит ест ественная дифференциация углеводов по мере продвижения их по профилю почв. Крупные молекулы полисахаридов задерживаются в верхних горизонтах и затем разлагаются под действием карбогидраз до мономеров (активность Р-фруктофуранозидазы этих почв в этих горизонтах очень высокая. Низкомолекулярные углеводы, которые относительно легко проникают в нижележащие горизонты, подвергаются также деструктивной деят ельности карбогидраз (активность Р-фрукгофуранозидазы в этих почвах прослеживается на значительную глубину). Активность окислительно-восстановигельных ферментов луговых

почв также высокая как в верхних, так и в нижележащих горизонтах, что свидетельствует о высокой степени их биогенности и активном потреблении моносахаридов по всему профилю этих почв.

Глава IV. Влияние орошения на накопление углеводов и ферментативную активность почв.

Определение содержания общих углеводов (по Юхнину и др. 1973) показало, что в гор.А и АВ через 20 и 10 лет орошения их относительные (СуглДСорг ) значения практически не различаются (табл. I). Однако в почве, орошаемой 20 лет, процесс распада углеводов, очевидно, захватывает более глубокие слои почвы, чем в почве, орошаемой 10 лет. Это приводит к резкому (в 2 раза) обеднению гор.В почвы с 20-.юпшм периодом орошения относительным содержанием углеводов по сравнению с почвой орошаемой 10 лет. Не исключено, что снижение темпов потери углеводов в верхних горизонтах

Таблица 1.

Содержание углеводов в орошаемых южных черноземах (п=Т0)

Горизонт н глубина в см Собщ % мг глюкозы на 100г абс.сухой п. Сугл^-общ

А„ах 0-23 А 23-45 АВ 45 - 79 В 79 - 102 В, 102-105 Орошаемая 20 2,98 3,08 1,85 1,75 0,36 лег 743.3 706,7 466,7 333,3 243,3 9,98 9,18 10,09 7,62 27,03

Апи 0-24 А 24 - 33 АВ 33-59 В 59-83 В, 83 - 134 Орошаемая 10 3,34 2,14 2,50 1,07 0,36 Лет 767,0 580,0 547,0 390,0 220,0 9,19 10,84 8.75 14,58 24,44

А,,*. 0-22 А 22 - 42 АВ 42-59 В 59 - 96 Вк 96-133 Неорошаемая 2,14 1,53 1,43 1,25 0,18 793,0 763,0 630,0 463,0 193,0 14,82 19,95 17,62 14,82 4Z89

объясняется, с одной стороны, внесением органических удобрений (навоза, сидератов), с другой тем, что наряду с легко метаболизируемыми углеводами в почве находятся прочно связанные с минеральными и органо-минеральными компонентами углеводы, которые в значительно меньшей мере подвержены ферментативному гидролизу.

Таким образом, потеря углеводов органического вещества почвы идет интенсивно после начала орошения за счег их легкоусвояемых форм, с течением времени этот процесс замедляется, так как процесс разложения иммобилизованных углеводов в значительной мере затруднен. В осенний период происходит пополнение углеводов (за счет корневого и наземного опа-да). В течение остального времени года происходит их расход на биохимические процессы в почве (табл. 2). В случае, если пополнение не эквивалентно распаду, который необходим на такие энергозависимые процессы, следует ожидать снижения общих углеводов в почве. В этом случае энергетический уровень биохимических реакций будет осуществляться за счет труднодоступных форм углеводов, прочно связанных с молекулами гумино-вых и фульвокислот. Этот процесс распада иммобилизованных углеводов, по всей видимости, представлен в староорошаемых почвах, в которых наблюдается снижение относительного их содержания.

