CC BY
40
Вісник Дніпропетровського університету. Біологія. Екологія. - 2009. - Вип. 17, т. 3. - С. 3-7. Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology. Ecology. - 2009. - Vol. 17, N 3. - P. 3-7.
УДК 577.152.3
О. М. Василюк, А. Ф. Кулік
Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара
АКТИВНІСТЬ ІНВЕРТАЗИ ТА УРЕАЗИ В ҐРУНТАХ РЕКУЛЬТИВОВАНИХ ТЕРИТОРІЙ ЗАХІДНОГО ДОНБАСУ
Наведено результати досліджень активності ферментів інвертази (характеризує біологічну активність ґрунту, вміст гумусу, родючість ґрунтів) та уреази (ферменту азотного обміну) у ґрунтах штучних лісових насаджень Robinia pseudoacacia L., Betula pendula Rosh., Quercus robur L., Acer platanoides L. на рекультивованих ділянках Західного Донбасу. Показано сезонну динаміку активності ґрунтів залежно від типу біогеоценозу.
Е. М. Василюк, А. Ф. Кулик
Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара
АКТИВНОСТЬ ИНВЕРТАЗЫ И УРЕАЗЫ В ПОЧВАХ РЕКУЛЬТИВИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ЗАПАДНОГО ДОНБАССА
Представлены результаты исследований активности ферментов инвертазы (характеризует биологическую активность почв, содержание гумуса, плодородие почв) и уреазы (фермента азотного обмена) в почвах искусственных лесных насаждений Robinia pseudoacacia L., Betula pendula Rosh., Quercus robur L., Acer platanoides L. на рекультивированных территориях Западного Донбасса. Показана сезонная динамика активности почв в зависимости от типа биогеоценоза.
О. M. Vasilyuk, A. F. Kulik,
Оles’ Gonchar Dnipropetrovs’k National University
INVERTASE AND UREASE ACTIVITIES IN THE RECLAMATED LAND OF THE WESTERN DONETS BASIN
The research data on activities of invertase (as one of the most important enzymes for soil biological activity, humus content and soil fertility) and urease (as an enzyme of nitrogen metabolism, which transforms the inorganic nitrogen compounds into the organic ones) in soils of artificial afforestations of Robinia pseudoacacia L., Betula pendula Rosh., Quercus robur L. and Acer platanoides L. at the reclamated lands of the Western Donets Basin are presented. The seasonal dynamics of soil activity subject to the type of biogeo-cenosis is shown.
Вступ
Техногенне навантаження впливає на складові біоти, спричиняє руйнування ґрунтів як важливого компонента біогеоценозу. Для відновлення довкілля Західного Донбасу, ґрунти якого значною мірою складають шахтні відвали [б; 7; S], провідна роль надається проблемам лісової рекультивації порушених земель стійкими та невибагливими деревними формами. Ґрунти зі складними системними зв’язками формують [2; іб] матеріально-енергетичні та інформаційні взаємодії, сприяють механізмам функціонування ґрунтових мікроорганізмів, ферментів, забезпечують процеси метаболізму
© О. М. Василюк, А. Ф. Кулік, 2009
З
[4; 15; 21]. Джерело ґрунтових ферментів - рослини, мікроорганізми, фауна ґрунту [4; 5; 9; 23]. У ґрунті відбуваються різні біохімічні процеси залежно від їх фізико-хімічних властивостей і умов ґрунтоутворення. Ензими містяться у ґрунті в комплексному стані за умов його нормальної структури та будови [3]. Роль даних ензимів вивчена недостатньо [10; 11], тому значення надається дослідженню активності ферментів інвертази та уреази. Дослідження інвертазної активності ґрунтів зумовлене тим, що активність ензиму більш чітко, ніж для групи інших ферментів, відображає біологічну активність ґрунтів. Інвертазна активність корелює з кількістю гумусу та вуглеводів у ґрунті, завдяки чому вирішуються питання прикладного ґрунтознавства. Під дією уреази гідролізується та переводиться у доступну форму нітроген сечовини шляхом мета-болізації органічних сполук. Високу активність уреази необхідно розглядати як важливу ланку азотного обміну ґрунтів.
