Неспецифические органические соединения почв

Органическое вещество почв представлено органическими остат­ками живых организмов, продуктами их метаболизма, а также спе­цифическими органическими соединениями, носящими название по­чвенного Гумуса. По современным представлениям все органические вещества, находящиеся в почвенной массе генетических горизонтов, делятся на две группы.

Неспецифические, т. е. вещества не почвенного происхождения, а имеющие фито-, зоо-, микробоценотическую природу и поступающие в процесс почвообразования как отмирающая био масса (органические остатки) и как продукты жизнедеятельно­сти живых организмов.

Почвенный гумус или специфические органические вещества почвенно-генетической природы, присущие только почвам.

В вещественном составе почв органическим соединениям при­надлежит особая роль, поскольку гумусообразование и гумусонакопление связано только с почвообразовательным процессом и не наследуется, как правило, от материнской почвообразующей породы, хотя, безусловно, материнские породы влияют на состав и свойства гумуса.

Из массы органических веществ биологического происхождения в почвоведении широко представлены углеводы (целлюлоза, моносахариды, дисахариды, гемицеллюлоза, пектиновые вещества), лигнин, белки, жиры, липиды, дубильные вещества, воски и смолы и др. Осо­бую роль играют ферменты и фенолы.

Разные биологические объекты, поступающие в процесс почвообра­зования, весьма варьируют по химическому составу (табл. 1). Углеводы — большая группа органических веществ, куда входят моносахариды, дисахариды, крахмал, целлюлоза (клетчатка), геми­целлюлоза и др. Большая часть приходится на долю целлюлозы. Особенно много ее в древесине — 50—60%. В листьях и травах ее содер­жится около 30%.

Углеводные компоненты, поступающие в почву с растительными II животными остатками, довольно быстро подвергаются различным превращениям: ферментативному гидролизу, окислению, конденса­ции. Их химическая трансформация в дальнейшем может происхо­дить различными путями: а) в условиях высокой биологической ак­тивности наблюдается распад углеводных соединений до мономеров с их дальнейшей конденсацией; 6) низкая биологическая активность способствует накоплению высокомолекулярных соединений за счет процессов ароматизации и карбоксилирования. Наиболее быстро про­цессам разложения подвергаются простые углеводы (моно- и дисахариды). Максимальное разложение углеводов наблюдается в первые три месяца при значительном накоплении новообразеванных гемицеллюлоз.

Специфические функции углеводов в почве:

•формирование почвенной структуры за счет образования водопрочных агрегатов и усиления их стабильности, определяемых высокой -клеящей способностью микробных слизей, обуслов­ленных различными углеводами;

•образование органоминеральных золей с полуторными окисла­ми и глинистыми частицами; ускорение выветривания минералов за счет образования хелатных соединений;

•участие в ионнообменных процессах, т. е. значительное влия­ние на поглотительную способность почвы;

•влияние на питание растений как путем непосредственного по­глощения (моносахариды), так и косвенным, через образование различных соединений (полисахариды);

Таблица 1

Химический состав органических остатков, % на сухую беззольную массу (Александрова)

•трансформация гумусовых веществ микроорганизмами ускоря­ется в присутствии углеводов как источника энергии и угле­рода.

Хотя вопросы о распространении углеводов в почвах, влиянии типа почвы на их содержание и распределение пока изучены недо­статочно, в целом, можно, сделать вывод о существенной роли углеводов в почвообразовании.

Гемицеллюлоза сопутствует целлюлозе и составляет 15—30% рас­тительной массы.

Молекула целлюлозы построена из повторяющихся звеньев ангидро-D-глюкозы, соединенных гликозидной связью:

Целлюлоза построена из повторяющихся одинаковых звеньев; многие другие полисахариды при гидролизе дают смесь моносахаридов. Сложными полисахаридами являются гемицеллюлозы, образующие при деструкции глюкозу, маннозу, галактозу и др. Геми­целлюлозы отличаются от целлюлозы более легкой растворимо­стью в щелочных растворах; они легче гидролизуются разбавлен­ными кислотами.

Лигнин отличается высоким содержанием углерода, наличием бен­зольных колец с гидроксильными (ОН) и метоксильными (ОСН₃) группами, которые входят затем как структурные компоненты гуму­совых веществ. В растительных остатках содержание лигнина может достигать 35%.

В основе строения макромолекулы лигнина лежит элементар­ное звено типа С₆С₃, которое называют фенилпропановым звеном:

Белки и аминокислоты — главные химические компоненты неспецифических органических веществ, содержащие азот и фосфор. Содержание белков в биомассах крайне неодинаково: древесина — <1, сено (трава) — 5—10, грибы — 10—50; бактерии — 40—80%.

Белки сложены полипептидными цепями, состоящими из остат­ков аминокислот. Простые .белки — протеины — содержат только аминокислоты. Сложные белки — протеиды — содержат протеины и простетическую группу, в роли которой выступают углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и др.