Таблица 2

Динамика содержания общих уг леводов пахотного горизонта (0-20) чернозема южного (н=10)

Почва Содержание общих углеводов, мггл. на ЮОгп. 1978 1979 весна лето осень весна лето осень

Неорошаемая Орошаемая 750±32 726±32 838±46 738429 776121 796±43 756±41 733±42 856±.52 702±29 656+23 763±31

IV. 1. Влияние активности ферментов на углеводную фракцию гуминовьгх и фульвокислот

Существование периферийных участков, или, проще, непрочно связанных с гуминовой кислотой углеводов, доступных почвенным ферментам или экзоферментам микроорганизмов, нами было показано путем действия на отдиализованный препарат гуминовой кислоты (ГК) чернозема южного улиточным ферментом (УФ) в присутствии 2% меркаптанэтанола (МЭ). Количественное соотношение ГК:УФ (1:2), ферментативный гидролиз проводили в фосфатном буфере рН 6,7 (3 часа, 30°). Контроль - ГК в фосфатном буфере. Инкубация контрольных вариантов проводилась параллельно с опытным вариантом. Разложение поли- и олигосахаридов гуминовой кислоты улиточным ферментом фиксировали гго появлению в инкубационной среде редуцирующих Сахаров, глюкозу определяли с помощью специфического биотеста фирмы \Vortington (США).

В результате ферментативного гидролиза (табл. 3) от молекулы гуминовой кислоты отщепилось 1,18% от веса ГК редуцирующих Сахаров, причем основная доля (0,77%) принадлежит глюкозе, что согласуется с данны-

. ми о содержании углеводов в 1уминовых кислотах торфяных почв. При кислотном гидролизе высвобождается основная часть уг леводов, более 70% от общего содержания углеводов в гуминовой кислоте (табл.З). По результатам кислотного гидролиза видно, что и прочно связанные с гуминовой кислотой углеводы также состоят преимущественно из молекул глюкозы, что пол тверждает ранее высказанные положения о существовании у глеводных непочек в составе гуминовых кислот.

Таким образом, в лабораторном эксперименте было показано наличие в молекуле гуминовой кислоты непрочно связанных с ней углеводов, которые могут быть подвержены фермешашвно.чу гидролизу под действием Почвенных карбогидраз.

Таблица 3

Извлечение углеводов гуминовой кислоты при ферментативном и кислотном гидролизе

Вариант Инкубация 3 часа Редуцирующие сахара, мг глюкозы глюкоза, мг

Контроль

ПС - МЭ

200мг

УФ + МЭ 0,14+0,02 0.08+0,02

200мг

Опыт

ГК+УФ+МЭ 1,32+0,04 0,92±0,05

100мг200мг

ГК + Н2804 4,60±0,09 2,90±0.08

1У.2. Влияние увлажнения на воднорастворимые углеводы и ферментативную активность почв

В орошаемых черноземах акгивносгь гидролитических ферментов является толчковым механизмом в процессах их дсгумификации. Исследование влияния степени увлажнения на содержание воднораство-римых углеводов и активность ферментов Р-фруктофуранозидазы (табл.4) показало, что с увеличением степени увлажнения происходит увеличение воднорастворимых углеводов и растет активность фермента. Поскольку дополнительно органического вещества не вносили, такие изменения в исследуемых образцах можно связать только с количественным ростом специфической микрофлоры продуцирующей карбогидразы. В гидроморфных условиях Р-фруктофуранозидаза является одним из конечных ферментов цепи превращения углеводов, то, гидролизуя

дисахариды до глюкозы и фруктозы, эюг процесс сопровождается резким увеличением количественного роста гетеротрофной микрофлоры, особенно при наличии в среде доступных форм азота. В свою очередь увеличение числа микроорганизмов и их активноеги приводит к тому, чго они начинают разлагать трудноусвояемые специфические органические вещества.

Аналогичная закономерность в содержании воднорастворимых углеводов в зависимости 01 увлажнения почвы выявлена в полевом эксперименте. Показано, что количество воднорастворимых Сахаров коррелирует со степенью увлажнения. При поливе, равно как и при атмосферных осадках возрастает количество воднорастворимых \тдоводов Увеличение в почве углеводов свидетельствует о том, что в условиях увлажненной почвы происходит интенсивный ферментативный гидролиз полиеахаридной фракции. При орошении почвы находятся на постоянно высоком уровне увлажнения, к соответственно темпы гидролиза полиеахаридной фракции в них выше, чем на богарных почвах. О том, что гидролиз полисахаридов носит ферментативный характер свидетельствует то, что активность Р-фруктофурапозидазы на орошаемой почве несколько возрастает по сравнению с неорошаемой почвой.

