Джерела гумусу у грунті. Органічна речовина у грунті та процес гумусоутворення

Невід’ємною складовою частиною будь-якого грунту є , тобто сукупність живої біомаси й органічних решток рослин, тварин, мікроорганізмів, продуктів їх метаболізму і специфічних новоутворених темнозабарвлених гумусових речовин, що рівномірно пронизують грунтовий профіль (рис. 12). Складний комплекс органічних сполук грунту зумовлений різним складом органічних решток, що надходять у грунт, неоднаковою спрямованістю мікробіологічного процесу, різноманітними гідротермічними умовами тощо. У складі органічної речовини грунту знаходяться всі хімічні компоненти рослин, бактеріальної та грибної плазми, а також продуктів їх подальшої взаємодії й трансформації. Це тисячі сполук, середній час існування яких у грунті може варіювати від доби до тисяч років.

Джерела гумусу у грунті

Джерелом гумусу є органічні рештки вищих рослин, мікроорганізмів і тварин, що живуть у грунті. Залишки зелених рослин надходять у грунт у вигляді наземного опаду та відмерлої кореневої системи рослин. Кількість органічної речовини, що надходить до грунту різна, і залежить від грунтово-рослинної зони, складу, віку та густоти насаджень, а також від ступеня розвитку трав’янистого вкриття.

Найбільш суттєвим джерелом грунтової органіки є рослинність, яка мобілізує та акумулює в едафотопах запас потенціальної енергії та біофільних елементів у надземних і підземних органах рослин, у їх рештках.

Продуктивність рослинності у різних екосистемах неоднакова: від 1-2 т/га в рік сухої речовини в тундрах до 30-35 т/га у вологих тропічних лісах. Під трав’янистою рослинністю основним джерелом гумусу є корені, маса яких у метровому шарі грунту складає 8-28 т/га (Степ). Трав’яниста рослинність у зоні хвойних та мішаних лісів (Полісся) на суходільних луках накопичує 6-13 т коренів на гектар у метровому шарі грунту, під багаторічними сіяними травами – 6-15 т/га; однорічною культурною рослинністю – 3,1-15 т/га органічних решток. Під лісовою рослинністю рослинний опад утворює підстилку, участь коренів у гумусоутворенні незначна. По профілю вміст кореневих решток із глибиною зменшується. Ці залишки нерідко використовуються грунтовою фауною та мікроорганізмами, внаслідок чого відбувається трансформація органічної речовини у вторинні форми.

Хімічний склад органічних решток дуже різноманітний: вода (70-90%), білки, ліпіди, лігнін, смоли, воски, дубильні речовини. Переважна більшість цих сполук високомолекулярні (мол. маса 104-106). Деревина розкладається повільно, тому що містить багато смол і дубильних речовин, які трансформуються лише специфічною мікрофлорою. Натомість дуже швидко розкладаються бобові трави, збагачені білками та вуглеводами. Зольних елементів у траві багато, а у деревних мало. В орних грунтах джерелом для гумусоутворення служать залишки культурних рослин і органічні добрива.

Значна роль у гумусоутворенні належить грунтовій фауні, яку за розмірами поділяють на чотири групи: мікро-, мезо-, макро-, мегафауну. Причому переважно саме мікро- та мезофауна беруть активну участь у переробці органічної речовини грунту, сприяючи цим гумусоутворенню.

Загальна біомаса мікроорганізмів у метровому шарі грунту складає до 10 т/га (приблизно 0,5-2,5% від маси гумусу), їх залишки становлять біля третини залишків рослин. Біомаса водоростей – 0,5-1 т/га, а біомаса безхребетних – 12,5-15 т/га (більша частина цієї біомаси формується червами).

Хімічний склад живих організмів такий (у % до сухої речовини):

1. бактерії – зола 2-10, білки 40-70, ліпіди та дубильні речовини 1-40%;
2. водорості – зола 20-30, целюлоза 5-10, геміцелюлоза 50-60, білки 10-15, ліпіди та дубильні речовини 1-30%;
3. багаторічні трави – зола 5-10, целюлоза 25-40, геміцелюлоза 25-35, білки 5-12, лігнін 15-20, ліпіди та дубильні речовини 2-10%;
4. листя дерев – зола 3-8, целюлоза 15-25, геміцелюлоза 10-20, білки 4-10, лігнін 20-30, ліпіди та дубильні речовини 5-15%.

