Трансформация органического вещества в почве. Образование гумуса

Микрофлора почвы

Биогеохимия образования почвы

Роль микроорганизмов в улучшении плодородия почв.

Почва — уни­кальная природная система. Главным свойством почвы является неразрывная связь входящих в нее живых и неживых (косных) компонентов. Их искусствен­ное разделение делает невозможным существование почвы и полностью раз­рушает ее как систему. Органическое вещество почвы состоит из слабоизмененных остатков растений, продуктов их измельчения и первоначального преобразования мезофауной и микроорганизмами, а также из специфических почвенных органических веществ. Две последние категории составляют соб­ственно почвенный гумус.

Гумусом называют содержащийся в почве аморфный, обычно темно-окрашенный материал биологического происхождения. В состав гумуса вхо­дят соединения, с трудом разлагающиеся микроорганизмами, - прежде всего лигнин, а также жиры, воски, углеводы ибелковые компоненты.

Почва образуется и функционирует как система при сочетании взаимо­обусловленной жизнедеятельности разных групп организмов среди которых:

-организмы, осуществляющие фотосинтетическое продуцирование орга­нического вещества (высшие растения);

-организмы, обеспечивающие деструкцию ежегодно отмирающих орга­нов растений (почвенная мезофауна и животные);

-организмы, производящие глубокую трансформацию продуктов дест­рукции, вплоть до их полной минерализации с выделением СОг и образованием специфических органических соединений почвы (микроорганизмы).

Суммарная сухая биомасса почвенных микроорганизмов во всей педо-сфере равна 7 • 10⁹ т. Количество микроорганизмов в почве достигает не­скольких миллиардов в 1г. Больше всего их в унавоженной и подвернутой обработке (пахоте и аэрации) почве — до 4,8-5,2 млрд в 1 г. Меньше микро­бов содержится в лесной почве, ещё меньше— в песках (0,9-1,2 млрд в 1 г). Вокруг корней растений имеется зона интенсивного роста и повышенной активности микробов. Поверхность корневой системы колонизируют пре­имущественно псевдомонады и грибы. Последние вступают в симбиотиче-ские отношения с растениями и образуют микоризу (грибокорень), стиму­лирующую рост обоих партнёров.

Наиболее многообразна и многочисленна микрофлора почвы на глу­бине 10-20 см, где протекают основные процессы превращения органических веществ, обусловленные деятельностью микробов. В глубоких слоях почвы микрофлора становится скудной.

Почвенная мезофауна производит первичную деструкцию растительных остатков. Дальнейшая трансформация органического вещества в почве проис­ходит под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов. Состав почвен­ного органического вещества весьма разнороден и его компоненты обладают неодинаковой устойчивостью и, следовательно, неодинаковой длительностью существования («временем жизни»).

Наиболее быстро разрушаются низкомолекулярные органические кисло­ты, аминокислоты, белки, жиры, моно- и дисахариды. Здесь особо важное значе­ние имеет деятельность неспороносных гетеротрофных бактерий, участвующих в трансформации органического вещества вплоть до конечного продукта его биохимического окисления — углекислого газа.

Медленнее осуществляется микробиологическое разложение полиса­харидов, целлюлозы (клетчатки) и особенно лигнина. Ответственная роль здесь принадлежит актиномицетам и грибам, которые разрушают эти наиболее устой­чивые компоненты растительных остатков. Целлюлозные миксобактергш пере­рабатывают устойчивые углеводы. Актиномицеты завершают процесс, разла­гая наиболее устойчивые компоненты растительных остатков и гумусовые ве­щества. Содержание актиномицетов весьма велико и часто измеряется милли­ардами экземпляров в 1 г почвы. Специфические почвенные органические со­единения — гуминовые кислоты и особенно гумин устойчивы к микробиоло­гическому воздействию, что обусловлено особенностями их структуры, вы­держивающей воздействие ферментов.

Образование гумусовых веществ протекает при участии процессов двух типов. Процессы первого типа обеспечивают частичное разложение по­ступивших органических соединений до более простых. Например, белки рас­щепляются на аминокислоты, углеводы — на простые сахара и т.д.