Изучение ферментативной активности неорошаемою, орошаемого и участка приканальной зоны чернозема южного (Азовская оросительная система совхоза Краснокутский Ростовской области) показало, что под воздействием полива в течение 7 лет увеличилась активность инвертазы и произошло снижение активности фосфатазы на орошаемом участке. Ингибирование гидролитических ферментов связано, по-видимому, с прог рессирующим засолением и изменением физико-химических свойств при поливе. Особенно сильно подавлена активность этих ферментов в зоне в силыюзасоленной почве приканальной юны.

Активность детидрогеназм в верхней и средней частях почвенного профиля поливного участка и гточвы приканальной зоны несколько возрасла ( на 15-200/о) по сравнению с неполивным участком. На орошаемом участке заметно увеличилась активность кагалазы в метровом слое почвы. Несмотря на определенное повышение активности окислительно-восстановительных ферментов на орошаемом участке не от мечалось интенсификации "дыхания" почвы, что не согласуется с выводами Галстяна (1974) о коррелятивной зависимости этих двух показателей.

Семилетний полив ие оказал заметного влияния на активность сульфагредуктазы и только в подтопленном участке активность сульфатредуктазы увеличилась в 1,5 раза. Активность нитрагредуктазы на орошаемом участке в приканальной зоне возрасла более чем р. 2 раза по сравнению с неорошаемым участком.

Глава V. Влияние солей на ферментативную активность почв.

У. 1. Влияние различных солей на ферментативную активность чернозема южного среднемощного малогумусного.

Для изучения влияния солей, на активность почвенных ферментов был заложен лабораторный опыт, где .использовались соли ЫаС1 и №2804. Результаты опыта свидетельствуют, что соли снижают активность ферментов только внесенные в очень высоких концентрациях. Для инвертазы такой концентрацией является 1 " о-ное содержание №С1 и №2804, с которой начинается высаливание и соответственно снижение активности почвенных ферментов.

Для фосфатазы прямое подавление обнаруживается только при 5%-ной концентрации. Щелочная фосфатаза снижает, но не подавляет свою активность при концентрации 0,48%.

Почвенная дегидрогеназа, как и фосфатаза слабо реагируют на внесение солей в почву, только при 5%-ной концентрации подавляется ее активность.

Таким образом следует вывод о том, что для южных черноземов ферментативный фон слабо меняется под влиянием засоления.

У.2. Влияние концентрации солей на ферментативтто активность предкавказских черноземов.

Исследование проводили на черноземе предкавказском незаселенном. Соли вносили в виде растворов в концентрациях из расчета 4, 8, 12, 16, 32 и 64 мг экв \100г почвы. Влажность почвы поддерживали в течение опыта (30 суток) на уровне 80°,уо ог ППВ, пробы отбирали через 3, 12 и 30 суток. В качестве солей брали физиологически нейтральные соли МаС1, К^вС^ и физиологически щелочную соль Ка2С03.

Из результатов эксперимента следует, что актизность почвенной р-фруктофуранозидазы ипгибируется нейтральными солями (ЫаС1, N32804) уже на 3 сутки после внесения их в почву. Небольшие [сонцентрации нейтральных солей слабо стимулируют активность фермента. Наибольший эффект подавления активности фермента почвенной (3-фруктофуранозидазы, вызывает высокая концентрация сульфат иона (64мг экв\ 100 г почвы).

В варианте опыта с внесением Ыа2СОз отмечается резкое снижение активности фермента, что объясняется изменением кислотности в щелочной интервал. Инку бащи почвы в условиях различных концентраций солей и времени экспозиции показала, что ингибирукнцее действие оказывает сульфат-ион на 30 сутки эксперимента, что можно объяснить редукцией сульфат иона и образованием гидролитически щелочной соли.