Від хімічного складу джерел залежить характер гумусоутворення та якість гумусу.

Перетворення органічних речовин у грунті та процес гумусоутворення

Потрапляючи до грунту, органічні рештки піддаються різним механічним, біохімічним і фізико-хімічним перетворенням.

Першим етапом перетворень є розклад органічних залишків. Він відбувається за допомогою грунтової фауни, флори, мікроорганізмів. Органічні залишки при цьому втрачають свою анатомічну будову, складні органічні сполуки трансформуються в простіші і більш рухомі, тобто в проміжні продукти розкладу. Ці процеси мають біокаталітичний характер, оскільки відбуваються при участі ферментів.

1. Перша фаза розкладу органічних залишків – їх фізичне руйнування, подрібнення.
2. Друга фаза – гідроліз органічних речовин: білки, наприклад, розщеплюються на пептиди, а потім – на амінокислоти; вуглеводи, такі як целюлоза, крохмаль – на моносахариди; уронові кислоти, жири – на гліцерин і жирні кислоти; лігнін, смоли, дубильні речовини – на ароматичні сполуки.
3. Третя фаза розкладу – окисно-відновні процеси, що за допомогою ферменту оксиредуктази викликають повну мінералізацію органічних речовин: відбувається дезамінування амінокислот, декарбоксилування органічних кислот тощо.

Реакції дуже різноманітні, їх характер визначається умовами, складом органічного матеріалу. В аеробних умовах іде окиснення, в анаеробних – відновлення. В кінцевому вигляді амінокислоти мінералізуються до CO₂, Н₂O, оксиди азоту в аеробних умовах, у вуглеводи – в анаеробних. Вуглеводи, приєднуючи кисень, перетворюються
спочатку в органічні кислоти, альдегіди, спирти, потім – у СО₂ та Н₂O, а при нестачі кисню відбувається їх бродіння й утворюються метан, спирт, низькомолекулярні органічні кислоти. Аналогічні перетворення до мінеральних речовин відбуваються з іншими проміжними продуктами розкладу. Дуже швидко мінералізуються цукор, крохмаль, гірше – білки, целюлоза, погано – лігнін, смоли, воски.

Швидкість розкладу органічних залишків зменшується в анаеробних умовах аж до повного припинення його й утворення торфу. Більшість з органічних залишків окиснюється до вуглекислого газу та води. А менша частина проходить другий етап перетворень – гуміфікацію, тобто синтез гумусних речовини. Рівень гуміфікації органічних решток залежить від гідротермічного режиму, ботанічного та біохімічного складу решток, їх кількості.

Природа утворення гумусних речовин цікавила дослідників протягом усього періоду розвитку грунтознавства. За цей час було висунуто кілька гіпотез походження гумусу. Значний внесок у вивчення процесів гуміфікації зробили В.Р.Вільямс, Л.М. Александрова, І.В.Тюрін, М.М. Кононова, Д.С.Орлов, М.І.Лактіонов та ін.

На сьогодні найбільш поширеними є дві концепції гумусоутворення.

Конденсаційна (полімеризаційна) концепція гумусоутворення

Конденсаційна (полімеризаційна) концепція гумусоутворення – розроблена М.М.Кононовою, В.Фляйгом. Засновники теорії стверджують, що гумусові речовини – це продукт конденсації структурних фрагментів, які утворились в результаті первинного розкладу органічних сполук циклічного характеру (лігнін, дубильні речовини, смоли і т.п.). Одночасно відбувається полімеризація шляхом окиснення циклічних сполук ферментами типу фенолоксидаз через семихінони до хінонів і взаємодією останніх з амінокислотами та пептидами. На думку М.І.Лактіонова (1978), дискусійним залишається питання про участь в конденсації крупніших фрагментів лігніну та про подальше визрівання гумінових кислот як не тільки абіотичний процес.

Утворення молекули гумінової кислоти при біокаталітичній конденсації хінонів з амінокислотами за Лактіоновим відбувається так:

Такий підхід пояснює будову міцел гумусових сполук як колоїдних поверхнево-активних речовин: гідрофобне ядро органічного колоїду представлене агрегатом фенольної частини молекули, а зовнішня гідрофільна частина – амінокислотною (пептидною) частиною макромолекул. Переважаючими іоногенними групами на поверхні таких молекул будуть – СООН, – NH₂.

