CC BY
98
Химия растительного сырья. 2003. №3. С. 41-50
УДК 631.465
БИОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ТОРФОВ РАЗНОГО БОТАНИЧЕСКОГО СОСТАВА
© О.Г. Савичева1, Л.И. Инишева2
1 Томский государственный педагогический университет, пр. Комсомольский,
75, Томск, 634041 (Россия)
2Сибирский научно-исследовательский институт торфа СО РАСХН, ул. Гагарина, 3, Томск, 634050 (Россия) е-mail: [email protected]
Объектом исследований явились торфа южно-таежной подзоны Западной Сибири. С целью определения биохимической характеристики торфов разного ботанического состава были рассмотрены каталазная, полифенолоксидазная и инвертазная активности. Показано, что биохимическая активность торфов определяется их геоботанической природой, степенью разложения и зольностью. Содержание органического вещества в торфах определяет уровень активности гидролитических и окислительно-восстановительных ферментативных процессов. Определен ряд торфов на уровне групп по степени биохимической устойчивости.
Введение
Торфа являются продуктом особого органо-аккумулятивного почвообразования, образующиеся в результате замедленной гумификации и минерализации растений-торфообразователей, вследствие избыточного увлажнения и недостатка кислорода воздуха. Наиболее существенные изменения физических и химических свойств растительных остатков происходит в верхнем слое. Здесь под воздействием гетеротрофных микроорганизмов-аэробов происходит разрушение веществ растительного происхождения -углеводов и образуются новые полимеры - гумусовые вещества. В процессе торфообразования при отложении новых слоев торфа в нижних слоях происходит потеря со временем биохимически неустойчивых веществ - углеводов и накопление гуминовых кислот (ГК). Отношение Сгк:Сфк возрастает. С увеличением возраста торфов в ГК повышается конденсированность, а сами ГК становятся более устойчивыми.
Трансформация органического вещества в торфах осуществляется с помощью ферментов, выделяемых живыми организмами и находящихся в торфе в адсорбированном состоянии. Величина и соотношение активности ферментов определяется гидротермическим режимом данного региона, химическими, физикохимическими свойствами. Уровень ферментативной активности - это результат всего предшествующего развития почвы [1]. Он создается не за один год, а в течение всего эволюционного периода развития почвы. Поэтому ферментативная активность наряду с другими критериями может быть надежным диагностическим показателем биохимических процессов в торфяной залежи.
Экспериментальная часть
Для выявления особенностей ферментативной активности Западно-сибирских торфов разного ботанического состава были отобраны и проанализированы 81 образец, соответствующих 5 группам и 12 видам торфа согласно «Классификации торфов и торфяных залежей Западной Сибири» [2] в пределах
* Автор, с которым следует вести переписку.
южно-таежной подзоны Западной Сибири. Образцы представительных видов торфа отбирали на крупных типовых участках, в генетических центрах представительных торфяных залежей, из середины однородного, по ботаническому составу, горизонта буром ТБГ-1. Торф высушивали при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния, размалывали на электрической мельнице и просеивали через сито диаметром 1 мм, образцы хранили при комнатной температуре [3].
В исследуемых торфах изучали ферменты класса оксидоредуктаз и гидролаз. Активность каталазы определяли газометрическим методом в модификации Ю.В. Круглова и Л.Н. Пароменской [4]. В контрольных образцах (неферментативная активность) ферменты инактивировали стерилизацией сухим жаром при температуре 180° С в течение двух часов [5]. Полифенолоксидазную активность определяли по методу Л.А. Карягиной и Н.А. Михайловской [6], инвертазную активность - по методу Т.А. Щербаковой [1]. Активность ферментов определяли в трех повторностях.
В отобранных образцах торфа были проведены также следующие анализы: ботанический состав и степень разложения [7], зольность [8], обменная кислотность [9], фракционный состав органического вещества по В.В. Пономаревой и Т. А. Николаевой [10].
С целью выявления зависимостей между активностью ферментов и химическим составом торфов проведен корелляционный анализ отдельно для торфов верхового и низинного типов. Вычислительные коэффициенты корреляции значимы при доверительной вероятности 95%. Статистическая обработка экспериментальных и опытных данных была выполнена с помощью табличного процессора MS Excel.
Обсуждение результатов
Представление об общей ферментативной активности торфов можно получить на основании определения фермента, участвующего в процессах дыхательного обмена - каталазы [3, 11, 12]. В результате активирующего действия каталазы происходит расщепление токсичной для живых организмов перекиси водорода, образующейся при окислении углеводов, белков и жиров флавопротеиновыми ферментами на воду и свободный кислород.
2H2O2 каталаза > 2H2O + O2
Деятельность каталазы не ограничивается только устранением вредного влияния перекиси на растения и микроорганизмы. Образующийся в результате реакции активный кислород принимает участие в окислении органических соединений [13, 14].
Общая каталазная активность включает в себя ферментативную и неферментативную. Неферментативная каталазная активность обусловлена катализаторами абиогенной природы, в частности, каталитической активностью минералов солей железа и марганца [11, 15-17] и мертвой органической части почвы [18]. Ферментативная каталазная активность осуществляется за счет ферментов биологического комплекса.