Процессы второго типа значительно сложнее. Это связано с тем, что гидролиз органических полимеров прерывается, если фермент встречается с неоднородностью в строении полимера. Примером может служить случай, когда фермент, специализированный на преобразовании целлюлозы, встреча­ется с лигнифициропанной частью полимера. Остатки труднопреобразуемых веществ накапливаются и служат исходным материалом для специфических химических реакций конденсации. Эти реакции, отсутствующие среди биоло­гических реакций полимеризации, приводят к образованию весьма устойчивых соединений.

В результате процессов второго типа происходит конденсация аромати­ческих соединений фенольного типа (продуктов распада лигнина и целлюлозы) с аминокислотами (продуктами распада микроорганизмов). В процессе окисления и конденсации образуются карбоксильные группы, которые вместе с фенолгидроксильными группами способствуют кислотному характеру гумусовых веществ. Основными компонентами гумуса являются гуминовые и фульвокислоты, их соли, а также гумин — своеобразный комплекс сильно полимеризованных вы­сокомолекулярных гумусовых кислот, связанных с высокодисперсными мине­ральными частицами. Между этими компонентами существуют переходы.

Одновременно с гумификацией растительного материала происхо­дит обогащение его азотом. Значительная часть азота переводится в органи­ческие соединения, т.е. в такую форму, в которой растения не могут его ис­пользовать. Особенно прочно связывает азот лигнин. Этот процесс служит источником лигнопротеинов и гетероциклических соединений. Гумус нахо­дится как бы в состоянии динамического равновесия: с одной стороны коли­чество его все время пополняется за счет притока органических остатков, а с другой - убывает, так как часть гумуса подвергается полному окислению. Содержание гумуса в почве тем выше, чем в большей мере почвенные усло­вия способствуют его образованию и чем они менее благоприятны для его распада.

Малое количество гумуса в почве тропических районов связано с бы­стрым разложением любых органических веществ под действием микроорга­низмов, развитию которых способствует тропический климат. Степной чер­нозем образуется в областях с продолжительной холодной зимой и сухим ле­том.

В то время как чисто минеральная почва бедна микроорганизмами, в почве, богатой гумусом, она представлена разнообразием видов. Такой ком­плекс, присутствующий и в неудобренной почве, называют автохтонным в отличие от зимогенного, доминирующего при внесении в почву органиче­ских веществ. Таким образом, стабилизирующее действие гумуса на почвен­ную динамику связано также и с тем, что оно обеспечивает поддержание бо­гатой почвенной микрофлоры.

Таким образом, гумус почв играет двоякую роль. С одной стороны, он выступает как источник азота и других элементов, приоритетно необходимых для высших растений и освобождающихся из органического вещества в резуль­тате микробиологической деятельности. Поэтому гумус почв — важный фактор продуктивности фитоценозов и плодородия почв. С другой стороны, гумусовые кислоты и их производные благодаря особенностям молекулярного строения активно влияют на миграцию и аккумуляцию химических элементов в педо-сфере. По этой причине гумусовые вещества являются важной частью механиз­ма регулирования миграционных потоков в педосфере.

Быстрое разложение растительных остатков происходит при условии свободного газообмена почвы с атмосферой, который способствует активной аэробной мезо- и микробиологической деятельности. В тех местах, где мертвое ор­ганическое вещество насыщено водой, газообмен затруднен. Это подавляет деятельность аэробных организмов, сильно замедляет разложение раститель­ных остатков и приводит к образованию торфа. Замедлению процесса также способствует присутствие в торфяных водах растворимых органических соеди­нений с антисептируюшими свойствами. В результате полуразложившиеся ос­татки растений сохраняются в торфяных залежах тысячи лет.

Таким образом, почва - это не только основной источник производства продуктов питания для населения земного шара, но и важнейшее звено гло­бальной системы всей биосферы. Ответственное значение почвы связано с ее ролью регулятора многих биогеохимических циклов. С участием микроорга­низмов в почве систематически:

консервируется значительная масса синтезированного высшими рас­тениями органического вещества, что обеспечивает нахождение в атмосфере свободного кислорода;

продуцируется углекислый газ, необходимый для непрерывного фо­тосинтеза и воспроизводства живого вещества;

осуществляется преобразование инертного молекулярного азота в формы, доступные для включения в биологический круговорот;

происходят сложные процессы трансформации соединений элементов-биогенов, в первую очередь серы и фосфора.

Дата добавления: 2014-01-07