Поиск

Органическое вещество почв
28.10.2015

Органическое вещество является важнейшей субстанцией почв, наличие и формы которой в наибольшей степени определяют почвенное плодородие и отличают почву от горных пород. Органическое вещество почвы привлекало внимание ученых еще со второй половины XVIII в. В трудах М.В. Ломоносова есть указание на происхождение почвы «от согнития животных и растущих тел со временем». Интерес к органическому веществу почвы поддерживался господствовавшей в то время гумусовой теорией питания растений, которая была наиболее полно развита Тэером.
Первые серьезные успехи в изучении органического вещества почвы были достигнуты в XIX в. Шпренгелем. Шпренгель доказал кислотную природу гуминовых соединений и предложил метод выделения гуминовых кислот, сохранивший известное значение и поныне. Шведский исследователь Берцеллиус предложил различать гумусовые вещества по растворимости в щелочах и кислотах. Им была установлена гумино-индифферентная форма почвенного гумуса, гуминовая кислота, растворимая в щелочных растворах, креновая и апокреновая кислоты, растворимые в воде. Исследования Берцеллиуса получили широкое развитие в последующем в работах Мульдера, русского химика Германа и др.
Середина XIX в. характеризуется господством теории минерального питания растений, основоположниками которой явились французский ученый Бусенго и немецкий исследователь Либих. В это время начинает утверждаться представление о гумусовых веществах как о химически индивидуальных соединениях. Были широко распространены экспериментальные попытки получить гумусовые вещества чисто химическим путем, обрабатывая белки и углеводы кислотами, щелочами и т. д.
Конец XIX в. благодаря исследованиям ван Бемелена отмечен развитием коллоидно-химических представлений о гумусовых веществах. Гранда предложил концепцию органо-минерального питания растений. К концу же XIX в. происходит наиболее важное событие в истории исследований почвенного органического вещества: оформляется новое, биологическое направление химии почвенного гумуса. Это направление было связано с блестящими открытиями Пастера. Исследованиями Дарвина, Костычева, Раманна были установлены новые факты, свидетельствующие о том, что почвенное органическое вещество является продуктом жизнедеятельности животных и растительных организмов, и в особенности почвенных микроорганизмов.
K началу XX столетия сложились две группы взглядов на природу почвенного гумуса. Одни исследователи утверждали специфическую природу гумусовых соединений, другие рассматривали гумус как совокупность веществ индивидуальной природы, выделенных из почвы растворами щелочей. К первой группе принадлежало большинство русских исследователей. Развитию взглядов второй группы способствовали исследования американцев Шрейнера и Шори, которые выделили из почвы и классифицировали большое количество веществ индивидуальной природы (белков, жиров, углеводов, органических кислот, аминокислот и др.).
Интересны работы в области органического вещества С.П. Кравкова и его ученика А.Г. Трусова. Трусов полагал, что легкоусвояемые органические вещества — аминокислоты, сахара, клетчатка, органические кислоты — являются косвенным источником гумусовых веществ, так как предварительно превращаются в плазму микроорганизмов. Трудноусвояемые органические вещества — лигнин, дубильные вещества и вещества ароматической природы — являются прямым источником гумусовых веществ. Схема их превращения в гумусовые вещества следующая: гидролитический распад до простых соединений ароматической природы→окиисление с образованием хинонов→конденсация хинонов (при участии ферментов-оксидаз)→превращение их в темноокрашенные сложные гумусовые продукты.
Из исследований XX в. следует отметить работы крупного шведского ученого С. Одена. Оден изучал специфические органические вещества, однако не считал образование гумусовых соединений в почве биологическим процессом. Он разработал классификацию гуминовых веществ, в которой выделил, как и предшествующие исследователи, группу гумусового угля и гумусовых кислот и в отличие от предшественников группу гиматомелановой кислоты и группу фульвокислот. Оден считал, что вещества группы фульвокислот аналогичны креновой и апокреновой кислотам Берцелиуса.
