Поиск

Почва как биохимическая система
28.10.2015

Разные группы растений, животных и микроорганизмов, населяющих почвы, находятся в постоянном взаимодействии между собой и географической средой. Это взаимодействие вызывает коренные изменения физических, химических и биохимических свойств горной породы и ее превращение в почву.
Взаимоотношения почвенных организмов очень сложны и многообразны. Животные и бактерии потребляют растительные углеводы, жиры и белки. Грибы разрушают целлюлозу и, в частности, древесину. Цепь хищников разных видов потребляет живые ткани более слабых организмов. Копрофаговые организмы используют экскременты более высокоорганизованных форм.
Симбиоз, паразитизм и антагонизм различных видов позвоночных, насекомых и микроорганизмов усложняют их отношения между собой и их влияние на растения и на цикл органических и минеральных соединений в системе почва — микроорганизмы — растение.
Корни растений играют, по-видимому, особо важную роль в процессе выветривания горных пород. Органическое вещество корней является главным энергетическим материалом для почвенной фауны. К этому добавляется органическое вещество с поверхности, увлекаемое животными в глубь почвы. В погоне за органическим веществом многочисленные обитатели почвы способствуют не только механической гомогенизации минеральной массы. Горная порода сама биологизируется — превращается в «живую» почву, пронизанную ассоциациями особей макро-, мезо-и микрофауны и колониями бактерий и грибов. Возникает аппарат постоянного взаимодействия между организмами разного рода при синтезе, разрушении и ресинтезе органического вещества вплоть до полной минерализации.
Твердые, жидкие и газообразные продукты жизнедеятельности почвенных животных, корневых систем и микроорганизмов создают новые вещества биогенного происхождения в твердой, жидкой и газообразной фазе почвы: гумус, почвенные минералы, органо-минеральные комплексы, растворимые в воде органические соединения, минеральные соединения азота, серы и фосфора, специфические газы в почвенном воздухе (углекислота, аммиак, углеводороды, сероводород, летучие соединения и др.).
Значительная часть почвенной влаги и питательных веществ в природных почвах находится в тканях живых организмов. Метаболизм корней растений, фауны и микроорганизмов создает своеобразную биохимическую обстановку в почве. Накапливаются антибиотические, иногда высокотоксические вещества, появляются гормональные активирующие соединения, выделяются и накапливаются энзимы, такие, как каталаза, уреаза, сахараза, инвертаза, которые направляют и ускоряют реакции окисления, восстановления, гидролиза, брожения или синтеза и ресинтеза новых продуктов.
Многие бактерии и грибы продуцируют вещества типа полисахаридов, способствующие структурообразованию почв. Некоторые почвенные грибы и бактерии синтезируют аминокислоты, спирты, кетоны, органические кислоты. При микробно-грибном разложении растительной массы в почве синтезируются витамины (В, B2, B6, B12, PP), активные биохимические продукты (тиазоль, тиамин, биотин). Эти вещества, по-видимому, могут существенно влиять на почвенное плодородие. Продукты жизнедеятельности одних бактерий часто являются токсическими антибиотиками для других. На этом основано общеизвестное свойство почв уничтожать патогенные микробы.
Накопление токсинов биогенного происхождения может серьезно снижать продуктивность почв и эффективность вносимых удобрений. Токсические вещества, выделяемые микроорганизмами подзолистых почв, например, значительно угнетают культурные растения и подавляют прорастание семян. He исключено, что некоторые токсины могут вызывать заболевания, попадая в организм человека с водой или пищей. Высказываются, например, предположения, что уровская болезнь, характерная для некоторых районов Дальнего Востока, связана с токсинами, образуемыми грибом Fusarium, поражающим зерновые хлеба.