Анализ поведения активности фосфатазы в эксперименте с внесением различных солей показывает большую ее устойчивость к действию физиологически нейтральных солей и повышенную ее активность с внесением щелочных солей. Повышенная активность фосфатазы отмечена на 30 сутки инкубации в варианте с использованием Ыа2804, что связывается с изменением рН в щелочной интервал.

Б опыте по изучению ферментативной активности почв в условиях различных концентраций солей изучалась группа окислительно-восстановительных ферменте - кагалаза. полифенолоксидаза и дегидроге-наза.

В опытных образцах с внесением физиологически щелочной соли (ЫазСОз) увеличивается активность кагалазы, полифенолоксидазы идегид-рогеназы, в го время как в опьпных образцах с внесением физиологически нейтральных солей резко снизилась активность кагалазы, особенно сильное ингибирующее воздействие отмечается на 30 сутки эксперимента, что можно объясни 1ь ингибирующим воздействием иона хлора и сульфат иона.

Активность полифенолоксидазы при внесении физиологически нейтральных солей возрастает на 3 су 1 ки эксперимента в вариантах с концентрацией солей 8мг экв. и 64 мг экв.. На 12 сутки эксперимента активность полифенолоксидазы повышается в образце с 4 мг экв. солсй и затем постепенно понижается в образцах с концентрацией солей 16, 32 и 64 мг экв. Активность полифенолоксидазы в образцах с внесением соли КаС1 была выше чем в контрольных образцах, но резких изменений не отмечалось.

На 30 сутки эксперимента с внесением физиологически нейтральных солей активность фермента во всех опытных образцах с различной концентрацией солей практически не отличалась от нейтральных.

Активность дегидрогеназы в опытных образцах с внесением физиологически нейтральных солей имеет некоторое различие только лишь на 3 сутки эксперимента, когда в образцах с внесением 4 мг экв. солей увеличивается активность дегидрогеназы, с повышением же концентрации Ыа2804 снижается, а в опытных образцах с внесением ИаС1 активность дегидрогеназы возрастает, причем высокие концентрации №:804 снижают активность дегидрогеназы, а высокие концентрации ЫаС1 повышают активность дегидрогеназы.

Ферментативная активность дегидрогеназы постепенно выравнивается в опытах с внесением физиологически нейтральных солей и уже на 12 и 30 сутки в опытных образцах отмечается тенденция к возрастанию активности дегидрогеназы со временем.

Сравнительный анализ кривых выделения углекислого газа и кривых ферментативной активности в опытных вариантах показывает, что кривые выделения углекислого газа в основном коррелируют с кривыми активности окислительно-восстановительных ферментов полифенолоксидазы и дегидрогеназы.

Таким образом, из результатов эксперимента следует, что даже высокие концентрации физиологически щелочных и физиолог ически нейтральных солей не вызывают полного ингибирования активности почвенных ферментов, но при засолении почвы происходит изменение в соотношении активности гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов, что ведет к нарушению обмена веществ и энергии в системе почва -растение.

У.З. Влияние солей меди на ферментативную активность почв.

В орошаемых почвах в целях предотвращения их дегумификации в качестве ингибитора ферментативных процессов использовали ион меди. Из данных полевого опыта по изучению минерализации целлюлозы, при параллельном внесении сернокислой меди, проведенном на орошаемом поле N 3 РООМС (почва чернозем южный среднемощный малогумусный) следует, что внесение целлюлозы вызывает накопление целлюлозолитических микроорганизмов. Гидролиз, вызванный ферментами этих бактерий, увеличивает в почве количество воднорастворимых углеводов. Накопление низкомолекулярных углеводов, в свою очередь, стимулирует общую микробиологическую активность почвы, благодаря которой повышается активность р-фруктофуранозидазы, дегидрогеназы и аскорбинатоксидазы (табл. 4).