Концепція біохімічного окиснення

Концепція біохімічного окиснення розроблена Л.М.Александровою. За її визначенням, гуміфікація – складний біо-фізико-хімічний процес трансформації проміжних високомолекулярних продуктів розкладання органічних решток в особливий клас органічних сполук – гумусні кислоти. Провідне значення в процесі гуміфікації мають реакції повільного біохімічного окиснення, у результаті яких утворюється система високомолекулярних органічних кислот. Гуміфікація – тривалий процес, в результаті якого проходить поступова ароматизація молекул гумусових кислот не за рахунок конденсації, а шляхом часткового відщеплення найменш стійкої частини макромолекули новоутвореної гумусової кислоти. Система гумусових кислот далі вступає в реакцію із зольними елементами рослинних залишків і мінеральної частини грунту. При цьому єдина система поступово розщеплюється на декілька фракцій за молекулярною масою, деталями будови молекули, ступенем розчинності. Отже в дуже загальному вигляді перетворення органічних залишків в грунті можна зобразити такою схемою (рис. 13).

Установлено, що швидкість і спрямованість гуміфікації залежать від багатьох факторів. Основними серед них є кількість і хімічний склад рослинних решток, водний і повітряний режими, склад грунтових мікроорганізмів, реакція грунтового розчину, гранулометричний склад грунту тощо. Певне співвідношення даних факторів і їх взаємодія зумовлюють певний тип гуміфікації органічних решток: фульватний, гуматно-фульватний, фульватно-гуматний і гуматний.

Водно-повітряний режим грунту впливає на гуміфікацію так:

1. в аеробних умовах можливі такі варіанти:
   1. при достатній кількості вологи, температурі 25-30°С розклад і мінералізація йдуть інтенсивно, тому гумусу накопичується мало;
   2. при нестачі вологи утворюється мало органічної маси взагалі, сповільнюються її розклад і мінералізація, гумусу утворюється мало;

   Характер рослинності є потужним фактором, що впливає на гумусоутворення. Оскільки трав’яниста рослинність щорічно відмирає, вона дає найбільший рослинний опад, в основному – безпосередньо в грунті у вигляді кореневих залишків, що сприяє швидкому з’єднанню продуктів їх розкладу з мінеральною частиною й захисту від надлишкової мінералізації – вміст гумусу в грунті збільшується. Хімічний склад трав’янистої рослинності, багатої на білки, вуглеводи, кальцій, сприяє її швидкому розкладу, утворенню м’якого гумусу – найбільш цінного його типу. Дерев’яниста рослинність, збагачена восками, смолами, дубильними речовинами, які погано розкладаються переважно грибною мікрофлорою, сприяє накопиченню дуже кислих продуктів розкладу решток, процеси йдуть переважно в лісовій підстилці, гумус утворюється грубий, накопичується у верхньому малопотужному горизонті.

   Крім того, на гумусоутворення, його напрямок впливають кількість і склад мікроорганізмів, фізичні властивості, грансклад та хімічний склад грунту. Найкращі умови створюються в грунтах, багатих Са, які мають близьку до нейтральної реакцію середовища, середній уміст мікроорганізмів, середній гранулометричний склад, добру оструктуреність.

   Гумусові речовини розкладаються (мінералізуються) спеціальними мікроорганізмами, особливо при наявності органічних речовин, що ще не гуміфікувались. Проте зауважимо, що розклад гумусу – процес довготривалий і потребує участі великої групи мікроорганізмів. Стійкість гумінових кислот пов’язана зі сферичною формою молекул, що складаються з багатьох гетерогенних одиниць, які нерегулярно з’єднанні ковалентними зв’язками. Найбільш інтенсивно відбувається мінералізація фульвокислот. Максимальна швидкість мінералізації спостерігається при оптимальних для мікроорганізмів вологості та температурі, зменшується при надлишковому зволоженні, у важких грунтах. Особливо різке зменшення вмісту гумусу в грунті спостерігається при застосуванні високих доз азотних добрив. Це пов’язано з активацією грунтових мікроорганізмів, що включають у свої метаболічні цикли органічну речовину грунту. Здатність розкладати гумус притаманна багатьом мікроорганізмам, але провідна роль належить грибам і актиноміцетам (зокрема, нокардіям). У процесі розкладу гумусових речовин вивільнюється велика кількість елементів живлення рослин, особливо азоту.

