Курс: биологические процессы в почвах

Лекция первая

Особенности почвенных ферментов

Источники ферментов

Поскольку энзимы синтезирует вся почвенная биота, ферментный пул почвы представляют собой смесь, компоненты которой поступают из разных источников. Количество поступающих ферментов зависит от биомассы и метаболической активности биоты.

В почвенных процессах преимущественно принимают участие экстрацеллюлярные ферменты организмов, обитающих в почве. Экстрацеллюлярными называют ферменты, которые живой организм выделяет во внешнюю среду. Различают конститутивные ферменты, которые синтезируются постоянно с минимальной регуляцией и индуцибельные, которые образуются при определенных условиях окружающей среды.

Экстрацеллюлярные энзимы предназначены для разложения почти всех, имеющихся на Земле макромолекул, включая белки, органические фосфаты и лигнин. Наиболее активными продуцентами ферментов в почве являются микроорганизмы. Почвенные бактерии и грибы выделяют ферменты, обеспечивающие трансформацию веществ, содержащих все известные макроэлементы питания – азот, углерод, фосфор. Кроме того, микроорганизмы синтезируют те ферменты, без которых невозможна трансформация органического вещества в почве.

Как правило, неизвестно, какими именно микроорганизмами выделяется в почву тот или иной фермент. Большинство современных методов изучения микробного сообщества основано на rРНК-сиквенсах, которые дают мало информации о способности конкретных микроорганизмов трансформировать те или иные соединения в естественной среде обитания. Поэтому большая часть информации о таксономической приуроченности отдельных экстрацеллюлярных ферментов получена при культивировании микроорганизмов на питательных средах. Тем не менее, обобщая имеющийся материал, можно заключить, что широкий набор почвенных бактерий и грибов способен выделять гидролазы, тогда как способностью к синтезу оксидоредуктаз обладает ограниченное число представителей почвенной микрофлоры.

Следует отметить, что синтез внеклеточных ферментов координируется микробным населением почвы и зависит от связей, складывающихся в почве между различными группами микроорганизмов. Таким образом, экстрацеллюлярные ферменты можно рассматривать как фактор, интегрирующий функционирование почвенного микробного сообщества.

С физиологической точки зрения ферментный катализ инициирует начальные стадии катаболизма, включающие трансформацию полимерных соединений в растворимые субстраты, которые могут поглощаться микроорганизмами в процессе роста.

Корни растений также выделяют экзоцеллюлярные ферменты, в число которых входят фосфатазы, инвертазы, амилаза и протеазы. При этом количественно преобладают фосфатазы. Считается, что ферменты, выделяемые растениями, преимущественно участвуют в процессах трансформации соединений, содержащих фосфор и только в некоторой степени – углерод. Ферментативная активность корней зависит от обеспеченности почвы элементами питания. Так, показано, что при низком уровне неорганического фосфора в почве продукция фосфатаз в корневой зоне возрастает более чем в 2 раза.

Ферментативная активность корней может сопровождаться деятельностью энзимов, выделенных микоризными грибами. Эндомикоризные грибы, за счет выделяемых фосфатаз, участвуют в поглощении растениями фосфатов. Показано, что 48 –59% поступающего в растения фосфора обеспечивается деятельностью фосфатаз эндомикориз, если этот элемент питания присутствует в почве в органической форме. Если же источник фосфора – неорганические фосфаты, то вклад эндомикориз уменьшается и составляет 22–33%. Участие эндомикоризных грибов в минерализации азота значительно меньше. Способность эктомикоризных грибов получать элементы питания из сложных органических соединений изучена гораздо хуже. Однако известно, что эти грибы проявляют протеолитическую активность в экосистемах, где ограничены процессы минерализации азота. Помимо этого у эктомикориз обнаружена фосфатазная и полифенолоксидазная активность.

Иммобилизация ферментов

В естественных условиях постоянный синтез биотой эстрацеллюлярных ферментов обновляет и пополняет их запасы в почвах. Один из важных вопросов почвенной энзимологии – устойчивость ферментов. При выделении энзимов в почву значительная их часть подвергается протеолизу при участии микроорганизмов или подвергается необратимой денатурации. Однако большое количество экстрацеллюлярных ферментов долгое время остается в почве в активном состоянии благодаря процессам иммобилизации. По современным представлениям, иммобилизованные почвенные ферменты устойчивы к действию протеаз микроорганизмов, сильных кислот, щелочей, высоких и низких температур. Пока нет однозначного ответа, в течение какого времени стабилизированные ферменты сохраняют активность. Предполагается, что период их активности может длиться от нескольких недель до нескольких месяцев, но, вероятно, и значительно дольше.

Иммобилизация (стабилизация) ферментов в почве происходит в результате их адсорбции или хемосорбции на различных носителях. Адсорбция приводит к изменению структуры энзимов, делая их более устойчивыми к факторам внешней среды. Основными адсорбентами являются глинистые минералы, целлюлоза, другие полисахариды и гумусовые вещества. При этом, по мнению многих исследователей, чаще всего экстрацеллюлярные энзимы адсорбируются гумусовыми кислотами. От субстрата, который стабилизирует фермент, зависят такие его кинетические параметры, как константа полунасыщения, энергия активации и реакционная способность. Иммобилизация происходит путем образования разнообразных связей между молекулами белка и поверхностью адсорбента. Взаимодействие экстрацеллюлярного фермента и адсорбента может проявляться в виде электростатического и гидрофобного притяжения, образования водородных, ионных и ковалентных связей. Например, если адсорбентом являются гумусовые вещества, то аминогруппы фермента вступают во взаимодействие с карбоксиль­ными группами гуминовых кислот, в силу чего изменяется структура энзима. Адсорбция ферментов илистой или мелко-пылеватой фракцией почвы осуществляется силами Ван-дер-Ваальса, гидрофобными, солевыми, водородными и ковалентными связями. В результате – иммобилизированные ферменты более устойчивы, по сравнению со свободными, находящимися в почвенном растворе.

Характер иммобилизации и степень стабилизации ферментов в значительной степени зависят от адсорбционных свойств почвы. В свою очередь, адсорбционные свойства почвы являются производным от ее минералогического, гранулометрического и химического состава. На способность почвы адсорбировать молекулы ферментов также влияют ее удельная поверхность, емкость и катионный состав почвенно-поглащающего комплекса. Кроме вышеперечисленного, на процессы иммобилизации ферментов оказывают действие специфические особенности органического вещества, такие как характер полидисперсности и состав функциональных групп гумусовых кислот. В значительной степени процессы стабилизации зависят от температуры и влажности окружающей среды.

Помимо создания в почве активного ферментного пула, иммобилизационные процессы предотвращают диффузию энзимов из почвенной среды. Выявлено, что для каждого типа почв существует определенный предел фиксации ферментов, поэтому их уровень в естественных условиях остается почти постоянным.

В последние годы в почвоведении получило распространение понятие почвенной матрицы. Согласно имеющейся концепции, почвенная матрица – поверхность твердых почвенных частиц, около которой определенным образом формируются слои адсорбированных частиц (органические и минеральные вещества, микроорганизмы, газы, ионы, молекулы). В силу этого матрица включает в себя три подсистемы: минеральную, органическую и органоминеральную. Важнейшее свойство активных центров почвенной матрицы – проявление каталитической активности в почвенных процессах. Понятно, что в данном случае речь идет о ферментах, иммобилизованных на минеральных, органических и органоминеральных компонентах почвенных частиц.