Несколько иная картина наблюдается в вариантах с одновременным внесением целлюлозы и ионов меди. Под воздействием ингибитора (Си) снижается действие карбогидраз, вследствие чего отмечается уменьшение количества воднорастворимых сахаридов по сравнению с контролем и резко сокращается количество (на 40%) выделившейся углекислоты почвой (табл.4). На фоне общего торможения микробиологических процессов снижается активность почвенных ферментов: Р-фруктофуранозидазы и дегидрогеназы. Исключение составляет фермент аскорбинатоксидаза, активность которого несколько возрастает по сравнению с контрольным вариантом, чю связано с тем, что ионы меди, по-видимому, являются активаторами этого окислительно-восстановительного фермента.

Таким образом, ион меди следует использовать для регуляции темпов минерализации органического вещества почвы, чго особенно важно для орошаемых почв. Следует отметить, что использование ионов меди в качестве ингибитора биохимических процессов южных черноземов не столь эффективно, поскольку их рН 7, а активность иона меди в щелочной среде крайне низкая. На других почвах, где рН почвенных расльорои близка к нейтральной или слабокислая, использование этого ингибитора в целях регуляции темпов минерализации органического вещества почвы будет более эффективным.

Глава VI. Ферментативная активность как индикатор эродированности серых лесных почв.

В качестве тест ферментов на степень смытости серых лесных почв изучалась активность р-фруктофуранозидазы, фосфатазы, каталазы, а так» «дыхание» почвы ( продуцирование С02 почвы свободной от корней, в единицу времени). В нашем случае инвертазная активность очень хорошо отра

Таблица 4

Влияние ингибитора (Си) на активность почвенных ферментов и содержание редуцирующих углеводов в почве на фоне внесения целлюлозы (п=5

Вариант Инвергаза мг глюкозы на 1г за час Дегидрогеназа Мг ТФФ на г за 24 часа Аскорбинатокс. мг ДГА на ЮОг за час Углеводы иг глюкозы на ЮОг

Почва +целлюлоза Почва + целлюлоза + Си804 1 2 3 1.0 1,3 1,2 1.1 0,7 0,6 1 2 3 9,0 14,0 16,0 10,0 7,0 7,0 1 2 3 17,0 22,0 26,0 15,0 28,0 32,0 1 2 3 24,0 32,0 30,0 23,0 16,0 8,0

Примечание 1 - ГУН, 2 - Ю.УН, 3 - 25. VII

жаегг степень смытости почв (табл. 5). Наблюдается четкая закономерность уменьшения активности инвертазы в пахотных горизонтах от 1,02 мг глюко зы за час в несмытых почвах до 0,34-0,38 мг глюкозы за час в очень сильно-смытых почвах. Такая же закономерность уменьшения активности инвертазы прослеживается и в самом профиле почвы. Если в слабоэродированных почвах отмечается постепенное затухание активности с глубиной, то в силь-ноэродированных уже в подпахатных горизонтах инвертазная активность очень мала или ее нет (табл. 5). Последнее связано с выходом на дневную поверхность иллювиальных горизонтов с крайне низкой активностью фермента.

Таким образом, инвертазная активность хорошо отражает степень эродированности серых лесных почв и может являться дополнительным диагностическим признаком при их разделении по категориям смытости.

Фосфатаза в отличии от инвертазной активности не показала четко выраженной зависимости активности фермента от степени смытости почв (табл. 5). Активность фосфатазы, как известно, зависит от уровня ортофос-фата в почве. В исследованных почвах количество фосфора подвержено значительным колебаниям, однако оно не связано со степенью эродированности почв (табл.5 ). Неравномерность распределения и отсутствие определенных закономерностей в содержании Р205 определяется, по-видимому, не

;стсственным его состоянием, а неравномерностью внесения фосфорных одобрений. Поэтому активность фосфатазы в данном случае отражает не :только процесс смыва этих почв, сколько неравномерность внесения фосфорных удобрений.

Другой особенностью фосфатазы в отличие от инвертазы в нашем :лучае является проявление активности ее в иллювиальных горизонтах в сильное мытых почвенных разностях, что объясняется, по-видимому, большой лабильностью фосфатазы и интенсивным продуцированием ее почвенными организмами.

