Toprak Enzimleri
Toprakların toplam biyokimyasal aktivitesi, enzimler tarafından katalizlenen bir seri reaksiyonları kapsamaktadır. Bu reaksiyonlar yaşayan veya ölü organizmalar içinde olabildiği gibi hücre dışı (ekstrasellüler) enzimler tarafından da yürütülebilir. Ekstrasellüler enzimler serbest veya toprak kolloidlerine bağlı durumda olabilir. Toprakta 50' den fazla enzimin aktivite gösterdiği saptanmıştır.
Bu enzimler çoğunlukla
oksidoredüktazlar (oksidaz, dehidrogenaz), hidrolazlar (esteralazlar, karbohidrolazlar) ve transferazlar (taşıyıcı enzimler)şeklinde gruplanırlar.
Toprak enzimleri, toprağın diğer biyolojik özellikleri ile yakın bir ilişkiye sahip olup, topraktaki mineralizasyon prosesinde önemli bir rol oynamaktadır. Enzimler topraktaki canlı hücrelerle veya abiyotik enzimler olarak ifade edilen hücreler, hücre kalıntıları ve aktif enzimlerle ilişki içinde olabilmektedir.
Topraktaki mikrobiyal ayrışma olayları, başlangıçta
lignoselülozlar gibi büyük moleküllü polimerlerin ekoenzimler ile etkilenerek
depolimerizasyona (parçlanma) uğraması ile gerçekleşir. Topraktaki çok çeşitli organik substratı etkileyebilecek bir enzim sistemi bulunmaktadır.Topraklardaki
selüloz (selülozu ayrıştıran ekso-enzimler) kompleksi tam olarak anlaşılabilmiş değildir. Bu ayrışma süreci toprak biyoteknolojisi bakımından da büyük öneme sahiptir.
Thorton ve McLaren tarafından tanımlamış toprak enzimleri aşağıdaki tablodaki gibidir. (1975)
| Enzim | Katalizlediği Reaksiyon |
| Oksidoredüktazlar | |
| Katalaz | 2 H2O2 ——> 2H2O+O2 |
| Katesol oksidaz (tirosinaz) | o-difenol+1/2 O2 ——> o-kinon+H2O |
| Dehidrogenaz | XH2+A ——> X + A H2 |
| Difenol oksidaz | p-difenol + 1/2 O2 ——> p-kinon + H2O |
| Glikoz oksidaz | Glikoz + O2 ——> glukonik asit + H2O |
| Peroksidaz ve polifenol oksidaz | A + H2O2 ——> okside A+ H2O |
| Ürat oksidaz (urikaz) | Ürik asit + O2 ——> allantoin + CO2 |
| Transferazlar | |
| Transaminaz | R1R2-CH-NH3+R3R4 CO ——>R3R4-CHNH3+R1R2 CO |
| Transglikosilaz ve Levansükraz | nC12H22O11+ROH ——> H (C6H10O5) n R+nC6H12O6 |
| Hidrolazlar | |
| Asetilesteraz | Asetik ester + H2O——> Alkol+asetik asit |
| α veβ amilaz | 1,4 glikozidik bağların hidrolizi |
| Asparaginaz | Asparagin+ H2O ——>Aspartat+ NH3 |
| Selülaz | β-1,4 glukan bağlarının hidrolizi |
| Deamidaz | Karboksilik asit amid + H2O ——> Karboksilik asit + NH3 |
| β - Fruktofuranozidaz (invertaz, sükraz, sakkaraz) | β-fruktofuranozid+ H2O—>ROH+ Fruktoz |
| α- ve β- galaktozidaz | Galaktozid+ H2O ——> ROH+galaktoz |
| α- ve β- glikozidaz | Glikozid+ H2O ——> ROH+glikoz |
| İnulaz | β- 1,2 fruktan bağlarının hidrolizi |
| Likenaz | β - 1,3 selotrioz bağlarının hidrolizi |
| Lipaz | Trigliserid+3H2O —>gliserin+yağ asitleri |
| Metafosfataz | Metafosfat ——> ortofosfat |
| Nükleotidaz | Nükleotidlerin defosforilasyonu |
| Fosfataz | Fosfat esterleri + H2O ——> ROH+fosfat |
| Fitaz | İnositol hekza fosfat + 6 H2O ——> inositol+ 6 fosfat |
| Proteaz | Proteinler ——> peptidler ve amino asitler |
| Pirofosfataz | Pirofosfat + H2O ——> 2 ortofosfat |
| Üreaz | Üre ——> 2NH3 + CO2 |
Selüloz ayrışmasında C1-selülaz (veya ekso-glikonaz) sinerjistik olarak çalışmakta ve C1-selülaz aktivitesi için gereken substrat bölümleri Cx-selülaz tarafından üretilmektedir. Bu ardışık süreçte şöyle bir mekanizma işlemektedir:
Önce selüloz selülaz enzimi tarafından Sellobioz'a daha sonra Sellobioz Sellobiaz ve β- glikozidaz enzimi tarafından glikoza dönüştürülmektedir.
Selüloz ———— > Sellobioz ————> Glikoz
Azot döngüsü tarımsal, ekonomik ve ekolojik önemi olan temel döngü olaylarındandır. Azot fiksasyonundan sorumlu olan nitrogenaz enzimi üzerinde yoğun bir şekilde çalışılan bir enzim olmakla birlikte, topraktaki azotlu bileşiklerin ayrışmasının son kısmında etkili olan
üreaz enzimi de çok önemli ekstrasellüler bir toprak enzimidir. Nükleik asit mineralizasyonundan türeyen veya hayvan salgılarında bulunan ve aynı zamanda önemli bir ticari gübre olan ürenin bitki ve diğer mikroorganizmaların büyük kısmının yararlanabileceği şekle dönüşümü üreaz enzimi tarafından gerçekleştirilir:
NH2CONH2———— > NH2COOH+NH3 ———— > CO2+2NH3
Oluşan son ürün amonyak olup toprak çözeltisinde amonyum iyonlarına çevrilir ve daha sonra
kemolitotrofik bakteriler tarafından nitrata dönüştürülür.
