Окислювально-відновні.

В. І. Вернадський розрізняв дві протилежні біогеохімічні функції цієї групи. У природі вони перебувають у відомій кореляції й тісно пов'язані з історією вільного кисню.

1. окисна - окисляються більше бідні киснем сполуки (у ґрунті, у корі вивітрювання, у гідросфері): солі, закиси Fe, Mn, нітрити, H₂S, N₂ і т.д. Окисна функція виконується в основному бактеріями, переважно гетеротрофами;

2. відновна - виконується специфічними бактеріями й грибами, що спричиняють розвиток реакцій десульфування, денітрифікації, реакцій з утворенням сірководню, окислів азоту, сірчистих металів, метану, водню й т.д.

Більшість відомих і можливих окислювально-відновних систем у ґрунтах вивчені недостатньо. Д.С. Орлов перераховує окислювально-відновні системи, які частіше за інші зустрічаються в ґрунтах: Fe⁺³–Fe⁺²; CO₂–CH₄; NO_{3 -}NО₂–NH₃; SO₄–H₂S; PO₄–PH₃; Mn⁺²–Mn⁺³–Mn⁺⁴; Cu⁺¹–Cu⁺²; Co⁺² - Со⁺³.

У багатьох випадках перехід іонів у низьковалентні форми сприяє підвищенню їхньої геохімічної рухливості. Так, двовалентні форми іонів заліза й марганцю значно більш рухливі, чим високовалентні.

Низьковалентні сполуки азоту й сірки відрізняються летючістю.

Однак для урану, ванадію, молібдену, хрому найбільш розчинними й геохімічно рухливими є високовалентні окислені форми. Це приводить до істотних розходжень у ґрунтовій і геохімічній історії елементів, спричиняючи диференціацію їх у часі й просторі.

3. Біохімічні.

Ця група функцій різко відрізняється від інших тим, що центр її дії перебуває не в зовнішнім середовищі, а усередині організмів і найтіснішим чином пов'язаний з біохімічними процесами побудови організму й смерті. Саме ці функції найбільше яскраво характеризують різке розходження хімічного прояву живої речовини в порівнянні з косною матерією. По В. І. Вернадському, біохімічні функції в межах живої речовини розпадаються на дві:

1-а біохімічна - пов'язана з харчуванням, диханням, розмноженням організмів, які для або в результаті цього поглинають або виділяю різні речовини.

2-а біохімічна - пов'язана з постмортальним руйнуванням тіл живих організмів. При цьому відбувається ряд біохімічних перетворень: живе тіло -біокосне - косне.

Жива речовина бере активну участь у процесах вивітрювання, а постмортально органічна речовина є одним з найбільш важливих складових ґрунтів.

Щорічно в ґрунт надходить величезна кількість органічних речовин, тут вони через ряд перетворень трансформуються в специфічну ґрунтову органічну речовину - гумус.

Різний склад органічних сполук, що потрапляють у ґрунт, неоднакові ґрунтово-кліматичні умови, різна спрямованість і інтенсивність мікробіологічних процесів сприяють утворенню складної системи органо-мінеральних сполук.

Набір і склад органічних сполук, що надходять у ґрунти й беруть участь у біогеохімічних кругообігах, дуже великі.

- Головні джерела органічних сполук очевидні: це тіла, що відмирають, або частини тіл організмів - рослин і тварин, що живуть на тих або інших територіях;

- Другим джерелом можуть бути прижиттєві виділення тварин, що живуть на цій території;

- Третім - внесені при культурному використанні земель органічні добрива, деякі пестициди;

- Нарешті, можуть бути природні або техногенні виходи й розливи нафти, кам'яного вугілля. Органічні сполуки можуть надходити й у вигляді древісного вугілля в результаті лісових пожеж або не повністю згорілих органічних залишків.

Загальний набір органічних сполук, що потрапляють у ґрунти дуже великий. Найважливіше значення мають білки, вуглеводи, лігнін, жири, воски, смоли.

