Badania i wykorzystanie enzymów glebowych

1 uprawy ekologiczne ewelina wiacekNauką zajmującą się enzymami jest enzymologia. Stanowi ona o postępie w wielu dziedzinach nauk przyrodniczych, jak również w rolnictwie i wielu gałęziach przemysłu. W związku z tym rozwija się szybko enzymologia praktyczna (np. diagnostyka enzymologiczna) lub enzymologia przemysłowa i rolnicza.

Pierwszymi badaczami mikroorganizmów glebowych byli m.in.: S. Winogradski, A. B. Frank,  J. G. Lipman i  A. Prażmowski. Badaniami dotyczącymi enzymów zajęto się później. Dzięki pracy badaczy dla wielu setek enzymów określono strukturę pierwszorzędową (sekwencję aminokwasów) i konformację, oraz w znacznej mierze wyjaśniono mechanizm ich działania. Wykazano, że mimo bardzo niewielkiej masy enzymów w komórkach organizmów żywych, i tak odgrywają one zasadniczą rolę jako katalizatory wszystkich, nawet najprostszych, reakcji chemicznych zachodzących w komórkach żywych. Reakcje te bez udziału enzymów nie mogłyby przebiegać. Wymagałoby to znacznego dopływu energii, na co komórki nie stać (np. do procesu zhydrolizowania skrobi lub celulozy drogą chemiczną potrzebne jest użycie stężonego kwasu lub/i  podwyższonej temp., natomiast drobnoustroje dzięki enzymom przeprowadzają ten proces, uzyskując z niego energię). W chemii do zainicjowania reakcji w danym układzie, stosuje się często podniesienie temperatury tego układu w celu zwiększenia energii wewnętrznej cząsteczek. Innym sposobem pokonania bariery energii aktywacji jest dodanie katalizatora, który obniża energię aktywacji. W organizmach żywych oraz poza nimi, czyli np. w glebie, z reguły nie jest możliwe podniesienie energii wewnętrznej cząsteczek reagujących (inicjujących pożądaną reakcję) poprzez dostarczenie im ciepła, ponieważ procesy biochemiczne muszą zachodzić w temperaturze fizjologicznej. W tym celu wykorzystywane są więc enzymy spełniające funkcje katalizatorów.

Poprzez akumulację enzymów glebowych które wydostały się poza komórki macierzyste, w glebie tworzą się wtedy labilne połączenia enzym-substrat, bądź są one absorbowane na powierzchni cząstek mineralnych, lub wchodzą w związki kompleksowe z koloidami substancji humusowych (a nawet częściowo i krótkoterminowo w roztworze glebowym). Proces ten nazwano zjawiskiem katalitycznej działalności gleby. Jako pierwszy opisał je Liebig w 1844 r. Jednak dopiero XX w. przyniósł większe odkrycia w tym względzie, kiedy to w latach 50. systematyczne i pogłębione badania nad enzymatyką gleb zapoczątkowali W. Kuprewicz i E. Hofmann. Naukowcy ci wnieśli spory wkład wiedzy dotyczącej pochodzenia, rozmieszczenia, trwałości i znaczenia enzymów uwalnianych do środowiska glebowego. Ich największym osiągnięciem jest opracowanie metod ujawniania i określania aktywności enzymatycznej gleby. Dodatkowo, Hofmann badał też możliwości i sposoby prowadzące do odróżnienia działalności wolnych enzymów, od działalności biochemicznej żywych drobnoustrojów.

Najwięcej danych badawczych uzyskuje się na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat. W ciągu ostatniego półwiecza enzymatyce gleb poświęcono bardzo wiele prac zmierzających do wyjaśnienia różnych aspektów biologii gleby, w tym enzymów glebowych. Motorem napędowym prac badawczych o tej tematyce jest nie tylko biologia jako nauka, ale także i rolnictwo. Stała pogoń za intensyfikacją produkcji w uprawach wymusza poszukiwanie mikrobiologicznych i biochemicznych wskaźników pomocnych w późniejszym prognozowaniu oraz intensyfikowaniu upraw. Możliwości zastosowania oznaczeń aktywności enzymów w środowisku glebowym powodują więc, że metody oznaczania enzymów glebowych cieszą się w wielu dziedzinach nauk rolniczych i przyrodniczych wzrastającym zainteresowaniem.

