Почвенная микробиология / Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

П.А. Костичев першим висловив думку про біологічну природу гуміфікаційних процесів. Особливий пріоритет цього вченого полягає у тому, що мікробіологія і біохімія ґрунтів у той час тільки починали роз­ виватись, а вчення про високомолекулярні сполуки взагалі не існувало. Положення П.О. Костичева про природу перетворення рослинних реш­ ток такі:

-подрібнення рослинних решток відбувається завдяки діяльності

тварин;

-розклад подрібнених органічних залишків здійснюється під впливом бактерій, грибів, а також внаслідок хімічної взаємодії компоне­ нтів речовин, що розкладаються;

-мікроскопічні гриби утворюють продукти, забарвлені у темний колір, що входять до складу гумусу;

-азот білків рослинних решток ресиктезується в мікробну плазму,

апри відмиранні мікроорганізмів стає складовою гумусу.

Для підтвердження своєї теорії С.П. Костичев провів вимірювання безпосередньо у ґрунті активності фіксування атмосферного азоту мік­ роорганізмами, виділення С 02 та споживання внесеного органічного субстрату. Були також виявлені зв'язки в системі мікроорганізмирослина, показана роль кореневих виділень І транспорт у рослину азо­ ту, ф іксованого мікроорганізмами.

А.Г. Трусов висловив припущення, що у синтезі гумусу важливу роль відіграє окиснення лігніну та дубильних речовин з утворенням хі­ нонів, які потім конденсуються і утворюють гумусові сполуки. Спираю­ чись на цю гіпотезу, С. Ваксман сформулював теорію про лігнопротеїковий комплекс як ядро гумусу. Згідно з цією теорією, гумус фор­ мується із лігніну рослинних решток, який поєднується з білком відмер­ лих мікробних клітин. Ця теорія піддалася критиці з огляду на те, що у процесі гуміфікації відбувається часткова деструкція лігніну, а в утво­ ренні гумусу беруть участь його окремі структурні одиниці. Крім того, ароматичні сполуки входять до складу не тільки лігніну, а й інших ком­ понентів рослинних рештив.

Важливу роль у розвитку теорії мікробної гуміфікації рослинних ре­ шток відіграли ранні роботи В.Р. Вільямса, в яких гумусові речовини розглядалися як продукти, утворені завдяки діяльності мікроорганізмів. Пізніше вчений висловлював гіпотезу про те, що гумусові кислоти є екзоекзимами, які виділяють живі клітини мікроорганізмів. Проте ця гіпо­ теза ке підтвердилась експериментальними даними.

Найбільш значущі дослідження трансформації рослинних решток і формування гумусу були проведені |.в.Тюріним, С. Ваксманом, М.М. Коко­ новою, Л.М. Александровою, А Д . Фокіним, В. Флайпом, М. Александером.

169

У сучасній науковій літературі найбільш поширеними є дві теорії гумусотворення: конденсаційна і полімеризаційна.

Ґрунтовна розробка конденсаційної' теорії належить М.М. Кононовій. Згідно з цією теорією на першій стадії гуміфікації відбувається роз­ клад компонентів рослинних і тваринних решток, перетворення їх мікро­ організмами до простіших сполук і частково до їх повної мінералізації. На другій стадії гуміфікації здійснюються синтетичні реакції утворення специфічних гумусових речовин. Гумінові кислоти є продуктами окис­ лювальної конденсації амінокислот і протеїнів з ароматичними феноль­ ними сполуками, які утворилися при розкладі дубильних речовин і лігні­ ну. Важлива роль у цьому процесі належить поліфенолоксидазам мік­ роорганізмів. Фульвокислоти М.М. Коконова розглядає як молоді і менш зрілі гумінові кислоти.

До конденсаційних гіпотез відноситься також меланощинова теорія утворення гумусових сполук. Мепакощини - аморфні азотвмісні сполуки темно-коричневого або чорного забарвлення, які утворюються при ферме­ нтативній конденсації амінокислот із вуглеводами та їх похідними. Така реакція вперше була проведена при взаємодії глюкози і глікоколу, потім була проведена реакція між гпюнозаміном і хітином. Азотвмісними компо­ нентами в таких реакціях можуть бути амонійні солі, аміни, амінокислоти.

