Главнейшие типы превращений органического вещества в почве под влиянием микроорганизмов

Как бы ни была местами заметна роль животных в процессах разложения органического вещества, их работа в этом направлении не может итти в сравнение с работой микроорганизмов, населяющих массами воздух, воду и почву, живущих при самых разнообразных условиях и переносящих нередко большие крайности температур (термофильные и криофильные микроорганизмы). Деятельность микроорганизмов, как разрушителей органического вещества, отличается от деятельности животных не только своей интенсивностью (количественная сторона), но и большей глубиной вызываемых процессов распада (качественная сторона), большей их законченностью. Сложное органическое вещество превращается в конечном итоге в такие простые минеральные вещества, каковы вода, углекислота, азотная кислота и пр. Таким образом, процесс разложения органических остатков почвы с помощью микроорганизмов есть процесс молекулярного упрощения. Это упрощение совершается постепенно, проходя несколько стадий, пока не произойдет полная минерализация органического вещества. Микроорганизмы сменяют друг друга, и одна группа подготовляет работу для другой.

К микроорганизмам почвы относятся бактерии и грибы; среди последних особо выделяют группу актиномицетов^[1].

Мы рассмотрим последовательно процессы превращения различных групп органических соединений, попадающих в почву из растительных остатков, и остановимся прежде всего на углеводах. Из числа последних глюкоза испытывает, весьма различные превращения: она может дать начало как образованию спирта, так и образованию ряда кислот.

В спиртовом брожении из глюкозы получаются этиловый спирт и углекислота, но вместе с ними и многие побочные продукты, каковы: глицерин, янтарная кислота, спирты: пропиловый, избутиловый, амиловый, одноосновные кислоты и пр. Это брожение производят дрожжи. Та же глюкоза, под влиянием Aspergillus niger и др. плесеней, образует щавелевую кислоту; другой плесневый гриб окисляет ее в лимонную кислоту, молочнокислые бактерии окисляют ее в молочную, а маслянокислые — в масляную, при чем одновременно получаются другие кислоты и изобутиловый спирт.

Наконец, из глюкозы при слизевом брожении получается углевод декстран или вискоза.

Крахмал, представляющий смесь полисахаридов, сначала гидролизируется в декстрин, а затем сбраживается по тем же типам, как и глюкоза, т. е. с образованием спирта или различных кислот.

Пентозы (С₅Н₁₀О₅) легко сбраживаются, образуя летучие кислоты, а вместе с ними углекислоту и метан.

Пентозаны, наоборот, очень устойчивы, и потому, как увидим: ниже, они постоянно встречаются в органическом веществе почвы и в торфянистых массах.

Пектиновые вещества дают при брожении масляную и уксусную кислоты, а также водород и углекислоту.

Особенно интересны превращения клетчатки как углевода, пользующегося широким распространением. Для нее изучено несколько видов превращений, из коих мы остановимся прежде всего на метановом и водородном брожениях.

Выделение метана (болотного газа) в смеси с другими газами, дающими горючую смесь, давно обратило на себя внимание исследователей, наблюдавших образование горючего газа в местах, где органические остатки разлагаются без доступа воздуха (мелкие озера, болота, мокрые луга и пр.). В различных случаях газовая смесь имеет неодинаковый состав; как на один из примеров, укажем на анализы Бунзена:

Иногда в смеси газов находили и водород (до 10%).

Вопрос о брожениях клетчатки детальнее разработан исследованиями Гоппе-Зейлера и, особенно, Омелянского. В своих работах Омелянский пришел к следующим главнейшим выводам:

1) Метановое брожение клетчатки, как и водородное ее брожение, представляет самостоятельный микробный процесс, идущий под влиянием специфического агента.

• 2) Физиологическая характеристика этого процесса показывает, что по типу он стоит довольно близко к водородному брожению. Кроме метана и углекислоты, при этом брожении развивается до 50% летучих кислот, главным образом уксусной.
• 3) Водородное брожение, как и метановое, принадлежит к типу анаэробных. В этом брожении до 70% клетчатки превращается в уксусную и масляную кислоты, а остальные 30% идут на образование водорода и углекислоты.