Таблица 5

Биологическая активность серых лесных почв

разной степени зродированности. ___

Степень смы-тости, .почва Горизонт Инвертаза Мг глюк\час Фосфата- ча.ш Рз05\час Каталаза мл 02\мин. Продуцирование С02,мг С02\100г за 24 часа

Апах. 0,92 0,80 1,40 25,3

Серая лесная Аст.пах. 1,02 0,60 1,30 8,8

не-смытая ВЬ 0,56 0,21 1,16 4,0

В, 0,05 0,13 1,02 4,0

/\пах. 0,68 0,54 2,84 28,6

| Очень слабо- Аст.пах. 0,87 0,56 1,37 14,3

смытая ВЬ 0,31 0,13 0,67 7,7

В, 0,03 0,16 0,20 4,0

Апах. 0,65 0,82 1,46 18,7

Слабосмытая Аст.пах. 0,37 0,25 0,83 7,7

ВЬ 0,13 0,18 0,90 3,3

Апах 0,56 0,43 1,83 14,3

Среднесмытая Аст.пах. В, 0,28 0,02 0,45 0,16 1,40 0,90 5,5 3,3

Апах. 0.51 0,32 Г 1,66 П,0

Омыт да Вг 0,05 0,18 0,87 4,0

в2 0,00 0,15 0,88 3,1

Алах. 0,42 0,52 1,43 Не опр.

Сильное мытая В1 0,02 0,25 1,00 «

в2 0,00 ...0,17 1,43 «

Очень сильно-смытая Апах. В, в2 0,38 0,00 0,00 0,74 0,18 0,14 5,03 1,20 0,02 5,6 4,0 2,2

Апах. 0,34 0.50 1,66 4,а

То же В3 0,00 0,24 1,20 1,2

в, _____ 0,00 0,15 0,10 1 3

Каталазная активность в еще меньшей степени, чем фосфатезная, отражает степень зродированности серых лесных почв (табл. 5). Купревич и . Щербакова (1966) отмечают, что внесение фосфорных удобрений ингибиру-ет активность каталазы и, кроме того, активность каталазы плохо сохраняет-

ся во времени. Не исключено, что низкая активность каталазы и отсутствие закономерностей в ее распределении как по профилю почв, так и среди по1! разной степени смытости в нашем случае объясняется именно этими двумя причинами.

Выделение углекислоты почвой обусловлено дыханием ее микро- и макроорганизмов и действием почвенных декарбоксилаз. Исходя из этого многие авторы склонны считать, что количество углекислоты, выделяющее ся из почвы, является наиболее общим показателем ее биологической активности. В нашем случае обнаруживается прямая зависимость между «дыханием почвы» и степенью ее смытости, наиболее ярко проявляющейся в пахотных горизонтах (табл. 5). Следует отметить резкое уменьшение способности к продуцированию С02 сильносмытых категорий серых лесных почв по сравнению с несмытыми и слабосмытыми (табл. 5).

Интенсивность «дыхания почвы» сильно уменьшается и при переход« от пахотных горизонтов к иллювиальным, что отмечалось и для других ферментов.

Сильная зависимость «дыхания почвы» от степени их смытости и дос тупность методики определения продуцирования С02 позволяет считать эте свойство почвы диагностическим признаком, отражающим ее биологическое состояние.

Выводы.

1. В исследуемом ряду пойменных гидроморфных почв процессы гидро-морфизма способствуют накоплению низкомолекулярных углеводов.

2. В остепняющихся почвах накопление низкомолекулярных углеводов замедляется. Формирование характерных профилей относительного содержания углеводов ( Су,л.\Собщ.) в изученном гидроморфном ряду пойменных почв определяется взаимоотношением процессов синтеза и деградации полисахаридов с одной стороны и процессами миграции по профилк почвы, определяющейся всей суммой экологических и физико-химических особенностей этих почв - с другой. Так в гидроморфных луговых почвах тяжелого гранулометрического состава отмечается естественная дифференциация по профилю почвы, при которой крупные молекулы полисахаридов задерживаются в верхних горизонтах. В остепняющихся почвах и солонце-солончаке относительное увеличение содержания углеводов вниз по профилю объясняется миграционной способностью углеводов в условиях щелочной среды и легкого гранулометрического состава.

