01.09.2017
31.08.2017
08.08.2017
14.07.2017
06.07.2017
19.06.2017
19.06.2017
19.06.2017
15.06.2017
12.06.2017
Процессы превращения азотистых соединений
 23.08.2012

Ближе к истинной причине указанного явления подошел П.А. Костычев, которого с полным правом следует считать основателем современного представления о процессах разложения органических остатков в почве и, в частности, процессов превращения азотистых соединений.
Произведя, при участии Симановского, ряд опытов по разложению различных растительных остатков в аэробных условиях, с количественным учетом азота до и после опыта, Костычев обнаружил, что общее количество азота при разложении не изменяется, несмотря на значительное уменьшение общей массы разлагающегося материала. При этом только незначительная часть азота после опыта оказалась в форме аммиака, нитратов и амидных соединений, главная же масса азота, как до опыта, так и после него, заключалась в белковых веществах.
Некоторые данные, полученные Костычевым, приведены в табл. 4.

Процессы превращения азотистых соединений

Исследуя причины обнаруженных явлений, Костычев пришел к выводу, что разложение белковых веществ растительных остатков сопровождается синтезом белковых веществ бактериями и грибами, развивающимися в огромных количествах на разлагающемся материале. При этом выделяется только углерод в виде угольной кислоты, а весь азот остается, и азотистые вещества претерпевают только постоянный круговорот изменений, представляющий разрушение и новообразование белковых веществ.
Только что изложенные взгляды Костычева получили полное подтверждение в многочисленных работах последующих и современных исследователей. Существенным дополнением этих работ к выводам Костычева является детальное выяснение условий, при которых может происходить накопление и уменьшение количества белковых веществ в разлагающемся материале или, наоборот, связывание минеральных соединений азота с одновременным увеличением содержания белковых веществ. Важнейшим из этих условий оказывается относительное содержание безазотистых и азотистых соединений в разлагающихся растительных остатках, которые обыкновенно характеризуются соотношением между общим углеродом и азотом (C:N). Накопление аммиака (и последующая нитрификация) может иметь место только при известном соотношении С : N, которое по Бартелю в среднем равно 28:1, если безазотистые вещества представлены углеводами. При этом соотношении, соответствующем содержанию азота в исходном материале около 1,7%, весь азот органических остатков потребляется микроорганизмами, переходя в форму микробного белка, а при более широком соотношении С:N микроорганизмы используют для синтеза минеральные формы азота, если последние имеются.
Указанное соотношение, однако, может варьировать в зависимости от природы безазотистых соединений и условий разложения (реакции, состава микрофлоры и т. д.); так, по Хан Денхо, в случае лигнина при нейтральной и слабощелочной реакции оно может расшириться до 70:1. Отсутствие связывания азота при широком соотношении C:N наблюдается также при разложении сфагновых мхов вследствие малой доступности безазотистых соединений сфагнов (гемицеллюлез и целлюлозы) при кислой реакции.
Указанные явления объясняются тем, что при наличии безазотистых веществ, являющихся источником энергии для микроорганизмов, последние усиленно растут и в связи с этим потребляют аммиак, образующийся при разложении азотистых соединений растительных остатков, для синтеза собственных белковых веществ.
Так как количество синтезированного микробного вещества, содержащего от 5 до 10% азота, может составлять от 10 до 40% от массы исходного материала (в среднем около 20%), то на каждые 400 г разложенного материала микробы могут связать от 1 до 2 г азота.
В опытах Ваксмана и Тенни с разложением растений (рожь), собранных в различные стадии развития, выделение аммиака наблюдалось при содержании азота выше 1,7%; при более пивком содержании, наоборот, происходило связывание минерального азота из прибавленной к разлагавшемуся материалу аммиачной соли. Это видно из данных табл. 5.
Процессы превращения азотистых соединений

В соответствии с этим разложение органических остатков, богатых азотом, сопровождается уменьшением белковых веществ с самого начала процесса разложения, тогда как при разложении остатков, бедных азотом, сначала наблюдается увеличение не только относительного, но и абсолютного содержания протеинов за счет связывания небелкового азота растительных остатков или минерального азота почвы. Эти явления хорошо подтверждаются результатами опытов Тенни и Ваксмана по разложению ржаной и кукурузной соломы, дубовых листьев и люцернового сена при аэробных условиях с прибавкой и без прибавки питательных солей в виде (NH4)2HPO4, К2НРО4 и СаСО3. В то время как при разложении люцернового сена, содержавшего 2,58% общего N и 8,13 % протеиновых веществ, количество белковых веществ уменьшалось, при разложении более бедных протеином кукурузной и ржаной соломы, а также дубовых листьев наблюдалось значительное увеличение количества, белковых веществ. Результаты этих опытов приведены в табл. 6.
Процессы превращения азотистых соединений

