Трансформирующее действие почвенных микроорганизмов на крупные, средние и микроэлементы.
Элементы, необходимые для роста сельскохозяйственных культур, делятся на три типа: крупные, средние и микроэлементы в зависимости от их потребности. Эти элементы существуют в почве в различных формах, и формы некоторых элементов не могут быть поглощены и использованы растениями без трансформации. Трансформация элементов должна осуществляться под действием микроорганизмов. Следовательно, жизнедеятельность микроорганизмов играет очень важную роль в преобразовании минеральных питательных веществ.
Ниже приводится краткое введение в трансформирующее воздействие микроорганизмов на шесть элементов: азот N, фосфор P, калий K, серу S, железо Fe и марганец Mn, входящих в состав этих элементов.
1. Роль микроорганизмов в преобразовании азота
Азотный цикл состоит из 6 реакций преобразования соединений азота, включая фиксацию азота, ассимиляцию, аминирование (дезаминирование), нитрификацию, денитрификацию и восстановление нитрата. Азот является основным составляющим элементом биологических организмов, а круговорот азота является важным биогеохимическим циклом.
1.1 Азотфиксация: Азотфиксация - это биохимический процесс, посредством которого азот в атмосфере превращается в аммиак (аммоний). Все азотфиксирующие микроорганизмы обладают азотфиксирующими генами и синтезируемыми ими азотфиксирующими ферментами. Биологическая азотфиксация - это биохимический процесс, который может быть завершен только при участии микроорганизмов или микромицетов.
1.2 Аминирование: Аминирование - это процесс, посредством которого органические нитриды превращаются в аммиак. Он катализируется внеклеточными и внутриклеточными ферментными линиями микроорганизмов и ферментами, выделяемыми почвенными животными. Первый - это разложение азотсодержащих органических полимеров внеклеточными ферментами, а затем образовавшиеся мономеры всасываются микроорганизмами в клетку для метаболизма, а образующийся аммиак выделяется в почве. Аммиак, выделяющийся при аминировании, может быть зафиксирован, утилизирован и далее преобразован микроорганизмами.
1.3 Нитрификация: Нитрификация - это процесс, посредством которого аммиак окисляется до нитрата в аэробных условиях. Нитрификация осуществляется двумя группами химически способных автотрофных бактерий. Сначала Monomonas nitrite окисляет аммиак до азотистой кислоты; затем Nitrobacterium nitrificans окисляет азотистую кислоту до азотной кислоты. Источниками их энергии являются аммиак и азотистая кислота.
1.4 Восстановление нитратов и денитрификация: содержание нитратов в почве может быть снижено различными способами, включая снижение уровня ассимиляции и отчуждения. Продуктами восстановления могут быть азотистая кислота, оксид азота, закись азота и т.д.
Снижение усвояемости относится к процессу, посредством которого микроорганизмы постепенно превращают поглощенные нитраты в аммиак для восстановления клеточных веществ. Растения, грибы и бактерии - все они могут выполнять ассимиляцию и восстановление NO3-. При катализе системы ассимиляционной нитрогеназы сначала образуется NO2-, затем восстанавливается до NH2OH и, наконец, NH3, который ассимилируется клеткой в органический азот.
Выделение и снижение содержания нитратов является более сложным процессом, и существуют различные способы. Из-за различных микроорганизмов и условий он может быть восстановлен только до NO и N2O, или он может быть восстановлен до молекулярного азота. Только бактерии обладают эффектом отчуждения и уменьшения содержания NO3-.
Денитрификация - это процесс, посредством которого денитрифицирующие бактерии восстанавливают нитраты и выделяют молекулярный азот (N2) или закись азота (N2O) в условиях гипоксии, который называется денитрификацией.Только несколько бактерий могут выполнять денитрификацию.
2. Роль микроорганизмов в круговороте фосфора
В атмосфере отсутствуют газообразные соединения фосфора, поэтому фосфор представляет собой типичный осадочный цикл, в основном осуществляемый между почвой, растениями и микроорганизмами .Почвенные микроорганизмы участвуют не только в растворении неорганических соединений фосфора и минерализации фосфорорганических соединений, но и в фиксации растворимого фосфора. В сезон роста сельскохозяйственных культур, хотя биомасса почвенных микроорганизмов намного меньше биомассы растений, содержание фосфора в микроорганизмах более чем в 10 раз выше, чем в растениях; более того, за один сезон микроорганизмы могут размножаться в течение многих поколений, и в результате фосфор, поглощаемый микроорганизмами, часто превышает фосфор, поглощаемый высшими растениями. Однако микроорганизмы не удерживают фосфор в течение длительного времени, и фосфор будет высвобождаться вскоре после гибели микробных клеток. Это полезно для растений. Кратковременная биологическая фиксация может защитить почвенный фосфор от долговременной фиксации почвенных минералов.
В природе круговорот фосфора включает ассимиляцию растворимого неорганического фосфора, минерализацию органического фосфора и растворение нерастворимого фосфора.
Роль микроорганизмов в разложении фосфорсодержащих соединений в основном делится на два аспекта: разложение фосфорорганических соединений и разложение неорганических соединений фосфора. Первое в основном является результатом участия различных ферментов, вырабатываемых микроорганизмами. Фосфорорганические соединения очень сложно изменить в почвенном комплексе, и они часто образуют некоторые продукты, которые чрезвычайно трудно разложить. Эти сложные вещества могут быть расщеплены только соответствующими ферментами микроорганизмов.