By określić skuteczność działania enzymów w danej glebie, należy oznaczyć ich aktywność. Oznaczenie to opiera się na obniżeniu ilości substratu (na który działa wybrany enzym), lub ilościowego oznaczenia produktu reakcji enzymatycznej np. jonów amonowych, azotanowych, fosforowych w optymalnych warunkach temperatury, pH środowiska i stężenia substratów. Do określania aktywności enzymów glebowych są stosowane m.in. różne barwniki, takie jak np. chlorek trifenylotetrazolu. Barwnik ten w po utlenieniu (jako utleniony) jest bezbarwny, natomiast po redukcji zmienia barwę na czerwoną. Taki barwnik można więc dodawać do gleby, potem ekstrahować po inkubacji jego zredukowaną formę i jego ilość przyjmować jako wskaźnik aktywności enzymu (np. dehydrogenazy) w glebie. Kłopoty w określaniu aktywności enzymów glebowych może stanowić konieczność oddzielenia tła aktywności enzymów związanych z glebą od aktywności enzymatycznej organizmów glebowych i korzeni roślin. Jest to jedna z przyczyn rudności w interpretacji wyników badań związanych z aktywnością  enzymatyczną w glebie.

W najnowszych badaniach enzymatycznych gleby poszukuje się enzymów, których aktywność może służyć jako wskaźnik żyzności gleby, który obok analiz chemicznych pozwoli ocenić dostępność w glebie związków pokarmowych dla roślin. Przy obecnym stanie wiedzy naukowej i umiejętności analitycznych, w glebie można już wykryć szeroką gamę aktywności enzymatycznych. Jest to możliwe nawet w stosunku do takich enzymów glebowych, które nie są bezpośrednio związane z aktywnością mikroorganizmów. Są to enzymy obecne w nasionach roślin, sporach grzybowych, endosporach bakteryjnych, cystach pierwotniaków i korzeniach roślin.

Dotychczasowe liczne badania wykazały, że wiarygodną ocenę jakości gleby mogą dać badania dotyczące: aktywności szeregów enzymów, liczebności wybranych grup mikroorganizmów, zawartości form substancji organicznej (węglowej i azotowej) pozwalających zarejestrować zmiany specyficznych zdolności kompleksu glebowego i zachodzących pod wpływem systemu upraw, nawożenia, warunków klimatycznych i wpływu czynników antropogenicznych (pestycydów, metali ciężkich). Te możliwości zastosowania oznaczeń aktywności enzymów w środowisku gleby powodują, że metody oznaczania enzymów glebowych cieszą się w wielu dziedzinach nauk rolniczych i przyrodniczych niesłabnącym, a nawet wzrastającym zainteresowaniem. W celu optymalizacji późniejszych zysków, należy wykonywać analizy gleb z pół uprawnych i sadów.  


