Reakcje chemiczne zachodzące w samych organizmach jak i poza nimi (np. w glebie), powinny zachodzić w określonej kolejności, a ich intensywność musi być regulowana. Nauką zajmującą się tymi reakcjami jest biochemia. Najbardziej bezpośrednimi czynnikami koordynacji procesu biochemicznego są katalizatory organizm-enzym.
Mikroorganizmy bytujące w glebie wydzielają do gleby dużą ilość różnych enzymów, z których największe znaczenie dla procesów przemian zachodzących w środowisku pól uprawnych i sadów mają enzymy biorące bezpośredni udział w degradacji celulozy i innych składników komórek resztek roślinnych, oraz cyklów przemian azotu, fosforu i siarki. By mogła zachodzić degradacja polimerów węglowodanowych, azotowych i innych, niezbędna jest jednak obecność całych wieloskładnikowych systemów enzymatycznych, które produkowane są przez różne grupy zespołu edafonu gleby.
Edafon glebowy to pojęcie ogólne, obejmujące wszystkie organizmy żywe żyjące w przypowierzchniowej części gleby. Zalicza się do nich glony, mikroorganizmy oraz zwierzęta takie jak: pierścienice, nicienie glebowe, larwy owadów. Edafon stanowi ok. 5% objętości gleby. Tak ważny edafon glebowy jest sprzymierzeńcem rolnika i sadownika, jednak często bywa niszczony wskutek niewiedzy i stereotypowych przekonań, w trakcie wiosennych wypaleń traw i ściernisk, lub źle przeprowadzanych akcji owadobójczych na polach uprawnych (np. przy użyciu zbyt dużych toksycznych stężeń środka owadobójczego na 1 m2 pola uprawnego). Tymczasem to właśnie organizmy sprawnie działającego żywego edafonu glebowego są niewyczerpanym źródłem enzymów glebowych.
Dzięki degradacji polimerów węglowodanowych, azotowych i innych, każda komórka i każdy gatunek drobnoustrojów może w ten sposób zmieniać skład chemiczny i właściwości fizyczne własnej niszy ekologicznej. Enzymy glebowe w procesie tym pełnią rolę naturalnych mediatorów i katalizatorów wielu ważnych procesów glebowych. Wśród takich procesów glebowych wyróżnić można m.in.: nitryfikację i denitryfikację, wiązanie azotu cząsteczkowego, rozkład uwalnianej do gleby podczas wegetacji roślin substancji organicznej, reakcje powstawania i rozkładu próchnicy glebowej, uwalnianie i udostępnianie roślinom substancji mineralnych, detoksykację ksenobiotyków i inne. W glebie zachodzi zatem proces biotransformacji, inaczej nazywany też biokonwersją, czyli enzymatyczną katalizą przekształcania struktury chemicznej związków organicznych i nieorganicznych, ze związków np. słabo lub nierozpuszczalnych, w łatwo rozpuszczalne formy gazowe. Są to procesy: utlenienia, redukcji, hydrolizy, izomeryzacji, kondensacji, estryfikacji, fosforylacji, aminacji, halogenacji, glikolizacji, laktonizacji, dekarboksylacji, dealkalzacji itp.
Enzymy wyekstrahowane z gleb podzielono na trzy główne grupy: oksydoreduktazy, hydrolazy i liazy. Wśród bardziej znanych oksydoreduktaz można wymienić m.in. takie jak: katalaza, peroksydaza, monooksygenaza monofenolowa (inaczej oksydaza polifenolowa). Wśród hydrolaz można wymienić m.in.: karboksylesterazę, arylesterazę, fosfatazę alkaliczną, fosfatazę kwaśną, celulazę, B-glukozydazę, ureazę, proteinazy, fruktofuranozydazę (inaczej inwertaza). Natomiast wśród do liaz zaliczamy m.in. dekarboksylazę aromatycznych L-aminokwasów.
Działanie enzymów jest różnorodne. Maja one bowiem zdolność do obniżania energii aktywacji procesów które inicjują i stymulują. Należy jednak wyjaśnić, że enzymy jako katalizatory organiczne, same bezpośredniego udziału w reakcji nie biorą. Łączą się natomiast na chwilę z substratem, przez co umożliwiają daną reakcję (inicjują ją). Enzymy charakteryzują się daleko posuniętą specyficznością – jeden enzym katalizuje tylko jeden typ reakcji. Biorą też udział zarówno w reakcjach rozkładu jak i syntezy. Istnieje tu jednak pewna prawidłowość. Otóż enzymy syntetyzujące na ogół działają wewnątrzkomórkowo (endoenzymy), a enzymy rozkładające są wydzielane poza komórkę (egzoenzymy – np. enzymy glebowe). Enzymy są także bardzo wrażliwe na działanie wszelkich trucizn (zarówno te będące składnikami komórkowymi, jak i te wydzielone pozakomórkowo).