Кроме этих брожений, могут быть и другие превращения клетчатки¹. Так, карбонизацию клетчатки, т. е. превращение ее в каменный уголь, торф, считают также микробиологическим процессом, полагая, что он может протекать по уравнению:

Некоторые исследователи считают возможным и процесс гумификации клетчатки при посредстве грибка Streptothrix chromogena, но что получается при этом из клетчатки, остается неясным.

Одеревеневшая клетчатка (лигнин) действию бактерий почти недоступна, но разрушается грибами^[2][3]. Из последних особенно известен Merulius lacrimans, разрушающий деревянные постройки.

Жиры разрушаются микроорганизмами труднее углеводов, но все же разрушаются. При этом они распадаются на свои составные части: глицерин и кислоту (стеариновую, олеиновую, пальмитиновую и пр.).

Воскообразные вещества и смолы разлагаются еще труднее, а потому могут быть найдены в составе почвенного гумуса.

Из предыдущего изложения мы видели, что при различных типах брожений получаются спирты и кислоты. Эти группы соединений подвергаются затем дальнейшим разложениям: спирты могут предварительно превращаться в кислоты, а могут и разлагаться с выделением углекислоты и метана, кислоты более сложные превращаются сначала в более простые, а затем разлагаются с образованием воды, углекислоты, метана и водорода.

Таким образом, в итоге разложения безазотистых органических веществ микроорганизмами получаются всего четыре тела: вода, углекислота, метан и водород. Даже чистый углерод (частички угля) окисляется в микробиологическом процессе в углекислоту^[4], благодаря чему, повидимому, исчезают из почвы угольки — следы бывших лесных пожаров. Из упомянутых четырех тел метан и водород не представляют еще, конечно, стадий распада, ибо и тот, и другой способны окисляться с помощью микробиологических процессов. При этом водород дает воду, а метан воду и углекислоту. Следовательно, вода и углекислота представляют конечные формы превращения углеродистых соединений самых разнообразных групп.

Перейдем теперь к рассмотрению процессов разложения азотистых соединений. Из простейших азотистых соединений мочевина превращается сначала в углеаммонийную соль (гидролиз мочевины), а затем эта последняя распадается на аммиак, воду и углекислоту.

Белки, раньше чем перейти в аммиачные соединения, подвергаются гниению, совершающемуся под влиянием разнообразных микроорганизмов, при чем одни из них превращают белок в альбумозы, пептоны, аминокислоты (лейцин, тирозин), давая лишь немного аммиачных соединений, другие же вызывают более сильный распад, образуя индол, скатол, меркаптаны, кислоты жирного ряда, водород, метан, сероводород и пр.^[5]

Наблюдаются различия в процессах и продуктах распада белков в зависимости от того, совершается ли этот процесс при полном доступе воздуха или при затрудненном. В первом случае продуктов распада со скверным запахом получается мало и разложение идет глубже.

Если первые стадии разложения белков не могут считаться в достаточной степени изученными, то дальнейший процесс окисления аммиачных солей, носящий название нитрификации, известен во всех его подробностях. По вопросу о нитрификации, существует огромная литература, что вполне объясняется не только теоретическим, но и практическим интересом вопроса. О бактериальном характере нитрификации догадывались уже давно, но различные исследователи, пользуясь обычными, методами культур, не могли изолировать микроорганизмов, и порой своими работами только затемняли вопрос. Блестящие и остроумные исследования Виноградского произвели настоящий переворот в этой области, прочно установив как микроорганизмы нитрификации, так и характер их деятельности. Пользуясь оригинальными методами, Виноградский изолировал микробов нитрификации и доказал, что процесс этот протекает в две стадии. Первоначально происходит окисление аммиака в азотистую кислоту, а затем окисление азотистой кислоты в азотную. Каждый из этих процессов возбуждается особым микробом (нитритный и нитратный микробы). Нитритный организм представлен в Старом Свете родом Nitrosococcus (его виды: europaea, javanensis, japonica, afrioana), а в Новом — родом Nitrosococcus. Нитратный организм, более или менее одинаковый в различных местах, носит название Nitrobacter.

В почвах организмы нитрификации, по данным Базаревского, находятся только в верхних слоях, до 10 см глубиной. Глубже они встречаются спорадически и на глубинах, больших 50 см, — редки. После культуры растений на зеленое удобрение их число увеличивается и в более глубоких, чем в 50 см, слоях.

