Разложение безазотистых органических соединений
23.08.2012
Разложение целлюлезы. Несмотря на свою химическую устойчивость, целлюлеза как в чистом изолированном виде, так и в естественном состоянии, как главная составная часть клеточных оболочек в растительных остатках, подвергается довольно быстрому разложению при различных условиях среды.
В анаэробных условиях, как это было установлено В.Л. Омелянским, целлюлеза подвергается разложению по типу маслянокислого брожения под влиянием двух анаэробных бактерий - Вас. cellulosae hydrogenicus и Вас. cellulosae methanicus. Продуктами разложения являются масляная и уксусная кислоты, углекислота и водород или метан. При водородном брожении количество углекислоты и водорода составляет около Уз от веса разложившейся клетчатки, при метановом брожении - около 1/2. Кроме того, при метановом брожении получается значительно больше уксусной кислоты чем масляной.
В обоих случаях процесс разложения начинается с гидролиза целлюлезы; образующиеся в результате его сахара быстро потребляются целлюлозными бактериями или их спутниками, подвергаясь дальнейшим превращениям. Анаэробное разложение целлюлезы под влиянием открытых Омелянским бактерий может иметь место в условиях избыточного увлажнения, т. е. главным образом в заболоченных почвах и болотах.
В условиях, близких к анаэробным, разложение целлюлезы происходит под влиянием термофильных (например, в навозе) и денитрифицирующих бактерий. Для подавляющего большинства почв (за исключением болотных) гораздо большее значение имеют процессы разложения целлюлезы при аэробных условиях. Эти процессы, несомненно, преобладают и вызываются различными микроорганизмами - аэробными бактериями, плесневыми грибами и актиномицетами.
Аэробные целлюлезоразрушающие бактерии довольно многочисленны и делятся Виноградским на три рода: Cytophaga, Cellvibrio и Cellfalcicula, которыми, однако, число бактерий, способных разрушать целлюлезу, по-видимому, не исчерпывается.
По исследованиям Ваксмана, разрушение целлюлезы аэробными бактериями происходит в условиях щелочной, нейтральной и слабокислой реакции. При тех же условиях в разложении целлюлезы принимают участие и актиномицеты, относительная роль которых усиливается при уменьшении влажности почвы.
При кислой реакции (рН < 6,0) аэробное разложение целлюлезы в почвах происходит главным образом под влиянием плесневых грибов, принадлежащих к родам Trichoderma, Aspergillus, Penicillium, Fusarium, Chaetomium, Cephalosporium, Verticillium и др. В нейтральных почвах их роль также довольно значительна и при уменьшении влажности почвы до 25% от полной влагоемкости может превосходить роль бактерий.
Химическая сторона процессов превращения целлюлезы при аэробном разложении и характер получающихся при этом продуктов изучался Гетчинсоном и Клейтоном (Hutchinson a. Clayton, Виноградским и Ваксманом, выводы которых несколько расходятся.
По Гетчинсону и Клейтону, изучавшим разложение целлюлезы под влиянием выделенной ими бактерии Spirochaeta Cytophaga (или Cytophaga Hutchinsonii, по Виноградскому), главная масса целлюлезы превращается в слизеподобное вещество, сходное с пектином, с одновременным образованием летучих кислот и желто-бурого пигмента (родственного каротину).
Образование студенистого или слизистого вещества, напоминающего оксицеллюлезу, при действии аэробных бактерий на целлюлезу было подтверждено исследованиями Виноградского, который установил также явления растворения (аутолиза) бактериальных клеток в этом студне, благодаря чему последний содержит азот.
Студнеобразный продукт превращения клетчатки весьма стоек к воздействию микробов, и потому не исключена возможность, что он играет видную роль в образовании гумуса. Виноградский предполагает, что этот коллоид представляет собой вещество, обычно называемое гумусом, хотя и не имеет темной окраски. К такому же выводу приходит на основании своих исследований и А. И. Рокицкая.
Выводы Гетчинсона и Клейтона, как и Виноградского и Рокицкой, однако, оставляют невыясненным ряд вопросов как относительно природы образующегося коллоидального продукта превращения целлюлезы, так и относительно возможности распространить сделанные наблюдения на природные процессы разложения целлюлезы в почве, где, кроме целлюлезных бактерий, целлюлеза и продукты ее превращения подвергаются воздействию других микроорганизмов.
Более полными, с этой точки зрения, являются исследования Ваксмана с сотрудниками, которые приводят к выводам, сильно отличающимся от выводов предыдущих авторов.
