6. Особлива роль бактерій у синтезі поживних мінеральних сполук

Серед мікроорганізмів грунту переважають бактерії. На них припадає близько 70% ґрунтової мікрофлори. Бактерії відіграють особливо важливу роль у розкладі органічної речовини грунту, в утворенні гумусу і синте­зі легкорозчинних, доступних для живлення рослин мі-каральних сполук.

Бактерії поділяють на дві основні групи за їх відно­шенням до повітря: аеробні, які живуть і розмножую­ться лише в умовах вільного надходження молекуляр­ного кисню з повітря, і анаеробні, які для свого життя не потребують кисню повітря. Деякі бактерії мо­жуть жити як при наявності повітря, так і без нього. Їх називають факультативними, або умовни­ми, анаеробами.

В аеробних умовах рослинні рештки мінералізуються. При цьому вуглець окисляється до вуглекислого газу, водень - до води, амоній - до азотистої і азотної кис­лот, оксид фосфору - до фосфорної, а сірка - до сірча­ної кислоти. Водночас окисляються й такі основи, як кальцій, магній, калій, натрій та інші, які, взаємодіючи з кислотами, утворюють розчинні у воді солі, доступні для живлення рослин.

Аеробний процес розкладу органічних речовин най­активніше відбувається на пухких грунтах, особливо піщаних.

Анаеробні мікроорганізми беруть кисень, потрібний їм для дихання і окислення, з різних окислених хіміч­них сполук, внаслідок чого в грунті утворюються во­день, метан, молекулярний азот, сірководень та інші речовини, які рослина не може використовувати для живлення. При тривалому розвитку анаеробного проце­су (наприклад, на перезволожених грунтах, де через надмірну кількість води у грунті мало повітря) рослин­ні рештки розкладаються надто повільно, ніби консер­вуються, а органічна речовина починає нагромаджува­тись, утворюючи торф.

Особливо важливе виробниче значення в землероб­стві мають біохімічні процеси, пов'язані з перетворен­ням у грунті азоту. Це — амоніфікація, нітрифікація і денітрифікація.

Амоніфікація (від амоній та лат. facio — роб­лю) — це процес розкладу органічних азотовмісних ре­човин з виділенням аміаку, який використовують росли­ни як джерело азоту. Амоніфікація має велике значен­ня в землеробстві тому, що більшість азотовмісних речо­вин грунту (99%) припадає на органічні сполуки, які рослинами не засвоюються. Під дією різних груп мікроорганізмів (гнильних бактерій, актиноміцетів, плісене­вих грибів, уробактерій та ін.) відбувається розклад білків, пептонів, амінокислот і інших азотовмісних спо­лук з утворенням аміаку.

Процес амоніфікації білків, що входять до складу гною або інших добрив, може відбуватись як в аероб­них, так і в анаеробних умовах. Аміак утворюється та­кож при розкладанні гумусу. Щоб прискорити цей про­цес, застосовують відповідні заходи обробітку грунту, які поліпшують його аерацію та сприяють розвитку аеробних гнильних мікроорганізмів.

Нітрифікація (від грецьк. nitro - селітра і лат. facіо — роблю) — біохімічний процес перетворення аміаку в солі азотної кислоти. Цей процес відбувається так. Нітритні бактерії (Nіtrosomonas і ін.) окислюють аміак до азотистої кислоти:

2NНз + 3О₂ == 2НNО₂ + 2Н₂О + 158 ккал.

Нітратні бактерії (Nitrobacter) окислюють азотисту кислоту до азотної:

2НNO₃ + О₂ = 2НNО₃ + 48 ккал.

Азотна кислота негайно вступає в реакцію з наявни­ми в грунті основами й дає ряд азотнокислих солей: NаNО₃, КNО₃ і Са(NО₃)₂. Ці солі е найбільш доступни­ми для рослин. Цінність нітрифікації полягає ще й у тому, що нітра­ти мають високу розчинність у воді і не вбираються грунтом, стаючи джерелом постійного азотного живлення для рослин. Після дощів або поливу нітрати швидко розчиняються у воді й можуть опускатися в глибші го­ризонти грунту і навіть вимиватися в грунтові води. Разом з водою вони можуть знову підніматися до самої поверхні грунту і в разі його підсихання утворювати кі­рочку. Це може повторюватися багато разів. Таке яви­ще називається міграцією нітратів.

Найінтенсивніше нітрифікація відбувається на грун­тах, які містять достатню кількість перегною, мають добру структуру, нейтральну або слаболужну реакцію, добре провітрюються, мають вологість у межах 40-70% від повної вологоємності і сприятливу температу­ру — 25-30°. За таких умов протягом літа в орному шарі грунту може нагромадитися близько 300 кг нітра­тів на гектар.

Анаеробні умови й кисле середовище згубні для нітрифікуючих бактерій, через що їх завжди найменше на кислих грунтах.

Щоб створити більш сприятливі умови для їх розвит­ку, кислі грунти слід вапнувати.

Денітрифікація - відновлення (розклад) мікроорганізмами-денітрифікаторами нітратів грунту з утворенням аміаку і вільного азоту, який надходить в атмосферу.

Денітрифікуючі бактерії належать до факультатив­них анаеробів, які інтенсивніше розвиваються в умо­вах обмеженого доступу повітря або зовсім без доступу його. За таких умов бактерії відбирають кисень у ніт­ратів і нітритів та окислюють ним безазотисті органіч­ні речовини — вуглеводи, солі органічних кислот тощо.

