Aktywność enzymatyczna jako wskaźnik jakości środowiska glebowego

Enzymy są biokatalizatorami, obniżającymi energię potrzebną do aktywacji reakcji biochemicznych. W glebach żyznych stwierdza się większą aktywność enzymatyczną, niż należałoby się spodziewać na podstawie określenia liczebności mikroorganizmów. Aktywność enzymatyczna 1 g żyznej gleby odpowiada 1010 komórek bakteryjnych lub 1 g świeżej masy grzybni.

Zmiany aktywności enzymów glebowych w strefie ryzosferowej odzwierciedlają zaburzenia środowiska oddziałujące zarówno na glebę, jak i rośliny. Wielkie zagęszczenie komórek bakteryjnych w warstwie przylegającej do korzenia tworzy pewnego rodzaju filtr, przez który przechodzą do rośliny związki chemiczne lub ich metabolity. Mikroorganizmy uwalniają do środowiska wiele enzymów, z których najważniejsze w procesach rozkładu resztek roślinnych są te, które biorą bezpośredni udział w degradacji ligniny i celulozy oraz w mineralizacji organicznych związków azotu, fosforu i siarki, co powoduje wprowadzenie w obieg tych pierwiastków w ekosystemie.

Enzymy są dobrym wskaźnikiem zmian zachodzącychw glebie pod wpływem czynników naturalnych i antropogenicznych. Aktywność biologiczna gleby określana przez aktywność enzymatyczną jest miarą żyzności i produkcyjności gleby bardziej niż inne wskaźniki biologiczne. Testy enzymatyczne dostarczają ilościowych informacji na temat funkcjonalnej różnorodności aktywności mikrobiologicznej, glebowych procesów chemicznych, tempa mineralizacji gleby i akumulacji materii organicznej. Jak również biorą one czynny udział w: rozkładzie materii organicznej uwalnianej do gleby podczas wegetacji roślin, reakcji powstawania i rozkładu próchnicy glebowej, uwalnianiu i udostępnianiu roślinom substancji mineralnych, wiązaniu azotu cząsteczkowego, detoksykacji ksenobiotyków, nitryfikacji i denitryfikacji.

Enzymy zewnątrzkomórkowe jako wskaźniki jakości gleby, są stosunkowo proste do analizy, wrażliwe na stres środowiskowy i szybko reagują na zmiany wywołane działalnością człowieka (nawożenie mineralne i organiczne, stosowanie środków ochrony roślin, zanieczyszczenie środowiska, uprawa monokulturowa itd.).

Aktywność enzymatyczna w różnych typach gleb zmienia się w zależności od ich właściwości fizycznych i chemicznych. Aktywność enzymów zależy od bezwzględnej ich ilości, wielkości puli reagujących związków innych niż enzymy oraz od katalicznej sprawności. W glebie dochodzą dodatkowe czynniki oddziałujące na sprawność kataliczną, jak: zawartość mineralnych i organicznych koloidów, temperatura, właściwości wodno-powietrzne, pH gleby, zawartość pierwiastków biogennych, liczebność i stan gatunkowy mikroorganizmów, zabiegi agrotechniczne, w tym system uprawy roli i roślin i nawożenie, skażenie metalami ciężkimi, pestycydami innymi związkami chemicznymi. Źródłem enzymów glebowych są drobnoustroje, korzenie roślin i ich resztki oraz specyficzna flora glebowa.

Enzymy występują w glebie zarówno w stanie wolnym jak i związanym. Kompleksy, które tworzą enzymy z mineralnymi i organicznymi koloidami, czynią je bardziej trwałymi, odporniejszymi na denaturację i proteolizę. Więcej enzymów związanych jest z kwasami huminowymi i fulwowymi niż pozostałymi składnikami gleby. Jednak sprawność kataliczna enzymów związanych z koloidami jest z reguły niższa niż tych samych enzymów występujących w stanie wolnym bądź w komórkach, to są one bardziej odporne okresowe zmiany warunków panujących w ekosystemie i to one decydują głównie o kierunku przemian biochemicznych w glebie, determinując tym samym jej żyzność.

Międzynarodowa Unia Biochemiczna zalicza enzymy do 6 klas (oksydoreduktazy, transferazy, hydrolazy, liazy, izomerazy, ligazy). Każda klasa dzieli się na podklasy (od 4 do 13), a te z kolei na podpodklasy. W glebie znajdują się enzymy zaliczane do wszystkich wymienionych klas,jednak najważniejszą rolę odgrywają enzymy należące do oksydoreduktaz i hydrolaz.