Нужно отметить также исследования Майарда, изучавшего темноокрашенные гумусоподобные продукты синтеза аминокислот с углеводами. А.А. Шмук установил коллоидальность гуминовых кислот, наличие в них карбоксильных и фенольных групп, присутствие конституционного азота и ароматическую природу гуминовых кислот. Различные гуминовые кислоты А.А. Шмук рассматривал как общую группу веществ, имеющих весьма сходное строение, что согласуется с современными представлениями.
Многое в учение о почвенном органическом веществе внесено В.Р. Вильямсом. Образование гумуса Вильямсом рассматривается как процесс перемежающегося синтеза органического вещества в высших организмах и разложения его микроорганизмами после отмирания, что и ведет к гумусообразованию. Направленность биохимических процессов и особенности химизма почвенного гумуса, по Вильямсу, определяются типом биологических группировок зеленых и бесхлорофильных растений. Он различал с этой точки зрения три растительные формации.
1. Древесная растительность и связанные с ней грибы, актиномицеты, анаэробные бактерии; в этих условиях синтезируются по преимуществу креновые кислоты, ведущие к оподзоливанию почв.
2. Луговая травянистая растительность и ассоциирующие с ней анаэробные и аэробные микроорганизмы; в этих условиях синтезируется в основном ульминовая кислота (бурая гумусовая кислота), образующаяся при анаэробном режиме, главным образом в лугово-дерновых условиях.
3. Степная травянистая растительность и ассоциирующие с ней аэробные бактерии; в этих условиях синтезируются преимущественно соединения гуминовых кислот, характерные для степных почв.
Биологическая концепция гумусообразования, обязанная главным образом научному творчеству отечественных ученых, встречала известное сопротивление у сторонников чисто химических представлений, развиваемых исследователями химии угля и торфа. Эти ученые считали, что главным источником гуминовых кислот является лигнин растительных остатков, который, практически почти не изменяясь, входит в состав почвенного перегноя.
Концепция лигнинного генезиса почвенного гумуса в последующем получила особое развитие в трудах американского исследователя Ваксмана и его учеников. Ваксман полагал, что ядро гуминовой кислоты составляет лигнино-протеиновый комплекс, образующийся при взаимодействии лигнина растительных остатков и протеина микробной плазмы.
Советские исследователи почвенного органического вещества — И.В. Тюрин, Ф.Ю. Гельцер, М.М. Кононова и другие накопили большое количество данных, свидетельствующих о том, что специфическое органическое вещество почвы — гумус (перегной) является сложным и своеобразным продуктом биохимических реакций, протекающих в почвах, и обязан своим происхождением в весьма большой степени жизнедеятельности почвенных микроорганизмов.
Впервые о полидисперсности гумусовых кислот сообщил В.В. Геммерлинг в 1921 г. на III Всероссийском съезде почвоведов. Геммерлинг связал степень дисперсности гуминовых кислот с окраской почв (наиболее грубодисперсные дают черную окраску, тонкодисперсные — светлую) и качеством структуры ряда типов почв.
В.В. Геммерлинг, И.В. Тюрин, С.С. Драгунов и Л.Н. Александрова заложили основы учения о гетерогенности и полидисперсности гуминовых кислот. В настоящее время с помощью применения новейших методов исследования подтверждено, что гуминовые кислоты полидиоперсны по размерам частиц и гетерогениы по деталям строения макромолекулы.
И.В. Тюрин рассматривал гумусообразование как сочетание ряда противоречивых процессов. Растительные и животные остатки разлагаются под влиянием микроорганизмов, почвенных животных и абиотических факторов. Продукты разложения — соединения циклического характера — и синтезированная микроорганизмами плазма в результате окисления, полимеризации и уплотнения под влиянием кислорода воздуха, ферментов, катализаторов дают устойчивые гумусовые соединения.

