4.1.2.5. Мікробне перетворення органічних речовин у ґрунтах
Легкість розкладання органічних молекул – наслідок їх структури. Загальне правило полягає в тому, що молекули з розгалуженим ланцюгом дуже важко розщепити, тоді як сполуки з вуглець-вуглецевими подвійними звʼязками розщеплюються відносно швидко. Легкість розкладання відповідає такій схемі:
Алкіни > Алкени > Прямі ланцюги > Ароматичні сполуки >> Розгалужені ланцюги
Органічні речовини руйнуються у навколишньому середо-вищі через кілька добре охарактеризованих перетворень. Хоча є багато органічних хімікатів, існує в основному два шляхи розкладання. Загальний аспект обох шляхів розкладання – додавання функціональної групи –OH до молекули. Перший крок у розпаді органічних хімічних речовин додавання гідроксильної групи (–ОН) до молекули. Наступні кроки після додавання гідроксилу залежать від того, буде молекула прямим ланцюгом чи ароматичною молекулою (що містить бензольне ядро).
Перший крок у розкладанні вуглеводню з прямим ланцюгом – формування гідроксильної групи на останньому вуглеці метилу. Це може розглядатися як «вставка» атома кисню у вуглецево-водневий зв’язок. Цей продукт називають спиртами (через наявність –ОН). Другий крок включає втрату двох водневих атомів, формується альдегід. Третій крок – подальше окиснювання кінце-вого атома вуглецю, він переходить з альдегіду в карбонову кислоту. Як тільки карбонова кислота сформується, молекула може зазнати
β-окиснювання. Під час β-окиснювання, карбонова кислота сфор-мується у довжині на два атоми вуглецю, що формує новий, коротший прямий ланцюг карбонової кислоти і дві молекули вуглекислого газу.
Ароматичні сполуки – речовини, що містять циклічні, шести- членні кільця вуглецю з чергуванням вуглець-вуглецевих подвій-них зв’язків. Найпростіша молекула в цьому класі сполук – бензол, C6H6. Бензольні кільця формують базисний будівельний блок для складніших органічних структур, названих поліароматичними вуглеводнями. Розкладання поліароматичних вуглеводнів відбувається по одному кільцю за раз, при цьому кожне кільце рухається через загальну проміжну ланку, названу «катехін». Щоб зрозуміти шлях розкладання ароматичних кілець, потрібно мати на увазі, що структура бензолу насправді – це три перемежовані вуглець-вуглецеві подвійні зв’язки.
Бензол часто малюють з кругом у центрі кільця, аби наголосити на незвичайній стійкості розміщення вуглець-вуглецевих подвійних зв’язків. Щоб сформувався «епоксид», впоперек одного з вуглець-вуглецевих подвійних зв’язків бензолу додають кисень. Далі епоксид реагує з водою, формуючи молекулу, названу 3,5- циклогексадієн-1,2-діол. За участю деяких мікроорганізмів проміж-на ланка діол може сформуватися безпосередньо, без проходження епоксидної стадії. Після формування проміжна ланка циклогекса-дієну перетворюється в ароматичну молекулу, що містить дві суміжні гідроксильні групи (катехін). Катехін руйнується до оцтової і бурштинової кислот за наведеною схемою:
Мікробіологічне розкладання катехіну:
Сполуки, що містять аліфатичні й ароматичні компоненти, розкладаються послідовно, при цьому аліфатична частина молекули розкладається першою. Від аліфатичної частини відщеплюється по два вуглеводні за раз (через β-окиснювання) до повного видалення. Кінцевий продукт перед розщепленням ароматичного кільця – кар-бонова кислота. Карбонова кислота (бензойна кислота, якщо наявне тільки одне ароматичне кільце) спочатку перетворюється в 3,5-циклогексадієн -1,2-діол, а потім – у катехін.
Далі катехін розщеплюється за схемою, наведеною вище. Толуол (метилбензол) – найпростіша молекула, що ілюструє цю по-слідовність, як показано на наступній сторінці.
Останній приклад – поліароматичні вуглеводні. Нафталін –
найпростіший поліароматичний вуглеводень, який руйнується по одному кільцю за раз, формуючи речовину, що є аналогічною 3,5- циклогексадієн-1,2-діолу. Потім ця речовина перетворюється в дво-кільцевий аналог катехіну. Ця речовина має назву 1,2- діоксинафталін. 1,2-Діоксинафталін далі перетворюється в саліци-лову кислоту, що потім змінюється, аби утворити катехін, який у такий само спосіб утворює кінцеві продукти розкладання – оцтову і бурштинову кислоти. Шлях розкладання нафталіну показано на наведеній нижче схемі.
1,2-дігідроксінафталін