   БІОТЕХНОЛОГІЯ – В. Г. Герасименко – 2006

   Цим методом утилізують рідку фракцію, тобто стічні води.

   Процес утилізації відбувається за рахунок життєдіяльності різних груп організмів (бактерій, грибів, водоростей, найпростіших, черв’яків і членистоногих), які використовують органічні та неорганічні сполуки стічних вод як поживні речовини і джерело енергії. Аеробні мікроорганізми за участю кисню повітря перетворюють органічні речовини на мінеральні сполуки – аміак, діоксид вуглецю і воду.

   Серед відомих методів очищення стічних вод біологічне знезасаження залишається найбільш доступним і надійним у санітарному відношенні.

   Існують дві великі групи аеробних процесів біологічного очищення стічних вод – екстенсивні та інтенсивні.

   До екстенсивних належать методи, не пов’язані безпосередньо з керованим культивуванням мікроорганізмів – це поля зрошення, поля фільтрації, біоставки. Мікроорганізми, які знаходяться у верхніх шарах ґрунту полів зрошення і фільтрації або у воді біоставків, утворюють біоценози, за рахунок діяльності яких проходить очищення води.

   В основі інтенсивних способів лежить діяльність активного мулу або біологічної плівки, тобто природно виниклого біоценозу, який формується на конкретному виробництві залежно від складу стічних вод і вибраного режиму очищення. Формування біоценозу – процес досить тривалий і проходить постійно під час очищення стічних вод у спеціальних спорудах – аеротенках або біологічних фільтрах.

   Аеротенки – це бетонні або залізобетонні резервуари, крізь які повільно протікає суміш активного мулу і попередньо відстояної стічної рідини. В них очищення стічних вод відбувається за допомогою активного мулу. Активний мул – це субстрат у вигляді темно-коричневих пластівців і складається на 70 % з природної асоціації аеробних мікроорганізмів (різних бактерій і найпростіших) та 30 % твердих частинок неорганічної природи. Мікроорганізми разом з твердими частинками, до яких вони прикріплені, утворюють зооглей – симбіоз популяцій організмів, покритих спільною слизовою оболонкою. На активному мулі адсорбуються і окислюються за участю кисню повітря органічні речовини стічних вод. Суміш стоків і активного мулу безперервно аерується для підтримки мулу в завислому стані та подачі кисню.

   Аеротенки працюють в комплекті з відстійниками, в яких осаджується мул, що накопичується у великих кількостях. Частина активного мулу знову повертається у систему очищення, а надлишковий активний мул, який утворився в результаті росту мікроорганізмів, надходить на мулові майданчики з подальшим вивезенням його після зневоднювання на поля.

   В Україні для очищення стічних вод спиртзаводів використовують біотенки (аеротенки), в яких функціонують іммобілізовані мікроорганізми на нерухомому носії. Цей волокнистий носій має велику питому поверхню (1 кг носія – 8-10 тис. м 2 площі), високу адгезійну здатність. Завдяки цьому на ньому закріплюється значна кількість біомаси, що сприяє інтенсифікації очищення та усуває утилізацію надлишкового активного мулу, оскільки його приріст фактично відсутній. Тому зі схеми очищення вилучається ціла низка споруд – вторинний відстійник для виділення надлишкової біомаси, мінералізатор, мулові майданчики. Це робить очисні споруди малогабаритними, компактними, спрощує їх обслуговування. Крім цього, носій є біологічно інертним, тобто практично не руйнується мікроорганізмами і може працювати без заміни багато років (Кошель М. та ін., 2002).

   Біологічні фільтри – це металеві або залізобетонні резервуари, заповнені фільтрувальним матеріалом (шлаком, керамзитом, гравієм, пластмасою, щебінкою та ін.). Мікроорганізми у них знаходяться в нерухомому стані, закріпленими на фільтрувальному матеріалі (носії) у вигляді біологічної плівки.

