Mikrobiyoloji ve Toprak

[acemi_caylak]

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.