Лабораторные занятия 6 (2 часа)
Понятие об органическом веществе почв. Источники образования гумуса в почве. Состав гумуса. Свойства гумусовых веществ
Органические вещества почв представлены в виде веществ органической природы, входящих в состав организмов (живых и мертвых), а также специфических гумусовых веществ. О растениях, животных и микроорганизмах речь шла в предыдущих разделах. В почвах органические вещества накапливаются в виде торфа, перегноя и гумуса.
Торф — это скопление большей частью растительных органических остатков, сохранивших свою тканевую структуру, т. е. в толще торфяной массы легко различимы невооруженным глазом составные части растений, отдельных органов с ясно видимым их клеточным строением.
Перегной — полуразложившаяся масеа органических остатков, тканевое клеточное строение которых заметно лишь при рассмотрении под увеличительным стеклом.
Г у м у с — совокупность вновь синтезированных высокомолекулярных органических веществ, утративших тканевую клеточную структуру.
Органические вещества растительного и животного происхождения в почвах подвергаются микробиологическим процессам разложения: тлению, гниению, брожению.
В тлении участвуют преимущественно аэробы, живущие в присутствии кислорода, который они используют для своих жизненных процессов. При использовании аэробами органических остатков образуются полностью окисленные вещества: вода, углекислота, минеральные соли. Процесс тления происходит большей частью в пахотном горизонте при хорошей аэрации почвы.
Гниение происходит без доступа кислорода с участием анаэробов. Эти микробы разлагают органические вещества до таких конечных продуктов, как сероводород, метан, водород, аммиак. Этот процесс протекает при заболачивании почвы.
Брожение происходит как в присутствии кислорода, так и без него. Этот процесс вызывается бактериями, дрожжевыми грибами и актиномицетами почвы. При брожении образуются такие простые вещества, как вода, углекислота, спирты, органические кислоты, альдегиды и др.
Источники образования гумуса в почве. Основными источниками органических веществ в почвах, из которых в процессе сложных биокаталитических превращений формируются гумусовые вещества (гумус), являются:
прижизненные корневые выделения зеленых растений; органические остатки растений, животных и микроорганизмов (почвенные флора и фауна служат главным фактором самого процесса гумусообразования, особенно в целинных почвах); в пахотных почвах существенное значение для пополнения запасов гумуса приобретают органические удобрения, состав которых весьма разнообразен.Характерные особенности поступления органических веществ в почву рассмотрены при описании биологического фактора почвообразования. При почвообразовании в материнскую породу попадает чрезвычайно сложная смесь органических соединений различной природы. Для суждения о вероятных источниках органических веществ, участвующих в гумусообразовании, кратко рассмотрим современные представления о природе основных компонентов, слагающих массу сухого вещества.
Белки и полинуклеотиды — высокомолекулярные соединения, играющие в живой клетке первостепенную роль. Элементный состав их относительно постоянен, %: С-—48—55, Н —6—7, О— 19—27, N — 16—20, S -^2. Молекула белка состоит из одной или нескольких полипептидных цепей, каждая из которых содержит не менее 100 аминокислотных остатков, ковалентно соединенных между собой пептидными связями.
Аминокислоты, входящие в состав белков, следующие: глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, серин, треонин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, аспарагин, глутамин, лизин, аргинин, гистидин, цистин, метионин, фенилаланин, тирозин, пролин, триптофан.
По составу белки делятся на два класса: простые (протеины) к сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот, сложные — из протеинов и каких-либо других органических и неорганических продуктов.
К классу белков относятся ферменты, осуществляющие все процессы превращения органических веществ в природе. К настоящему времени идентифицировано около тысячи различных ферментов, сущность которых сводится к катализу (ускорению) химических реакций.
При отмирании организмов белковые вещества подвергаются быстрым биокаталитическим (биохимическим) превращениям. Под влиянием ферментативной деятельности микроорганизмов белки расщепляются на менее сложные компоненты, легко гумифицируются и минерализуются. Первичные растительные белки в почве подвергаются разложению и новому синтезу вторичных белков, образующих плазму микроорганизмов.
У глеводы —полиоксиальдегиды или полиоксикето - ны, делящиеся на три группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Последние составляют главную массу углеводов во всех органических остатках. В почве наиболее интенсивно разлагаются моносахариды и олигосахариды. Многие ученые указывают на участие углеводов в процессах гумификации.
Лигнин является непременной составной частью растительных остатков, достигая 15—30% общей массы органики. Лигнин относят к классу ароматических соединений, а в одревесневших тканях растений он находится в форме лигноуглеводного комплекса. Лигнин —г один из наиболее устойчивых против разложения компонентов растительных тканей, но он хорошо гумифицируется, поэтому многие исследователи относят его к основному гумусообразователю.
i Липиды — большая группа жиров и жироподобных I веществ, обладающих гидрофобностью и нерастворимостью К в воде. Липиды служат дополнительным источником энер - I гии. В растительных и микробных клетках липиды пред - I' ставлены нейтральными жирами (ацилглицерины), фосфо - I глицеридами, гликолипидами, восками, фитостеринами, v терпенами и липопротеидами.