Oksydoreduktazy katalizują odwracalne reakcje utleniania i redukcji, a więc przemiany związane z przeniesieniem protonów i elektronów (np. dehydrogenazy, reduktaza azotanowa, katalaza, peroksydazy, oksydaza fenolowa).

Hydrolazy katalizują nieodwracalne reakcje hydrolizy, a więc rozpadu wiązań z jednoczesnym przyłączeniem się jednej cząsteczki wody na każde wiązanie ulegające rozpadowi.

Zewnątrzkomórkowe glebowe enzymy hydrolityczne są źródłem łatwo przyswajalnych składników odżywczych dla roślin i mikroorganizmów, na skutek prowadzonych przez nie przemian od form niedostępnych do form przyswajalnych. Do najważniejszych enzymów biorących udział w mineralizacji materii organicznej oraz w obiegu azotu i węgla w glebie należą: esterazy, amylazy, celulaza, inwertaza, proteazy, β-glukozydazy, fosfatazy kwaśne i alkaliczne, ureazy, β-glukozydazy.

Enzymy proteolityczne w glebie (EC 3.4.21.19) odgrywają ważną rolę w mineralizacji azotu. Proteazy to enzymy z grupy hydrolaz, które rozszczepiają wiązania peptydowe. Można je podzielić na dwie grupy proteinazy i peptydazy. Pierwsze działają na białka, drugie katalizują rozpad polipeptydów i dwupeptydów do pojedynczych aminokwasów. Na podstawie budowy centrum katalitycznego wyodrębnia się: proteazy cysteinowe (obojętne, z grupą tiolową cysteiny sąsiadującą z histydyną), proteazy serynowe (alkaliczne, proteazy zawierające serynę i histydynę) i proteazy karboksylowe (z dwoma grupami karboksylowymi w centrum aktywnym. Enzym ten w gleby jest powiązany z koloidami nieorganicznymi i organicznymi. Zawartość proteaz w glebach zależy od głębokości poziomu, zawartości materii organicznej, nawożenia mineralnego i sezonu wegetacyjnego. Enzymy proteolityczne mogą być hamowane przez minerały ilaste (glinę, montmorylonit). Istotne oddziaływanie regulacyjne na aktywność proteaz wywierają substancje humusowe gleby. Kwas huminowy hamował aktywność pronazy w stosunku do substratu peptydowego oraz o 40% w przypadku albuminy lub kazeiny. Kwasy huminowe wiążą enzymy nieodwracalnie na zasadzie wymieniaczy jonowych, czemu towarzyszy inhibicja lub stymulacja.

Ureaza (EC 3.5.1.5) jest enzymem ściśle związanym z metabolizmem azotu i katalizuje rozkład mocznika do amoniaku i dwutlenku węgla. Szczególnie jej aktywność wzrasta w przypadku nawożenia gleb mocznikiem. Źródłem ureazy są mikroorganizmy oraz rośliny. Ureaza jest enzymem wewnątrzkomórkowym, obecnym wewnątrz komórek mikroorganizmów żywych lub zewnątrzkomórkowym, uwalnianym z rozkładu obumarłych komórek roślin i drobnoustrojów, a szczególnie absorbowana jest na mineralnych i organicznych koloidach glebowych. Ureaza, która występuje wewnątrz komórek organizmów żywych jest bardzo szybko degradowana przez enzymy proteolityczne. Natomiast, ureaza zewnątrzkomórkowa związana w mineralno-organicznych kompleksach gleby jest odporna na działanie czynników środowiska jak wysoka temperatura, enzymy proteolityczne np. trypsyna.

β-glukozydaza (E.C. 3.2.1.21) katalizuje rozkład celulozy. Enzym ten bierze udział w cyklu węgla i jest powiązany z przemianami, składem oraz obiegiem glebowej materii organicznej. Celuloza to jeden z najobficiej występujących związków organicznych w biosferze, a produkt jego hydrolizy enzymatycznej stanowi cenne źródło energii dla mikroorganizmów glebowych. Ponieważ β-glukozydaza jest bardzo czuła na działanie różnorodnych czynników, oznaczanie jej aktywności może być pomocne w monitorowaniu jakości gleby.