Загальновідомо, що інвертаза, або P-D-фруктофуранозид-фруктогідролаза КФ 3.2.1.26) каталізує гідроліз ди-, три- та моноцукрів за глюкозидними зв’язками в їх молекулах [3; 16]. Даний фермент гідролізує цукрозу до глюкози та фруктози, руйнує зв’язок P-D-глюкозидного вуглецевого атома фруктози в молекулі цукрози. Інвертаза присутня в усіх ґрунтах, є одним із найважливіших ферментів, які характеризують біологічну активність ґрунту. Методи визначення активності основані на вимірюванні кількості гексоз у стадії редукції (інвертних цукрів - глюкози та фруктози), що утворюються при гідролізі цукрози. Суму гексоз виражають у глюкозному еквіваленті (мг глюкози/г ґрунту). У реакції застосовують розчин Фелінга, який із метиленовою синню утворює сполуку жовтого кольору. Суміш титрують фільтратом до зникнення забарвлення та визначають активність ензиму методом Гундерової стосовно чорноземних ґрунтів [16; 18; 19; 22].
Уреаза, або карбамід-аміногідролаза (КФ 3.5.1.5), каталізує гідролітичне розщеплення сечовини на аміак і вуглекислий газ, характеризується високою специфічністю до субстрату, незначна зміна структури якого істотно впливає на активність ензиму. У реакції визначають вміст аміаку за допомогою реактиву Несслера, у результаті чого утворюється забарвлена сполука йодистого меркуламонію жовтого кольору. Через 15 хвилин визначають оптичну густину на фоні зеленого світлофільтра. Активність уреази виражають у мкг аміаку, який утворився, на 1 г наважки, за 1 хвилину [1; 16].
Мета даної роботи - визначити активність інвертази та уреази в ґрунтах головних лісотвірних деревних рослин (Robinia pseudoacacia L., Betula pendula Rosh., Quercus robur L., Acer platanoides L.) штучних фітоценозів на рекультивованих ділянках Західного Донбасу.
Матеріал і методи досліджень
Досліджені деревні культури характеризуються відносно фізико-хімічних, лісо-рослинних особливостей шахтних порід, лесових суглинків, третинних пісків, гумусових субстратів, розташованих у різних варіантах штучного едафотопу. Це потрібно для індикації функціонального стану рослин в антропогенних умовах штучних насаджень, виявлення умов прискорення фіторекультивації техногенних територій шляхом створення стійких біогеоценозів ґрунтозахисного та відтворювального значення [8]. Досліджували такі варіанти насипних ґрунтів: 1 - шахтна порода (2,0 м); 2 - шахтна порода (1,0 м), пісок (0,5 м), суглинок (0,5 м); 4 - суглинок (0,5 м), пісок (1,0 м), чорнозем (0,5 м). Закладку дослідних ділянок проведено у 1976 році.
У варіанті досліду 1 (шахтна порода) спостерігали наявність непропорційних поодиноких екземплярів дерев, тоді як у варіантах 2 та 4 відбувся нормальний ріст і роз-
виток рослин Я. pseudoacacia Ь., В. рєжіиіа Яо8Ь., Q. гоЬиг Ь., А. platanoides Ь. В умовах польового досліду у сезонній динаміці вивчали активність ферментів інвертази та уреази в ґрунтах під даними деревами.
Проби ґрунтів на ділянках відбирали у травні та вересні у триразовій повторності. Отримані результати оброблені статистично на 5 % рівні значущості [14].
Результати та їх обговорення
Виходячи з того, що на шахтних ґрунтах спостерігали наявність непропорційних поодиноких екземплярів дерев, визначали активність інвертази у шахтній породі взагалі, на відміну від рекультивованих ділянок, де визначали активність інвертази у ґрунті конкретної дослідної ділянки (2, 4) під конкретною дослідною культурою.
Активність інвертази у шахтній породі влітку та восени становила 4,3 та 5,4 мг глюкози на 1 г ґрунту відповідно. Результати дослідження активності інвертази (табл. 1) рекультивованих ділянок свідчать, що фермент у ґрунтах варіанта 4 під деревними культурами рекультивованих ділянок Я. pseudoacacia Ь. та В. репіиШ Яо8Ь. достовірно перевищує активність ферменту у варіанті 2 (контроль) на 17-148 % улітку та на 47-94 % восени, тоді як у ґрунті під А. platanoides Ь. як улітку, та і восени показник активності інвертази у варіанті 4 відносно варіанта 2 занижений і становить 40-92 % відповідно. Активність ензиму у ґрунті на ділянці з Q. тЬиг Ь. наближалась до контролю влітку та достовірно перевищувала контроль восени на 35 % (відносно варіанта 2).