Do podstawowych funkcji enzymów zalicza się uwalnianie potencjalnej energii chemicznej, znajdującej się w wiązaniach kowalencyjnych cząsteczek. Wzrasta wówczas szybkość reakcji spontanicznych, czyli termodynamicznie możliwych. Enzymy zwiększają także szybkość reakcji endoergicznych. Jednak muszą być przy tym sprzężone z reakcjami egzoergicznymi. Enzymy powodują też, że reakcje samorzutne przebiegają stosunkowo szybko w warunkach fizjologicznych panujących w organizmie (endoenzymy) lub poza nim (w przypadku egzoenzymów).
Jak już wiadomo, gleba jako powierzchniowa warstwa skorupy ziemskiej, posiada zdolność samoreprodukcji, czyli odnawiania zasobów niezbędnych dla prawidłowego funkcjonowania żywych organizmów, w tym roslin. Podsumowując można więc stwierdzić, że zarówno mikroorganizmy, jak i ich metabolity zwane enzymami (enzymy glebowe), aktywnie uczestniczą w rozkładzie materii organicznej, detoksykacji ksenobiotyków mineralnych (metali ciężkich) oraz procesach glebotwórczych. Niezbędne są zatem badania aktywności enzymatycznej w glebie, które odzwierciedlają jej wpływ na optymalizację wegetacji roślinnej w glebie w celu osiągnięcia jak najwyższej wydajności plonów, oraz stopień (enzymy glebowe jako wskaźnik żyzności gleby). A także jej wpływ na wielkość zanieczyszczenia środowiska naturalnego.
BIBLIOGRAFIA
1. Bednarek R., Dziadowiec H., Pokojska U., Prusinkiewicz Z.: Badania ekologiczno-gleboznawcze. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2004.
2. 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.
3. 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.
4. Brzezińska M., Włodarczyk T., 2005: Enzymy wewnątrzkomórkowych przemian redoks (oksydoreduktazy). Acta Agrophysica (Rozpr. i Monogr.) nr 3, s. 11-26.
5. Chmiel A.: Biotechnologia – podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 1994.
6. Encyklopedia biologiczna. Agencja Publicystyczno-Wydawnicza OPRES, Kraków 1998.
7. 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.
8. Gołębiowska J.: Mikrobiologia rolnicza. Wyd. PWRiL, Warszwa 1986.
9. 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.
10. Klimiuk E., Łebkowska M.: Biotechnologia w ochronie środowiska. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2003.
11. Kobus J., 1995: Biologiczne procesy a kształtowanie żyzności gleby. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. nr 421a, s. 209-219.
12. Kołwzan B., Adamiak W., Grabas K., Pawełczyk A.: Podstawy mikrobiologii w ochronie środowiska. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2006.
13. 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.
14. 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.
15. Kowalik P.: Ochrona środowiska glebowego. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2001.
16. 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.
17. Mackenzie A., Ball A.S., Virdee S.R.: Ekologia. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2000.
18. 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.
19. 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.
20. Nicklin J., Graeme-Cook K., Paget T., Killington R.: Mikrobiologia. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 2000.
21. Papciak D., Zamorska J.: Podstawy biologii i biotechnologii środowiskowej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2005.
22. Paul E.A., Clark F.E.: Mikrobiologia I biochemia gleb. Wyd. UMCS, Lublin 2000.
23. Russel S.: Drobnoustroje a życie gleby. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 1974.
24. Russel S.: Metody oznaczania enzymów glebowych. PTG. Komisja Biologii Gleby, Warszawa 1972.
25. Russel S., 2005: Znaczenie badań enzymów w środowisku glebowym. Acta Agrophys. (Rozpr. i Monogr.) nr 3, s. 5-9.
26. Schlegel H.G.: Mikrobiologia ogólna. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 1996.
27. 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.
28. 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.
29. Telesiński A., 2012: Wpływ zasolenia na wybrane biochemiczne wskaźniki żyzności gleby. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie t. 12 z. 1 (37), s. 209-217.