Влияние почвенных микроорганизмов на поглощение растениями элементов минерального питания

Микроорганизмы исключительно важны для существования жизни на нашей планете. Благодаря деятельности микрофлоры происходят минерализация органических остатков и непрерывное поступление в атмосферу диоксида углерода, за счет которого осуществляется фотосинтез зеленых растений.

Выветривание горных пород, образование торфа, нефти, каменного угля, селитры, известняков – все эти процессы также протекают при непосредственном участии микроорганизмов.

Образование почвы неразрывно связано с эволюцией жизни. Первые живые микроорганизмы положили начало почвообразовательному процессу. В далекие геологические эпохи Землю окружала атмосфера из плотного слоя газов, препятствующая прохождению солнечных лучей. Первые микробы энергию, необходимую для усвоения углерода, использовали от разложения химических соединений. Микроорганизмы выделяли сильные кислоты, которые разлагали материнскую породу, измельчали ее, создавая новый вид структуры. С течением времени безжизненная выветренная порода обогащалась органическим веществом, происходил процесс почвообразования. Всего в пахотном слое масса бактерий составляет от 3 до 7-8 т/га.

По способу питания микроорганизмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные бактерии для связывания углерода диоксида углерода используют либо фотосинтез, либо химическую энергию окисления некоторых минеральных веществ – хемосинтез. Способностью к фотосинтезу обладают зеленые и пурпурные серобактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии. Гетеротрофные бактерии усваивают углерод готовых органических соединений. Большинство почвенных бактерий, актиномицетов, почти все грибы и простейшие относятся к гетеротрофам.

Окисление сероводорода, элементарной серы и тиосоединений до серной кислоты называется сульфофикацией. Процесс осуществляется серобактериями и тионовыми бактериями. Серная кислота способствует переводу труднорастворимых минеральных солей, особенно фосфатов, в растворимые, а соединяясь с основаниями, дает сульфаты, которые используют растения.

Железобактерии осуществляют превращение солей оксидов железа, а также способны окислять соли марганца.

В практике используют различные способы снижения потерь азота – применение ингибиторов нитрификации, новых форм азотных удобрений, приближение сроков внесения азотных удобрений к срокам интенсивного потребления азота.

Органический азот, как правило, не усваивается растениями. Для них необходим минеральный азот в виде нитратов. В почве происходит минерализация органического азота с образованием аммиака. Этот биологический процесс называется аммонификацией. В нем принимают участие гетеротрофные бактерии, актиномицеты  и грибы. В процессе аммонификации используются самые разнообразные азотсодержащие вещества: белки, аминосахара, нуклеиновые кислоты, пуриновые основания, мочевина и др. этот процесс могут вызывать многие виды бактерий.

Каково же значение аммонификации? Аммиак, освобождающийся в результате биохимических реакций, происходящих в почве, расходуется разнообразно. Одна часть его адсорбируется на глинисто-гумусовых частицах или нейтрализует кислоты почвы, другая – немедленно превращается в белки бактерий или грибов. Какая-то часть аммиака окисляется также автотрофами в нитриты и нитраты, а некоторое количество аммиака остается в свободном состоянии и выделяется в атмосферу.

Микроорганизмы для своего питания нуждаются в разнообразных химических элементах, тех же самых, что и высшие растения. Основное питательное вещество, необходимое почвенным микроорганизмам, - азот.

Автотрофы используют простые минеральные азотистые соединения, например, соли аммония и азотной кислоты. Среди автотрофов попадаются фотосинтезирующие организмы, которые усваивают и атмосферный азот. Гетеротрофы могут усваивать азот из минеральных соединений, некоторые – даже атмосферный.

Существуют специфические микроорганизмы, способные использовать питательные элементы из такого сложного вещества, как гумус. Перегнойные соединения почвы по химической природе неоднородны. Они состоят из гуминовых кислот, гуминов, фульвокислот; медленно разлагаются микроорганизмами, причем фульвокислоты минерализуются быстрее, чем гуминовые кислоты и гумины, имеющие более сложное строение.

Накопление гумуса в почве очень ценно для земледелия. В гумусе аккумулируются питательные вещества, которые постепенно при разложении минерализуются и служат питанием для растений.

Гумус – отличный поглотитель влаги. Это свойство гумуса зависит от наличия гуминовых кислот. Установлено, что 1 г гумуса поглощает от 4 до 20 г воды. При засухе эта влага возвращается растениям.

Каким же образом в одной и той же почвенной частичке одновременно существуют облигатные анаэробы, факультативные анаэробы и облигатные аэробы? Развитие аэробных микроорганизмов на поверхности почвенной частицы сопровождается интенсивным поглощением кислорода. От периферии частицы к ее центру концентрация кислорода резко падает. Поверхностная пленка аэробных микроорганизмов создает мощный барьер, препятствующий проникновению внутрь свободного кислорода. В центре почвенной частицы создаются анаэробные условия. Таким образом, частица почвы состоит из микрозон, где живут и развиваются микробы с разной потребностью в кислороде воздуха.