Изучение каталазной активности верховых и низинных торфов показало существенное различие их биологической активности. Так, активность каталазы в торфах верхового типа изменяется, в целом, в небольших пределах от 0,22 до 0,78 мл О2 / 2 мин/ г (далее по тексту единицы измерения - ед.) (табл.1). Активность каталазы верховых торфов в значительной мере определяется значением величины рН. Известно, что оптимальный интервал рН активности каталазы лежит в пределах нейтральной и слабощелочной реакции, тогда как кислая реакция среды (2,4-5,8), характерная для верховых торфов, ингибирует активность рассматриваемого фермента. В торфах верхового типа, характеризующихся низкой зольностью, как правило, доля неферментативной каталазной активности незначительна и составляет в среднем 28-37%.
В отличие от торфов верхового типа, каталазная активность низинных торфов изменяется в более широких пределах от 0,54 до 4,93 ед. (табл.2). Это определяется видовым разнообразием торфов, широкой вариабельностью их степени разложения и зольности. Корреляционный анализ полученных данных показал наличие обратной зависимости со степенью разложения (-0,29) и прямой зависимости с зольностью (0,25). Более высокая активность каталазы установлена в торфах травяно-моховой группы, характеризующихся высокой зольностью (до 17,9%). К торфам этих групп относятся осоково-гипновые и травяно-гипновые,
формирующиеся в условиях богатого минерального питания с преобладанием оксидов кальция, которые обеспечивают нейтральную или близко к нейтральной реакцию среды, обусловливающую высокую каталазную активность.
Следует подчеркнуть, что торфа низинного типа, отличающиеся от торфов верхового типа большей зольностью, характеризуются более высокой неферментативной каталазной активностью 28-58%.
Изучаемые группы торфов характеризуются высокой вариабельностью значений активности каталазы. Наиболее широкий интервал каталазной активности наблюдается в травяно-моховой группе (1,23-4,93). Иная закономерность отмечается в моховой группе, характеризующаяся более узким интервалом каталазной активности - 0,7-1,65, что, по-видимому, определяется биохимической устойчивостью мхов.
Полученные результаты исследований показали, что каталазная активность торфов верхового и низинного типов Западной Сибири значительно уступает каталазной активности торфов европейской части аналогичного ботанического состава, степени разложения и зольности [19, 20].
Таблица 1. Каталазная активность и химический состав торфов верхового типа
Группа, вид торфа Степень разложения, % Каталаза, мл О2 / 2 мин / г рНсол Сумма ГК, % от С общ
общая ферментативная
Травяная группа 15-25 0.22-0.75 0,13-0,54 2,9-4,1 13,3-31,2
(шейхцериевый) 20 0,58 0,42 3,4 26,1
Травяно-моховая 10-35 0,23-0,49 0,15-0,34 3,0-5,8 8,0-31,8
группа 20 0,37 0,24 3,9 16,7
Пушицево- 8-35 0,23-0,49 0,15-0,29 3,1-5,8 8,0-31,8
сфагновый 20,0 0,33 0,22 4,2 16,8
Моховая группа 0-20 0,28-0,78 0,14-0,50 2,4-3,4 6,7-12,7
10 0,53 0,34 2,7 10,9
Магелланикум 0-20 0,66-0,78 0,46-0,50 2,7-3,4 10,6-12,7
10 0,72 0,48 2,9 11,9
Фускум 0-10 0,28-0,50 0,14-0,35 2,4-2,5 6,7-8,6
5 0,38 0,24 2,4 7,7
Примечание. Числитель - минимальное и максимальное содержание; знаменатель - среднее содержание.
Таблица 2. Каталазная активность и химический состав торфов низинного типа (зольность менее 18%)
Группа, вид торфа Степень Зольность, Каталаза, мл О2 / 2 мин / г рНсол Сумма ГК,
разложения, % % общая ферментативная % от С общ
Древесная группа 15-40 6,7-16,6 0,66-3,30 0,08-2,39 4,9-72 17,8-44,2
30 11,4 1,41 0,71 5,8 26,6
Древесно-травяная 20-45 8,8-15,5 0,74-2,25 0,00-1,46 5,1-6,7 16,9-37,8
группа 30 11,6 1,21 0,59 5,7 24,3
Древесно- 20-40 10,5-15,5 0,74-1,66 0,00-1,00 5,5-6,4 20,8-37,8
травяной 30 12,8 1,27 0,65 5,9 26,2
Древесно- 20-40 8,8-13,8 0,80-2,25 0,22-1,46 5,1-6,7 16,9-31,8
осоковый 30 10,4 1,14 0,54 5,6 22,3
Травяная группа 15-40 3,4-16,5 0,54-2,41 0,17-1,96 2,8-6,8 16,5-36,3
25 8,2 1,29 0,74 5,1 25,5
Травяной 20-40 4,2-13,3 0,75-2,41 0,31-0,72 2,8-5,7 28,2-36,3
30 8,0 1,36 0,57 4,4 32,3
Вахтовый 15-30 3,4-12,7 0,69-1,58 0,24-0,95 3,8-5,7 19,2-28,5
20 9,1 1,07 0,61 5,2 23,3
Осоковый 15-30 4,2-16,5 0,54-2,41 0,17-1,96 3,9-6,8 16,5-32,4
20 8,0 1,35 0,83 5,4 23,9
Травяно-моховая 20-30 7,3-17,9 1,23-4,93 0,66-3,88 5,6-7,3 18,3-27,9
группа (осоково-гипновый) 25 10,4 2,36 1,70 6,4 21,5
Моховая группа 20-30 4,7-14,5 0,70-1,65 0,00-1,13 5,0-7,3 17,9-27,3
(гипновый) 25 8,1 1,19 0,53 6,0 22,2
Примечание. Числитель - минимальное и максимальное содержание; знаменатель - среднее содержание.