3. В условиях орошения, особенно в первые годы эксплуатации оросительных систем, потеря органического вещества связана с уменьшением относительного содержания углеводов.

4. Общее содержание углеводов в почве является динамичной величиной и изменяется в вегетационный период благодаря наличию свободных и непрочно связанных с гуминовыми и фульвокислогами углеводов.

5. Дегумификация орошаемых черноземов связана с прямым ферментативным действием карбогидраз на углеводные цепочки, непрерывно связанные с молекулой гуминовой кислоты.

6. В засоленных почвах физиологически щелочные и физиологически нейтральные соли обладают избирательным действием на ферменты. Так физиологически щелочные соли ингибируют активность (5-фруктофуранозидазы, в то время как физиологически щелочная соль повышает активность фосфатазы (щелочной), каталазы, полифенолоксида-зы и дегидрогеиазы. Высокие концентрации физиологически нейтральных солей не оказывают существенного ингибирующего воздействия на активность р-фруктофуранозидазы, фосфатазы. полифенолоксидазы, дегидрогеиазы. но полностью подавляют активность каталазы на 30 сутки эксперимента. Высокие конпент рации солей и время экспозиции не оказывают существенного влияния на «дыхание» предкавказских черноземов.

7. В условиях орошения в качестве ингибитора биохимического распада органического вещества, и в первую очередь углеводов, предлагается использовать вещества, содержащие ион меди.

8. В серых лесных почвах по мере увеличения их смытости наиболее резко снижается инвертазная активность. По активности фосфатазы и особенно каталазы четко выраженной зависимости от степени смытости почв не наблюла пось. «Дыхание» почвы является хорошим тестом на биологическое состояние почвы в зависимости от степени их смыва.

Основные публикации но теме диссертации:

1. Ферментативная активность серых лесных почв. Почвоведение, 1976, N11.0.127-132.

2. Ферментативная активность как гест на смытость серых лесных пахотных почв. Почвоведение, 1976, N1.

Ускоренный метод определения р-фруктофуранозидазной активности. Почвоведение, 1979, N12. 138-141.

4. Влияние орошения на ферментативную активность чернозема южного. Бюллетень Почвенного института, 1979, выпуск XX, с.48-52.

5. Изменение ферментативной активности почв при внесении солей. Сб. Биологические аспекты изучения и рационального использования жив. и растительного мира, Рига, 1981, с.293-294.

6. Использование ферментативной активности для биодиагностики почв. Тез.Вс. совещ. Современные методы исследования почв, МГУ, 1983.

7. Уг леводная фракция органического вещества пойменных почв. Почвоведение, 1984, N2, с.28-35.

8. Биологическая активность и содержание углеводов в орошаемых почва. Почвоведение, 1984, N7, с.74-80.

9. Содержание органического вещества и ферментативная активность орошаемых почв. Тез. докладов Всес. У11 съезда почв. Ташкент, 1985.

10.Вынос азота с нисходящим и поверхностным стоком. Сб. Экологически« проблемы накопления нитратов в окружающей среде. Пущине, 1989.

11 .Потеря нитратов с твердым и жидким стоком как одна из составляющих баланса азота на эродированных почвах. Тезисы Всес. съезда почвоведа Новосибирск, 1989, N5.

12.Роль местного стока в формировании речных половодий и некоторые пу ти его регулирования. Сб. Почвозащитная технология полива и повышение надежности противопаводковой защиты. Пущино 1990.

13.Вынос азота в агроценозе. Химизация с/х, 1990, N2.

14.Потери азота на эродированных серых лесных почвах при снеготаянии. Агрохимия, 1994, N12.

15.Сезонное промерзание и особенности проявления эрозии при снеготаянии. Почвоведение, 1994, N10.

16.Взаимодействие удобрений в агроценозах и вовлечение питательных веществ в биологический круговорот при длительном их внесении на серы лесных почвах, Агрохимия, 1997,N7.

17.Ферментативная активность почв как индикатор физического состояния почв. Почвоведение (в печати).