Для землеробства денітрифікація процес небажаний, оскільки він призводить до збіднення грунту на важли­ві для рослин сполуки азоту. Найінтенсивніше вона про­являється при нестачі в грунті повітря, а також при заорюванні соломи або дуже соломистого гною, на важ­ких глинистих грунтах і при надмірній вологості. Про­те тепер доведено (Є. М. Мішустін), що й на окульту­рених грунтах, які мають добру структуру та нормальну вологість, певна кількість азотнокислих сполук віднов­люється. Це пояснюється тим, що в кожному грунті є мікрозони, недостатньо забезпечені киснем.

Щоб послабити денітрифікацію, на важких грунтах треба проводити додаткові розпушування, а в районах надмірного зволоження вживати заходи, спрямовані на відведення зайвої ґрунтової води. Слід мати на увазі, що процес денітрифікації помітно посилюється, якщо вносять високі дози азотних добрив. Підвищити коефі­цієнт використання їх можна з допомогою агротехнічних заходів і насамперед при додержанні науково обгрунто­ваного чергування культур у сівозміні.

Крім описаних тут груп бактерій відомо багато й інших мікроорганізмів, що відіграють важливу роль у мінералізації органічних речовин і засвоєнні молекуляр­ного азоту.

Ще в 1893 р. видатний російський мікробіолог С. М. Виноградський (1856-1953) уперше виді­лив анаеробну спороносну бактерію Clostridium pasterianum, яка засвоює газоподібний азот. Пізніше було виявлено ряд інших анаеробних мікроорганізмів, здатних фіксувати молекулярний азот. Вони невибагливі і трапляються в усіх грунтах. У 1901 р. була відкрита аеробна бактерія Azotobacter chroococcum, яка засвоює молекулярний азот з повітря. Ці бактерії дуже вимогливі до вологи і до субстрату. Найбільше таких бактерій на родючих грунтах, де протягом літа вони можуть нагромадити в середньому 30-35 кг азоту на гектар. На кислих грунтах азотобактера немає зовсім. Багато й інших ґрунтових мікроорганізмів (мікроскопіч­ні гриби, актиноміцети і водорості) визначені тепер як азотфіксатори.

Крім мікроорганізмів, які живуть у грунті вільно, молекулярний азот можуть зв'язувати деякі мікроби, що живуть у симбіозі (від грецького — співжиття) з вищими рослинами, зокрема з бобовими. Здавна було відомо, що бобові рослини підвищують родючість грун­ту. Про це писали понад 2000 років тому римські пись­менники — Катон і Варрон. Давно було відомо і про наявність бульбочок на коренях бобових рослин. Але лише в другій половині минулого століття відомий ро­сійський вчений ботанік М.С. Воронін довів, що в бульбочках живуть мікроскопічні істоти. Це були буль­бочкові бактерії.

Рослина, на коренях якої оселяються бульбочкові бактерії, постачає їм цукри і мінеральні речовини, а бактерії в процесі своєї життєдіяльності засвоюють віль­ний азот повітря й переводять його в органічні сполуки, які перетворюються на поживу для рослин.

Значення бульбочкових бактерій у землеробстві ве­личезне. Залежно від виду рослин та умов симбіозу, за період вегетації бобових на гектарі посіву вони можуть зв'язати до 200 і більше кілограмів атмосферного азоту, збагачуючи ним грунт. Щоб уявити собі вагомість цієї цифри, досить сказати, що така кількість азоту міститься в 40 г гною, тобто в повній його нормі, яку вносять на гектар під час оранки.

Тут розглянуто кілька найважливіших процесів пе­ретворення в грунті азотних сполук з допомогою мікро­організмів. Відповідним чином, з допомогою інших мік­роорганізмів, відбуваються й процеси перетворення спо­лук фосфору, сірки, заліза, калію та мікроелементів.

Поряд з цим мікроорганізми грунту виділяють речо­вини, наявність яких навіть у незначних кількостях сти­мулює розвиток рослин і мікроорганізмів. Вони дістали назву „ростових речовин”, „регуляторів росту”, „факто­рів росту”. З іншого боку, мікроорганізми виділяють так звані антибіотичні речовини, які служать для пригнічен­ня інших видів.

Важливим у життєдіяльності мікроорганізмів є виді­лення в навколишнє середовище великої кількості різ­них ферментів — специфічних білкових речовин, здатних прискорювати проходження біохімічних реакцій в жи­вих організмах. На підставі даних про активність фер­ментів можна робити висновок про активність грунту, виявляти інтенсивність біохімічних процесів у різних горизонтах орного шару, встановлювати вплив різних добрив, ефективність заходів меліорації.

Завдяки застосуванню найновіших прийомів мікроскопічного дослідження та інших аналі­тичних методів, у грунті виявлено багато невідомих ра­ніше мікроскопічних істот. Чисельність мікробів у грунті виявилася принаймні в тисячу разів більшою, ніж це здавалося.

В грунті невпинно відбуваються бурхливі мікробіологічні процеси, які мають вирішальний вплив на його родючість і на про­дуктивність землеробства.

У зв’язку з цим для землеробства особливо великого значення набуває здійснення заходів, спрямованих на регулювання і активізацію мікробіологічних процесів у грунті. Насамперед відповідною агротехнікою треба створювати умови, в яких найкраще розвиваються мікро­організми, що засвоюють азот і перетворюють його на доступні для рослин мінеральні сполуки. Найважливі­ше значення серед цих умов, як уже зазначалося, мають наявність у грунті органічних речовин, сприятли­вий водно-повітряний і тепловий режими, близька до нейтральної реакція ґрунтового розчину.