Аминокислоты содержат одновременно кислотные —СООН и .основные —NH₂ группы, благодаря чему они обладают как кислот­ными, так и основными свойствами. В твердом состоянии амино­кислоты находятся в форме диполярных ионов или цвиттер-ионов:

Они возникают вследствие того, что α-аминогруппа связывает водородный ион карбоксильной группы. В растворах характер мо­лекулы зависит от кислотности среды. В кислой среде цвиттер-ион протонируется, и молекула в целом приобретает положительный заряд, становится катионом. В щелочной среде молекула теряет протон и становится анионом:

В процессах почвообразования эти химические соединения под­вергаются действию протеолитических и дезаминирующих фермен­тов. Аминокислоты в почвах могут быть свободными и связанными. Однако в отличие от углеводных соединений количество свободных аминокислот больше содержания связанных, а роль их более суще­ственна, так как они являются структурными элементами в синтезе белка, субстратом эндогенного дыхания, регулятором ферментативных реакций. По профилю наблюдается снижение как количества так и разнообразия состава аминокислот. При этом в сумме свободных аминокислот возрастает относительное количество нейтральных соединений, устойчивых к минерализации. Одной из особенностей аминокислотного состава почв является корреляция последних с за­пасами общего и гидролизуемого азота, почвенного гумуса. Таким образом, аминокислоты в почве являются важным звеном в системе органическое вещество — питание растений, обеспечивая условия для развития почвообразовательного процесса и возделывания сельскохозяйственных растений. .

Смолы имеют различное химическое строение. Чаще всего встречаются в хвойных деревьях.

Воски выполняют функции защитных веществ, содержатся в незначительных количествах.

Дубильные вещества содержатся почти во всех растениях. Их много в коре древесных пород (5—20%), мало в травах и микроор­ганизмах.

Источниками фенольных соединений являются также дубиль­ные вещества, которые разделяют на две группы: гидролизуемые и конденсированные (негидролизуемые). Гидролизуемые дубильные вещества представлены смесью сходных по строению веществ. В их основе лежит молекула глюкозы (или другая гексоза), которая эфирными связями связана с галловой или эллаговой кислотой:

Смолы, воски и дубильные вещества плохо разлагаются в почве, а в некоторых случаях угнетают почвенную микрофлору.

Зольные вещества составляют золу, оставшуюся после сжигания растительных и животных остатков. Содержание зольных элементов в живых объектах варьирует в зависимости от вида, возраста и среды обитания. В растительных остатках золы около 5%, в, древесине мало, около 1%, в травах много, около 10%. Основную массу золы состав­ляют Са, Мg, К, Nа, Si, Н, S, Fе, А1, Мn и многие микроэлементы.

Ферменты определяют ферментативную активность почвенной массы, имеют биологическое происхождение и являются обязатель­ными катализаторами всех биохимических процессов, происходящих при почвообразовании. Очень много ферментов участвуют в катализе процессов расщепления, превращения, минерализации органических веществ неспецифической природы и гумуса.

Фенолы представляют собой особый класс органических соединений. Фенольные соединения присутствует во всех трех фазах по­чвы и участвуют в биологических, гидрологических, геологических, химических, биохимических и физико-химических процессах, про­исходящих в почве, подвергаясь многообразным метаморфозам био­тического и абиотического синтеза и разложения. Вещества фенольной природы принимают участие в образовании органо-минеральных соединений. Почвенные фенолы существуют в нескольких формах; свободные, связанные и прочносвязанные с почвенной матрицей и не передвигающиеся в профиле почвы. Соотношение между ними определяется химической структурой фенолов и совокупностью по­чвенных условий. .

Таким образом, все неспецифические органические вещества почв по их биохимической значимости в процессах почвообразования мож­но разделить на 5 групп:

1.Быстроразлагающиеся и поглощающиеся микроорганизмами — сахара и белки. Обеспечивают незамедлительное поступление в почвенный раствор соединений азота, фосфора и других биофильных элементов.

2.Разлагающиеся медленно, расщепляющиеся под действием фер­ментов и являющиеся основными источниками гумусообразования — целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, пектин.

3.Вещества-ингибиторы, подавляющие микробиологическую де­ятельность, трудноразлагаемые: дубильные вещества, воски, смолы. Способствуют консервации органического опада, обра­зованию органогенных генетических горизонтов.

4.Ферменты различной биохимической направленности.

5.Фенольные соединения различного структурообразующего и функционального действия.

В связи с высокой динамичностью количественной массы неспе­цифических органических соединений количество этих веществ в по­чвах варьирует в широких пределах. Считается, что около 10% определяемого в лабораториях гумуса составляют органические вещества неспецифической природы, полностью утратившие морфологические структуры исходных организмов. Неспецифические органические ве­щества почвы представляют интерес прежде всего как исходный ма­териал для образования другой группы органических веществ, спе­цифичных только для почвенных масс и носящих название гумусовые вещества почвы.