Головне в оцінці ролі органічних сполук - участь різних груп органічних сполук у гуміфікації й ґрунтоутворенні.

Перша, і дуже важлива група, - білки - природні високомолекулярні полімери, побудовані із залишків амінокислот, з'єднаних пептидним зв'язком --CO-NH-.

Кожний білок характеризується специфічною послідовністю амінокислот і індивідуальною просторовою структурою (конформацією). Різних білків дуже багато. Прості складаються тільки з амінокислотних залишкі, складні можуть включати іони металів, або пігменти, або ліпіди, або нуклеїнові кислоти й т.д.

При відмиранні будь-яких організмів білки попадають у ґрунт і можуть піддаватися наступним перетворенням:

- білки споживаються мікроорганізмами, або безхребетними й хребетними організмами, які у свою чергу після своєї смерті залишають білки, часто вже іншого складу;

- білки піддаються розкладанню (гідролізу) до пептидів або амінокислот;

- білки або їхні компоненти - амінокислоти - мінералізуються. Кінцевими продуктами при цьому будуть вода й аміак;

- частина білків, пептидів, амінокислот входить до складу гумінових речовин.

Вуглеводи - питання про біогеохімічну роль цих сполук вивчений дуже слабко. Мало конкретних матеріалів і для з'ясування їхньої участі в гумусових сполуках. Одна із причин у тім, що вуглеводи легко окисляються в ґрунтах і стають доступними різним мікроорганізмам, які їх охоче споживають і як джерело енергії і як будівельний матеріал.

У гідролізатах гумусових речовин виявляється досить багато сполук вуглеводної природи. Звичайно це гексози - 20-40% від суми цукрів, причому іноді до 60 % з них приходиться на частку глюкози. Пентози займають 4-9%, уронові кислоти - 5-20%.

Лігнін відноситься до числа найбільш важливих природних сполук, він відіграє важливу роль у біогеохімічних процесах і в ґрунтоутворенні.

Справа в тому, що в числі відомих природних органічних сполук лігнін відомий як один з найбільш стійких до розкладання, і його фрагменти зберігаються в природному середовищі довше інших. Імовірно, з ним за цієї властивості зрівнюється тільки хітин.

Термін «лігнін» походить від латинського lignum - дерево, деревина. Лігнін знаходиться в клітинних стінках і міжклітинному просторі рослин і скріплює целюлозні волокна. Від нього залежать проникність клітинних стінок для води й поживних речовин (лігнін її знижує), механічна міцність стовбурів і стебел.

З біогеохімічної точки зору лігнін цікавий тим, що це одна з найбільш стійких до розкладання органічних сполук, що надходять у ґрунт із рослинним спадом.

По-друге, дуже важливо те, що він містить бензольні ядра, що несуть ряд замісників водневих атомів.

Лігнін добре гуміфікується, хоча в ранній літературі можна зустріти твердження про те, що лігнін взагалі не піддається гуміфікації.

При розкладанні лігнін може утворювати різні мономери - найпростіші кислоти й феноли, бензойні кислоти, а також більш складні продукти розпаду, що містять по кілька ароматичних кілець.

Точно встановлено, що при гуміфікації лігніну в ньому падає вміст вуглецю: від 62-65 до 59-60%, зменшується й вміст водню. Частка метоксильних груп знижується від 11-12% до 5-6%, тобто відбувається деметилювання - один з найбільш важливих і характерних процесів. У той же час різко зростає кількість карбоксильних груп, накопичується й азот. У лігніні його немає або майже немає, а при гуміфікації частка азоту може зрости до 3-4%.

Все це дозволяє вважати лігнін одним з найбільш важливих джерел для утворення гумінових речовин.

Іноді говорять, що лігнін не може бути таким джерелом, оскільки в підзолистих ґрунтах гумінових речовин мало, а лігніну в рослинних залишках багато. І, навпаки, у степових рослинах лігніну мало, а гумінових речовин багато. Але в багаторічних травах лігніну 15-20%, а в деревних рослинах - 20-30%, тобто різниця не настільки вже велика, але зате щорічний опад у степах може значно перевищувати опад у лісах, і тому кількість лігніну в степових ґрунтах така ж або навіть вище, ніж у лісах.