Поступающие вместе с опадом в верхний слой торфяной почвы и накопленные в ней углеводы подвергаются действию комплекса ферментов, среди которых наиболее широко изучена инвертаза. Этот фермент расщепляет сахара или близкие к нему углеводы на молекулы глюкозы и фруктозы. Являясь источником углерода и энергии, углеводы контролируют микробиологическую активность. Особенно важна роль углеводов в синтезе гумусовых веществ. Они не только поставляют скелет будущей молекулы ГК, но и энергию для ее синтеза [21, 22].
инвертаза
+Н2О
ОН а-Б-глюкоза
Р-Б-фруктоза
Основу торфа составляют растительные остатки, которые на 85-90% органических веществ состоят из углеводов. Вместе с тем, торфа разных групп существенно различаются по химическому составу. Так, в сфагновых торфах содержится небольшое количество битумов, много легкогидролизуемых и водорастворимых соединений углеводного комплекса (42-52%) [23]. Торфа травяной группы по сравнению с моховой содержат больше целлюлозы - наименее устойчивого компонента при микробиологическом распаде. Содержание углеводов составляет 20-27%. И, наконец, торфа древесной группы отличаются высоким содержанием целлюлозы, лигнина и низким содержанием углеводов (14-17%).
Наиболее высокую инвертазную активность среди торфов верхового типа имеют торфа моховой группы (94,5 ед.), обладающие высоким содержанием легкогидролизуемых веществ - 14,4% от Собщ (табл.3). Изучаемые группы торфов характеризуются широким интервалом активности инвертазы, что определяется, прежде всего, широким диапазоном степени разложения растительных остатков. С возрастанием степени разложения в торфе увеличивается содержание биохимически устойчивых компонентов: воска, ГК, лигнина и снижается количество биохимически неустойчивых веществ - углеводов. С увеличением степени разложения от 10 в моховой группе до 20% в травяной количество легкогидролизуемых веществ значительно падает - до 4% от Собщ. Соответственно, активность инвертазы снижается до 28,0 ед. (рис. 1). Корреляционный анализ полученных данных выявил достоверную обратную связь между активностью инвертазы и степенью разложения (-0,58), содержанием ГК (-0,70) и положительную с содержанием легкогидролизуемых веществ (0,52).
Таблица 3. Инвертазная активность и химический состав торфов верхового типа
Группа, вид торфа Степень разложения, % Инвертаза, мг глюкозы / 4 ч/ г С общ, % Сумма ГК Л/г Т/г Сохранность торфа
% от С общ
Травяная группа 15-25 13.8-51.6 44,5-55,9 13,3-31,2 2,2-8,4 3,2-10,0 0,7-5,7
(шейхцериевый) 20 28,0 49,2 26,1 4,0 5,6 3,7
Травяно-моховая 10-35 24,3-114,3 44,1-52,1 8,0-31,8 4,5-8,5 4,1-11,9 0,4-3,0
группа 20 66,2 49,7 16,7 7,1 8,5 1,3
Пушицево- 8-35 24,3-114,3 50,2-52,1 8,0-31,8 4,5-8,5 4,1-11,9 0,4-3,0
сфагновый 20,0 80,8 50,9 16,8 7,0 8,2 1,4
Моховая группа 0-20 46,8-131,6 46,3-56,3 6,7-12,7 6,2-24,9 6,6-27,7 0,2-0,8
10 94,5 51,3 10,9 14,4 15,9 0,4
Магелланикум 0-20 68,1-127,1 51,2-56,3 10,6-12,7 6,2-8,6 9,2-23,8 0,4-0,8
10 91,1 53,4 11,9 7,4 14,7 0,6
Фускум 0-10 46,8-131,6 46,3-55,6 6,7-8,6 13,3-24,9 6,6-27,7 0,2-0,3
5 97,1 49,7 7,7 19,6 16,9 0,2
Примечание. Числитель - минимальное и максимальное содержание; знаменатель - среднее содержание; Л/г -легкогидролизуемые вещества; Т/г - трудногидролизуемые вещества.