Д.Г. Звягінцев зі співробітниками висловили припущення, що меланінові пігменти, синтезовані мікроскопічними грибами, можуть бути напівпродуктами або хімічко повністю сформованими гумусовими кис­ лотами. Ця гіпотеза базується на подібності елементного складу, фізич­ них, біохімічних і спектроскопічних характеристик меланінів і гумусових кислот. Загальна схема синтезу гумусових сполук за участю мікробних меланінів представлена на рис. 8.2.

Полімеризаційна теорія гумусотворення найбільш повно вираже­ на в працях В. Флайга. Гумінові кислоти є продуктом полімеризації фе­ нольних сполук з амінокислотами, які утворюються при розкладі білків. Джерелом фенольних сполук є лігнін та інші фенолвмісні органічні ре­ човини. Гуміфікація розглядається як синтетичний біохімічний процес, основною реакцією якого є окислювальна полімеризація за участю оксидаз. Продукти розкладу лігніну - фенолкарбонові кислоти у подаль­ шому деметилюються, бічні ланцюги їх розриваються і приєднують амі­ нокислоти, що врешті-решт призводить до полімеризації з утворенням молекули гумінової кислоти. Продукти неповної деструкції лігніну - гідрополістиреки також можуть взаємодіяти з ароматичними амінокисло­ тами з утворенням гумінових кислот (рис. 8.3).

170

Рис, 8.2. Схема розкладу рослиннихзалишків з утворенням гуміновихсполук(за Свіфтом)

Утворення гумусових сполук із продуктів розкладу органічних реш­ ток е процесом багатостадійним, у якому значну роль відіграють як мік­ роорганізми, так і ґрунтові ферменти. Вуглеводи, що утворюються при розкладі целюлози, крохмалю, пектину, частково окиснюються мікроор­ ганізмами до кінцевих продуктів, а частково беруть участь у синтезі різ­ них мікробних метаболітів, наприклад амінокислот. У ґрунті амінокисло­ ти І пептиди взаємодіють із фенолами з утворенням темнозабарвлених прогумусних сполук. Для того щоб амінокислоти могли взаємодіяти з продуктами розкладу лігніну (фенолами), останні повинні пройти ряд біохімічних перетворень, зокрема, метилювання фенолових ефірів. У подальшому фенолові ефіри окиснюються за участю оксидаз до хінонів, які поеднуюються з аміногрупами за участю піридоксальфосфата.

Інший шлях участі фунтових ферментів у формуванні гумусових сполук із вуглеводів полягає у синтезі пуринів. Компоненти Імідазольного кільця пуринів утворюються в АТФ-залежній реакції його дегідратації. Послідовність цих реакцій описується схемою:

171

Н-фомілгліцинамідик-рибонуклеотид.

За участю поліфенолоксидаз амінокислота тирозин окиснюється до дигідрооксифенілаланіну, який трансформується в ортохінон, далі до 5-6-дигідрооксиіндол-2-карбоноІ кислоти, що має темне забарвлення.

Якщо розпад органічних рештків неповний, то утворюються високомолекулярні проміжні продукти, які за допомогою ферментів підлягають окиснювальному декарбоксилюванню і подальшій полімеризації.

Слід зазначити, що жодна з цих теорій не може вважатися доско­ нало розробленою, незважаючи на те, що експериментально була під­ тверджена можливість синтезу в лабораторних умовах штучних гумусо­ вих сполук.

За сучасними уявленнями весь процес формування гумусу склада­ ється не тільки з новоутворення гумусових кислот. У ґрунті постійно від­ буваються процеси оновлення і фрагментарної добудови вже існуючих гумусових речовин. М.і. Дергачова вважає, що у ґрунті існує певний пул органічних речовин - вільних і обмінно зв'язаних із периферичною час­ тиною гумусових кислот. З одного боку, ці речовини утилізуються мікроор­ ганізмами. а з іншого - ідуть на підтримку системи гумусових сполук. Тобто новоутворені прогумусові речовини є трансакумулятивними.