В почве наблюдается сочетание различных групп и видов микроорганизмов, разрушающих клетчатку, пектиновые вещества. Этот процесс происходит при разложении соломы, обработке волокнистых растений (мочка льна). Под влиянием уробактерий мочевина превращается в углекислый аммоний. Уробактерии – аэробы, хорошо развивающиеся лишь при высоком рН (7 – 8) среды, мочевина служит им источником азота, а органические кислоты и углеводы – углерода.

Разнообразные почвенные микроорганизмы обеспечивают расщепление и других соединений углерода – гемицеллюлозы, крахмала, лигнина. Почвенная микрофлора вызывает превращение разнообразнейших химических соединений, ассимилируя, окисляя или восстанавливая их, осаждая или растворяя, создавая комплексы или освобождая химические соединения из существующих комплексов.

Растения в процессе жизнедеятельности через корневую систему выделяют в почву минеральные соли, сахара, органические кислоты, аминокислоты, витамины, ростовые вещества. Эти вещества, усвоенные микроорганизмами, влияют на их развитие и состав. Наряду с корневыми выделениями микроорганизмы используют для питания отмершие корни, корневые волоски, слущивающиеся клетки корневых чехликов, эпидермис корня. В непосредственной близости от корней высших растений создается ризосфера – зона, благоприятная для развития почвенных микроорганизмов.

По данным В.Т. Емцева с сотр., количество бактерий рода клостридиум в 1 г почвы пара составляет 69,7 тыс., а в ризосфере – 10,7 млн. Подсчитано, что масса бактерий в ризосфере люцерны примерно вдвое больше, чем в почве вне ризосферы, и составляет соответственно 5 и 2,25 т/га. В ризосфере бобовых культур микрофлора значительно богаче, чем в ризосфере злаковых.

Преобладающая группа ризосферной микрофлоры – неспоровые бактерии: азотобактер, клубеньковые, фотосинтезирующие бактерии. Здесь же накапливаются и другие представители азотфиксирующей флоры: маслянокислые, микобактерии, водоросли. В ризосфере наблюдается и более интенсивное размножение водорослей. Кроме названных в ризосфере развиваются и другие группы микроорганизмов – аммонификаторы, денитрификаторы, нитрификаторы. Благодаря этому в ней накапливается значительно больше доступных растениям элементов минерального питания, чем в остальных участках почвы. Причем большее содержание доступных растениям минеральных соединений отмечается в ризосфере, несмотря на их усиленное потребление корневой системой растений.

Значительная роль в азотном балансе почв, особенно в условиях влажного климата и на почвах, богатых органическим веществом, принадлежит свободноживущим азотофиксирующим микроорганизмам. Благодаря совершенствованию методов исследования, список растений, способных к симбиотической азотофиксации, и микроорганизмов, усваивающих молекулярный азот, быстро расширяется.

При определенных условиях прикорневая микрофлора почвы может выполнять как положительную, так и отрицательную роль и наносить существенный ущерб растению. Микроорганизмы используют для питания некоторое количество минеральных соединений, поэтому резерв веществ, необходимых для высшего растения, несколько уменьшается. Однако размер подобного биологического закрепления обычно не бывает значительным и не причиняет заметного ущерба растению.

Ситуация существенно изменяется при внесении в почву веществ с широким соотношением С:Ν, например соломистого навоза, соломы. В таких случаях микроорганизмы быстро размножаются и потребляют значительные количества азота, фосфора и других макро- и микроэлементов. В результате может создаться некоторый дефицит необходимых элементов питания для растений. Именно этими причинами объясняется наблюдающееся в ряде случаев снижение урожая культур в первый год после внесения соломы.

Биологическое закрепление питательных элементов микроорганизмами, как правило, непродолжительно. После отмирания клетки микроорганизмы минерализуются и питательные вещества освобождаются для последующего их использования растениями – обычно на следующий год.

Интересно отметить, что каждая почва, возникшая в процессе эволюции, сформировала свою собственную, присущую только ей одной микрофлору.

До сих пор почва вместе с населяющими ее организмами была универсальным биологическим адсорбентом и нейтрализатором самых разнообразных органических соединений, что приводило к разложению большинства попавших в почву отбросов хозяйственной деятельности человека. Отходы и отбросы служили для почвенных микробов источником углерода и других элементов. Так, экспериментально установлено, что виды родов Бациллус и Псеудомонас способны усваивать пестициды как единственный источник углерода, следовательно, разрушать их.

В последнее время микроорганизмам все труднее справляться с переработкой массы веществ, поступающих во внешнюю среду. Промышленность и сельское хозяйство выбрасывают в природу колоссальное количество отходов, пестицидов и других веществ.