Наряду с окислением азотистых соединений в процессах нитрификации в почвах протекают и обратные процессы, т. е. процессы восстановления азотнокислых солей. При этом из солей азотной кислоты могут получаться соли азотистой кислоты, аммиак, окислы азота и свободный азот. Все эти процессы носят название денитрификации. Чаще, однако, под денитрификацией понимается распад азотнокислых солей с выделением свободного азота. Выделение азота может являться непосредственным результатом работы денитрификатора, но может получаться и о помощью реакций азотистой кислоты на аминокислоты по уравнению:

Азотистая кислота в данном случае получается как результат микробиологического восстановления азотной кислоты.

Микробов денитрификации существует несколько (Вас. denitrificans, В. pyocyaneus, В. fluorescens liquefaciens и др.). Они очень распространены в, природе, а в частности в почве, где, по данным Базаревского, их можно встретить в значительном количестве даже глубже 1 метра.

Путем денитрификации почва могла бы терять большие количества азота, если бы не существовало параллельно с этим возможности фиксировать свободный азот. Процесс фиксации азота совершается в почве двумя группами микроорганизмов: одна из этих групп живет в симбиозе с бобовыми растениями, населяя «клубеньки» их корневой системы, другая группа живет в почве свободно. Клубеньковые бактерии названы Бейеринком Вас. radicicola.

Первый из свободно живущих в почве фиксаторов азота был выделен Виноградским и назван им, в честь Пастера, Clostridium Pasteurianum. Этот организм возбуждает в сахаристых жидкостях маслянокислое брожение, образуя масляную и уксусную кислоты, бутиловый спирт, водород и углекислоту.

Clostridium Pasteurianum принадлежит к группе анаэробов, но среди фиксаторов азота существуют и аэробные микробы. Таковы открытые Бейеринком Azotobacter chroococcum, Az. agile, а также Вас. asterosporus (Перотти). В том же процессе принимают участие, хотя и более слабое, многие другие аэробные и анаэробные виды. Возможно участие плесневых грибов в кислых лесных почвах. Что касается других грибов, дрожжей и водорослей, то вопрос о их роли в фиксации азота стоит неопределенно (Омелянский).

Фиксированный и превращенный в белковое вещество в теле микроорганизма азот, по смерти фиксатора, вновь становится материалом для нитрификации.

Резюмируя все сказанное о процессах превращения азотистых соединений, мы приходим к заключению, что и в этих процессах в конечном итоге получаются простые соединения: те же вода и углекислота, как и в случае разложения безазотистых продуктов, и, кроме того, азотная кислота. Конечно, последняя не остается в свободном состоянии, а образует азотнокислые соли.

Говоря о разложении органических веществ в почве, мы пока не затрагивали судьбы тех зольных элементов, которые связаны тесно с органическим веществом. Такие элементы, как мы знаем, весьма разнообразны, и среди них мы встречаем как металлы, так и металлоиды.

Металлы щелочной и щелочноземельной групп (К, Na, Rb, Li, Са, Mg, Ва), при распаде органического вещества, дают разнообразные соли, связывая те кислоты, которые получаются при этом распаде; металлы с промежуточным характером, как железо, также иногда дают соли, в конечном итоге, однако, превращающиеся чаще всего в гидраты окиси, а металлоиды, как сера и фосфор, дают соответственные кислоты.

На процессах превращения серы и фосфора мы и остановимся прежде всего.

Выше было уже отмечено, что при гниении белков сера выделяется, главным образом, в виде сероводорода (отчасти меркаптанов). Но сероводород в природе может получаться и другими способами, например, путем восстановления сернокислых солей (десульфуризация). Бейеринком выделен микроб Spirillum desulfuricans, способный восстановлять сернокислые соли. Существуют, повидимому, и другие микроорганизмы, способные к той же деятельности, а кроме того, сероводород в природе, по мнению Виноградского, может являться продуктом гидрогенизации серы водородом, выделяющимся в различных микробиологических процессах^[6].

Б. Л. Исаченко в образцах ила со дна Черного моря нашел характерный вибрион, который обладает всеми свойствами описанного Бейеринком и фон Делден Microspira aestuarii. Этот организм энергично восстановляет сернокислые соли.