Другой причиной широкой вариабельности инвертазной активности в пределах группы является видовое разнообразие торфов. Например, интересно отметить различную инвертазную активность сфагновых мхов. Наиболее высокая активность инвертазы отмечена в фускум торфе (97,1 ед.). Более слабая активность инвертазы обнаружена в магелланикум торфе (91,1 ед.). Наши исследования показали, что содержание легкогидролизуемых веществ изменяется от 7,4 в магелланикум до 19,6% от Собщ. в фускум торфе. Напротив, содержание ГК падает от 11,9 до 7,7 % от Собщ (табл. 3). Это определяется различной интенсивностью разрушения легкогидролизуемых соединений. Так, В.Е. Раковский и Л.В. Пигулевская [24] показали, что интенсивность снижения содержания легкогидролизуемых веществ на каждый процент увеличения степени разложения в магелланикум торфе составляет 1,2%, фускум - 0,33%. Иными словами, фускум торф биохимически более устойчив по сравнению с магелланикум.
С целью оценки способности исследуемых торфов к трансформации был использован показатель -степень сохранности торфа, который определяется как «отношение углерода ГК к углероду веществ, гидролизуемых серной кислотой или суммарному содержанию легко- и трудногидролизуемых веществ» [25]. Чем больше содержится в торфе ГК (биохимически устойчивой части органического вещества) и меньше легко- и трудногидролизуемых веществ (самой биохимически неустойчивой части органического вещества), тем больше величина его сохранности и тем менее подвержен торф биохимическому разложению. Результаты наших исследований показали, что в моховой группе степень сохранности торфа составляет от 0,2 для фускум до 0,6 для магелланикум торфов. По мере снижения легкогидролизуемых соединений, биохимически неустойчивых веществ, степень сохранности торфа увеличивается до 3,7 в травяной группе.
в отличие от торфов верхового типа низинные торфа, содержащие незначительное количество легкогидролизуемых веществ, в среднем, характеризуются более низкой активностью инвертазы (табл. 4). Как показали результаты исследований, активность инвертазы изменяется от 21,7 в древесной до 92,2 и 144,1 ед. в моховой и травяно-моховой группах соответственно. Отмеченная закономерность определяется тем, что с увеличением доли древесных остатков в торфах, содержание ГК растет, а легкогидролизуемых соединений существенно падает (рис. 1). Так, в гипновых и осоково-гипновых торфах со степенью разложения в среднем 24,9-25,4% содержание легкогидролизуемых веществ составляет 10,7-11,1%, тогда как в древесных и древесно-травяных торфах со степенью разложения 29,4-31,8% количество легкогидролизуемых соединений значительно ниже - 4,6%.
Таблица 4. Инвертазная активность и химический состав торфов низинного типа (зольность менее 18%)
Группа, вид торфа Степень разложения, Зольность, % Инвертаза, мг глюкозы С общ, % Сумма ГК Л/г Т/г Сохранность торфа
% / 4 ч/ г % от С общ
Древесная группа 15-40 6,7-16,6 0,0-74,5 29,3-51,6 17,8-44,2 2,3-6,6 3,0-9,4 1,3-8,0
30 11,4 21,7 41,0 26,6 4,6 5,7 2,9
Древесно-травяная 20-45 8,8-15,5 0,0-110,8 30,0-50,0 16,9-37,8 2,8-6,1 4,7-7,1 1,4-4,1
группа 30 11,6 28,9 40,4 24,3 4,6 5,7 2,4
Древесно- 20-40 10,5-15,5 0,0-44,7 43,8-50,4 20,8-37,8 42-5,9 4,7-5,9 2,0-4,1
травяной 30 12,8 27,3 47,8 26,2 4,9 5,0 2,7
Древесно- 20-40 8,8-13,8 0,0-110,8 30,0-45,6 16,9-31,8 2,8-6,1 5,6-7,1 1,4-3,8
осоковый 30 10,4 30,5 33,1 22,3 4,3 6,4 2,2
Травяная группа 15-40 3,4-16,5 17,7-211,9 28,6-56,3 16,5-36,3 3,7-9,9 1,3-11,9 0,9-4,7
25 8,2 75,3 49,3 25,5 6,6 5,6 2,4
Травяной 20-40 4,2-13,3 17,7-64,2 46,8-56,3 28,2-36,3 3,7-6,5 42-5,7 2,7-4,0
30 8,0 37,3 51,1 32,3 4,5 4,8 3,5
Вахтовый 15-30 3,4-12,7 36,4-81,7 51,0-54,9 19,2-28,5 5,1-8,5 5,7-8,5 1,4-2,1
20 9,1 52,6 52,3 23,3 6,9 6,9 1,7
Осоковый 15-30 4,2-16,5 21,7-211,9 28,6-53,9 16,5-32,4 4,7-9,9 1,3-11,9 0,9-4,7
20 8,0 89,3 47,7 23,9 7,2 5,4 2,2
Травяно-моховая 20-30 7,3-17,9 6,1-264,1 27,9-50,4 18,3-27,9 6,8-14,4 7,8-10,5 0,7-1,6
группа (осоково-гипновый) 25 10,4 144,6 41,4 21,5 11,1 9,7 1,1
Моховая группа 20-30 4,7-14,5 15,1-220,0 36,7-49,4 17,9-27,3 9,0-13,5 7,0-12,7 0,7-1,7
(гипновый) 25 8,1 92,2 45,1 22,2 10,7 10,4 1,1
Примечание. Числитель - минимальное и максимальное содержание; знаменатель - среднее содержание; Л/г -легкогидролизуемые вещества; Т/г - трудногидролизуемые вещества.