Dehydrogenazy (EC. 1.1.1.1) katalizują odrywanie atomów wodoru od utlenianego substratu i przenoszą je na inne enzymy czy związki pośrednie, a nie maja zdolności przenoszenia elektronów bezpośrednio na tlen. Różnią się one rodzajem koenzymów, które są właściwymi chwytnikami atomów wodoru. Dehydrogenazy są wysoce specyficzne i odwodorowują tylko określony substrat. Istnieją odrębne dehydrogenazy dla glukozy, glukozofosforanu, kwasu bursztynowego. Dehydrogenazy, w przeciwieństwie do innych enzymów glebowych, są aktywne tylko wewnątrz żywych komórek, a po ich śmierci bardzo szybko następuje degradacja, w związku z tym aktywność dehydrogenaz wskazuje na obecność fizjologicznie aktywnych mikroorganizmów. Aktywność dehydrogenazy jest uważana za ogólny, pośredni wskaźnik liczebności i aktywności mikroorganizmów w glebie, ponieważ enzymy te są zaangażowane w utleniające sekwencje przenoszenia energii. Poziom aktywności dehydrogenazowej jest odbiciem między innymi warunków tlenowych i wilgotnościowych w glebie. Wiele dehydrogenaz jest produkowanych przez bakterie beztlenowe i dlatego szczególnie szybko wzrasta aktywność tych enzymów w warunkach anaerobowych, wywołanych stałym lub okresowym zalewaniem gleb wodą. W licznych pracach obserwowano ścisłą zależność pomiędzy aktywnością dehydrogenaz oraz zawartością materii organicznej, żyznością gleby i liczebnością drobnoustrojów glebowych, a także aktywnością proteolityczną, nitryfikacją, respiracją, denitryfikacją oraz czynnością enzymów obecnych w glebie jak m.in. fosfatazy kwaśnej i alkalicznej, sulfatazy, amylazy, katalazy.

Oksydaza fenolowa (EC 1.14.18.1) w glebie katalizuje reakcje utleniania związków fenolowych, które są uwalniane do gleby podczas hydrolizy mikrobiologicznej z wielu występujących naturalnie substancji oraz związków syntetycznych, np. pozostałości po: plonach, odpadach organicznych, pestycydach oraz produktach przemysłowych. Zazwyczaj związki te są niestabilne w glebie i mogą zostać poddane procesowi utleniania do chinonów, które dalej ulegają polimeryzacji w próchniczno-podobne makromolekuły. Oksydaza fenolowa nie uwalnia produktów pośrednich w czasie redukcji tlenu cząsteczkowego, a powstające w czasie utleniania wolne rodniki inicjują spontaniczną polimeryzację produktów końcowych (np. powstające chinony mogą ulegać polimeryzacji lub kondensacji do związków huminowych lub melanin). Związki fenolowe ogrywają zatem ważną rolę w glebie, ponieważ to właśnie z nich, a także w wyniku humifikacji cukrów, kwasów karboksylowych i aldehydów, powstają związki humusowe (kwasy fulwowe, huminowe i huminy), które kształtują żyzność gleby. Zdolne do produkcji tego enzymu są bakterie, grzyby oraz promieniowce. W glebach rolniczych obecność enzymów utleniających, w tym aktywność oksydazy fenolowej może regulować zapasy węgla organicznego oraz mineralizację składników pokarmowych. Obniżenie aktywności oksydazy fenolowej hamuje rozkład rozpuszczalnych polifenoli, które w konsekwencji ograniczają rozkład DOC. Czynnikiem ograniczającymi aktywność oksydazy fenolowej jest niska temperatura, kwaśny odczyn gleby oraz dostępność tlenu. W dobrze natlenionych glebach zwiększa się aktywność oksydazy fenolowej, w konsekwencji następuje przyspieszenie rozkładu rozpuszczalnych fenoli, które działają hamująco lub toksycznie w stosunku do enzymów hydrolitycznych. Ponadto, obniżenie poziomu wód gruntowych zwiększa istotnie aktywność enzymów hydrolitycznych jak β-glukozydaza, fosfataza, sulfataza. Dlatego częste wysuszenie gleb może generować znaczny odpływ dwutlenku węgla do atmosfery, poprzez wzrost aktywności oksydazy fenolowej oraz aktywności enzymów hydrolitycznych.

