Роль микроорганизмов при формировании химического состава плодородных почв

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Почва – гетерогенный (разнородный) по структуре субстрат, имеющий
микромозаичное строение [1]. В почве встречаются представители практически всех групп
микроорганизмов, основные из них – почвенные грибы и почвенные бактерии [2]. Cреди
механизмов структурно-функциональной организации биоценозов огромное значение имеют
взаимоотношения входящих в их состав организмов, обусловленные трофическими связями и
изменениями условий среды [3]. Численность микрофлоры, характер её развития и
3
продуктивность в значительной мере регулируются внутривидовыми и межвидовыми
взаимоотношениями. Для микроорганизмов почвенных биоценозов более важны межвидовые
взаимоотношения. Антагонистическая активность микроорганизмов определяет их выживание
при взаимодействии в различных ассоциациях [4].
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РОЛИ МИКРООРГАНИЗМОВ В
ФОРМИРОВАНИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПЛОДОРОДНЫХ ПОЧВ
1.1. Характеристика почвы как гетерогенного субстрата
Окраска и структура почв разнообразна. По ней можно судить о химическом составе и
плодородии. Темноокрашенные почвы, имеющие повышенное содержание гумуса являются
наиболее плодородными. Важнейшие составные части почвы, от которых зависит ее цвет -
гумусовые вещества, соединения железа, соединения кремния и алюминия, карбонаты кальция.
Гумусовые вещества с повышенным содержанием гуминовых кислот обуславливают черную,
темно-серую, темно-бурую окраску; фульватный гумус - светлую окраску (серую, бурую,
желтоватую). Окисленные соединения железа дают красные, ржавые (охристые) и желтые тона;
восстановленные формы железа – сизые и серые тона. Соединения кремния, алюминия,
карбонаты кальция, гипс- белого цвета [5].
Различные количественные сочетания этих и ряда других соединений обуславливают широкий
спектр окраски почвы и ее отдельных горизонтов. Интенсивность цвета зависит от влажности.
Влажная почва всегда темнее, чем сухая. Окраска горизонтов часто бывает неоднородной, в виде
пятен, полос, линз различного цвета, которые характеризуют неоднородность процессов и свойств
разноокрашенных участков. Различают слабопятнистые, отчетливо пятнистые и сильнопятнистые
горизонты почв.
Структура почвы – агрегаты разного размера и формы, на которые способна распадаться почва в
сухом состоянии. Структурные агрегаты состоят из отдельных частиц (механических элементов),
связанных веществами, обладающими клеящей способностью (новообразованные гумусовые
вещества, соединения кальция). Эти вещества обуславливают механическую прочность и
водоустойчивость агрегатов. Наиболее ценные агрегаты 0,25-10 мм. Чем больше таких агрегатов в
почве, тем она плодороднее, так как такие агрегаты определяют наиболее оптимальные для
растений водный и воздушный режимы [6].
1.2. Характеристика химического состава плодородных почв
В почве содержатся все химические элементы, представленные в периодической таблице Д.И.
Менделеева. Концентрация веществ может варьировать в широких пределах, и колеблется от
десятков и единиц массовой доли в процентном соотношении, до 1011 - 1012 %. Часть
микроэлементов формирует почвенную массу, другая часть – не оказывает существенного
влияния на состав и характеристики почвенной массы, однако существенно влияет на
физиологические и биохимические характеристики почвы. Одни элементы могут выступать в
качестве стимуляторов и катализаторов почвенных микроорганизмов, тогда как другие выступают
в качестве ингибиторов основных физиологических и биохимических свойств [9].
4
К первой группе относят преимущественно макроэлементы, ко второй группе относят различные
микроэлементы, ультрамикроэлементы, наноэлементы [10].
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ МИКРООРГАНИЗМОВ В ФОРМИРОВАНИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
ПЛОДОРОДНЫХ ПОЧВ
2.1. Характеристика типичных представителей почвенной микрофлоры
В качестве основных микроорганизмов, выступающих типичными обитателями почвенных
микробиоценозов, можно привести следующие микроорганизмы [12]:
Bacillus subtilis
Micrococcus luteus
Bacillus cereus
Bacillus mycoides
Bacillus atrophageus
Bacillus pumilus
Bacillus horikoshi
Stenotrophomonas rhizophila
Bacillus pumilus (под действием пестицидов)
Stenotrophomonas rhizophila
Kocuria Polaris
Bacillus subtilis
Arthrobacter parietis
Bacillus arsenicus
Arthrobacter sulfonivorans
Escherichia coli
Staphylococcus aureus
2.2. Взаимосвязь между почвенными микроорганизмами и химическим составом плодородных
почв
Микроорганизмы принимают активное участие в формировании почв, в поддержании их
плодородия. Микроорганизмы являются одними из древнейших видов живых существ на
планете. Так, они время их существования измеряется миллиардами лет. Микроорганизмы
5
выступают в качестве ведущих почвообразователей, которые начали свое функционирование
задолго до того, как появились первые растения и животные. В процессе жизнедеятельности
микроорганизмы оказывают преобразующее воздействие на почвы, которые они населяют. Во
многом от степени активности микроорганизмов зависят свойства осадочных пород, состав
атмосферы, природных вод. Во многом от активности почвенной микрофлоры зависит
геологическая история таких элементов, как углерод, сера, кислород, кальций, железо [13].