Непрерывное возобновление белковых веществ благодаря синтезирующей деятельности микроорганизмов считается причиной того, что протеиновый комплекс является наиболее устойчивым при разложении органических остатков и в почве, как показали, например, опыты Стэргиса в полевых условиях.
Однако эту устойчивость нельзя приписать только синтезирующей деятельности микробов, так как после известного периода, необходимого для разложения безазотистых соединений и уменьшения отношения С:N, следовало бы ожидать распада микробного белка со значительным выделением аммиака и окислением последнего в азотную кислоту благодаря деятельности нитрифицирующих бактерий. На самом же деле, как показывают многочисленные исследования, почвенный азот, содержание которого в гумусе равно в среднем 4-5%, обнаруживает значительную устойчивость и, за редкими исключениями, подвергается весьма медленной минерализации. Это наблюдается даже при внесении в почву, бедную гумусом, белкового материала (сушеной крови), часть которого переходит в устойчивую форму. Эта устойчивость, по-видимому, тесно связана с участием азотистых соединений почвы в образовании гуминовых веществ.
Указание на возможность образования гуминовой кислоты из белковых веществ при действии минеральных кислот было сделано еще Мульдером, однако оно имело такое же значение, как и еще более давно известный способ получения искусственных гуминовых веществ из углеводов при нагревании их с кислотами. Другое указание на почернение влажной смеси альбумина с почвой, сделанное Сузуки, оставляет место сомнению - не являлось ли причиной почернения образование сернистого железа в результате воздействия сероводорода на соединения железа. Несомненные доказательства образования гуминовых веществ - именно, гуминовой кислоты и отчасти гумина, при разложении белковых веществ под влиянием микроорганизмов были получены Трусовым, который высказал также весьма вероятные предположения о механизме совершающихся при гумификации белков реакций. Основываясь на работах Абдергальдена, Сэмюэля, Буркело, Бертрана и ряда других авторов, а также на своих экспериментах, Трусов развил взгляд, что источником образования гуминовой кислоты при разложении белков являются ароматические аминокислоты и гетероциклические продукты распада белков, которые под влиянием оксидаз легко превращаются в бурые и черные продукты, растворимые в щелочах и осаждаемые кислотами, т. е. обладающие свойствами гуминовой кислоты. Коэффициент гумификации белковых веществ зависит от характера последних и, в частности, от содержания в них легко окисляющихся и нолимеризующихся ароматических соединений. Другими словами, гумификация белков, по мнению Трусова, происходит за счет таких же соединений, что и гумификация дубильных веществ и лигнина.
В последнее время взгляды Трусова получили дальнейшее развитие у Майвальда в его сводке об органическом веществе почвы. Принимая полностью взгляд Трусова об образовании гуминовых веществ при разложении белков за счет циклических продуктов их распада под влиянием ферментов и при доступе воздуха, Майвальд развивает этот взгляд также и в отношении процессов распада вновь синтезированного микробного белка. По его мнению, белковые соединения микробной плазмы точно так же могут служить немаловажным источником гуминовых веществ, так как при аутолизе или при разложении микробного белка другими микробами должны также получаться в известной мере легко гумифицирующиеся циклические продукты, как и при разложении белковых веществ растительных остатков. Применяя термин «меланины» к продуктам гумификации циклических продуктов распада белков, Майвальд считает вероятным наличие в гумусе почвы меланинных гуминовых веществ (меланинного гумуса) первого порядка, образующихся из продуктов распада белковых веществ исходных растительных остатков, и меланинных гуминовых веществ второго порядка, возникающих при распаде микробного белка. Окислительные энзимы для первых доставляются частью исходными растительными остатками, частью микробами, для вторых - исключительно микробами.
Предположение Майвальда о гумификации микробного белка является весьма цепным дополнением к высказанному Костычевым и развиваемому в настоящее время взгляду о превращении азотистых соединений растительных остатков в форму микробного белка. Будучи весьма вероятным с биохимической точки зрения, это предположение вместе с тем находится в соответствии с данными об устойчивости почвенного азота к дальнейшему разложению микроорганизмами, так как, очевидно, что гумификация известной части продуктов распада должна постепенно приводить к относительному накоплению меланинных гуминовых веществ.
Кроме образования меланинных гуминовых веществ, теоретически возможны и другие пути перехода азота белковых веществ в устойчивую форму, например, образование устойчивых комплексов белковых веществ с дубильными веществами и с лигнином, о чем уже упоминалось раньше.
По поводу этих реакций белковых веществ с дубильными веществами и лигнином следует иметь в виду, что в почве они имеют, по всей вероятности, несколько иной характер, чем в условиях лабораторного эксперимента, вследствие способности дубильных веществ и лигнина к окислению и конденсации в гуминовые вещества.
Не исключена возможность, что в почве мы имеем на самом деле образование комплексных соединений протеинов (или продуктов их распада) не с дубильными веществами и лигнином, а с образующимися из последних гуминовыми веществами. Имеются основания предполагать, что кроме гуминовых веществ в образовании устойчивых азотсодержащих комплексов принимают участие и другие группы соединений почвенного гумуса. Этого вопроса мы коснемся в дальнейшем.
Итак, процессы превращения азотистых соединений растительных остатков, поступающих в почву, существенно отличаются от процессов превращения большинства безазотистых соединений тем, что процессы распада почти полностью (а в некоторых случаях даже с избытком) компенсируются процессами микробного и отчасти химического и физико-химического синтеза, тогда как в отношении безазотистых соединений наблюдается по большей части решительное преобладание процессов распада и минерализации. Результатом этого является относительное увеличение содержания азота в остатке от разложения, тем более значительное, чем дальше продвинулся процесс разложения безазотистых соединений. В этом отношении гумус почвы сильно отличается от некоторых видов торфа и особенно бурых углей, в которых содержание азота незначительно. В связи с этим находится различное отношение к белковым веществам как к источнику гуминовых веществ у специалистов, занимающихся химией торфа и углей, с одной стороны, и специалистов по химии почвенного гумуса - с другой; в то время как первые не прядают существенного значения белковым веществам, сосредоточивая почти исключительное внимание на безазотистых соединениях, вторые с полным основанием признают за белковыми веществами крупную роль в образовании почвенного гумуса.