Рис. 1. Распределение инвертазной активности и содержание легкогидролизуемых веществ по группам торфов верхового (а) и низинного (б) типов. 1- инвертаза, 2- легкогидролизуемые вещества, 3- сохранность торфа.
Изучаемые группы торфов низинного типа также, как и верховые, характеризуются широким интервалом активности инвертазы. Это определяется, с одной стороны, видовым различием торфов, обуславливающим разный химический состав. Так, травяной, вахтовый и осоковый виды торфа травяной группы существенно различаются по составу органического вещества (табл. 4). Содержание легкогидролизуемых веществ изменяется в среднем от 4,5 в травяном до 7,2% от Собщ в осоковом видах торфа. Соответственно, активность инвертазы возрастает от 37,3 до 89,3 ед. Высокое содержание легкогидролизуемых веществ в осоковых торфах, согласно [24], обусловлено тем, что состав компонентов углеводов формируется уже при низкой степени разложения, и с ее ростом не наблюдается тенденции к снижению содержания легкогидролизуемых соединений.
Широкая вариабельность инвертазной активности в пределах вида и группы торфов определяется также условиями залегания (водно-воздушный режим, окислительно-восстановительные условия), широким диапазоном зольности и степени разложения растительных остатков. Установлена обратная связь активности инвертазы с зольностью (-0,42) и со степенью разложения (-0,22).
Если оценивать инвертазную активность и содержание легкогидролизуемых веществ с учетом геоботанической природы торфов, то можно выделить следующий ряд по видам торфа: древесные -древесно-травяные - древесно-осоковые - травяные - вахтовые - осоковые - гипновые - осоково-гипновые (рис. 2). К наиболее биохимически устойчивым видам торфа, согласно нашим исследованиям, относятся древесно-травяные и древесные торфа. Содержание легкогидролизуемых веществ в этих торфах составляет 4,6-4,95% от Собщ, активность инвертазы 21,7-27,3 ед., степень сохранности торфа 2,7-2,9. К наименее биохимически устойчивым относятся осоковые, гипновые и осоково-гипновые торфа. Содержание в них легкогидролизуемых веществ - 7,2-11,1%, активность инвертазы 89,3-144,6 ед., степень сохранности торфа 1,1-2,2. Полученная закономерность ранее была отмечена при изучении торфов Беларуси и европейской территории России [26-29].
г 12.0
- 8.0
- 4.0
0.0
Ь-- 2
3 го
Рис. 2. Распределение инвертазной активности и содержание легкогидролизуемых веществ по видам торфов низинного типа. 1- инвертаза, 2-легкогидролизуемые вещества, 3-сохранность торфа.
1
3
Таким образом, анализ полученных результатов свидетельствует о том, что уровень инвертазной активности определяется геоботанической природой торфа и степенью его разложения.
Превращение органических остатков в гумус является сложным биохимическим процессом с участием различных групп ферментов микроорганизмов и накопленных в почве внеклеточных ферментов. Известно несколько гипотез гумификации. Например, согласно М.М. Кононовой [21], гумификация протекает в две стадии. На первой стадии происходит распад органических остатков до мономеров, а на второй -конденсация и полимеризация, приводящие к образованию гумусовых кислот. Эта стадия включает ферментативное окисление фенольных производных до хинонов и последующую конденсацию фенольных соединений и хинонов с аминокислотами и пептидами. Таким образом, процесс образования гумусовых кислот представляет собой окислительную конденсацию продуктов ферментативного гидролиза и окислительный распад различных компонентов, осуществляемый с участием фенолоксидаз.
Согласно современным представлениям [30], гумусообразование в торфяной залежи зависит не только от ботанического состава растений-торфообразователей, но и от времени. в ходе развития почвообразования происходит постепенное снижение углеводов и накопление гумусовых веществ. С увеличением возраста увеличивается степень разложения растительных остатков, возрастает относительное содержание ГК. в ГК повышается конденсированность, гумусовые вещества становятся более устойчивыми, доля ФК в составе органического вещества снижается.
