Назаренко І.І., Польчина С.М. Нікорич В.А.
Грунтознавство

Роль мікроорганізмів у грунтоутворенні. Біогенне структуроутворення

Роль мікроорганізмів у грунтоутворенні

Винятково важливе значення для процесів грунтоутворення мають мікроорганізми. Їм належить основна роль у глибокому і повному руйнуванні органічних речовин, деяких первинних і вторинних мінералів. Кожному типові грунтів, кожній грунтовій відмінності властивий свій специфічний профільний розподіл мікроорганізмів. При цьому чисельність мікроорганізмів, їх видовий склад відображають важливі властивості грунту. Основна маса мікроорганізмів зосереджена у межах верхніх 20 см товщі грунту. Біомаса грибів і бактерій в орному шарі грунту складає до 5 т/га.

Мікроорганізми беруть активну участь у процесі гумусоутворення, який за своєю природою біохімічний. Великий вплив мають мікроорганізми на склад грунтового повітря, на цикли перетворення азотовмісних сполук. Одна з важливих ланок у циклах перетворення азоту – фіксація його грунтовими мікроорганізмами. Загальна планетарна продуктивність мікробної фіксації азоту складає від 270 до 330 млн. т/рік, із яких 160-170 млн. т/рік дає суша, 70-160 млн. т/рік – океан. Бобові культури за допомогою бульбочкових бактерій фіксують і накопичують у грунтах від 60 до 300 кг азоту на гектар у рік.

Грунт є не лише місцем життя величезної кількості найрізноманітніших мікроорганізмів, а й продуктом їхньої життєдіяльності, у грунті мікроби знаходять всі умови для розвитку: вологу, поживні речовини, захист від згубної дії прямої сонячної радіації тощо. Завдяки цим сприятливим умовам кількість мікробів у грунтах величезна – від 200 млн. мікробів у 1 г глинистого грунту до п'яти і більше мільярдів у 1 г чорнозему. Грунт – основне джерело, звідки мікроорганізми надходять у зовнішнє середовище – повітря й воду.

Мікрофлора грунту дуже різноманітна. У її складі нітрифікуючі, азотфіксуючі, денітрифікуючі бактерії, сірко- і залізобактерії, целю-лозорозкладачі, різні пігментні бактерії, мікоплазми, актиноміцети, гриби, водорості, найпростіші тощо. Кількісний і якісний склад мікрофлори різних грунтів змінюється залежно від хімічного складу грунту, його фізичних властивостей, реакції середовища, вмісту в ньому повітря, вологи й поживних речовин. На склад і кількість мікробів у грунті істотно впливають кліматичні умови: пори року, методи обробітку грунту, характер рослинного покриву та багато інших факторів.

Наявність в 1 г грунту (верхнього шару чорнозему) кількох мільярдів бактерій, актиноміцетів, до мільйона спор грибів і багатьох інших мікроорганізмів свідчить про велику біогенність грунту. Є дані про те, що в орному шарі окультуреного грунту на площі 1 га може міститися 5-6 т мікробної маси.

Серед різноманітної мікрофлори в грунті є і патогенні бактерії, проте грунт у цілому – несприятливе середовище для життя більшості патогенних бактерій, вірусів, грибів і найпростіших. У грунті водночас з мінералізацією органічних речовин відбуваються процеси бактеріального самоочищення – відмирання не характерних для грунту сапрофітних і патогенних бактерій.

Значна роль мікроорганізмів і в руйнуванні та новоутворенні мінералів. Вона пов'язана, в першу чергу, з мікробними циклами калію, заліза, алюмінію, фосфору та сірки. Руйнування та синтез мінералів забезпечують залучення елементів у біологічний кругообіг та його взаємодію з великим геологічним кругообігом речовин.

