4. Органічний і біокомпонент грунту.

Органічною речовиною грунту називають сукупність усіх органічних сполук, присутніх в грунті, за винятком речовин, що входять до складу живих організмів. Мертву органічну речовину в грунті поділяють на залишки тварин і рослин, що не втратили анатомічної будови, і гумус - органічна речовина на різних стадіях розкладання.

Грунтовий гумус є складним комплексом органічних сполук, його склад безперервно оновлюється в результаті розкладання і синтезу органічних речовин. У складі гумусу з точки зору морфології виділяються наступні складові частини. Так званий грубий гумус є залишками бурого кольору, що слабо розклалися, переважно рослинного походження, в яких під мікроскопом помітні деталі рослинної тканини. Залишки у стадії глибокого перетворення мають вигляд однорідної чорної маси перегною, що частково зберігають релікти клітинної будови. Власне гумус є специфічними грунтовими органічними утвореннями, дифузно розподіленими в грунтовій масі у вигляді згустків, що склеюють мінеральні частки грунту.

У складі гумусу з хімічної точки зору виділяють три групи з'єднань : неспецифічні органічні сполуки, специфічні гумусові речовини і проміжні продукти розпаду і гуміфікації.

Неспецифічні гумусові речовини синтезуються в живих організмах і поступають в грунт у складі рослинних і тваринних залишків, а також продуктів життєдіяльності організмів. Специфічні гумусові речовини утворюються безпосередньо в грунті в результаті процесів гуміфікації органічних залишків.

Неспецифические вещества гумуса

До неспецифічних гумусових речовин відносяться білки, вуглеводи, органічні кислоти, лігнін, смоли, віск та ін. В сумі ці з'єднання складають всього 10 - 15 % усієї маси органічної речовини грунту.

Вуглеводи складають 50 % і більше маси рослин. Серед них моносахариди і дисахариды, розчинні у воді, і полісахариди, у воді не розчинні. Полісахариди складають головну масу вглеводів в усіх органічних залишках, найважливішими з них є целюлоза, крохмаль, хітин. Руйнування вуглеводів відбувається на початкових стадіях гуміфікації під впливом целюлозних бактерій.

Легко і швидко руйнується глюкоза, найбільш стійка целюлоза.

Загальний зміст вуглеводів в грунтах коливається від 5 - 7 до 25 - 30 % загальної кількості органічних речовин. Переважаюча частина вуглеводів в грунті знаходиться в зв’язаній формі у складі гумусових кислот і гуміну. Вільні вуглеводи в грунті в процесі хімічних реакцій утворюють комплексні з'єднання з іонами важких металів, вступають у взаємодію з глинистими мінералами, піддаються процесам мінералізації.

Лігнін міститься в рослинних залишках в значних кількостях, особливо багато його (до 30 %) в деревній рослинності, менше - в трав'янистій (10 - 20 %). Лігнін являється найбільш стійкою до розкладання частиною рослинних залишків. Руйнується лігнін під дією грибної мікрофлори.

Вуглецевий скелет лігніну схожий із скелетом ароматичних продуктів деструкції гумусових кислот, тому багато дослідників відносять його до основних гумусоутворювачів. Основою будови молекули лігніну є фенілпропанова ланка. В якості замісників в ароматичному кільці можуть бути атоми і групи : -Н, -ОСН3; у пропановой ланцюжку заступниками є -ОН, -О-, =С=О та ін. В лігнінах різного походження співвідношення структурних одиниць різне (мал. 4).

Структурні одиниці лігніну

Найважливішими неспецифічними азотвмісними речовинами грунтів є білки, поліпептиди, амінокислоти, аміноцукри, нуклеїнові кислоти і їх похідні, хлорофіл, аміни.

Специфические вещества гумуса

Неспецифічні органічні сполуки існують в грунті відносно короткий час, оскільки піддаються хімічному перетворенню в процесі гуміфікації в специфічні органічні сполуки, властиві тільки грунту. Серед них виділяють прогумінові речовини, схожі з проміжними продуктами розпаду органічних залишків, гумусові кислоти і гумін.

Гумусові кислоти - головні продукти гуміфікації - високомолекулярні азотвмісні оксикислоти з ароматичним ядром, що входять до складу гумусу.

Класифікація гумусових кислот заснована на різній розчинності у воді, кислотах, лугах і спирті. Гумусові кислоти підрозділяють на гумінові кислоти, гіматомеланові кислоти і фульвокислоты.