В биохимическом отношении микроорганизмы являются полифункциональными. В почвах и
биосфере они осуществляют те процессы, которые не доступны большинству живых организмов. В
первую очередь стоит отметить, что микроорганизмы почвы выступают в качестве существенного
компонента, принимающего участие в круговороте веществ и энергии в природе. Среди наиболее
значимых биохимических процессов, осуществляемых микроорганизмами почвы, рассматривают
фиксацию азота. Процессы окисления аммиака и сероводорода, восстановление сернокислых и
азотнокислых солей. Также микроорганизмы почвы обладают способностью осаждать из
растворов соединения железа и марганца. Важными процессами является микробный синтез, в
процессе которого синтезируются такие соединения, как белки, углеводы, аминокислоты,
витамины, и ряд других биологически активных компонентов.
2.2.1. Почвенные водоросли
Почвенные водоросли представляют собой группу одноклеточных или многоклеточных
микроорганизмов, которые обладают специфическими пигментами. Водоросли могут быть как
подвижными, так и неподвижными. Основной пигмент – хлорофилл, который обеспечивает
ассимиляцию углекислого газа, а также процессы фотосинтеза (при котором из неорганических
веществ под действием солнечных лучей, образуются органические вещества). Водоросли имеют
принципиальное отличие от других живых организмов, в том числе, и от растений. Они
способствуют обогащению почвы органическим веществом и кислородом.
Водоросли заселяют преимущественно верхние слои почвы. Чаще всего это те слои, которые
подвергаются воздействию солнечных лучей. Тем не менее, некоторые виды почвенных
водорослей обитают на глубине до 30-50 см.
2.2.2. Почвенные грибы
Почвенные грибы представляют собой обширную группу микроорганизмов. Среди них есть как
одноклеточные, так и многоклеточные формы. Обитают они преимущественно в мертвом
субстрате, расположенном на поверхности почвы. Они образуют, к примеру, лесную подстилку,
растительный опад.
Выделяют 4 группы почвенных грибов:
- Фикомицеты (способствуют первичному разрушению минеральных компонентов,
перерабатывают мертвое органическое вещество, осуществляют процессы аммонификации);
- Аскомицеты обладают способностью разлагать клетчатку в почве;
6
- Базидиомицеты – играют определенную роль в повышении плодородия почв лесных массивов,
хвойников. Тем не менее, их роль недостаточно изучена;
- Деутеромицеты – наиболее многочисленная группа, в состав которой входят также
микромицеты. Повышают плодородие почв, обогащают их.
2.2.3. Бактерии
Бактериальные клетки являются наиболее многочисленными и разнообразными формами
клеточной жизни. Бактериальные клетки могут быть грамположительными или
грамотрицательными, спорообразующими или неспорообразующими, подвижными или
неподвижными, аэробами или анаэробами, могут обладать ферментативной активностью.
Бактериальные клетки характеризуются по культуральным, морфологическим, физиологическим,
биохимическим свойствам.
Стоит акцентировать внимание на таких группах бактериальных клеток, как бактерии, окисляющие
водород (Bacterium hydrogenius), соединения углерода (Bact. methanicus), железобактерии и
серобактерии, окисляющие железо и серу, бактерии-нитрификаторы, окисляющие аммиак в
нитриты и последние в нитраты). Роль автотрофных бактерий была особенно существенной до
возникновения водорослей и зеленых растений, синтезирующих органические вещества [12].
2.2.4. Вирусы (бактериофаги)
Вирусы, представляют самый малый организм, населяющий почву. Это обширная группа
мельчайших и простейших организмов, стоящих на грани живого и неживого. Являясь типичными
паразитами и хищниками, вирусы должны оказывать громадное влияние на бактерии, которыми
они питаются. Известно, что патогенные микробы (например, проказы, туберкулеза) гибнут в
почве. He исключено, что эти обеззараживающие свойства почв обязаны присутствию вирусов.
Наблюдалось, что бактериофаги разрушают клубеньковые бактерии на корнях бобовых [11].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Почва – гетерогенный (разнородный) по структуре субстрат, имеющий микромозаичное строение
[1]. Характерной чертой является то, что в состав биоценозов входят также почвенные растения,
почвенные животные, органические и неорганические вещества почвы, минеральные
компоненты. Все эти структуры находятся в тесной взаимосвязи. В почве происходят различные
химические и биохимические преобразования, немаловажная роль в которых отводится
почвенным микроорганизмам. Почвенные микроорганизмы могут выступать в качестве триггеров,
катализаторов многих химических процессов. Обладая высокой биологической активностью,
микроорганизмы почвы повышают плодородность, и другие свойства почвы.