   Біологічна плівка – це об’єкти зі складною структурою з живих і мертвих клітин, клітинних фрагментів і позаклітинних полімерів, які закріплені на поверхні (Іпполітов К. Г. та ін., 2003). Всередині біологічних плівок міститься суміш популяцій, що постійно змінюється. На поверхні біоплівки відбувається активне розмноження клітин, тому що тут найвища концентрація субстрату. Ближче до поверхні носія концентрація субстрату стає лімітуючою, що є причиною руйнування внутрішньої структури біоплівки. Значна частина біоплівки втрачається через ерозію поверхні під впливом сил потоку рідини, або її відриву внаслідок розшаровування. Регенерація біоплівки під час процесу здійснюється за рахунок відриву та віднесення її частини і розвитку на звільненому місці нової, більш активної. Стічні води надходять зверху і повільно проходять вниз через біофільтри, де відбувається мінералізація органічних речовин, а в щілини між гранулами знизу вгору надходить повітря природним шляхом або примусово (аерація). Потужність біологічних фільтрів залежить від площі поверхні наповнювача. Схема біофільтра показана на рис. 22.1.

   Рис. 22.1. Біофільтр (за Виковим В.А., 1987)

   У процесах біологічного очищення стічних вод у спеціальних спорудах широко використовують три основні режими культивування біомаси мікроорганізмів: безперервний, періодичний і відлучно-доливний.

   Відлучно-доливний метод має переваги над іншими. Перш за все це компактність очисних споруд, оскільки в одному реакторі поєднуються процеси очищення води і відділення активного мулу шляхом відстоювання. Навіть при використанні декількох реакторів така система займає меншу площу, ніж традиційна система «аеротенк – вторинний відстійник». Тепер цей режим використовують при очищенні стічних вод в усьому світі. Так, в Баварії (ФРН) з 1990 по 2000 рр. кількість реакторів, які працюють за цією схемою, збільшилася у 25 разів (Ша- гінуров Г.І. та ін., 2003).

   Збільшення окислювальної потужності біологічних очисних споруд при відлучно-доливному процесі на відміну від інших режимів досягають не методом іммобілізації (адгезійної і/або адсорбційної) на поверхні носіїв, а шляхом одержання щільних мікробних гранул. Мікробні агрегати, відомі в літературі як «мікробні гранули», являють собою сферичну біоплівку, яка утворюється за певних умов шляхом самоіммобілізації мікроорганізмів активного мулу (Шагінуров Г.І. та ін., 2003). Основними перевагами гранул над пластівцями активного мулу є висока швидкість осідання через великі розміри і, як наслідок, швидке розділення рідкої і твердої фаз, а також висока активність.

   Біологічні ставки – водоростеві, рачкові, рибоводні. Недоліком є повна безконтрольність процесу і те, що функціонують вони лише у теплий період року. У водоростевому ставку проходить очищення стоків за допомогою аерування їх мікроводоростями, які утилізують біогенні елементи стоків, збагачують середовище киснем, підлужують його до рН 9-10, що сприяє інгібуванню сапрофітної і патогенної мікрофлори. В ньому, крім водоростей, активно розвивається біомаса непатогенних бактерій і найпростіших.

   Із водоростевого ставка стоки, збагачені продуктами метаболізму бактерій, найпростіших, водоростей і їх біомасою, надходять у рачковий ставок. У ньому очищення відбувається за участю личинок різних комах, вислоногих і рачків-фільтратів. Із рачкового ставка очищені стоки надходять у рибоводний ставок, в якому біоценоз збагачується новими видами гідробіонтів – мальками риб (коропа), кормом для яких є біоценоз рачкового ставка. Тут відбувається остаточне очищення стічних вод.

   Використовуються біологічні ставки як безпосередньо для очищення стічних вод без попередніх стадій, так і для доочищення стоків після очисних споруд у випадку, коли домішки, які залишаються, ускладнюють процес подальшої їх утилізації.

   Поля зрошення і фільтрації — це спеціально відведені ділянки землі для очищення стічних вод. Вони відрізняються між собою тим, що поля фільтрації не використовуються для вирощування сільськогосподарських культур.

   Процес самоочищення води відбувається за рахунок життєдіяльності різних груп ґрунтових організмів – бактерій, грибів, водоростей, найпростіших, черв’яків і членистоногих. На поверхні ґрунтових грудочок утворюється біологічна плівка.

   Недоліки методу мінералізації органічних речовин у ґрунті та водоймищах:

   1) економічний – вимагає великих капіталовкладень і витрат енергії на механічну очистку стічних вод. Вартість очисних споруд в середньому становить 20-25 % суми, витраченої на спорудження крупного свинарського комплексу;

   2) мінералізація органічних сполук відбувається тільки в поверхневому шарі ґрунту, тому що кисень проникає у ґрунт тільки на глибину 20-30 см.