Материал: Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

вуглець у гумусі, який важко піддається розкладу, хоча мікроорганізми здатні і його мінералізувати.

Тривалість циклу оберту вуглецю з урахуванням його участі в утво­ ренні фітомаси, зоомаси і мікробної маси, а також повної мінералізації стійких сполук становить від 200-600 до 1000 років.

Сучасний етап розвитку біосфери характеризується зростанням значення антропогенного фактора, який впливає на швидкість і напря­ мок біогехімічних циклів, у тому числі і на кругообіг вуглецю. Основні зміни кругообігу вуглецю під дією антропогенного фактора полягають у наступному:

1.Посилюється споживання запасів органічного вуглецю, який міс­ титься в енергоносіях - нафті, вугіллі, природному газі. У виробничих циклах вони окиснюються до С 02, що підсилює вихід вуглецю в атмос­ феру.

2.Зменшується первинна продукція органічної речовини внаслідок урбанізації і зменшення площ зелених насаджень. Диоксид вуглецю, який утворюється при використанні органічних енергоносіїв, не реутилі-

зується у фотосинтезі автотрофами, і концентрація С 02 в атмосфері зростає, що утворює “парниковий ефект”.

3.Природні біоценози замінюються агроценозами, в яких збільшу­ ються розміри тієї частини рослинницької продукції, яка відчужується і виноситься з ценозу з урожаєм. Внаслідок цього до ґрунту надходить менше рослинних залишків, які можуть перетворитися на гумус.

4.В умовах інтенсифікації сільськогосподарського виробництва при внесенні високих доз мінеральних добрив, засобів хімічного захисту рослин зростає мінералізаційна активність ґрунтової мікробіоти, що призводить до руйнування гумусових сполук, у яких депоновані запаси органічного вуглецю у ґрунті. Це призводить до дегуміфікації ґрунтів і зменшення депонованих запасів вуглецю.

Таким чином, в антропогенних біогеоценозах кругообіг вуглецю є від’ємно декомпенсованим. Відшкодування втрат вуглецю можливе та­ кими шляхами: переходом на альтернативні джерела енергії, що дозво­ ляє уникнути втрат запасів органічних енергоносіїв; збільшенням площ

зелених насаджень для фіксації СОг і зростання розмірів автотрофного синтезу органічної речовини; заміною інтенсивних систем землеробства біологічними, які є екологічно збалансованими.

Мікробна трансформація вуглецевих сполук. Процес розкладу продуктів синтезу фотоавтотрофів описується кінетичним рівнянням першого порядку:

96

А = Аф**,

де А - концентрація субстрату у момент часу t; А0 - початкова концент­ рація субстрату; k - константа реакції, яка не залежить від кількості суб­ страту, а визначається активністю мікробного угруповання ґрунту.

Визначення k у лабораторних дослідах показало, що для процесу розкладу соломи і геміцелюлози k = 0,02-0,03 доба'1, для лігніну к = 0,003 д об а'.

Процес деструкції рослинного опаду залежить від його якості, зок­ рема, співвідношення вмісту вуглеводів (U) і лігніну (І), а також співвід­ ношення C:N. Емпіричне рівняння продукування С02 у перебігу процесу розкладу рослинного опаду має вигляд:

СОг = U1/2 /[(C:N) - L].

Відношення C:N у бактерій коливається в межах від 3:1 до 8:1, у грибів може досягати 16:1. Загальне правило розкладу органічного суб­ страту полягає у наступному: якщо C:N мікробної маси більше C.N орга­ нічного субстрату, то мінералізація останнього сприяє збагаченню ґрун­ ту азотом; навпаки, якщо C:N мікроорганізмів менше від такого співвід­ ношення в органічному субстраті, то у перебігу процесу деструкції від­ будеться споживання азоту із запасів ґрунту.

Основним продуктом фотосинтетичних реакцій зелених рослин є полімерні вуглеводи, вони кількісно переважаюіь над іншими продукта­ ми, синтезованими продуцентами.

Трансформація целюлози. Серед рослинних глікополімерів пере­ важає целюлоза, яка утворюється у великих кількостях як структурний компонент клітинної оболонки рослин і водоростей. Вищі рослини на 16-50% складаються з целюлози. З огляду на велику масу синтезованої щорічно целюлози мікроорганізми, які її розкладають, мають велике значення у кругообігу вуглецю. Целюлоза - нерозчинний гідрофільний полімер, що має лінійні нерозгалужені ланцюги із молекул D-глюкоэи, поєднаних 1,4-6-глікозидними зв'язками. Число глюкозних залишків мо­ же коливатися від 1400 до 10000. Молекули целюлози поєднані у пучки (міцели).