Активність інвертази влітку у варіанті 2 перевищує активність ферменту в породі варіанта 1 у 2-6 разів та в 2-4 рази у варіанті 4, восени - в 2-5 та 3-6 разів відповідно, що доводить формування стійких позитивних кореляційних зв’язків між різними складовими біоти (рослина - ґрунт - мікробоценоз) дослідних ділянок 2 та 4 порівняно з чистими шахтними породами (табл. 1).
Таблиця 1
Вплив деревних порід на активність інвертази ґрунтів
Місяць Варіант експерименту ЯoЬinia pseudoacacia Ь. ВєШЬ pendula КоїзЬ. Quercus юЬыг Ь. Acer platanoides Ь.
М± т К М± т К М± т К М± т К
Травень контроль 8,4 ± 0,42 1,17 9,2 ± 0,46 2,48 16,3 ± 0,82 0,86 24,5 ± 1,23 0,40
дослід 9,8 ± 0,44 22,8 ± 1,14 14,0 ± 0,72 9,8 ± 0,14
Вересень контроль 15,8 ± 0,79 1,94 10,3 ± 0,52 1,47 21,3 ± 1,07 1,35 21,3 ± 1,07 0,92
дослід 30,6 ± 1,53 15,1 ± 0,76 28,8 ± 1,44 19,6 ± 0,98
Примітки: М - середнє; т - вірогідний інтервал; К - співвідношення дослід / контроль.
В умовах польового досліду вивчали активність уреази у ґрунтах біогеоценозів штучного походження (табл. 2). У ґрунтах під Я. pseudoacacia Ь. та В. pendula Яо8Ь. у варіанті досліду 4 активність ензиму була підвищеною на 76 % улітку та на 498-11 % восени відносно контролю (варіант 2), що подібно до динамики інвертазної активності у цей термін спостереження. Активність уреази у ґрунті на ділянці з А. platanoides Ь. восени у варіанті 4, на відміну від інвертази у даний сезон року, перевищувала активність ензиму відносно контролю (варіант 2) удвічі. Уреазна активність на дослідній ділянці в ґрунтах під Q. юЬш Ь. у варіанті 4 була низькою (30-69 % відносно контролю), всупереч динаміці активності інвертази в даний термін спостереження. Показник активності уреази у ґрунтах чистої шахтної породи становив 0,99 та 0,09 мкг аміаку на 1 г наважки ґрунту за 1 хвилину влітку та восени відповідно, що менше активності уреази у варіанті 2 влітку в 2-4 рази та в 5-20 разів восени та нижче активності ензиму у варіанті 4 в 3-4 рази влітку та в 20-44 рази восени. Отримані результати доводять високу швидкість протікання обмінних процесів у ґрунтах дослідних ділянок варіантів 2 та 4
5
порівняно з чистою шахтною породою (варіант 1), де процеси обміну речовин значно уповільненні через збіднення біогеоценотичних складових.
Таблиця 2
Вплив деревних порід на активність уреази ґрунтів
Місяць Варіант експерименту ЯoЬinia pseudoacacia Ь. ВєШЬ pendula ^Л. Quercus тЬпг Ь. Acer platanoides Ь.
М± т К М± т К М± т К М± т К
Травень контроль 1,98 ± 0,10 1,76 2,49 ± 0,14 1,04 2,68 ± 0,14 0,30 4,37 ± 0,21 0,89
дослід 3,48 ± 0,17 2,58 ± 0,12 0,80 ± 0,04 3,88 ± 0,19
Вересень контроль 0,40 ± 0,02 5,98 1,79 ± 0,08 1,11 4,67 ± 0,23 0,69 1,89 ± 0,09 2,10
дослід 2,39 ± 0,12 1,98 ± 0,09 3,18 ± 0,16 3,96 ± 0,18
Примітки: див. табл. 1.
Дослідження активності ґрунтових ферментів відкриває широкий спектр процесів, які формуються у ґрунтах, сприяє оціненню стану експериментальних деревних рослинних форм за фізіолого-біохімічними характеристиками у напрямку прогнозування вектора даних показників у різних видів рослин, задіяних у рекультивації шахтних виробок, виявленню найстійкіших форм.
Висновки
Активність інвертази та уреази залежить від типу біогеоценозу та змінюється за сезонами року. У ґрунтах активність інвертази в абсолютних одиницях вимірювання була вищою восени, ніж улітку (в 1,5-2,0 раза) на фоні підвищення/зниження співвідношення дослід/контроль в 2,0-2,5 раза.
Активність уреази у ґрунтах антропогенно змінених біогеоценозів порівняно з вектором інвертазної активності за абсолютними показниками, навпаки, вища на початку вегетаційного терміну, ніж наприкінці терміну росту (в 2-5 разів).
