Enzymy glebowe

                         Gleba to powierzchniowa warstwa skorupy ziemskiej powstała ze skały macierzystej w wyniku tzw. procesu glebotwórczego. Gleba jest to ta część skorupy ziemskiej, która podlega działaniu klimatu i wegetacji roślinnej. Liczne definicją mówią o glebie jako kompleksie bio-organo-koloidalno-mineralnym. Gleba składa się z organizmów żywych, martwej substancji organicznej, minerałów, wody i powietrza.

                       Dla rolnika zasadniczym elementem odróżniającym glebę od innych tworów geologicznych jest jej zdolność dawania plonów; ponadto jest ona naturalnym siedliskiem rozwoju roślin co nie jest już przy obecnym stanie technologii i wiedzy cechą wyróżniającą. Znamy bowiem i umiemy tworzyć sztuczne układy, niczym gleby nie przypominające, w których możemy hodować rośliny na skalę gospodarczo użyteczną i osiągać w kulturach bezglebowych, plony nie ustępujące ilościowo i jakościowo plonom uzyskiwanym w rolnictwie i ogrodnictwie konwencjonalnym.

                      Tą cechą, która w sposób istotny wyróżnia glebę od innych tworów geologicznych i wszelkich sztucznych układów dających plony jest jej zdolność do samoreprodukcji, do spontanicznego odnawiania zasobów substancji koniecznych dla wzrostu i rozwoju roślin oraz innych organizmów glebę zasiedlających.

                      Gleba jest tworem żywym, metabolizującym. Można w niej znaleźć pewne analogie do organizmu. W glebie toczą się złożone przemiany chemiczne i biochemiczne nadające glebie jej przyrodnicze właściwości, czyniące z niej naturalne siedlisko życia roślin, umożliwiające stałą wegetację. Aktywność biologiczna, cecha wyróżniająca glebę od innych tworów geologicznych jest sumą, procesów chemicznych i biologicznych w niej zachodzących. Porównanie gleby do organizmu nie ograniczają się tylko do istniejącego w glebie zjawiska przemiany materii, ale wyrażają się również obecnością określonych powiązań i zależności pomiędzy wielokierunkowymi drogami metabolizmu glebowego. Metabolizm gleby jest oczywiście niemal wyłącznie metabolizmem zawartych w niej organizmów żywych (korzeni roślin, fauny i drobnoustrojów). Gleba zawiera pewien zasób wolnych enzymów. Są one wprawdzie pochodzenia biologicznego przyżyciowo wydalane przez komórki organizmów: egzoenzymy i uwalniane w procesach litycznych: endoenzymy ale działają już niezależnie od komórek macierzystych i aktywność ich regulowana jest stosunkami panującymi w glebie a nie w komórkach.

                      Enzymy pozakomórkowe wydzielane z żywych bądź zamierających komórek mogą być związane z fragmentami komórek ściany i błon komórkowych, fragmentami plazmy lub organelli komórkowych, mogą być akumulowane w glebie, gdzie tworzą labilne połączenia enzym-substrat, są adsorbowane na powierzchni cząstek mineralnych, lub wchodzą w związki kompleksowe z koloidami substancji humusowych, a nawet częściowo i krótkoterminowo w roztworze glebowym. Zjawisko katalitycznej działalności gleby sygnalizował już Liebig w 1844 roku. Systematyczne i pogłębione badania nad enzymatyką gleb zapoczątkowali W. Kuprewicz i E. Hofmann w latach pięćdziesiątych ubiegłego stulecia. Wysnuli oni interesujące koncepcje pochodzenia, rozmieszczenia, trwałości i znaczenia enzymów uwalnianych do środowiska glebowego. Badaczom tym zawdzięczamy opracowanie metod ujawniania i określania aktywności enzymatycznej gleby. Szczególną uwagę poświęcał Hofmann zabiegom pozwalającym na odróżnienie działalności wolnych enzymów od aktualnej działalności biochemicznej żywych drobnoustrojów.

                         W ciągu ostatniego półwiecza enzymatyce gleb poświęcono bardzo wiele prac zmierzających do wyjaśnienia różnych aspektów biologii gleby. Zainteresowanie tymi kierunkami badań wykazują nie tylko biologowie, ale również rolnicy poszukujący mikrobiologicznych i biochemicznych wskaźników pomocnych w prognozowaniu. Mikroorganizmy wydzielają czynnie do gleby bardzo dużo różnych enzymów, ale najważniejszymi w procesach przemian zachodzących w środowisku pól uprawnych są te, które biorą bezpośredni udział w degradacji celulozy i innych składników komórek resztek roślinnych, oraz cyklów przemian azotu, fosforu i siarki. Degradacja polimerów węglowodanowych, azotowych i innych wymaga wieloskładnikowych systemów enzymatycznych produkowanych przez różne grupy zespołu edafonu gleby. Każda komórka i każdy gatunek drobnoustrojów może w ten sposób zmieniać skład chemiczny i właściwości fizyczne własnej niszy ekologicznej. Enzymy glebowe są naturalnymi mediatorami i katalizatorami wielu ważnym procesów glebowych, takich jak:

– rozkład uwalnianej do gleby podczas wegetacji roślin substancji organicznej;

– reakcje powstawania i rozkładu próchnicy glebowej;

– uwalnianie i udostępnianie roślinom substancji mineralnych;

– wiązanie azotu cząsteczkowego;

– detoksykacja ksenobiotyków;

– nitryfikacja i denitryfikacja.

Tab. 1. Niektóre enzymy wyekstrahowane z gleb i  reakcje przez nie katalizowane (Tabatabai i Fung 1992).

                        Oznaczenie aktywności enzymów jest oparte 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, stężenia substratów.

                        Często określa się aktywność dehydrogenaz, gdyż są one nie tylko enzymami konstytucyjnymi (stale syntetyzowane w komórce), lecz występują tylko w systemach żywych. Różne barwniki, takie jak chlorek trifenylotetrazolu, który utleniony jest bezbarwny, lecz zmienia barwę na czerwoną po redukcji, można dodawać do gleby, ekstrahować po inkubacji zredukowaną formę barwnika i jego ilość przyjmować jako wskaźnik aktywności dehydrogenazowej w glebie. Enzymy zasadnicze dla procesu proliferacji komórek są zlokalizowane w cytoplazmie i związane z membranami komórkowymi.

                        W glebie można wykryć szeroką gamę aktywności enzymatycznych, które nie są bezpośrednio związane z aktywnością mikroorganizmów. Są to enzymy obecne w nasionach roślin, sporach grzybowych, endosporach bakteryjnych, cystach pierwotniaków i korzeniach roślin. Kłopoty z oddzieleniem tła aktywności enzymów związanych z glebą od aktywności enzymatycznej organizmów glebowych i korzeni roślin to jedna z przyczyn rudności w interpretacji wyników badań związanych z aktywnością  enzymatyczną w glebie.

                        W badaniach enzymatycznych gleby poszukuje się enzymów, których aktywność może służyć jako „wskaźnik żyzności gleby”, który obok analiz chemicznych pozwolił ocenić dostępność w glebie związków pokarmowych dla roślin. Liczne badania pokazały, że wiarygodną ocenę jakości gleby mogą dać badania aktywności szeregów enzymów, liczebności wybranych grup mikroorganizmów, zawartość form substancji organicznej (węglowej i azotowej), które pozwalają zarejestrować zmiany specyficznych zdolności kompleksu glebowego zachodzące pod wpływem systemu upraw, nawożenia, warunków klimatycznych wpływu czynników antropogenicznych – pestycydów i 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 wzrastającym zainteresowaniem.