Наши исследования показали, что торфа верхового типа характеризуются, в среднем, более низкой полифенолоксидазной активностью по сравнению с торфами низинного типа. Активность полифенолоксидазы в торфах верхового типа увеличивается от 0,26 мг 1,4-п бензохинона / 30 мин/ г (далее по тексту - ед.) в моховой до 0,67 ед. в травяно-моховой группах (табл. 5). Это объясняется тем, что гумификация торфов моховой группы происходит в условиях почти постоянного переувлажнения и затрудненной аэрации, при которых активность полифенолоксидазы снижается или полностью подавляется, так как окисление фенолов может происходить только в присутствии кислорода воздуха. Степень разложения растительных остатков в ряду моховая - травяно-моховая - травяная группы возрастает. При этом увеличивается содержание биохимически устойчивых компонентов, в том числе и гумусовых кислот, структурными единицами которых служат фенольные соединения, являющиеся субстратом полифенолоксидазы. Это подтверждают и полученные нами экспериментальные данные по составу органического вещества. Содержание суммы ГК и более устойчивой 1 фракции ГК возрастает от моховой к травяной группам (10,9-26,1 и 4,0-9,1 % от С общ соответственно). Отношение Сгк:Сфк изменяется от 0,8 до 3,2 соответственно. Степень гумификации, предложенная Т.Т. Ефремовой [25] (отношение содержания ГК к общему углероду), изменяется от слабой в моховой (19) и травяно-моховой (34) до высокой в травяной группах (54). Установлена положительная корреляционная связь активности полифенолоксидазы с 1 фракцией ГК (0,54), суммой ГК (0,54), степенью гумификации (0,52). Таким образом, можно утверждать, что высокая активность полифенолоксидазы свидетельствует об интенсивном образовании ГК и устойчивых их соединений. Напротив, количество гидролизуемых веществ снижается. Это подтверждает наличие прямой связи между активностью полифенолоксидазы и сохранностью торфа (0,66) и обратной - с содержанием легкогидролизуемых веществ (-0,55).
Таблица 5. Полифенолоксидазная активность и химический состав торфов верхового типа
Группа, вид торфа Степень разложения, % Полифенолоксидаза, мг 1,4 п-бензохи-нона/30 мин/ г 1 ГК Сумма ГК Л/г Сгк: Сфк Степень гумификации
% от С общ
Травяная группа 15-25 0,34-0,93 3,9-14,9 13,3-31,2 2,2-8,4 1,2-5,0 26-70
(шейхцериевый) 20 0,63 9,1 26,1 4,0 3,2 54
Травяно- 10-35 0,0-1,73 3,0-9,6 8,0-31,8 4,5-8,5 0,5-3,4 16-61
моховая группа 20 0,67 5,8 16,7 7,1 1,7 34
Пушицево- 8-35 0,0-1,73 3,0-9,6 8,0-31,8 4,5-8,5 0,5-2,4 16-61
сфагновый 20,0 0,84 6,3 16,8 7,0 1,6 33
Моховая группа 0-20 0,0-1,15 3,3-4,8 6,7-12,7 6,2-24,9 0,5-1,4 12-26
10 0,26 4,0 10,9 14,4 0,8 19
Магелланикум 0-20 0,0-1,15 4,5-4,8 10,6-12,7 6,2-8,6 0,7-1,4 21-26
10 0,38 4,7 11,9 7,4 1,0 23
Фускум 0-10 0,0-0,66 3,3-3,9 6,7-8,6 13,3-24,9 0,5-0,8 12-19
5 0,17 3,6 7,7 19,6 0,7 16
Примечание. Числитель - минимальное и максимальное содержание; знаменатель - среднее содержание.
Торфа моховой группы имеют очень низкую активность полифенолоксидазы, что обусловлено, как указывалось ранее, высокой обводненностью и затрудненной аэрацией, а также механо-химическим иммунитетом сфагновых мхов. Сохранность сфагновых торфов объясняется наличием в них антисептиков, летучих и нелетучих фенолов [24]. Поэтому, сфагновые торфа мало подвержены гумификации. Содержание ГК в торфах моховой группы составляет всего 10,9%, среди гумусовых кислот преобладают ФК (Сгк : Сфк =
0,8) (табл. 5). В магелланикум торфе, характеризующемся более высоким содержанием 1 фракции ГК и суммой ГК по сравнению с другими торфами моховой группы, отмечена наиболее высокая полифенолоксидазная активность (0,38 ед.).
Торфа низинного типа характеризуются более высокой активностью полифенолоксидазы. Активность рассматриваемого фермента изменяется, в среднем, от 0,66-0,68 ед. в моховой и травяно-моховой до 1,11 ед. в древесной группах. Рост интенсивности процессов окисления и гумификации органических компонентов в ряду травяно-моховая группа - моховая - травяная - древесно-травяная - древесно-моховая - древесная обусловлен особенностями состава органического вещества. Так, содержание 1 ГК увеличивается от 4,6 до 10,8 % и снижается доля 3 ГК от 17,0 до 10,2 % от Собщ, характерной для начальных этапов гумификации и отражающей более низкую степень биохимической деструкции растений-торфообразователей (табл. 6). Активность полифенолоксидазы определяется, очевидно, содержанием подвижных гумусовых веществ, что подтверждается корреляционной связью (0,57). Установленная корреляционная связь активности полифенолоксидазы с содержанием ГК (0,42) и типом гумуса (0,35) показывает, что активность этого фермента может служить показателем интенсивности процессов гумификации торфов.