А.Д. Фокін вважає, що у процесі дозрівання гумусу до бокових лан­ цюгів гумінових кислот можуть приєднуватися нові фрагменти або, на­ впаки, відщеплюватися деякі компоненти; з часом відбувається ущіль­ нення і подальша конденсації ароматичної ядерної частини. “Молоді" гумінові кислоти характеризуються високою молекулярною масою, роз­ виненою аліфатичною частиною, а в "зрілих” гумусових кислотах ядерна частина більш ущільнена, аліфатичні ланцюпі короткі, молекулярна ма­ са менша, ніж у “молодих".

У дослідженнях Г.О. Іутинської було показано, що позаклітинні мік­ робні полісахариди взаємодіють із бічними ланцюжками гумінових ки­ слот, при цьому молекулярна маса останніх зростає, а ступінь конден­ сованості - зменшується. Мікробні екзополісахариди за умов такої вза­ ємодії чинять протекторну дію - захищають гумінові кислоти від мікроб­ них атак.

172

Н.СОН

чі / 5

ГуміномІ кислоти

Рас. 8.3. Схема утворення гумінових кислот із лігніну

173

Фактори, що впливають на гумусотворення. Інтенсивність і на­ прямок мікробної трансформації органічних залишків у ф унті залежить від низки природних і антропогенних факторів. Д.С. Орлов запропонував кінетичну теорію гуміфікації, суть якої виражається формулою:

Н ^Ц О М ),

де Н —інтенсивність гуміфікації; О - загальна маса щорічних органічних решток, які надходять у фунт; І - інтенсивність трансформації органічних решток, яка пропорційна біологічній і біохімічній активності фунту; ї - тривалість періоду активного розкладу решток, що дорівнює періоду позитивних температур.

Таким чином, роль мікроорганізмів в утворенні гумусу є багатогран­ ною. Вони розкладають органічні рештки, синтезують сполуки, які слу­ гують структурними компонентами молекул гумусових речовин, а також продукують фенолоксидази, які окиснюють поліфеноли до хінонів з на­ ступною конденсацією в гумус.

8.4. Деструкція гумусових сполук

Одночасно з синтезом у ф унті відбувається протилежний процес - деструкції гумусових сполук. Визначальну роль у ньому відіграють мік­ роорганізми.

Деструкція гумусу має як позитивне, так і негативне значення зале­ жно від швидкості цього процесу, а також компенсації його новоутво­ ренням гумусових сполук. Якщо швидкість розкладу переважає над но­ воутворенням, то загальна кількість гумусу зменшується, відбувається дегуміфікація фунтів. За умов рівноваги процесів синтезу І деструкції) внаслідок розкладу гумусу вивільняються поживні речовини для рослин, в той же час деструкція компенсується синтезом нових гумусових речо­ вин. За таких умов розклад гумусу є процесом позитивним.

Розрізняють такі типи балансу гумусу у фунтах:

-бездефіцитний, коли надходження у ф унт органічних речовин повністю врівноважує витрати гумусу;

-позитивний баланс, коли надходження органічних речовин пе­ ребільшує витрати гумусу;

-від'ємний баланс, коли надходження органічних речовин не ком­ пенсує витрати гумусу.

Запаси основних елементів мінерального живлення в гумусі доста­ тньо великі. За даними Є.М. Мішустіна, в шарі фунту 0-20 см у гумусі

174

акумульовано азоту від 3,2 до 11 т/га, фосфору - від 0.1 до 2,7 т/га (таблиця 8.3).

Таблиця 8.3

Запаси азоту І фосфору в гумусіфунтів основних типів, т/га

(за Є.М. Мішустіним, В.Т. Ємцввим, 1978 р.)

Особливо важливими для формування родючості ґрунтів є запаси азоту, що депоновані в гумусі; в орному шарі ґрунтів різних типів вони коливаються від 3,5 до 10,0 т/га (таблиця 6.4).

Здатність до деструкції органічних речовин ґрунту, у тому числі і гумусових сполук, виявлена у хемоорганотрофних мікроорганізмів. С.М. Виноградський вважав, що розклад гумусу здійснює специфічна мікрофлора, яку він назвав автохтонною. Такої ж думки були Є.М. Мішустін, Д.І. Нікітін, які до автохтонної мікрофлори відносили мік­ роорганізми, здатні розкладати гетероциклічні ядерні компоненти гуму­ сових сполук.