Гумінові кислоти (ГК) мають темне забарвлення (від бурої до чорної), нерозчинні у воді і кислотах, але розчиняються в лугах. З лужного розчину вони осідають мінеральними кислотами у вигляді аморфного осаду - гелю. Серед гумінових кислот виділяють дві підгрупи - чорні гумінові кислоти (збагачені вуглецем) і бурі гумінові кислоти. Їх розділяють шляхом обробки лужного розчину 2 н. розчином NaCl. При цьому чорні гумінові кислоти коагулюють і випадають в осад.

Фульвокислоты (ФК) у висушеному стані мають буро-жовтий колір, розчиняються у воді, кислотах і лугах, також добре розчинні і їх солі.

Гіматомеланові кислоти - це група гумусових кислот, розчинних в етанолі. Їх спиртовий розчин має вишнево-червоний колір.

Гумусові кислоти екстрагують з грунту розчином лугу (0,1 - 0,5% -ный NaOH). При підкисленні лужного витягу до рН = = 1 - 2 гумінові і гиматомелановые кислоти випадають в осад, а фульвокислоты залишаються в розчині. При обробці осаду етанолом гиматомелановые кислоти переходять в спиртовий розчин.

Гумусові кислоти є з'єднаннями змінного складу. Заміна в молекулі окремих структурних фрагментів, кінцевих ланцюгів і функціональних груп не призводить до значної зміни хімічних і фізичних властивостей таких з'єднань. У зв'язку з цим для опису будови гумінових кислот застосовуються імовірнісні (статистичні) формули, відбиваючі усереднені склад, будова і властивості. Запропоновані до теперішнього часу формули відповідають накопиченим даним, але мають гіпотетичний характер.

Гумінові кислоти мають елементний склад: вуглець 46 - 61; водень 2 - 6, кисень 31 - 40, азот 2 - 6 %.

Основна кількість гумінових кислот має молекулярну масу 20000 - 80000. Елементний склад фульвокислот характеризується меншим, ніж у гумінових кислот вмістом вуглецю і азоту. Вміст елементів в них складає: вуглець 44 - 49; водень 3 - 5, кисень 44 - 49, азот 2 - 4 %. Фульвокислоты характеризуються меншою молекулярною масою в порівнянні з гуміновими кислотами, вони представлені однією або двома фракціями з молекулярними масами 10000 - 15000 і 4000 - 6000.

У складі гумусових кислот встановлена присутність таких функціональних груп, як аміногрупи, амідні, альдегідні, карбоксильні, карбоксилатные, кетонні, метоксильні, фенольні, хіноїдні, гідроксіхіноїдні, пептидні, спиртові і фенольні гідроксильні групи. Їх середня кількість для гумінових кислот і фульвокислот приведена в таблицю. 2.

Таблиця 2

Функціональні групи в гумусових кислотах (ммоль/100 г грунту)

Імовірнісна схема будови структурного осередку ГК, по Д.С. Орлову (мал. 5), виділяє в ній "ядерну" і гідролізовану частину. Мінімальна молекулярна маса структурного осередку складає близько 1500 одиниць при чотирьох атомах азоту, один з яких належить гідролізованій амінокислоті, а інший - негідролізованою. Інший азот входить в гетероцикли. Гідролізована частина осередку складає 45 % мас препарату і включає близько 6 % амінокислот, до 25 % вуглеводів і залишки типу ФК. Побудована з таких фрагментів молекула ГК може мати витягнуту форму і мати необхідну гнучкість для зміни свого стану при висушуванні і утворенні солей. Ця схема, проте, не припускає, що усі структурні осередки гумінової кислоти ідентичні по складу і будові.

У складі компонентів гідролізованої частини, в типах заміщення шестичленних кілець ядра, в наборі і характері зчленування цих кілець можливі заміщення, що не впливають на загальні типові ознаки ГК.

Рис. 5. Схема структурної одиниці гумінової кислоти (За Д.С. Орловим)

Будова фульвокислот вивчена в значно меншій мірі, чим будова гумінових кислот. Згідно з уявленнями, що грунтуються на результатах аналізу розподілу електронної щільності в молекулі ФК, фрагмент ФК з молекулярною масою близько 700 одиниць повинен включати два ароматичні кільця, шість карбоксильних груп, дві кетонні групи, два фенільних і три спиртових гідроксили. При цьому можливе різне поєднання цих структурних елементів.