С другой стороны, в природе широко распространены процессы окисления сероводорода, производимые особыми группами бактерий, известных под общим названием серобактерий. Весьма разнообразные по своим морфологическим признакам, организмы эти принимают участие в одном и том же процессе. К серобактериям принадлежат бесцветные формы (Beggiatoa и др.) и пурпурные бактерии.

Давно уже было известно, что некоторые микроорганизмы содержат в своих клетках полужидкие зернышки — капли, которые впервые были признаны Крамером (1870) за серу. То обстоятельство, что группа Beggiatoa встречается особенно часто в сернистых термах, где эти организмы массой покрывают все предметы, что они накопляют в своих клетках капли серы и что всюду, где они появляются наиболее часто, заметно присутствие сероводорода, привело к мысли, что они стоят в каком-то отношении к этому газу. Кон, исследуя этот вопрос, нашел, что термальная вода Кандека в замкнутой склянке увеличивает количество сероводорода и, наоборот, теряет свой запах, если жидкость вылита в чашку. Запах вновь усиливается при вторичном перенесении в запертую склянку. Из этих наблюдений он заключил, что сероводород является результатом деятельности водорослеобразных организмов, разлагающих растворенные в воде сернокислые соли.

К совершенно иным заключениям пришел Виноградский. Он доказал, что Beggiatoa не принимает участия в восстановлении сульфатов и выделении сероводорода и что сера в плазме Beggiatoa отлагается, благодаря окислению этим организмом сероводорода. Тот же организм окисляет серу и дальше в серную кислоту, для чего нуждается в кислороде. Если реакция идет на свету, то развиваются зеленые и фикохромовые водоросли, доставляющие для Beggiatoa кислород, в темноте же Beggiatoa развивается на поверхности воды, где есть доступ кислорода воздуха. В воде, сильно насыщенной сероводородом, Beggiatoa не живет. Окисление серы, по мнению Виноградского, есть процесс, соответствующий дыханию высших организмов; этот процесс доставляет серобактериям необходимую теплоту. Так же протекает процесс и у других серобактерий.

Интересны наблюдения Егунова над серобактериями Одесских лиманов. На высыхающих береговых грязях и болотах он находил нежные розовые налеты иногда в больших количествах. Культивируя серобактерии в высоких стаканах с грязью лиманов на дне, он наблюдал через несколько дней от начала постановки опыта появление белой мути на глубине 8—12 сантим.; муть располагалась в виде резко ограниченной пластинки. Эта пластинка состояла из серобактерий, представлявших почти чистые культуры. Организмы имели вид тонких, спирилл и редко оказывались одночленными, чаще образовывали нити из 7—12 завитков.

Появляющаяся в культурах бактериальная пластинка делит водяной столб в сосуде на две части, из коих нижняя богата сероводородом^[7], а верхняя не содержит и следов последнего, и в ней живут Rotatoria, Euglena и другие представители животного царства. В последующем развитии все более утолщающейся пластинки замечается распадение нижнего ее слоя на отдельные столбики, так что в вертикальном сечении получается вид, напоминающий гребень с зубцами. Такое распределение элементов пластинки, увеличивая ее поверхность, обеспечивает более обильное использование сероводорода, поступающего из нижних слоев жидкости. Доступ кислорода, в котором также нуждается пластинка, регулируется поднятием и опусканием всей пластинки. Ночью она обыкновенно опускается, а днем поднимается, что находится в связи с колебаниями температуры, обусловливающей большую или меньшую растворимость кислорода в воде.

Серобактерии найдены Егуновым также в иле Черного моря и некоторых озер. В Черном море, по мнению исследователя, находится также бактериальная пластинка, так что этот водоем представляет, в широком масштабе, ту же картину, что и культуры в сосудах. До глубины 180 метров воды Черного моря окислорожены, а глубже идет сероводородная зона, исключающая возможность аэробной жизни¹.

Заслуживают внимания также наблюдения Егунова над образованием и передвижением сернистых соединений и других веществ в области сероводородной зоны его культур. Интересующегося подробностями этих процессов отсылаем к оригинальной статье исследователя.

