Практические занятия 7 (2 часа)

Практические занятия 7 (2 часа)
Понятие об органическом веществе почв. Источники образования
гумуса в почве. Состав гумуса. Свойства гумусовых веществ.
Содержание гумуса в различных типах почв. Качественный состав
гумуса
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.
Т о р ф — 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.
П е р е г н о й — 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
р а з л о ж е н и я : 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:
1)
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);
3)
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 ф е р м е н т ы , 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 г л е в о д ы —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.
Л и г н и н 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
2)
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 Л и п и д ы — 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.
П и г м е н т ы — 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
4)
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 м и н е р а л и - I з а ц и я и г у м и ф и к а ц и я .
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
5)
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 Костычев П. А. 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 Л. Н.
Александровой, 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 В. А. Ковды (1978), в
почвенном гумусе содержится до /г-1019 ккал связанной энергии. Л. Н.
Александрова (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.
Г у м и н о в ы е к и с л о т ы 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