Таблиця 8.4

Вміст азоту в окремих групах гумусу фунтів різних типів, кг/га у шарі 0-20см

(заД.С. Орловим, 1974р.)

175

Micromonospora, Arthrobacter. Ці мікроорганізми характеризуються низь­ кою активністю або повною відсутністю таких гідролітичних ферментів, як протеїнази, амілази, інвертази. Тобто ферментів, які беруть участь у розкладі свіжих органічних решток. У той же час нокардГі здатні засвою­ вати ароматичні і гетероциклічні сполуки (бензойну, саліцилову, лротокатехову кислоти, ванілін, лігнін, гумусові речовини) як джерела вуглецю й азоту. При цьому інтенсивність дихання мікроорганізмів є дуже низь­ кою І наближається до інтенсивності ендогенного дихання. Проте, повну деструкцію гумінової кислоти з розривом ароматичного ядра мікроорганіз­ ми роду Nocardia здіснюють рідко. Просвітлення зон гуматів натрію на кремнієвому гелі навколо колоній Nocardia спостерігається після трива­ лого культивування їх із мікроорганізмами інших родів, наприклад Bactoderma. До автохтонної мікрофлори Д.І. НІкітІн, К.З. Теппер також відно­ сять представників родів Seliberia, Micromonospora, Pedomicrobium.

Здатність розкладати гумус була виявлена також у мікроорганіз­ мів, яких відносять до групи зимогенних: грибів, стрептоміцетів, деяких аеробних мікрококів, бацил, псевдомонад, мікобактерій, сульфатвідновлювальних бактерій, азотобактера, анаеробних бацил роду Clos­ tridium (С.paraputrifîcum, С.aminovalgricum). Це дало підставу ствер­ джувати, що не існує строго спеціалізованої групи гуматруйнівних мік­ роорганізмів.

Слід звертати увагу на ступінь деструкції гумусових сполук мікро­ організмами різних груп. Найбільш легко мінералізуються бокові аліфа­ тичні ланцюги гумусових кислот, представлені амінокислотними і вугле­ водними залишками; засвоювати їх може широке коло мікроорганізмів. Тобто початковий етап деструкції гумусових кислот здатні здійснювати зимогенні мікроорганізми, у тому числі і такі, що використовують вугле­ води й амінокислоти. Ядерна частина молекул гумусових сполук більш стійка І стає доступною на пізніх стадіях деструкції. Саме на цьому етапі переважають представники специфічної автохтонної мікрофлори, які синтезують високоактивні окиснювальні ферменти.

Деструкція ароматичних фрагментів ядра починається тоді, коли молекули гумусових кислот майже повністю втрачають бічні ланцюги і замісники. Після цього починається ферментативне окиснення арома­ тичних структур, яке супроводжується гідроксилюванням молекули. Це призводить до розбалансування електронної структури кільця, і воно стає доступним для атак мікроорганізмів.

Розрив ароматичного кільця фенолів здійснюється в аеробних умо­ вах під дією оксигеназ, а в анаеробних умовах - під дією відновленого

176

НАДФ. За таких умов один атом кисню включається в кільце, а другий - відновлюється до води. Розрив кільця здійснюється між двома сусідніми гідроксильними групами. Продуктом реакції є муконова кислота або її альдегіди.

8.5. Екологічне й агрономічне значення гумусу

У гумусі акумулюються запаси поживних речовин, котрі при посту­ повій мінералізації переходять у ґрунтовий розчин і використовуються рослинами. Підраховано, що в гумусових сполуках депоновано 80-95% усіх ґрунтових запасів азоту. Також у гумусі акумулюються фосфор, кальцій, калій, мікроелементи. Встановлена позитивна кореляція між вмістом гумусу і ванадію, молібдену, марганцю та інших мікроелементів. Завдяки хімічній активності функціональних груп гумусові сполуки впли­ вають на такі фізико-хімічні властивості ґрунтів, як ємність поглинання, склад і рухомість поглинутих катіонів, окисно-відновний потенціал. У зв’язку із зазначеними властивостями гумус сприяє підвищенню ефек­ тивності мінеральних добрив.