Жири. Ця група сполук у ґрунтах вивчена настільки погано, що не має реальних відомостей про вміст тих або інших жирів у ґрунтах, про їхню трансформацію, долю й т.д. Хоча жири завжди є в залишках рослин, мікроорганізмів, тварин, і разом з ними постійно надходять у ґрунт.

Жири можуть гідролізуватися, утворюючи гліцерин і жирні кислоти. Звичайно, потрібні каталізатори, у ґрунті їх достатньо, зокрема, цю роль можуть виконувати шаруваті алюмосилікати, деякі оксиди.

Жири - активні компоненти ґрунтового гумусу, і їхня слабка вивченість обумовлена декількома причинами.

Одна з них - малий вміст жирів у рослинних залишках.

Друга - їх висока реакційна здатність, що спричиняє швидке розкладання й гарну засвоюваність мікроорганізмами. Має значення й активне хімічне розкладання під дією кисню повітря й світла.

У залишках рослин, тварин і мікроорганізмів є безліч інших груп органічних сполук, але відомостей про їхню долю в ґрунті, про ті перетворення, яким вони піддаються, про реакції, у яких вони беруть участь, порівняно мало.

Це стосується восків, смол, пігментів і т.д. Ці сполуки не менш важливі й відіграють певну роль у біогеохімічних явищах, але їхня фактична участь у конкретних біохімічних і хімічних процесах дуже мала й тому дуже погано вивчена.

Гумусові речовини. У ґрунтовому середовищі будь-які органічні залишки піддаються перетворенням двох різних типів: мінералізації й гуміфікації.

Будь-які органічні сполуки можуть у ґрунті й інших природних середовищах поступово розкладатися, утворюючи вуглекислий газ, воду, аміак. Останній, взаємодіючи з водою, утворить іон амонію. Звичайно, при цьому виникає ряд проміжних сполук: амінокислоти, поліпептиди, моносахариди й т.д. Всі вони можуть або розкладатися до кінцевих продуктів або утворювати деякі прості, перехідні форми сполук, які, в кінці кінців, приводять до формування гумінових речовин.

У цілому, 95-88% всіх рослинних залишків мінералізуються до кінцевих продуктів, і тільки невелика частка щорічного опада бере участь в утворенні власне гумусових речовин.

Склад ґрунтового гумусу динамічний. Він безупинно обновляється за рахунок розкладання й синтезу його компонентів. Але найбільш консервативна частина гумусу залишається незмінною тривалий час. Зберігаючи риси, властивому даному типу ґрунтоутворення, ця частина гумусу забезпечує стабільність всій системі гумусових сполук.

Гумінові кислоти мають близько 15 різних видів функціональних груп, але їхня реакційна здатність пов'язана з карбоксильними й фенолгідроксильними групами, водень яких може заміщатися іншими катіонами.

У ґрунті вільні гумінові кислоти присутні в надзвичайно малій кількості, звичайно вони активно взаємодіють із мінеральною частиною, утворюючи солі - гумати кальцію, магнію, натрію, амонію й т.д., складні внутрішьокомплексні сполуки з катіонами заліза й алюмінію, важких металів.

Гумінові кислоти і їх солі із двовалентними катіонами не розчиняються у воді, але розчиняються в лужних розчина х.

Зате розчиняються у воді гумати одновалетних катіонів, що відіграє важливу роль у ґрунтах з високим вмістом поглиненого натрію в складі ГПК (ґрунтово-поглинального комплексу).

Взаємодії іонів важких металів з гумусовими речовинами можуть бути описані як адсорбція на поверхні, хелатування, йонообмінні реакції, коагуляція й пептизація. Основними продуктами взаємодії є прості солі - гумати й фульвати важких металів, а також комплексні й внутрікомплексні (хелатні) металовмісні сполуки.

Дата добавления: 2014-01-04