Другим важным аспектом деятельности микроорганизмов, способствующих эффективному фосфорилированию фосфора, является эффект растворения неорганического фосфора в почве. Одним из классов кислот, вырабатываемых микроорганизмами, являются неорганические кислоты, такие как углекислота, NO3- и SO42-. Другой тип - органические кислоты. Большинство типов органических кислот, вырабатываемых микроорганизмами, обладают действием, растворяющим фосфор.
Можно считать, что микроорганизмы разлагают источники углерода, такие как сахара, при дыхании в процессе метаболизма и могут производить различные органические кислоты. Эти органические кислоты играют важную роль в растворении неорганических соединений фосфора в почве.
3. Роль микроорганизмов в калиевом цикле
Основными калийсодержащими минералами в почве являются полевой шпат, слюда и другие силикаты. Среди них калий составляет около 98% от общего содержания калия в почве. Этот тип калия нерастворим в воде и может высвобождать некоторое количество эффективного калия только после выветривания.
Существуют некоторые микроорганизмы, которые могут разлагать силикатные минералы, такие как полевой шпат и слюда, с образованием эффективного калия. Эти микроорганизмы называются калиевыми бактериями или силикатными бактериями. У этого типа микроорганизмов может быть два способа разложения калия: ① Калиевые бактерии вырабатывают специальные ферменты после контакта с рудой, которые разрушают кристаллическую структуру руды и высвобождают содержащиеся в ней питательные вещества. ② Калиевые бактерии обмениваются после контакта с поверхностью руды, высвобождая содержащиеся в ней питательные вещества.
4. Роль микроорганизмов в круговороте серы
Сера является важным элементом для синтеза организмами белков, а также некоторых витаминов и коферментов. Недостаток серы влияет на усвоение азота, что, в свою очередь, влияет на содержание белка и урожайность сельскохозяйственных культур.
Круговорот серы имеет характеристики как газового, так и осадочного цикла, и во многих стадиях этого цикла участвуют специфические микроорганизмы. Серосодержащее органическое вещество в остатках животных и растений, попадающих в почву, представляет собой в основном белок, за которым следуют некоторые серосодержащие летучие вещества. В почве существует много типов микроорганизмов, которые могут разлагать серосодержащие органические вещества. Как правило, микроорганизмы-аминизаторы, которые могут образовывать азотсодержащие органические соединения, могут разлагать серосодержащие органические вещества с образованием сероводорода. Когда серосодержащее органическое вещество разлагается не полностью, тиолы временно накапливаются, но при дальнейшем окислении сероводород все равно используется в качестве конечного продукта. Серосодержащие органические соединения, разлагаемые микроорганизмами, выделяют сероводород. Хотя сероводород не может быть непосредственно полезен для питания растений, он накапливается в почве в течение длительного времени и оказывает токсическое воздействие на корни растений. Однако неорганическая материализация серосодержащих органических соединений является звеном в круговороте сернистых веществ. После образования сероводорода, дальнейшее окисление под действием микроорганизмов с образованием серной кислоты может обеспечить растения серой.
5. Роль микроорганизмов в трансформации железа
Железо в основном содержится в минералах. Железо в почве в основном представляет собой нерастворимое дорогостоящее железо (Fe3 +), которое для усвоения растениями должно быть восстановлено до дешевого (Fe2 +). Эффекты трехвалентного железа на циркуляцию включают окислительно-восстановительную реакцию, растворение и осаждение.
Многие микроорганизмы могут использовать Fe3 + в качестве акцептора электронов. При наличии H2S дорогостоящее железо может быть химически восстановлено до FeS. Следовательно, круговорот железа и серы в природе тесно связан.
Некоторые грибы и многие хемоэнергетические неорганические питательные вещества и органические питательные бактерии могут использовать Fe3 + в качестве электронного рецептора для энергетического метаболизма.
Многие микроорганизмы продуцируют класс специфических комплексов железа, называемых переносчиками железа, которые могут хелатировать железо и проникать в клетку. Когда оно попадает в клетку, железо высвобождается, и затем переносчик железа может выполнять функцию железа. Это механизм, с помощью которого растения поглощают железо.
Бактерии, способные вырабатывать переносчики железа, имеют то преимущество, что конкурируют за железо в почве. Некоторые Pseudomonas вырабатывают желто-зеленый флуоресцирующий носитель железа, называемый pseudomonas, который может тесно связываться с железом и препятствовать его использованию другими организмами. В результате некоторые патогенные микроорганизмы растений находятся в состоянии дефицита железа, что благотворно сказывается на растениях.
6. Роль микроорганизмов в трансформации марганца
Марганец присутствует в почве в двухвалентном и четырехвалентном состоянии. Двухвалентный марганец в восстановленном состоянии растворим и может усваиваться и утилизироваться растениями; четырехвалентный марганец в окисленном состоянии нерастворим. Превращение марганца в почве зависит от содержания микроорганизмов, кислотности почвы, кислорода и органических веществ. Многие микроорганизмы могут окислять марганец, что часто способствует восстановлению марганца в условиях гипоксии и кислой среды; это способствует окислению марганца в щелочных условиях. Таким образом, дефицит марганца в растениях часто связан с реакцией почвы.
Мини-лаборатории анализа почвы по микро-и макроэлементам по ссылке:
