Влияние распашки на биохимические свойства черноземов Юга России. Монография

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского

Е.В. Даденко, К.Ш. Казеев, С.И. Колесников, М.А. Мясникова

ВЛИЯНИЕ РАСПАШКИ НА БИОХИМИЧЕКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМОВ ЮГА РОССИИ

Ростов-на-Дону

2015

УДК 57.044; 631.4; 504.05 ББК 40.3

Д14

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессор О.С. Безуглова; доктор биологических наук Т.В. Денисова

Даденко Е.В., Казеев К.Ш., Колесников С.И., Мясникова М.А.

Д14 Влияние распашки на биохимические свойства черноземов Юга России : монография / Е.В. Даденко, К.Ш. Казеев, С.И. Колесников, М.А. Мясникова ; Южный федеральный университет. – Ростов-на- Дону : Издательство Южного федерального университета, 2015.

– 116 с.

ISBN 978-5-9275-1876-0

В монографии дана оценка ферментативной активности черноземов Юга России и ее изменение при длительном использовании почв под пашню. Проведено рассмотрение показателей активности ферментов с точки зрения их применимости для оценки состояния пахотных почв и процессов их восстановления после выведения из сельскохозяйственного производства. Книга адресована специалистам в области экологии, природопользования, охраны окружающей среды, почвоведения, а также студентам и аспирантам.

Табл. 6, рис. 46, библ. 188.

Публикуется в авторской редакции.

Исследования выполнены при государственной поддержке ведущей научной школы Российской Федерации (НШ-2449.2014.4) и проектной части государственного задания в сфере научной деятельности Министерства образования и науки РФ № 6.345.2014/К.

Даденко Е.В., Казеев К.Ш., Колесников С.И., Мясникова М.А., 2015

Южный федеральный университет, 2015

2

1.1. ЗАВИСИМОСТЬ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ ЧЕРНОЗЕМОВ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ ОТ КЛИМАТА . 24

3

5.6.ПОДТИПОВЫЕ ОСОБЕННОСТИ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ ПАХОТНЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ ЮГА РОССИИ79

5.7.ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОСТАГРОГЕННЫХ

4

ВВЕДЕНИЕ

На территории нашей страны находится более 50% одних из самых плодороднейших почв мира – черноземов. На Юге России черноземы составляют главный земельный ресурс сельскохозяйственного производства. Основные обладатели черноземного фонда – Ростовская и Волгоградские области, Краснодарский и Ставропольский края (Деградация и охрана, 2002; Вальков и др., 2008). Однако современное состояние черноземов вызывает обеспокоенность и тревогу в связи с возрастающей их деградацией, связанной, в первую очередь, с их сельскохозяйственным использованием.

Проблема деградации пахотных черноземов в значительной степени обусловлена потерей органического вещества и ухудшением структурного состояния (Когут и др., 2012). При этом в разных географических условиях для разных почв степень деградации неодинакова. Почвы с высоким уровнем плодородия и высоким уровнем биологической активности более устойчивы к негативным антропогенным воздействиям (Вальков и др., 2008; Казеев и др., 2004).

Последствия распашки для почв многообразны. Они включают изменение микрорельефа поверхности почвы, изменение плотности, структуры почв, резкое увеличение эрозионной поверхности и многое другое (Деградация и охрана, 2002; Когут и др., 2012). Сельскохозяйственное использование оказывает влияние и на биологические свойства и биоту почв. Влияние это может быть непосредственным, т.е. прямым, и опосредованно через изменение среды обитания, ее физических и химических характеристик, изменение микроклимата и источников энергии (углерода), содержания и доступности питательных веществ, изменение состава биотических сообществ и их продуктивности (Bandick, 1999; Balota, 2004; Стахурлова и др., 2007). При сельскохозяйственном использовании почв, их распашке, происходит изменение течения и направленности микробиологических процессов, значительно меняется состав микробного сообщества, на ранних этапах интенсифицируются минерализационные процессы, что приводит к уменьшению содержания органического вещества и общего азота (Стахурлова и др., 2007).