Органическое вещество почв

Эти позиции разделяет М.М. Кононова. Ею составлена приводимая ниже схема образования гумусовых веществ почвы. М.М. Кононова рассматривает гумусовые вещества как систему высокомолекулярных соединений, основой строения которой является наличие в молекуле многократно повторяющегося звена. Образование соединений такого типа происходит в результате реакций конденсации и полимеризации. Кононова выяснила роль окислительных ферментов типа фенолоксидаз в образовании первичных соединений гумуса.
В опыте с разложением целлюлозы чистыми культурами миксобактерий была также конкретизирована роль полисахаридов в образовании гумусоподобных органических соединений. При изучении темноокрашенных органических соединений, препаративно выделенных из синтетической среды, зараженной различными культурами, М.М. Кононова и И.В. Александрова установили образование гумусоподобных веществ из продуктов метаболизма и лизиса микроорганизмов, В составе гумусоподобных веществ обнаружены белки, аминокислоты и ароматические соединения (пирокатехин, протокатеховая кислота); по аминокислотному составу, содержанию С, О и N эти органические соединения можно рассматривать как начальные формы гумусовой кислоты и фульвокислот.
Главными «структурными единицами» гумуса являются ароматические соединения типа фенолов, аминокислот, пептидов, образующиеся при микробном разложении растительных и животных остатков и в результате метаболизма и ресинтеза микроорганизмами. В процессе окисления фенольных соединений в условиях биокатализа при участии фенолоксидаз образуются хиноны, способные к конденсации с аминокислотами и пептидами. Гуминовые кислоты — сложный продукт конденсации хинонов с азотсодержащими соединениями.
Органическое вещество почв

В 50—60-е годы XX столетия в связи с бурным развитием техники и внедрением новых методов исследования (спектроскопии, электронной микроскопии, хроматографии, рентгеноструктурного анализа) отмечается дальнейшая тенденция углубленного изучения химической природы, структуры и свойств гумусовых веществ. Появился целый ряд новых гипотез о происхождении и структурных элементах строения гумусовых веществ. Немецкий ученый Фляйг допускает возможность образования гумусоподобных веществ из органических фенолсодержащих соединений, растительных остатков и плазмы микроорганизмов, но склонен главным источником гумуса считать лигнин, Фляйг считает азот конституционной частью молекулы гуминовых кислот и полагает, что его присоединение к ароматическим соединениям может происходить на разных этапах многоступенчатого процесса гумусообразования (рис. 55 и 56).
Тиле и Кеттнер выдвинули представление о «макромолекуле» гуминовых кислот (рис. 57). По их представлениям, основу молекулы гуминовых кислот составляют специфические химические структуры, включенные в состав ядра, реактивные функциональные группы и мостики связи.
Органическое вещество почв

Эта гипотеза получила развитие в работах Шеффера и Ульриха. Молекулу гуминовых кислот Шеффер и Ульрих рассматривают как полимер, состоящий из мономеров, в свою очередь построенных из микроструктурных единиц.
В настоящее время остается дискуссионным вопрос о компонентах системы гумусовых веществ. Немецкая школа исследователей (Шеффер и Ульрих) развивает концепцию единого, но искусственно расчлененного комплекса гуминовых веществ. Советские исследователи выделяют две основные группы гумусовых кислот — гуминовые и фульвокислоты, учитывая различие их свойств и роль в процессах почвообразования.
Усилиями многих исследователей, прежде всего советских ученых, к настоящему времени накоплен обширный материал по характеристике запасов, состава и свойств органического вещества различных типов почв. Глубокие исследования роли органических веществ в генезисе ряда типов почв принадлежат В.В. Пономаревой и С.И. Кауричеву.
В органическом веществе почв различают вещества неспецифической природы, которые представлены соединениями известных в органической химии классов (белки, жиры, углеводы, воска, смолы, органические кислоты и др.), и специфической природы (собственно гумусовые вещества — гуминовая кислота, фульвокислота, гумин). Вещества неспецифической природы составляют 10—15% общего содержания органических веществ, 85—90% приходится на долю специфических веществ.