Topraktaki Enzimatik Reaksiyonların Önemi ve Verimliliğe Etkileri
Pekçok sayıda bitkisel ve hayvansal canlıları barındıran toprak, miktarları değişik olmakla birlikte, birçok ölü biyolojik maddeleri de ihtiva eder. Toprak mikroorganizmaları kendileri için lüzumlu besin maddelerini çevrelerindeki biyolojik maddelerden sağlamak zorundadırlar. Mikroorganizmaların en önemli faaliyetlerinden biri organik maddenin mineralizasyonu, yani kompleks organik maddeleri basit anorganik bileşiklere veya besin iyonlarına kadar parçalanmasıdır.
Toprağa düşen bitkisel ve hayvansal artıklardaki besin elementleri yüksek polimer bileşikler halinde kaldıkları sürece, yüksek bitkiler ve mikroorganizmalar bunlardan doğrudan doğruya yararlanamazlar. Topraktaki organik maddelerin çoğu; örneğin
lignin, proteinler, protein karakterinde olmayan azotlu bileşikler, pektin maddeleri, selüloz ve diğer polisakkaritler mikroorganizmaların doğrudan doğruya adsorbe edemeyecekleri kadar büyük moleküllü bileşiklerdir.
Mikroorganizmaların toprakta bulunan büyük moleküllü organik maddelerden faydalanabilmeleri için, enzimlerini salarak bu bileşikleri, adsorbe edebilecekleri büyüklükte basit bileşiklere parçalamaları gereklidir. Bu nedenle, şimdiye kadar tanınmış enzimlerin hemen hepsi toprakta bulunmaktadır.
Topraktaki enzimlerin çok büyük kısmı, canlı toprak mikroorganizmalarının besin maddelerini parçalamak amacıyla dışarıya saldıkları
ekto-enzimlerle, mikroorganizmaların ölümünden sonra otoliz ile kısmen veya tamamen serbest hale gelerek toprağa karışmış enzimlerdir. Bu enzimler toprağın anorganik ve organik kolloidleri, örneğin
killer ve humin maddeleri tarafından adsorbe edilirler. Adsorbe edilmiş enzimler, dış etkilere karşı diğer enzimlerden daha dayanıklıdır. Aktivitelerini uzun süre koruyabilirler. Böylece enzimlerin etkileriyle, çoğu bitkisel olan topraktaki organik artıklar bir seri enzimatik reaksiyondan sonra küçük moleküllü basit bileşiklere parçalanırlar. Örneğin
karbohidraz enzimleri
selüloz, nişasta ve benzeri polisakkaritleri, disakkaritlere ve nihayet monosakkaritlere kadar parçalarlar. Proteazlar, proteinli maddeleri polipeptid, dipeptid, oligopeptid ve nihayet amino asitlerine kadar hidroliz ederler. Pektin parçalayıcı enzimler de
pektin maddelerini basit ürünlere kadar ayrıştırırlar.
Fosfataz, lipaz, sülfataz, tannaz gibi esteraz grubuna dahil enzimler, nükleik asitlerini ve diğer fosfat esterlerini fosfat anyonlarına kadar hidroliz ederler. Bu parçalanma ürünleri desmolaz enzim gruplarının etkisiyle, oksidasyon, redüksiyon, hidrogenasyon, karboksilasyon ve nitrifikasyon gibi çok karışık reaksiyonlardan sonra
amonyum, nitrat, fosfat, sülfat, kalsiyum, potasyum, sodyum iyonları ile diğer bazı iz elementlerin iyonu serbest hale gelir. Bu reaksiyonlar sonucu, gerek küçük kapalı moleküller haline ve gerekse iyonlar haline çevrilmiş parçalanma ürünlerinin bir kısmı mikroorganizmaya yem olur. Büyük kısmından bitkiler besin maddesi olarak istifade ederler ve bir kısmı da kendi aralarında gene enzimlerin etkileriyle çok çeşitli reaksiyonlara girerek daha büyük moleküllü ve daha dayanıklı humin maddelerine dönüşürler. Ortam şartlarına göre, mikroorganizmalar ve bitkiler bir senede bu maddelerin yaklaşık % 2 ile 3 ünden yararlanırlar.
Franzel'in yaptığı araştırmalara göre de yüksek bitki kökleri enzim salgılamamakta veya çok az salgılamaktadır.
Topraktaki aktif enzimlerin kökeninin mikrobiyal olduğu kabul edilebilir.
Organik madde ayrışmasında iki büyük mikroorganizma grubu etkin bir şekilde yer alır. Bunlar
mantar (fungi) ve bakteriler (bacteria) dir. Her iki grupta salgıladıkları eksoenzimler yolu ile aynı temel mekanizmayı kullanarak çözünmez durumda olan substratları hidroliz yolu ile ayrıştırırlar. Karasal ekosistemde organik maddenin ana bileşeni olan selülozik bitki kalıntılarının ayrışmasında, mantarların fiziksel organizasyonu bakterilerden daha avantajlı görülmektedir. Bakteriler de eksoenzimleri ile bitki dokularını çözebilmelerine rağmen, bitki dokularının arasına girebilecek mekanizmalardan yoksundurlar.
Oysa mantarlar hem kimyasal yönden hemde hifleri yolu ile mekanik basınç oluşturarak bitki dokularını daha hızlı bir şekilde ayrıştırırlar.