5

Биологическая активность почв отражает способность почвы выполнять ее функции и имеет решающее значение в обеспечении ее устойчивости. От уровня биологической активности зависит отклик почвы на антропогенное воздействие и то, какими будут последствия. Ферментативная активность почв является одним из объективных показателей суммарной биологической активности, отражающим интенсивность и направленность протекающих в ней биохимических процессов. Ферментативная активность почв предложена как потенциальный индикатор качества почвы из-за ее связи с почвенной биотой, легкости определения, и быстрой ответной реакции на изменения, вызванные антропогенным воздействием (Звягинцев, 1978; Хазиев, 1990; Казеев, 2004; Даденко, 2004; Даденко, Денисова и др., 2013; Даденко и др., 2014). Показана высокая эффективность показателей ферментативной активности в целях диагностики деградационных процессов различного происхождения. Например, для оценки последствий влияния сельскохозяйственного использования на биологическую активность почв наиболее информативными являются активность дегидрогеназы и инвертазы. В целях диагностики последствий загрязнения нефтью и нефтепродуктами, тяжелыми металлами, ионизирующих излучений и гидроморфизма более пригодны активность каталазы и дегидрогеназы (Денисова и др., 2005; Колесников и др., 2013, 2014; Казеев и др., 2010; Даденко и др., 2013, 2014 и др.).

В данной работе мы обобщаем данные полученные за многолетний период сотрудниками кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета по изучению применимости показателей ферментативной активности в целях диагностики состояния почв под сельскохозяйственными угодьями. Сравнительные данные, полученные в условиях агроценозов и ненарушенных земель, дают возможность оценить характер изменений, вызываемых антропогенными воздействиями. Рассмотрены показатели ферментативной активности черноземов Юга России в целинном, многолетнезалежном и пахотном состоянии.

6

ГЛАВА 1. ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ

Устойчивое, безопасное и продуктивное существование почвы возможно, когда ее биологические, биохимические, физические и химические свойства взаимосвязаны друг с другом и способствуют поддержанию всех процессов протекающих в ней. Среди этих свойств фундаментальную роль играет активность почвенных ферментов, важнейших посредников многочисленных химических реакций, вовлеченных в круговорот питательных веществ почвы; трансформацию растительных и животных остатков; минерализацию и трансформацию органического вещества в круговороте углерода, трансформацию и деградацию потенциально опасных загрязняющих веществ, и, следовательно, восстановление и рекультивацию загрязненных почв и др. Таким образом, ферменты почвы участвуют и контролируют протекание всех важнейших для сельскохозяйственного производства процессов и, таким образом, они могут быть использованы в качестве инфор-

мативных здоровья и качества почвы (Enzymes in Agricultural Sciences, 2014).

Разнообразие и богатство ферментов в почве позволяет осуществляться последовательным биохимическим превращениям различных поступающих органических остатков. Ферментативная активность затрагивает наиболее важные повторяющиеся превращения в биохимических циклах углерода, азота, фосфора, серы и других соединений. Функциональная роль ферментов как катализаторов в почвенных процессах огромна. В почве функционируют системы ферментов, последовательно осуществляющие биохимические реакции, выполняющие материальные и энергетические обмены, в основе которых лежат синтетические и деструктивные функции. Под действием ферментов органические вещества почвы распадаются до различных промежуточных и конечных продуктов минерализации. При этом образуются доступные растениям и микроорганизмам питательные вещества, а также высвобождается энергия (Вальков и др., 2008).

Ферменты почвы - посредники и катализаторы важных функций почвы, которые включают: (1) разложений органических остатков; (2) преобразований почвенного органического вещества; (3) производство неорганических питательных веществ необходимых для роста растения; (4) N2 фик-

7

сация; (5) детоксикация ксенобиотиков; (6) нитрификация; и (7) денитри-

фикация (Dick, 1997).

Ферменты присутствуют в двух общих местоположениях в почвах; связанные с жизнеспособными клетками (внутриклеточные ферменты) или как внеклеточные ферменты. Функция внутриклеточных ферментов связана с их центральной ролью в неисчислимых жизненных процессах клеток. Внеклеточные или абиотические ферменты как определено Skujins (1976) – находящиеся вне живых клеток.

Свойственная трудность изучения ферментов почвы – то, что только небольшое количество всех найденных в почве ферментов, может быть извлечено из нее. Более сильные экстрактанты в основном денатурируют белки, разрушают стереоспецифическую структуру ферментов, которая является необходимой для биохимических реакций. Следовательно, большинство исследований ферментов почвы проводится с помощью измерения их активности непосредственно в почве (Dick, 1997).

Есть ряд проблем связанных с определением ферментов в почве. Первая: определение ферментов чаще всего проводится, с добавлением раствора субстрата известной концентрации к известному количеству почвы с измерением степени преобразования субстрата в продукты. Это осуществляется при строгом соблюдении набора условий, включающем температуру, буфер pH, и ионная сила. Таким образом, результаты определяются условиями, и любое изменение условий изменит активность. Это означает, что измеряется потенциальная активность ферментов при оптимальных условиях, а не реальная активность, потому что условия определения весьма отличаются от таковых в естественной среде, особенно концентрация субстрата, которая насыщает систему (Dick, 1997).