Пигменты — органические вещества, обусловли - I вающие окраску частей растений, а также микроорганиз - I мов. Главнейшие растительные пигменты — каротин, ксан - I тофилл и хлорофиллы. В зеленых растениях хлорофиллы
составляют около 1 % сухого вещества и образуют комплекс В с липидами и белками.Кроме перечисленных первичных органических соеди - I нений, в растениях и почвах присутствуют и вещества вто - I ричного происхождения: глюкозиды, дубильные вещества, I эфирные масла и смолы, алкалоиды, антибиотики, регуля - I торы роста растений и др.
Таким образом, в почву поступает сложный комплекс I органических веществ, подвергающихся процессам превра - I щения, главнейшими из которых являются минерал и - I з а ц и я и гумификация.
Процессы разложения и минерализации органических 1 остатков носят биокаталитический характер и протекают I при участии ферментов, выделяемых микроорганизмами. К Продуктами полной минерализации являются вода, угле - I кислый газ и соли. Скорость процессов разложения и мине - I рализации различных органических веществ не одинакова. I Быстрее минерализуются сахара, крахмал; достаточно
хорошо разлагаются белки, гемицеллюлозы и целлюлоза; к наиболее устойчивы к разложению и минерализации лиг - ВЛшн, воски, смолы.Параллельно с минерализацией органических веществ I в почве всегда идут процессы гумификации, в результате I чего образуются относительно устойчивые против разложе - 1 ния новые формы высокомолекулярных органических соединений, приобретающих сложное циклическое строение ; и носящих кислотный характер,— гумусовые вещества. ь Из более простых органических продуктов биокаталити - k ческим путем при реакциях полимеризации и поликонден - V сации также происходит формирование гумусовых веществ. I При реакции полимеризации происходит присоединение В мономеров (более простых органических соединений) с об - [ разованием новых сложных высокомолекулярных продуктов биокаталитического синтеза, но при этом не происходит выделения побочных продуктов взаимодействия. В отличие от реакции полимеризации при поликонденсации органических мономеров происходит образование уплотненных сложных высокомолекулярных соединений и наблюдается выделение (отщепление) побочных продуктов упрощенного строения (например, воды).
Профессор по праву считается основоположником современного учения о гумусообразовании. Проведя экспериментальные исследования о скорости и характере разложения различных растительных остатков, он впервые доказал решающую роль микроорганизмов в этом процессе и решил проблему накопления азота в гумусе. В настоящее время проблеме почвенного гумуса посвящено громадное число научных работ отечественных и зарубежных авторов.
Термин «гумус» следует считать сугубо почвенным. По , он включает лишь ту часть органических веществ почвы, которая потеряла анатомическое строение исходных растительных остатков, подверглась в почве процессам гумификации и формирует гумусовый горизонт, равномерно прокрашивая минеральную массу материнской породы в темный цвет.
В то же время, термин «гумус» не исчерпывает собой более общее понятие об органической части почвы, в состав которой входят не только гумусовые вещества, но и органические продукты почвенной флоры и фауны, перегной, органические удобрения. Состав органической части почв динамичен по природным зонам, по годам и вегетационным периодам.
СОСТАВ ГУМУСА. СВОЙСТВА ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ
При гумификации органических веществ происходит консервация органического вещества в форме новых, устойчивых к разложению продуктов - гумусовых кислот. По подсчетам (1978), в почвенном гумусе содержится до /г-1019 ккал связанной энергии. (1982) подчеркивает, что гумификацией следует называть лишь процесс образования особого класса органических веществ — гумусовых кислот, которые накапливаются при трансформации растительных, микробных и животных остатков в биосфере, почве, торфе, сапропеле (озерном иле) и других органогенных телах природы.
Гумусовые вещества почвы состоят из ряда высокомолекулярных соединений, имеющих кислотный характер. Однако в виде свободных кислот в почвах гумусовые вещества, как правило, не встречаются. Большая часть из них находится в различных формах связи с минеральной частью почвы (материнской породой), образуя комплексные органо-минеральные соединения.
Основными группами гумусовых веществ являются гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины. Выделение их из почвы и разделение производится при помощи различных растворителей, разрушающих межмолекулярные и другие энергетические связи в органо-минеральных комплексах. При выделении и разделении гумусовых веществ прежде всего проводится декальцинирование почвы при помощи обработки ее минеральной (серной) кислотой. В схеме разделения гумусовых веществ за основу принимается отношение различных их групп к растворителям, а также цвет этих гумусовых веществ.
Гуминовые кислоты представляют собой группу веществ, извлекаемых из почвы щелочами в виде темноокрашенного раствора (гуматов натрия, аммония или калия) и осаждаемых минеральными кислотами в виде аморфного осадка — геля.
Гуминовые кислоты имеют следующий средний элементный состав, %:
углерод (С) —50—62 водород (Н)—2,8—6 кислород (О)—31—40 азот (N) —2—6
Колебания в элементном составе гуминовых кислот объясняются тем, что они не являются химически индивидуальными кислотами определенного строения, а представляют группу высокомолекулярных химических соединений, сходных по составу и свойствам.
У гуминовых кислот функциональные или реактивные группы представляют собой боковые цепи линейно-полиме - ризованного углерода, которые определяют характер взаимодействия гуминовых кислот с окружающей средой. К функциональным группам относятся карбоксильные (СООН), фенол гидроксильные (ОН), метоксильные (ОСН8) и карбонильные (СО). Присутствие первых (карбоксильных) групп является основанием для причисления гуминовых веществ к кислотам. Водные суспензии гуминовых кислот имеют pH 3. A. T. Цурнков