Bibliografia

Aon M.A., Colaneri A.C. 2001. II Temporal and spatial evolution of enzymatic activities and physico-chemical properties in an agricultural soil. Appl. Soil Ecol. 18, 255-270.

Balezentiene L., Klimas E. 2009. Effect of organic and mineral fertilizers and land management on soil enzyme activities. Agronomy Res. 7(Special issue I), 191-197.

Bielińska E.J. 2001a. Aktywność enzymatyczna gleby w sadzie wiśniowym w zależności od metody pielęgnacji. RozprawyNaukowe, Wyd. AR w Lublinie, z. 251.

Bielińska E.J., Węgorek T. 2005. Ocena oddziaływania zadrzewienia śródpolnego na aktywność enzymatyczną gleby płowej. Acta Agrophys. 5, 17-24.

Brzezińska M, Stępniewska Z., Stępniewski W. 1998. Soil oxygen status and dehydrogenase activity. Soil Biol. Biochem. 30, 1783-1790.

Burns R.G. 1982. Enzyme activity in soil: location and a possible role in microbial ecology. Soil Biol. Biochem. 14, 423-427.

Camiña F., Trasar-Cepeda C., Gil-Sotres F., LeirósC.1998.Measurement of dehydrogenase activity in acid soils rich in organic matter. SoilBiol. Biochem. 30, 1005-1011.

Ciurli S., Marzadori C., Benini S., Deiana S., Bessa C.1996.Urease from the soil bacterium Bacillus pasteurii: immobilization on Ca-Polygalacturonate. Soil Biol. Biochem. 28, 811-33.

Freeman C., Ostle N.J., Fener N., Kang H. 2004. A regulatory role for phenol oxidase during decomposition in peatlands. Soil Biol. Biochem. 36, 1663-1667.

García-Ruiz R., Ochoa V., Hinojosa M.B., Carreira J.A. 2008. Suitability of enzyme activities for the monitoring of soil quality improvement in organic agricultural systems. Soil Biol. Biochem. 40, 2137-2145.

Gavrichkova O., Moscatelli M.C., Kuzyakov Y., Grego S., Valentini R. 2010. Influence of defoliation on CO₂ efflux from soil and microbial activity in a Mediterranean grassland. Agricult. Ecosyst. Environ. 136, 87-96.

Gliński J., Stępniewska Z., Brzezińska M. 1986.Characterization of thedehydrogenase and catalase activity of the soils of two natural sites with respect to the soil oxygenation status. Polish J. Soil Sci. 19, 47-52.

Gołębiowska D., Grzyb-Miklewska J. 1991a. Kompleksy humus-enzym. I. Aktywność enzymatyczna gleb w świetle właściwości kompleksów humus-enzym. Post. Nauk Roln. 4/5/6, 105-116.

Gołębiowska D., Grzyb-Miklewska J. 1991b. Kompleksy humus-enzym. II. Oddziaływanie kompleksów humus-enzym w układach modelowych „in vitro”. Post. Nauk Roln. 4/5/6, 117-126.

Kączkowski J. 1996. Podstawy biochemii. Wyd. Naukowo - Techniczne, Warszawa.

Kobus J. 1995. Biologiczne procesy a kształtowanie żyzności gleby. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 421a, 209-219.

Koper J., Piotrowska A. 1996. Aktywność enzymatyczna gleby płowej w zależności od uprawy roślin w zmianowaniu i monokulturze. Rocz. Glebozn.47, 89-100.

Koper J., Piotrowska A., Siwik A. 1999a. The index of soil fertility in along-term experiment with crop-rotation and monoculture. Zesz. Prob. Post. Nauk Roln. 465, 461-470.

Koper J., Piotrowska A., Siwik A. 1999b. Wpływ zróżnicowanego nawożenia gleby na kształtowanie się jej aktywności enzymatycznej. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 467, 199-206.

Kucharski J., Jastrzębska E., Wyszkowska J., Hłasko A. 2000. Wpływzanieczyszczenia gleby olejem napędowym i benzyną ołowiową na aktywność enzymatyczną. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 472, 457-454.

Kucharski J., Jastrzębska E. 2001. Aktywność enzymatyczna gleby zanieczyszczonej olejem napędowym. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 476, 181-187.