Функція депонування має важливе значення у зв'язуванні рухомих форм важких металів і переведенні їх у малорухомі і малотоксичні спо­ луки. Це особливо важливо при забрудненні ґрунтів важкими металами і радіонуклідами. Слід зазначити, що цей процес оборотний, при зміні рН ґрунту і мікробній деструкції органо-мінеральних сполук важкі метали можуть знову переходити у ґрунтовий розчин.

Оскільки гумус активно поглинає не тільки речовини, а й вологу, то він відіграє важливу роль у формуванні таких властивостей фунту, як поглинальна здатність, вологоємність, буферність. Підраховано, що 1 г гумусу поглинає від 4 до 20 г води, при цьому він набуває колоїдних властивостей, які відіграють важливу роль у склеюванні ґрунтових час­ точок і формуванні структури ґрунту.

Важливу роль відіграє гумус в енергетиці фунтових процесів. Пер­ шим звернув увагу на енергетичні характеристики гумусу С. Ваксман. Пізніше запаси енергії в гумусових сполуках були розраховані різними методами: за ступенем його окиснення (за І.В. Тюріним), за даними елементного аналізу (за Е.М. Мовсисяном), шляхом безпосередніх ка­ лориметричних вимірювань (за В.Р. Волобуєвим і С.А. Алієвим). Вияви­ лось, що енергія, акумульована в гумусі (у товщі ґрунту до 3 м), колива­ ється в межах 5000-9000 кал; найбільші її запаси в чорноземах - до 20000 кал, фунти інших типів містять від 6000 до 9200 кал.

177

Відмічена залежність забарвлення фунту від вмісту в ньому гумусу. Найбільше гумусу містять чорноземні ґрунти, які мають темно-корич­ невий, частіше чорний колір. Від кольору фунту залежать його спектра­ льні властивості. Тх вимірюють у спектрозональних аерофотозйомках при дистанційних методах вивчення якості фунтів. Забарвлення ґрунту значною мірою впливає на його тепловий баланс.

Гумусоеі сполуки можуть зв’язуватись із залишками пестицидів ї акумулювати їх, а при мінералізації гумусу вони переходять у вільний стан і підвищують токсичність ґрунтів.

Багато дослідників відмічають, шо гумінові і фульвокислоти є фізіо­ логічно активними речовинами, здатними стимулювати життєдіяльність рослин І мікроорганізмів. В основному властивість біостимуляторів при­ таманна низькомолекулярним фракціям, які можуть проникати в рос­ линні і мікробні клітини, змінювати їх плазматичну структуру 1впливати на інтенсивність метаболічних процесів.

Врахувуючи зазначені вище властивості гумусу, можна дійти ви­ сновку, що він відіграє визначальну роль у формуванні родючості фун­ ту. За даними багатьох польових дослідів спостерігається тісний зв’язок між рівнем гумусованості фунтів та урожайністю сільськогосподарських культур (коефіцієнт кореляції між цими показниками становить 0,6-0,8).

8.6.Особливості трансф ормації гумусу

всучасних агроценозах

На інтенсивність і напрямок процесів гумусотворення значною мі­ рою впливають такі антропогенні фактори, як форми і дози застосуван­ ня мінеральних добрив, внесення органічних добрив і зеленої рослинної маси, ступінь насичення фунту катіонами кальцію, режими зволоження, обробіток фунту та інші.

Застосування мінеральних добрив є важливим антропогенним фа­ ктором, який впливає на інтенсивність мікробіологічних процесів І, зок­ рема, на трансформацію органічної речовини ґрунту. Мінеральні добри­ ва містять азот, фосфор і калій у легкозасвоюваних формах. За умов їх внесення у ґрунт мікроорганізми забезпечуються у достатній кількості основними біогенними елементами, а джерела енергії для метаболізму беруть із органічної речовини фунту. Бурхливий розвиток мікроорганіз­ мів підвищує швидкість мінералізації органічних решток, а їх окиснення іде до кінцевих продуктів - СОз та НгО. Вуглець біологічно нестійких сполук не гуміфікується, а практично повністю асимілюється мікроорга­ нізмами або виділяється у вигляді С 02.

178