Вторая: ферментативная активность абиотических или внеклеточных ферментов не может быть отделена от живущих клеток. При определении активности ферментов, особенно с длинным инкубационным периодом, используют антисептики типа толуола, чтобы ингибировать микробный рост и метаболизм в течение опыта (Tabatabai, 1994). При этом не ингибируется активность существующих ранее ферментов в жизнеспособных клетках. Другие процедуры с использованием антибиотиков или облучения, избирательной проницательности, не имели успеха в четком разделе-

8

нии между активностями фермента жизнеспособных клеток и абиотических ферментов. Эти и другие подходы обеспечивают косвенное свидетельство, что ферменты вне жизнеспособных клеток устойчивы в матрице почвы (Skujins, 1978). Кроме того, определение микробиологической биомассы, основанное на учете активности ферментов почвы, намного превышает возможную в почве численность бактерий или грибкового мицелия

(Ramirez-Martinez, McLaren, 1966).

Кроме нескольких ферментов, таких как дегидрогеназа, большинство ферментов, изученных в почвах, имеет значительную часть ферментативной активности абиотического происхождения. Эти ферменты входят в матрицу почвы как внеклеточные ферменты, выделенные в почвенном растворе, или освобожденные в результате лизиса клетки или как часть остатков клетки. Кажется вероятным, что огромное большинство внеклеточных ферментов, поступивших в почву, выживает в течение только короткого времени и оперативно разлагаются или денатурализуются. Однако некоторые из этих ферментов устойчивы в матрице почвы и остаются катализаторами (Skujins, 1978). Абиотические ферменты могут существовать как стабильные в двух местоположениях: (i) адсорбируемые к внутренним или внешним поверхностям глины; и (ii) в комплексе с гуминовыми коллоидами через адсорбцию, захват, или сополимеризацию в ходе генезиса гуминового вещества (Boyd, Mortland, 1990). Ферменты могут быть связаны с гуминовыми веществами почвы или минеральными поверхностями через ионные или водородные связи. Но только маленькое количество общей активности связано с ферментами таких связей (McLaren, 1975). Более важная форма соединения ферментов в почвах - ковалентные связи с гумусовыми компонентами (Gosewinkel, Broadbent, 1986).

Ферментативная активность, связанная с цитоплазматическими функциями играет важную роль в процессах жизни почвенных организмов. Ферменты, выделенные микроорганизмами в почвенный раствор, могут быть важны: (i) в гидролизе субстратов, которые являются слишком большими или нерастворимыми, чтобы быть использованы непосредственно клетками; (ii) в детоксикации окружающей среды; или (iii) в создании, другими способами, благоприятной окружающей среды для выживания организма. Экологическая функция абиотических ферментов, которые стабили-

9

зированы в почвенной матрице или в остатках клеток, менее ясна. Burns (1982) выдвинул гипотезу, что комплексы гумус-фермент могут быть важны для субстратного катализа некоторых организмов. Продукты, полученные с помощью ферментов почвы, могут быть усвоены микроорганизмами или разрушаться далее другими ферментами почвы. Это может быть выгодно для микробных клеток, не имеющих способности индуцировать или продуцировать определенные ферменты, расположенных на поверхности гуминового коллоида, содержащего множество молекул фермента, и позволяет получать пользу от организмов, выделяющих внеклеточные фер-

менты (Dick, 1997).

Различия в активности ферментов могут быть связаны с биотическим и абиотическим вкладом в общую активность почвенных ферментов. Общий ферментный пул почвы состоит из сложного комплекса источников по локализации, составу и состоянию ферментов. Выделяют следующие составляющие (категории) ферментного пула в почве (Skujins, 1978; Burns, 1982; Хазиев, 2005):

1.Ферменты, функционирующие внутри цитоплазмы живых микробных, животных и растительных клеток и осуществляющие основные метаболические процессы в них (например, гликолиз, цикл Кребса, окислительное фосфорилирование и др.). Все внутриклеточные ферменты грамположительных бактерий относятся к этой группе. Вне клетки эти ферменты не могут функционировать, так как они связаны с различными кофакторами и физиологическими функциями клеток. При выделении во внешнюю среду после смерти и разрушения клеток эти ферменты могут оставаться в активном состоянии и поступать в фонд почвенных ферментов.

2.Ферменты, находящиеся в периплазматическом пространстве живых грамотрицательных бактерий. При выделении через разрушающиеся клеточные стенки эти ферменты могут оказаться в различном состоянии: адсорбироваться или подвергаться протеолизу.

3.Ферменты, прикрепленные к внешней поверхности живых клеток, активные центры которых свободны и направлены наружу. Эти связанные

склетками ферменты обычно относят к внеклеточным. Сюда же относятся ферменты, находящиеся в бактериальных и внекорневых слизях.

10