Kuziemska B. 2012. Aktywność dehydrogenaz w glebie zanieczyszczonej niklem. Środ. Zas. Nat. 52, 103-112.

Ladd N., Butler J.H.A. 1972. Short-term assays of soil proteolytic enzyme activities using proteins and dipeptide derivatives as substrates. Soil Biol. Biochem. 4, 19-30.

Lloyd A.B., Sheaffe M. 1973. Urease activity in soils. Plant Soil. 39,71-80.

Makoi J.H.J.R., Ndakidemi P.A. 2008. Selected soil enzymes: Examples of their potential roles in the ecosystem. Afr. J. Biotechnol. 7/3, 181-191.

Marzadori C., Miletti S., Gessa C., Ciurli S. 1998. Immobilization of Jack Bean urease on hydroxyapatite: urease immobilization in alkaline soils. Soil Biol. Biochem. 30, 1485-1490.

Piotrowska A., Koper J. 2010. Soil β-glucosidase activity under winter wheat cultivated in crop rotation system depleting and enriching the soil in organic matter. J. Elementol. 15/3, 593-600.

Russel S. 2005. Znaczenie badań enzymów w środowisku glebowych. W: Metody oznaczania aktywności enzymów w glebie. Russel S., Wyczółkowski A.J. (Red.). Acta Agrophys. Rozpr. Monogr. 3, 5-9.

Sardans J., Peñuelas J., Estiarte M. 2008. Changes in soil enzymes related to C and N cycle and in soil C and N content under prolonged warming and drought in a Mediterranean shrubland. Appl. Soil Ecol. 39, 223-235.

Schlegel H.G. 2000. Mikrobiologia ogólna. Wyd. Naukowe PWN.

Shi W. 2011. Agricultural and ecological significance of soil enzymes: soil carbon sequestration and nutrient cycling In: Soil Enzymology, Chapter 3, Eds. G.Shukla,A. Varma.Springer-Verlag, Berlin Heidelberg,43-60.

Sinsabaugh R.L., Lauber Ch.L., Weintraub M.N., Ahmed B., Allison S.D., Crenshaw Ch., Contosta A.R., Cusack D., Frey S., Gallo M.E., Gartner T.B., Hobbie S.E., Holland K., Keeler B.L., Powers J.S., Stursova M., Takacs-Vesbach C., Waldrop M.P., Wallenstein M.D., Zak D.R., Zeglin L.H. 2008. Stoichiometry of soil enzyme activity at global scale. Ecol. Lett. 11, 1252-1264.

Sun X., Xiang W., He L., Zhao Y. 2010. Impacts of hydrological conditions on enzyme activities and phenolic concentrations in peatland soil: An experimental simulation. Front. Earth Sci. China. 4/4, 463-470.

Tabatabai M.A., Bremner J.M. 1972. Assay of urease activity in soils. Soil Biol. Biochem. 4, 479-487.

Telesiński A., Chruściel M., Szymczak J. 2011. Aktywność oksydazy o-difenolowej w glebie zanieczyszczonej kadmem, ołowiem i miedzią. Ochr. Środ. Zas. Nat. 48, 216-222.

Trasar-Cepeda C., Leiros M.C., Gil-Sotres F. 2000. Biochemical properties of acid soils under climax vegetation (Atlantic oakwood) in an area of the European temperate-humid zone (Galicia, NW Spain): specific parameter. Soil Biol. Biochem. 32/6, 747-755.

Trojanowski J. 1973. Przemiany substancji organicznych w glebie. Naukowe Wyd. Rol. i Leś.

Udawatta R.P., Kremer R.J., Garrett H.E., Anderson S.H. 2009. Soil enzyme activities and physical properties in a watershed managed under agroforestry and row-crop systems. Agricult, Ecosyst. Environ. 131, 98-104.

Vahed S.H., Shahinrokhsar P., Rezaei M. 2011. Influence of some soil properties and temperature on urease activity in wetland rice soils. 2011. American-Eurasian J. Agric. Environ. Sci. 11/3, 310-313.

Wyczółkowski A.I., Dąbek-Szreniawska M. 2005. Enzymy biorące udział w mineralizacji azotu organicznego. W: Metody oznaczania aktywności enzymów w glebie. Russel S., Wyczółkowski A.I., Red. Acta Agrophys. Rozprawy i Monografie. 120/3, 37-61.