Кроме нитчатых и иных бесцветных бактерий, а также пурпурных бактерий, окисляющих сероводород, найдены бесцветные же бактерии, окисляющие тиосульфаты (Nathanson, Beijerink, Jacobson^[8][9]). Эта группа, обильно выделяющая серу вне своих клеток, не имеет нитчатых форм.

Наконец, в новейшее время Lipman’oM и сотрудниками открыты бактерии, окисляющие свободную серу в серную кислоту (Thiobacilus thiooxidans).

Ваксман предлагает делить серобактерии на три группы:

I. Сульфидные бактерии, окисляющие H₂S и сернистые соединения и накопляющие серу в своих клетках.

И. Тиосульфатные или тионовокислотные бактерии, которые сначала окисляют тиосульфаты, отлагая серу вне своих клеток и затем преобразуя соединения серы в сульфаты и персульфаты.

III. Серные бактерии (серобактерии в тесном смысле), окисляющие элементарную серу.

Вопросы о круговороте фосфора под влиянием микроорганизмов стоят пока гораздо менее определенно, чем вопросы о круговороте серы. Можно не сомневаться в том, что из некоторых фосфорноорганических соединений в почве образуется фосфорная кислота и даже, при некоторых условиях, накопляются довольно заметные количества фосфорнокислых солей (вивианит в болотных почвах), но как получается фосфорная кислота, каковы стадии расщепления фосфорно-органических соединений до получения фосфорной кислоты, остается неизвестным.

Что в разложении фосфорно-органических соединений в почвах (фитины, нуклеопротеиды и пр.) и, особенно, в мобилизации фосфорной кислоты принимают участие микроорганизмы, явствует из работ Стоклазы^[10]. Микроорганизмы, выделяющие кислоты, способствуют тем самым переводу нерастворимых фосфатов в растворимые, т. е. делают подвижными соединения фосфорной кислоты. Этому процессу вообще способствует ненасыщенность гумуса почвы, чем объясняется, между прочим, эффект действия фосфоритов на подзолистых почвах.

С другой стороны, из опытов Северина можно заключить, что некоторые микроорганизмы способны связывать легко подвижные фосфаты и превращать их в фосфорно-органические соединения.

Превращения соединений железа (частью и марганца) совершаются также нередко при помощи микроорганизмов, составляющих особую, высоко развитую группу бактерий, получивших название железобактерий. По исследованиям Виноградского, процесс превращения закисных соединений в окисные при содействии железобактерий представляет аналогию с окислением сероводорода бактериями. Он нашел, что бесцветные живые нити этих организмов в воде, свободной от закисных солей железа, не окрашиваются и что, наоборот, желтая или бурая окраска появляется очень скоро, если прибавлены таковые соли. Он указал далее, что оболочка в воде, содержащей углежелезистую соль, буреет только в тех местах, где внутри оболочки находятся еще живые клетки. Следует поэтому заключить, что отложение гидрата окиси железа происходит благодаря жизненному процессу клеток, как это раньше принимал Кон, а не представляет, как думал Цопф, чисто механического процесса. Виноградский нашел также, что Leptothrix ochracea не растет вообще без закисных соединений железа, и что последние не могут быть заменены окисными солями. Деятельности железобактерий следует приписать, по всей вероятности, и образование некоторых железных руд в природе, принадлежащих к типу дерновых, озерных и болотных.

Некоторые из выводов Виноградского оспаривались позже Молишем, который нашел, что бурая окраска оболочек железобактерий зависит не исключительно от соединений железа, но и от других веществ. По его исследованиям Leptothrix ochracea может развиваться хорошо и в отсутствие закисных солей железа, и что, поэтому, окисление солей железа не представляет необходимого жизненного процесса, как полагал Виноградский; накопление его аналогично накоплению кремнезема в стеблях злаков. Молиш оспаривает также и соображения Виноградского о способе перехода окислов железа в оболочку. Виноградский полагал, что закись железа захватывается клетками и превращается в растворимое соединение, а затем уже из клетки выделяется в оболочку в виде гидрата окиси. Несогласие Молиша в данном случае является, конечно, логическим следствием его отрицания жизненности в процессе накопления железа. Интересно наблюдение Молиша о способности железобактерий накоплять и окислы марганца в своих оболочках. Накопление это может итти так далеко, что нити Leptothrix достигают 5—10 ц в ширину. Таким образом и при накоплении окислов марганца идет не менее мощное развитие и расширение стенок, чем при накоплении окислов железа^[11].