Влияние продуктов метаболизма организмов на почвообразование и плодородие почв весьма сильно зависит от условий среды, типа почвообразующих пород, состава почвенного населения. Одним из средств оценки биохимической роли организмов в почве является продукция углекислого газа и формирование гумуса. Общепризнанно, что чем многочисленнее почвенное население, тем выше плодородие почв, тем больший объем суточного углекислого газа производится почвой. He всегда, однако, эта зависимость столь очевидна и проста. Формирование гумуса отражает в суммарном виде результаты распада растительной массы в почве и процессов ресинтеза при совокупном влиянии местных географических факторов и почвенных организмов. Связь между гумусностью луговых и степных почв, с одной стороны, и их плодородием — с другой, общеизвестна. Ho это не является универсальным правилом. Серые лесные почвы, лесные буроземы, орошаемые сероземы — малогумусные почвы, но они обладают высоким плодородием.
В современной научной литературе различают четыре типа разрушения органического вещества, отражающих сочетание совершенно различных условий и последствий,
1. Консервирование растительных органических остатков в малоизмененном виде с образованием кислотных и стерилизующих веществ в условиях пересыщения водой и крайней бедности фауны, флоры и микроорганизмов (торфообразование).
2. Гниение органических веществ в условиях недостаточного притока воздуха (особенно кислорода) и при высокой влажности, что создает анаэробную среду. Личинки мух и жуков, низшие грибы, специфические бактерии (анаэробы) играют существенную роль в этих процессах (например, при компостировании). Восстановительные процессы, господствующие в подобной обстановке, сопровождаются образованием аминов (птоамин) и фенолов, сероводорода, фосфония, водорода, метана, сернистых металлов, восстановленных соединений железа и марганца. Все эти соединения в большей или меньшей мере токсичны. В этой же среде нитраты восстанавливаются до аммиака и газообразного азота. Эти явления типичны для болотного почвообразования. Они могут возникать и при сезонном переувлажнении почв.
3. Аэробное разложение (гумификация) органических веществ, происходящее при достаточно благоприятном сочетании условий увлажнения и аэрации и связанное с последовательными и многократными сменами разложения и ресинтеза органических веществ в почве позвоночными и беспозвоночными животными (использование и ресинтез белков, углеводородов, жиров), грибами, микроорганизмами (использование и ресинтез белков, углеводородов, целлюлозы, лигнина, хитина). Разложение белков сопровождается аммонификацией и нитрификацией с образованием азотной кислоты и ее солей. Одновременно происходит окисление белковой серы и фосфора с образованием сульфатов и фосфатов. Углерод в большей части окисляется до углекислоты. Минеральные вещества органических остатков переходят в форму простых солей. Однако значительная часть углерода, азота, фосфора, калия и т. д. накапливается при этом в виде гумуса. Процесс аэробной гумификации органических веществ характерен для большинства почв, обладающих высоким природным плодородием и гумусностью (черноземы, почвы прерий, черные почвы тропиков, луговые, бурые лесные почвы). В зависимости от условий водного режима аэробные процессы могут сочетаться в разной степени с анаэробными.
4. Сухое «тление» органических веществ происходит при почвообразовании в условиях особо сухого климата при большем доступе кислорода, низкой влажности и пониженной активности почвенных организмов. Почвенные животные осуществляют механическое и биохимическое разрушение органического вещества. Грибы и бактерии завершают окислительные процессы с образованием простых окисленных минеральных солей, газов, воды. Ресинтез гумуса сравнительно ограничен. Поэтому и почвы сухих теплых областей обычно малогумусиые и светлоокрашенные. Конечно, все эти явления глубоко меняются под хозяйственным воздействием человека. Уже простое изменение растительного покрова на почвах коренным образом меняет их фауну и микробное население. В этом же направлении действуют мелиорация и обработка почв, смены культурных растений в севообороте и особенно ирригация.
Внесение в почву удобрений, инсектофунгицидов, гербицидов глубоко влияет на состав и активность микроорганизмов как в благоприятную, так и ;в неблагоприятную (чаще) сторону. В биологии и биохимии почв скрываются огромные дополнительные возможности увеличения урожайности сельскохозяйственных растений, если законы биохимии поняты и правильно используются в земледелии.