BIBLIOGRAFIA
30.    Bednarek R., Dziadowiec H., Pokojska U., Prusinkiewicz Z.: Badania ekologiczno-gleboznawcze. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2004.
31.    Bielińska E.J., Mocek A., 2003: Aktywność enzymatyczna gleby użytkowanej sadowniczo jako wskaźnik stanu środowiska wywołany stosowaniem ściółek z tworzyw sztucznych. Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. nr 492, s. 25-39.
32.    Bielińska E.J., 2005: Ocena stanu środowiska glebowego ogrodów działkowych z terenów o różnym oddziaływaniu antropopresji poprzez badanie aktywności fosfataz. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. nr 505, s. 51-58.
33.    Brzezińska M., Włodarczyk T., 2005: Enzymy wewnątrzkomórkowych przemian redoks (oksydoreduktazy). Acta Agrophysica (Rozpr. i Monogr.) nr 3, s. 11-26.
34.    Chmiel A.: Biotechnologia – podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 1994.
35.    Encyklopedia biologiczna. Agencja Publicystyczno-Wydawnicza OPRES, Kraków 1998.
36.    Gliński J., Stępniewska Z., Kasiak A., 1989: Zmiany aktywności enzymatycznej gleb w warunkach zróżnicowanej zawartości tlenu i wilgotności. Rocz. Glebozn. nr 34 (1-2), s. 53-59.
37.    Gołębiowska J.: Mikrobiologia rolnicza. Wyd. PWRiL, Warszwa 1986.
38.    Kaliszewska-Rokicka B.: Enzymy glebowe i ich znaczenie w badaniach aktywności mikrobiologicznej gleby. [w] H. Dahm, A. Pokojska-Burdziej (red.): Drobnoustroje środowiska glebowego. Wyd. Adam Marszałek, Toruń 2001, s. 37-47.
39.    Klimiuk E., Łebkowska M.: Biotechnologia w ochronie środowiska. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2003.
40.    Kobus J., 1995: Biologiczne procesy a kształtowanie żyzności gleby. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. nr 421a, s. 209-219.
41.    Kołwzan B., Adamiak W., Grabas K., Pawełczyk A.: Podstawy mikrobiologii w ochronie środowiska. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2006.
42.    Koper J., Piotrowska A., 1999: Aktywność enzymatyczna gleby jako parametr jej żyzności wywołany systemem uprawy. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. nr 467, s. 127-134.
43.    Koper J., Piotrowska A., Siwik A., 1999: Wpływ zróżnicowanego nawożenia gleby na kształtowanie się jej aktywności enzymatycznej. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. nr 467, s. 199-206.
44.    Kowalik P.: Ochrona środowiska glebowego. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2001.
45.    Kucharski J.: Relacje między aktywnością enzymów a żyznością gleby. [w] W. Barabasz (red.): Drobnoustroje w środowisku – Występowanie, aktywność i znaczenie. Wyd. Akademii Rolniczej w Krakowie, Kraków 1997, s. 327-347.
46.    Mackenzie A., Ball A.S., Virdee S.R.: Ekologia. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2000.
47.    Mocek-Płóciniak A., 2010: Wykorzystanie aktywności enzymatycznej do oceny wpływu antropogenicznych zmian wywołanych przez metale ciężkie w środowisku glebowym. Nauka Przyroda Technologie (Dział: Rolnictwo) tom 4, zesz. 6, s. 1-10.
48.    Myśków W., Stachyra A., Zięba S., Masiak D., 1996: Aktywność biologiczna gleby jako wskaźnik jej żyzności i urodzajności. Rocz. Glebozn. nr 47 (1/2), s. 89-99.
49.    Nicklin J., Graeme-Cook K., Paget T., Killington R.: Mikrobiologia. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2000.
50.    Papciak D., Zamorska J.: Podstawy biologii i biotechnologii środowiskowej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2005.
51.    Paul E.A., Clark F.E.: Mikrobiologia I biochemia gleb. Wyd. UMCS, Lublin 2000.
52.    Russel S.: Drobnoustroje a życie gleby. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 1974.
53.    Russel S.: Metody oznaczania enzymów glebowych. PTG. Komisja Biologii Gleby, Warszawa 1972.
54.    Russel S., 2005: Znaczenie badań enzymów w środowisku glebowym. Acta Agrophys. (Rozpr. i Monogr.) nr 3, s. 5-9.
55.    Schlegel H.G.: Mikrobiologia ogólna. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 1996.
56.    Smolik B., Nowak J., 2003: Próba wyznaczenia wskaźnika zanieczyszczenia środowiska glebowego produktami ropopochodnymi poprzez badanie aktywności niektórych enzymów glebowych. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. nr 492, s. 311-319.
57.    Szymczak J., Telesiński A., Kłódka D., Nowak J., 2009: Rola bentonitu i humusu w zmniejszeniu toksyczności metali ciężkich w stosunku do wybranych enzymów glebowych. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 41, s. 456-461.
58.    Telesiński A., 2012: Wpływ zasolenia na wybrane biochemiczne wskaźniki żyzności gleby. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 12 z. 1 (37), s. 209-217.

Eko-uprawy.pl © 2018