Молиш исследовал, наконец, целый ряд образцов железных руд с целью решить вопрос о размерах того участия, которое принимают в процессах рудообразования железобактерии. Из 34 исследованных проб только три оказались содержащими железобактерии.

Подводя итоги деятельности почвенных микроорганизмов на основании всех сообщенных данных, мы видим, как разнообразна эта деятельность, какие сложные химические реакции протекают в почве с помощью ее бактериального населения. Принимая во внимание те огромные количества микроорганизмов, которые населяют верхние горизонты почвы (см. ниже), мы в состоянии оценить всю грандиозность работы микробов, направленную на превращение отбросов органической жизни в новые питательные вещества, служащие для продолжения той же жизни.

Конечные продукты микробиологического распада органического вещества, как мы видели, чрезвычайно просты: эта вода, углекислота, азотная, серная, фосфорная кислоты. Из всех перечисленных кислот только угольной кислоты получаются такие количества, которые не могут быть связаны основаниями, освобождающимися как в распаде органического вещества, так и в процессах выветривания, а потому значительная часть углекислоты остается в свободном виде; что же касается остальных кислот, то они в свободном состоянии не остаются, а образуют соли. Следовательно, в итоге полного распада органического вещества получаются вода, углекислота и различные соли, в том числе и хлористые, ибо хлор входит в состав зольных элементов растительных тканей. Однако, на самом деле полного распада органического вещества в почве никогда не получается, во-первых, потому что, как мы видели, некоторые группы органических соединений очень слабо поддаются действию микробов, как напр., смолы, воскообразные вещества, пентозаны и пр., а, во-вторых, и потому, что для полной минерализации органического вещества нужен постоянный приток кислорода воздуха, что в почве бывает очень редко. Поэтому нужно ожидать, что кроме перечисленных выше, слабо разрушающихся соединений, в почвах должны удерживаться, хотя бы временно, различные промежуточные продукты распада как безазотистых, так и азотистых соединений. Вся совокупность этих веществ и должна составлять то, что называется почвенным гумусом. В образовании веществ гумуса, по мнению Koningk’a, большую роль играют грибы (Trichoderma, Cephalosporium).

• [1] По вопросу о грибах и актиномицетах см. работы Waksman’a. Soil Science, Vol. II,№ 2, 1916; Vol. III. № 6, 1917; Vol. VI. № 4, 1918; Vol. VIII, № 2,1919; Vol. XIV, № 1, 1922;там же многочисленная литература вопроса.
• [2] См. также Mebeth J. G. Soil Science Т. 1, № 5.1916. О разложении целлюлозы см. также Waksman S., A. and Heukelekian О. Soil Science, Vol. XVII, № 4, 1924.
• [3] См., между прочим, Majmone В.
• [4] См. Potter М. С.
• [5] Вопрос о выделении свободного азота при гниении пока недостаточно выяснен. Недостаточно изучены и превращения фосфора, о чем будет, впрочем, речь еще ниже. О разложении протеина и аминокислот см. Waksman S. A. and Lomanitz S Journ. of Agricult. Research Vol. XXX, № 3, 1925; об аммонификации Waksman S. A. Soil Science, Vol. XV, № 1, 1923.
• [6] Возможно, однако, появление на земной поверхности сероводорода не органического происхождения (вулканические и поствулканические процессы).
• [7] В ней находятся также аммиак, закись железа, углекислота, известь, магнезия, серная, сернистая и серноватистая кислоты, фосфорная кислота, а в жидкости над пластинкой найдены серная кислота и органические вещества; аммиака здесь присутствуют лишь следы, фосфорной кислоты нет.
• [8] Новейшими исследованиями. Черного моря предположения Егунова о бактериальной пластинке не подтверждаются.
• [9] См. Waksman S. Soil Science, Vol,. XIII, № 5, 1922.
• [10] См. также Perotti А., Душечкина А., Лебедянцева А. Известия Шатиловской Областной On. Станции, т. I, № б, Орел, 1921.
• [11] МпС03, по данным Бейеринка, разлагается различными грибами (Botrytis, Sporocybe, Trichocladium и пр.), превращаясь в Мп203 или Мп02.