Биологическая активность почвы выражается суммарным проявлением активности биохимических процессов и характеризует размеры и направление превращения веществ и энергии в почве, происходящего под действием живых организмов.
Показатели биологической активности почв — численность и видовой состав микроорганизмов и беспозвоночных животных, их биомасса, ферментативная активность почв, интенсивность выделения углекислого газа почвой, активность азотфиксации и денитрификации, нитрификационная способность почв. Их использование при мониторинге загрязнения почв позволяет обнаружить тенденции и скорость происходящих в почве изменений, судить о степени опасности поллютантов. При загрязнении почв небольшими количествами органических соединений может наблюдаться возрастание некоторых показателей биологической активности, так как более интенсивно развиваются группы микроорганизмов, участвующих в переработке дополнительных субстратов (фенолов, углеводородов). При загрязнениях тяжелыми металлами, оксидами серы, большими количествами различных органических веществ преобладает токсический эффект, вследствие чего биологическая активность подавляется. Однако неблагоприятные эффекты не являются строго специфичными, одинаковая реакция может вызываться разными факторами.
В отличие от таких свойств почвы, как, например, состав, структура, рН и содержание гумуса, биологическая активность почвы не зависит от происхождения и типа почвы, что позволяет сравнивать пробы, взятые с разных территорий. Эта особенность очень важна для исследования городских почв, так как в условиях городов даже небольшие участки существенно различаются по происхождению, физическим и химическим показателям.
В качестве показателей, характеризующих экологическое состояние почвы, в данном методическом пособии будут рассмотрены активность ферментов и токсичность почв по отношению к тестовым организмам.
3. Ферментативная активность почв
Ферментативная активность почв [от лат. fermentum - закваска] - способность почвы проявлять каталитическое воздействие на процессы превращения органических и минеральных соединений благодаря имеющимся в ней ферментам. Источниками почвенных ферментов служит все живое вещество почв: растения, микроорганизмы, животные, грибы, водоросли и т. д. Накапливаясь в почве, ферменты становятся неотъемлемым реактивным компонентом экосистемы, участвуют при распаде растительных, животных и микробных остатков, а также синтезе гумуса. В результате ферментативных процессов питательные вещества из трудно усвояемых соединений переходят в легкодоступные формы для растений и микроорганизмов. Ферменты отличаются исключительно высокой активностью, строгой специфичностью действия и большой зависимостью от различных условий внешней среды. Ферментативная активность различных почв неодинакова и связана с их генетическими особенностями и комплексом взаимодействующих экологических факторов. Уровень ферментативной активности почв определяется активностью различных ферментов (инвертазы, уреазы, каталазы, протеаз, дегидрогеназ, фосфатаз), выражаемой количеством разложенного субстрата за единицу времени на 1 г почвы.
Многочисленные исследования обнаруживают сильное влияние загрязнения почв на один из важнейших факторов трансформации органического вещества — ферментативную активность. Попадая в почву, фенолы, тяжелые металлы, радиоактивные элементы, ртутные соединения, нефть и другие загрязнители в зависимости от состава и количественного их соотношения по-разному влияют на ферментативную активность почв, способствуя как подавлению, так и активации процессов биохимической трансформации органических веществ.
Наиболее хорошо изученными ферментами в почве являются гидролазы, которые представляют обширный класс ферментов, осуществляющих реакции гидролиза разнообразных сложных органических соединений, действуя на различные связи: сложноэфирные, глюкозидные, амидные, пептидные и др. Гидролазы широко распространены в почвах и играют важную роль в обогащении их питательными веществами. К этому классу относится и фермент целлюлаза, участвующий в расщеплении целлюлозы, активно выделяемый почвенными микроорганизмами, особенно грибами.
Многие исследователи рассматривают процесс распада клетчатки, осуществляемый микроорганизмами, как один из важнейших показателей плодородия почвы, определяющий уровень ее биогенности. Целлюлоза является важным компонентом органического вещества, поэтому скорость разложения целлюлозы влияет на скорость разложения органики в почве в целом. Для определения целлюлазной активности почвы используют аппликационный метод. Чем больше рассчитанный по итогам эксперимента процент разложения клетчатки, тем она выше. Но поскольку степень активности целлюлозных микроорганизмов зависит от наличия в почве также доступного азота, фосфора и других элементов, то степень распада, можно считать, отражает «напряженность хода микробиологических процессов вообще».
Определение ферментативной активности почв по интенсивности разложения целлюлозы
Оборудование и материалы:
- Неотбеленная льняная ткань Полиэтиленовая пленка Лопата Весы
Ход работы.
Целлюлазную активность почвы методом «аппликации» определяют по разложению в ней льняной ткани.
Стерильную (проглаженную утюгом) льняную полоску ткани шириной примерно 5-10 см (длина может варьировать) взвешивают на весах с точностью до одной десятой грамма и определяют таким образом ее начальный вес. Полученное значение записывают в лабораторный журнал (М1). После взвешивания ткань нитками пришивают к стерильной (стерилизуют при помощи спирта) полимерной пленке (например, пищевой полиэтилен) такого же размера.
2. В почве на изучаемом участке делают свежий разрез и к его вертикальной стенке плотно прижимают ткань. С обратной стороны полиэтилен придавливают почвой, разрез засыпают. Верхняя граница ткани должна быть на 3 – 5 см погружена в почву. Место закапывания полотна отмечают колышком с этикеткой. Делают несколько таких прикопок на месте потенциального загрязнения почвы.
3. Через месяц, а при неблагоприятных условиях для развития микрофлоры (засуха, низкие температуры) — через 2-3 месяца, полотна осторожно извлекают, освобождают от полиэтилена, отмывают от почвы и продуктов полураспада, подсушивают и взвешивают. Полученное значение записывают в лабораторный журнал (М2). Рассчитывают убыль массы ткани за месяц в процентах по формуле
((М1-М2) / М1) * 100%
Вычисляют средний результат (из нескольких прикопок в одной точке исследования). Величина убыли массы ткани определяется скоростью разрушения клетчатки и, соответственно, по этому показателю судят о целлюлазной активности почвы, используя оценочную шкалу:
Оценка интенсивности разложения клетчатки (% за сезон):
очень слабая меньше 10%
слабая 10-30%
средняя 30-50 %
сильная 50-80 %
очень сильная больше 80 %