В работе Ваксмана и Гейкелекиана было прежде всего обращено внимание на то, что разложение целлюлезы аэробными бактериями и грибами, при наличии в качестве источника азота только минеральных его форм (в виде аммиачных солей), сопровождается переходом азота в органическую форму благодаря образованию микробной субстанции. Количество связываемого азота находится в довольно определенных соотношениях с количеством разложенной целлюлезы, составляя от 1/50 до 1/30 от веса последней.
Если принять во внимание, что вещество грибов содержит 45% С и 5% N, а вещество бактерий 45-48% С и 8-10% N, то по количеству связанного азота можно вычислить и количество углерода, входящего в состав синтезированных микробами веществ. Это количество составляет от 20 до 40% от углерода разложенной клетчатки. Остальное количество углерода выделяется главным образом в форме углекислоты, которая в опытах Ваксмана и сотрудников учитывалась количественно. В опытах разложения целлюлезы плесенями (Trichoderma и Penicillium) промежуточные продукты отсутствовали, и целлюлеза целиком превращалась в вещество микробов и углекислоту. При разложении целлюлезы культурами бактерий наблюдалось образование некоторого количества органических кислот и гуминоподобных веществ (гемицеллюлез) в виде бактериальной слизи.
Таким образом, исследования Ваксмана приводят к выводу, что при аэробном разложении целлюлезы большая часть углерода выделяется в виде СО2, остальная же часть синтезируется микробами в виде азотистых соединений микробной субстанции и только незначительная доля его приходится на промежуточные продукты в виде органических кислот и гемицеллюлез, являющихся, по-видимому, выделениями микробов. Синтезированные вещества вместе с промежуточными соединениями подвергаются дальнейшему разложению под влиянием бактерий, актиномицетов, Protozoa и беспозвоночных с выделением СО2 и NH3; последний либо используется при наличии углеводов, либо превращается в HNO3 при их отсутствии.
Однако некоторая часть образовавшихся веществ устойчива к разложению и служит источником гумуса, значительно растворимого в щелочи и богатого азотом.
Так, после одного длительного опыта было получено из 275 г целлюлезы 46,3 г остатка в виде темно-бурой массы, обволакивавшей поверхность песчаных частиц. Из этого количества 19,005 г (т. е. 41,05%) растворилось в щелочи (после предварительной обработки водой). При подкислении соляной кислотой из раствора выделился осадок «гуминовой кислоты», который после кипячения, фильтрования и отмывания весил 1,465 г, что составляет 3,16% от общей массы остатка. Эта гуминовая кислота содержала 3,95% N. Одновременное определение «лигнина» в отдельной порции остатка дало цифру ,1,5 г, т. е. одинаковую с весом «гуминовой кислоты».
Исследования Ваксмана подтвердили и значительно развили выводы, сделанные раньше Трусовым, по мнению которого целлюлеза не образует непосредственно гуминовой кислоты, однако может служить косвенным источником последней благодаря образованию микробного белка, который ври дальнейшем разложении дает некоторое количество гуминовой кислоты за счет ароматических аминокислот.
Выводы Трусова и Ваксмана, основанные на экспериментальных наблюдениях, произведенных в обстановке, близкой к естественным условиям разложения целлюлезы в почве, опровергают прежние взгляды (Мульдера, Детмера, Чапека и др.) на целлюлезу, как на главный источник гуминовых (и ульминовых) веществ почвенного гумуса.
Если, однако, принять во внимание, что гуминовая кислота, как будет видно далее, составляет только часть почвенного гумуса, в состав которого входит ряд других групп соединений - гемицеллюлез, белковых веществ и т. д., то следует признать, что продукты превращения целлюлезы играют известную роль в образовании гумуса почвы в целом, являясь источником микробного белка и гемицеллюлез (частью типа полиуронидов), которые входят в состав микробных клеток или выделяются в виде бактериальной слизи.
Выше уже было сказано о сходстве химической природы гемицеллюлез типа полиуронидов с пектиновыми веществами и оксицеллюлезой. На способности целлюлезы превращаться в оксицеллюлезу основаны взгляды Маркуссона о значительной роли целлюлезы в качестве источника гуминовых веществ, так как входящие в состав оксицеллюлезь; уроновые компоненты, по его мнению, легко превращаются в гуминовые вещества даже при кипячении с водой. Взгляды Маркуссона основываются на химическом изучении состава торфа, из которого им выделены в значительном количестве вещества типа оксицеллюлезы; образование последней из целлюлезы, по автору, происходит под влиянием воздуха, света и влажности, т. е. химическим путем. Значение этого химического процесса окисления целлюлезы по сравнению с микробиологическими процессами является сомнительным. Что же касается предположения о возможности превращения производных уроновых кислот в гуминовые вещества, то оно не исключено, однако механизм этого превращения в природных условиях пока не изучен.