Ботанический состав оказывает существенное влияние на активность полифенолоксидазы. Так, например, в травяной группе виды торфа существенно отличаются по средним значениям активности фермента. высокая активность полифенолоксидазы, в среднем, характерна для торфов вахтового вида (1,51), более слабая активность наблюдается в травяном (0,82), осоковом (0,43) (табл. 6). Различие в активности ферментов определяется химическим составом торфов. Так, осоковые торфа характеризуются относительно высоким содержанием легкогидролизуемых веществ (7,2%), причем с ростом степени разложения, как отмечают В.Е. Раковский и Л.В. Пигулевская [24], не наблюдается тенденции к их снижению. Отсюда высокая активность гидролитических ферментов - инвертазы. Напротив, содержание ГК и 1 ГК в осоковых торфах, как показали результаты проведенных нами и другими авторами исследований [31], значительно меньше, чем в торфах травяного вида. Поэтому и активность полифенолоксидазы, характеризующая интенсивность окисления и гумификации органических компонентов, будет значительно уступать полифенолоксидазной активности торфов травяного вида.
Таблица 6. Активность полифенолоксидазы и химический состав торфов низинного типа (зольность менее 18%)
Группа, вид Степень разложения , % Зольность, Полифенол-оксидаза, мг 1,4 1 ГК 3 ГК Сумма ГК Л/г Сгк : Степень гумифи- кации
торфа % п-бензохинона /30 мин/ г % от С общ Сфк
Древесная 15-40 6,7-16,6 0,1-4,21 2,7-34,1 3,0-16,8 17,8-44,2 2,3-6,6 1,0-3,9 37-150
группа 30 11,4 1,11 10,8 10,2 26,6 4,6 1,8 70
Древесно- 20-45 8,8-15,5 0,0-1,84 3,7-20,0 3,7-21,4 16,9-37,8 2,8-6,1 0,5-3,1 37-106
травяная группа 30 11,6 0,74 9,5 10,8 24,3 4,6 1,6 63
Древесно- 20-40 10,5-15,5 0,0-1,63 3,7-10,4 13,6-21,4 20,8-37,8 4,2-5,9 0,9-2,4 42-83
травяной 30 12,8 0,53 6,3 16,5 26,2 4,9 1,4 56
Древесно- 20-40 8,8-13,8 0,22-1,84 6,1-20,0 3,7-8,9 16,9-31,8 2,8-6,1 0,5-3,1 37-106
осоковый 30 10,4 0,96 12,7 5,1 22,3 4,3 1,9 70
Травяная группа 15-40 3,4-16,5 0,0-2,52 3,3-20,3 3,6-22,7 16,5-36,3 3,7-9,9 1,1-3,4 33-73
25 8,2 0,72 7,8 15,9 25,5 6,6 1,8 52
Травяной 20-40 4,2-13,3 0,08-1,42 6,0-20,3 15,9-22,7 28,2-36,3 3,7-6,5 1,5-3,4 50-73
30 8,0 0,82 11,2 18,8 32,3 4,5 2,5 64
Вахтовый 15-30 3,4-12,7 0,93-2,52 4,5-7,7 14,7-19,2 19,2-28,5 5,1-9,5 1,3-2,7 37-55
20 9,1 1,51 6,1 16,6 23,3 7,2 1,7 45
Осоковый 15-30 4,2-16,5 0,0-1,31 3,3-15,4 3,6-22,3 16,5-32,4 4,7-9,9 1,1-2,5 33-69
20 8,0 0,43 7,3 14,7 23,9 7,2 1,6 51
Травяно- 20-30 7,3-17,9 0,0-1,13 4,7-14,4 2,9-20,4 18,3-27,9 6,8-14,4 1,1-2,5 38-75
моховая группа (осок.- гипновый) 25 10,4 0,68 7,9 12,0 21,5 11,1 1,6 55
Моховая группа 20-30 4,7-14,5 0,0-1,73 2,9-6,2 13,4-21,4 17,9-27,3 9,0-13,5 1,1-2,1 37-63
(гипновый) 25 8,1 0,66 4,6 17,0 22,2 10,7 1,5 50
Примечание. Числитель - минимальное и максимальное содержание; знаменатель - среднее содержание.
Выводы
Биохимическая активность торфов определяется их геоботанической природой, степенью разложения и зольностью.
Содержание органического вещества в торфах определяет уровень активности гидролитических и окислительно-восстановительных ферментативных процессов. Определен ряд торфов на уровне групп по степени биохимической устойчивости. К наиболее биохимически устойчивым торфам относятся древесные торфа низинного типа. Содержание легкогидролизуемых веществ в них составляет в среднем 4,6%, активность инвертазы 22,9 ед., активность полифенолоксидазы 0,99 ед., степень сохранности торфа - 2,9. К наименее биохимически устойчивым торфам среди торфов низинного типа относятся гипновые, осоково-гипновые. Содержание легкогидролизуемых веществ в рассматриваемых торфах составляет 10,7-11,1%, активность инвертазы - 64,8-69,1 ед., активность полифенолоксидазы 0,66 ед., степень сохранности торфа -1,1. Для верховых торфов отмечена аналогичная последовательность в распределении групп по биохимической устойчивости.
Список литературы
1. Щербакова Т. А. Ферментативная активность почв и трансформация органического вещества. Минск, 1983. 222 с.