Виходячи з незначних відмінностей отриманих результатів визначення активності ферментів і біологічної цінності ґрунту, можна рекомендувати посадку даних деревних рослин на ґрунт варіанта 2 без додаткового збагачення чорноземом, що має місце у варіанті 4. Це забезпечує зменшення трудомісткості та собівартості зі збереженням потрібної якості едафотопу.
Бібліографічні посилання
1. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. - М. : МГУ, 1970. - 487 с.
2. Бабьева И. П. Биология почв / И. П. Бабьева, Г. М. Зенова. - М. : МГУ, 1993. - 248 с.
3. Боєчко Ф. Ф. Основні біохімічні поняття, визначення і терміни / Ф. Ф. Боєчко, Л. О. Боєчко. -К. : Вища школа, 1993. - 528 с.
4. Долгова Л. Г. Ферментативна активність та мікробіологічні процеси в едафотопах техногенних регіонів // Екологія та ноосферологія. - 1999. - Т. 8, № 4. - С. 18-23.
5. Ефремов А. Л. Микробиота и биогенность почв пойменных лугов // Почвоведение. - 2000. -№ 5. - С. 251-255.
6. Зверковский В. Н. Вопросы лесной рекультивации нарушенных земель Западного Донбасса / В. Н. Зверковский, Н. П. Тупика, Н. А. Белова // Вопросы степного лесоведения и охраны природы. - Д. : ДГУ, 1977. - С. 64-69.
7. Зверковский В. Н. Участки лесной рекультивации на нарушенных землях Западного Донбасса // Мониторинговые исследования биогеоценотических катен степной зоны. - Д. : ДГУ, 1995. - С. 104-110.
8. Зверковський В. М. Експериментально-виробничі ділянки лісової рекультивації Західного Донбасу // Екологія кризових регіонів. Тези доп. Міжнар. конф. - Д : ДНУ, 2001. - С. 11.
9. Кузнецов К. Л. Ферменты в почве. - М. : Просвещение, 1993. - С. 215-235.
6
10. Кулик А. Ф. Динамика биологической активности почв лесных экосистем Присамарья // Биомониторинг лесных экосистем лесной зоны. - Д. : ДГУ, 1992. - С. 103-108.
11. Кулик А. Ф. Микробоценоз и устойчивость лесных биогеоценозов // Екологія та ноосфероло-гія. - 1999. - № 3-4. - С. 145-147.
12. Кулик А. Ф. Микробиологический мониторинг экологического состояния почво-грунтов ре культивированных земель Западного Донбасса // Екологія кризових регіонів. Тези доп. Між-нар. конф. - Д. : ДНУ, 2001. -С. 12.
13. Кулік А. Ф. Активність інвертази та уреази у ґрунтах лісових біогеоценозів Присамар’я / А. Ф. Кулік, О. М. Василюк, О. В. Рошка // Вісник Дніпропетр. ун-ту. Біологія. Екологія. -2007. - Вип. 3/1. - С. 77-81.
14. Лакин Г. Ф. Биометрия. - М. : Высшая школа, 1990. - 293 с.
15. Ларионова А. А. Дыхание почвы. - Пущино, 1993. - 145 с.
16. Методы биохимического исследования растений / А. И. Єрмаков, В. В. Арасимович, М. И. Симрнова-Иконникова, И. К. Мурри. - М. : Изд-во с.-х. лит., 1952. - 520 с.
17. Орлов Д. С. Химия почв. - М. : МГУ, 1992. - 400 с.
18. Плешков Б. П. Практикум по биохимии растений. - М. : Колос, 1985. - 255 с.
19. Починок Х. Н. Методы биохимического анализа растений. - К. : Наукова думка, 1976. - 334 с.
20. Смагин А. В. Газовая функция почв // Почвоведение. - 2000. - № 10. - С. 805-808.
21. Травлеев А. П. Рекультивация нарушенных земель и полицикличность процессов почвообразования / А. П. Травлеев, Н. А. Белова // Екологія кризових регіонів. Тези доп. Міжнар. конф. - Д : ДНУ, 2001. - С. 7-8.
22. Хазиев Ф. Х. Ферментативная активность почв. - М. : Наука, 1990. - 147 с.
23. Яковлев А. С. Биологическая диагностика и мониторинг состояния почв // Почвоведение-2000. - № 1. - С. 51-52.
Надійшла до редколегії 14.09.2009