Гумін є частиною гумусових речовин, яка не розчиняється ні в одному розчиннику. Невитягувані розчинниками гумусові з'єднання частково представлені гуміновими кислотами, міцно пов'язаними з високодисперсними гіпергенними мінералами.

До складу нерозчинних гумусових з'єднань також входять рослинні залишки, що обвуглилися, - гумусове вугілля, яке не бере безпосередньої участі в грунтових процесах.

Біокомпоненти

Біокомпонент - це рослини, мікроорганізми і тварини. Вони формують структуру грунту, здійснюють синтез, перетворення і розкладання речовин, їх перенесення, акумуляцію і т. д.

Будь-який грунт складається з виразно виражених шарів, або грунтових горизонтів (мал. 21). Вони відрізняються по складу, структурі і властивостям.

Послідовність грунтових горизонтів називається грунтовим профілем. Він характерний для кожної природно-кліматичної зони і певного рельєфу місцевості.

Як вже відзначалося, основну грунтоутворюючу роль на планеті грає лісова рослинність (її біля 10¹²т). Тут пріоритет має опале листя, яке і формує грунт. Другою за значимістю є трав'яниста рослинність (біля 10¹¹т). На третьому місці стоять мікроорганізми (бактерії, гриби, водорості). Їх міститься близько 1 млрд штук в 1 г грунту, а на 1 га доводиться близько 2 т.

Важливу роль в утворенні грунту грають організми, зокрема розкладаючі органічні речовини (гуміфікація). Тут зустрічаються споро- і неспоротворні бактерії, актиноміцети і гриби (пліснява), а також грунтові найпростіші (амеби, інфузорії, жгутикові). Біомаса мікроорганізмів складає 10-100 г/м² (Одум).

Особливо важливу роль в грунті грають бактерії. Вони, як і інші організми, підрозділяються на гетеротрофні і автотрофні. Серед них зустрічаються аеробні і анаеробні, у тому числі патогенні, наприклад збудники черевного тифу, бруцельозу. З інших організмів "паразитів" слід зазначити гельмінти.

Аеробні - мікроорганізми, що використовують для дихання (окислювальних процесів) кисень повітря.

Анаеробні - що використовують інші окисники, наприклад азот, нітрати.

Гетеротрофні бактерії відновлюють неорганіку, перетворюючи органічні речовини (наприклад, останки і продуценти автотрофов) на неорганічні з'єднання (причому більше розчинні в менш розчинні форми). Серед них розрізняються:

амоніфікатори, що перетворюють атмосферний азот на аміак :

N₂ + 6(H) = 2NH₃;

денітрифікатори, що перетворюють нітрат-аніон на азот:

2NO₃^- + 12(H) = N₂ +6H₂O;

десульфофікатори, що перетворюють сірчану кислоту і її солі в сірководень :

SO₄^2- + 2H⁺+8(H) =H₂S+4H₂O.

У цих реакціях використовуються атоми водню (Н), головним чином органічних сполук.

Автотрофні бактерії окислюють малорозчинні неорганічні з'єднання (у тому числі продуценти гетеротрофів), перетворюючи їх на більше розчинні форми і органіку. Серед них розрізняються:

нітрофікаторы, що перетворюють аміак на азотну кислоту відповідно до реакцій:

2NН₃ +3О₂ = 2НNО₂ +2H₂O;

2НNO₂ +О₂ = 2НNО₃;

сіркобактерії, перетворюючу сірку і сірководень в сірчану кислоту:

2H₂S+O₂ = 2S+2H₂O;

S+3O₂ +2H₂О = 4H⁺ + 2SO₄^2-

залізобактерії, що переводять залізо (II) в залізо (III) :

4FeCO₃ +О₂ +6H₂О = 4Fe(OH)₃ + 4CO₂,

а також азотфіксуючі, т. е. що зв'язують вільний азот, переводячи його в азотвмісні сполуки.

N₂ + 6(H) + 2Н⁺= 2NH₄⁺;

Крім того, в грунті знаходяться мікроскопічні гриби (пліснява та ін.), які в аеробних умовах розкладають клітковину, лігнін і інші стійкі органічні сполуки, т. е. мінералізують гумус, а також водорості (10⁴-10⁶ клітин на грам грунту).