2. Классификация торфов и торфяных залежей Западной Сибири / Р.Г. Матухин, В.Г. Матухина, И.П. Васильев и др. - Новосибирск, 2000. 90 с.
3. ГОСТ 17644-83. Торф. Методы отбора проб из залежи и обработки их для лабораторных испытаний. Введ. 08.04.83. М., 1983. 21 с.
4. Круглов Ю.В., Пароменская Л.Н. Модификация газометрического метода определения каталазной активности // Почвоведение. 1966. №1. С. 93-95.
5. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М., 1990. 189 с.
6. Карягша Л.А., Михайлоуская Н.А. Вызначэнне актыунасщ пол1фенолакадазы [ пераккидазы у глебе / Весцы АН БССР. Серыя сельскагаспадаргных навук. 1986. №2. С. 40-41.
7. ГОСТ 28245-89. Торф. Методы определения ботанического состава и степени разложения. Введ. 01.07.90. М., 1989. 9 с.
8. ГОСТ 11305-83. Торф. Методы определения зольности. Введ. 01.01.85. М., 1984. 6 с.
9. ГОСТ 11623-89. Торф и продукты его переработки для сельского хозяйства. Методы определения обменной и активной кислотности. Введ. 01.01.90. М., 1990. 5 с.
10. Пономарева В.В., Николаева Т.А. Методы изучения органического вещества в торфяно-болотных почвах // Почвоведение. 1961. №5. С. 88-95.
11. Рунов Е.В., Терехов О.С. К вопросу об активности каталазы в некоторых лесных почвах // Почвоведение. 1960. №9. С. 75-80.
12. Курбатов И.М., Двойнишникова Е.И. Каталазная активность как показатель общей биологической активности почв // Сборник докладов симпозиума по ферментам почвы. Минск, 1968. С. 100-107.
13. Пейве Я.В. Биохимия почв. М.: Сельхозгиз, 1961. 422 с.
14. Щербакова Т.А., Коробова Г.Я., Волков А.Е., Бородько С.Н., Шимко Н.А., Володина Л.А. Биологическая активность маломощных торфяных почв и ее изменение под влиянием мелиорации и освоения // Проблемы Полесья. Минск, 1975. Вып. 4. С. 228-247.
15. Вигоров А.И. Особенности каталазы подзолистой почвы // Доклады АН СССР. 1958. Т.122. №6. С. 1107-1110.
16. Зубкова Т.А. Карпачевский Л.О. Каталитическая активность почвы // Почвоведение. 1979. №6. С. 115-121.
17. Семиколенных А.А. Каталазная активность почв северной тайги (Архангельская область) // Почвоведение. 2001. №1. С. 90-96.
18. Купревич В.Ф., Щербакова Т.А. Почвенная энзимология. Минск, 1966. 275 с.
19. Лупинович И.С., Голуб Т.Ф. Торфяно-болотные почвы и их плодородие. Минск: АН БССР, 1958. 315 с.
20. Вавуло Ф.П., Карягина Л.А., Коляда Т.И. Действие удобрений на микрофлору и ферментативную активность дерново-подзолистых и торфяно-болотных почв // Тр.Ин-та почвоведения (Беларус. НИИ почвоведения), 1969. Вып. 6. С. 122-135.
21. Кононова М.М. Органическое вещество почвы. Его природа, свойства и методы изучения. М., 1963. 15 с.
22. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М., 1990. 325 с.
23. Скобеева Е.И. Зависимость химического состава торфа от его ботанического состава // Химия и химическая технология. 1967. Вып. 3 (16). С. 108-115.
24. Раковский В.Е., Пигулевская Л.В. Химия и генезис торфа. М., 1978. 231с.
25. Ефремова Т.Т. Гумус и структурообразование в лесных торфяных почвах Западной Сибири: Автореф. дис. ...
доктора биол. наук. Новосибирск, 1990. 39 с.
26. Смирнова В.В., Бамбалов Н.Н., Клицунова В.А. Баланс органического вещества торфяных почв разного генезиса // Проблемы Полесья. Минск, 1987. №11. С. 33-39.
27. Бамбалов Н.Н., Беленькая Т.Я. Содержание и состав углеводов в целинных и мелиорируемых торфяных почвах // Почвоведение. 1993. №12. С. 87-91.
28. Ефимов В.Н., Царенко В.П., Лупина Н.Ф. Антропогенная деградация болотных почв и меры ее
предупреждения // Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения /Тез. и докл. Всероссийской конф. М., 1998. Т. 2. С. 64-67.
29. Поздняков А.И., Позднякова Л.А., Позднякова А.Д. Деградация и эволюция торфяников при
сельскохозяйственном использовании // Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения /Тез. и докл. Всероссийской конф. М., 1998. Т. 1. С. 129-131.
30. Ефимов В.Н. Торфяные почвы и их плодородие. Л., 1986. 264 с.
31. Инишева Л.И., Дементьева Т.В. Органическое вещество торфов и оценка их биохимической устойчивости //
Агрохимия. 2001. №3. С. 25-34.
Поступило в редакцию 10 июля 2003 г.