У процесах мікробного руйнування мінералів беруть участь в основному гриби, та, в меншій мірі, актиноміцети й інші бактерії. В основі деструкції мінералів лежать такі механізми:

  1. розчинення сильними кислотами, що утворюються при нітрифікації, при окисненні сірки;
  2. дія органічних кислот – продуктів бродіння і неповного окиснення вуглеводів грибами;
  3. взаємодія з позаклітинними амінокислотами, що виділяються більшістю мікроорганізмів;
  4. руйнування продуктами мікробіологічної трансформації рослинних решток – поліфенолами, поліуронідами, танінами, флавоноїдами;
  5. руйнування продуктами мікробного біосинтезу, наприклад, поліцукрами.

У результаті дії на мінерали кислот, лугів, мікробного слизу відбувається або повне розчинення мінералу з утворенням аморфних продуктів розкладу, або іони калію, наприклад, ізоморфно заміщуються на водень чи натрій без руйнування кристалічної решітки. Вилучення з мінералів хімічних елементів не завжди відбувається у еквівалентній кількості, а це призводить до перетворення одного мінералу на інший. Наприклад, при розкладі алюмосилікатів за участю гетеротрофної мікрофлори відбувається послідовне вивільнення спочатку лужних елементів, потім лужноземельних і в останню чергу кремнію та алюмінію.
Стійкість мінералу до мікробіологічного розкладу визначається як особливістю будови кристалічної решітки, так і специфікою комплексу мікроорганізмів, а як наслідок – і специфічністю біохімічних механізмів дії на мінерал.

Найвищою мінералодеструктивною здатністю володіє мікрофлора грунтів підзолистого типу.
Мікроорганізми беруть участь не лише в розсіюванні елементів, що містяться в мінералах, а й у мінералоутворенні. Зокрема, мікроорганізми утворюють боксити (гідроксид алюмінію), відкладаючи алюміній по периферії клітин, а також при руйнуванні алюмосилікатів. Окрім алюмінію, у грунтах відбувається новоутворення сульфідних, карбонатних, фосфатних, залізистих і силікатних мінералів.

Карбонатні мінерали в едафотопах – продукти біогенного походження. Кальцити утворюються при осадженні кальцію вуглекислотою, що виділяється при диханні, бродінні та неповному окиснювальному розкладі органічних сполук.

Кремнієві мінерали нерідко утворюються при життєдіяльності діатомових водоростей. Роль мікроорганізмів у процесах перетворення аморфного кремнезему у вторинний кварц зводиться до вивільнення фітолітів від органічних речовин. Подальша кристалізація – процес суто хімічний.

Сульфіди трансформуються сіркобактеріями, зокрема Thiobacillus ferrooxidans. У кислому середовищі ці бактерії окиснюють первинні сульфіди, з яких утворюються нові вторинні мінерали, наприклад, з антимоніту (Sb2S3) утворюється сенармоніт, який у подальшому окиснюється до Sb2S5 за участю Stibiobacter senarmontii.

Біогенне структуроутворення

Суттєва роль у структуроутворенні належить саме біологічним агентам і, в першу чергу, кореневим системам переважно трав'янистих рослин. Корені пронизують грунт, розділяючи грунтову масу в одних місцях і стискуючи її в інших, локально висушують грунт і виділяють у місця контакту органічні речовини. Розповсюджуючись в едафотопі в різноманітних напрямках, коріння надають агрегатам грудкуватої або зернистої форми; проникаючи в мікроагрегати, вони зв'язують їх і підвищують механічну й водну стійкість. Подібна зв'язувальна роль притаманна і грибним гіфам та адсорбованим на поверхні агрегату мікроорганізмам.

Визначна роль у структуроутворенні належить червам. Їх виділення містять значну кількість поліцукрів, що виконують роль клею. Поліцукри мають довгу, лінійну, гнучку структуру, що дозволяє їм входити в тісний контакт з грунтовими частинками і зв'язувати їх, утворюючи містки між ними. Крім того, саме поліцукри є чудовим субстратом для мікроорганізмів, що теж продукують так званий бактеріальний слиз, який виконує аналогічну функцію.