Історія вивчення процесу деструкції целюлози почалася з 1918 ро­ ку, коли X. Хутчинсон і Дж. Клейтон виділили з ґрунту целюлозоруйнівну бактерію, яка мала вигляд довгих веретеноподібних паличок із гострими кінцями. Спочатку мікроорганізм отримав назву Spirochaeta cytophaga, нині віднесений до роду Cytophaga. У 1902 році В.Л. Омелянський впе­ рше виділив і описав анаеробну термофільну слороутворюючу паличку Clostridium omelianskü. За морфологічними ознаками - це паличка 4 -

97

8 x 0,3-0,5 мкм, рухома, при старінні утворює на одному кінці клітини спори, діаметр яких більший за товщину клітини, тому останні набува­ ють форми барабанних паличок.

Значний внесок у вивчення процесів аеробної і анаеробної мікроб­ ної деструкції целюлози внесли роботи Є.М. Мішустіна, М.С. Імшенецького, виконані у 1930-1950 рр.

Сучасні уявлення щодо розкладу целюлози базуються на таких по­ ложеннях. Деструкція целюлози потребує наявності комплексу позаклі­ тинних ферментів - целюлаз, які підрозділяють на ендо- і екзоглюканази. Основними з них є ендоглюканази, які цдролізують 1,4-3-глікозидний зв'язок в різних місцях ланцюга з утворенням різних за довжиною целюлодекстринів. Екзоглюканзза відщеплює з редукуючого кінця ланцюга дисахарид целобіозу, яка під дією ферменту ß-глюкозидази перетворю­ ється на глюкозу.

Продукт гідролізу целюлози - целобіоза може переноситись у клі­ тину шляхом фосфорилювання за участю двох ферментів: фосфорилази целобіози або целодекстрин-фосфорилази. В аеробному розкладі целюлози кінцевими продуктами розкладу є диоксид вуглецю і вода.

В анаеробному розкладі целобіоза перетвоюється на глюкозу, яка піддається бродінню з утворенням органічних кислот (оцтової, молочної, масляної, мурашиної1), а також етанолу, диоксиду вуглецю і водню.

На прикладі екстремально термофільних целюполітичних мікрооргані­ змів було показано, що гени, які визначають цепюпопгтичну активність, ча­ сто є поліфункціональними, незначно різняться за послідовностями.

Целюлозу розкладають аеробні й анаеробні мікроорганізми. Важ­ ливу роль у деструкції целюлози у фунті відіграють аеробні бактерії (ко­ взні бактерії порядку Myxobacteriales, цитофаги родів Cytophaga, Sporncytophaga), корінеподібні бактерії родів Cellulomonas, Cellovibrio,

екстремально термофільний цалюлолітик Caldicetlulosiruptor, представ­ ники актиноміцетів роду Streptomyces), а також спороутворюючі анае­ робні бактерії роду Clostridium. Здатність до розкладу целюлози мають багато видів грибів, докладно вивченими серед них є гриби родів

Trichoderma, Fusarium, Chaetomlum, Botrytis, Myrothecium.

Вивчення особливостей розповсюдження целюлозоруйнівних мік­ роорганізмів показало, що в орних ґрунтах переважають представники родів Cytophaga, Cellvibrio, а в природних біогеоценозах - Роїуапдіит.

За даними Н.Н. Наплекової, різноманіття мікроорганізмів, здатних роз­ кладати целюлозу, зростає у такому ряді: підзолисті фунти>сірі лісові фунти>чорноземи.

98

Целюлозоруйнівні бактерії у ф унті часто утворюють синтрофні асоціації з діазотрофами. В таких асоціаціях діазотрофи споживають продукти гідролізу целюлози як енергетичний матеріал, у той же час вони забезпечують целюлозоруйнівні бактерії зв’язаним азотом. У ре­ зультаті інтенсивність деструкції целюлози значно зростає. Цей фено­ мен останнім часом використовують у біотехнологічних процесах для інтенсифікації розкладу целюлози, наприклад створена ефективна асо­ ціація Azospirillum-Cellulomonas-Cytophaga-Badllus.

В колоніях целюлозодеструкторів часто виявляють оліготрофів. Та­ кі взаємовідносини між цалюлозоруйнівними бактеріями І дисилотрофами можна оцінити як синтрофні, коли гідролітики забезпечують продук­ тами розкладу оліготрофів. Останні у свою чергу утилізують прості вуг­ леводи, які можуть репресувати синтез целюлаз.

Трансформація геміцелюлоз, лігніну, пектинів. Міжклітинний простір у рослинних тканинах заповнений речовиною, до складу якої входять геміцелюлози, лігнін, пектини. Геміцелюлози - це гетерололісахарцди, які складаються з пентоз або гексоз, до складу деяких із них входять також уронові кислоти. Геміцелюлози розділяють на ксилани (ланцюги О-ксилопіранозних залишків), глюкоманани (ланцюги D-манози і D-глюкози) і галактани ( ланцюги D-галакгози, що містять на кінцевих позиціях залишки L-aрабінози). Найбільш поширеним є полімер ксилози - ксилан. Мікроорганізми, що здатні розкладати геміцелюлози, не мають специфічності до певних субстратів, видовий склад їх дуже різноманіт­ ний у зв’язку з різноманітним хімічним складом субстратів. Здатність до розкладу геміцелюлоз мають представники родів Clostridium, Bacillus, Cytophaga, Sporocytophaga, Vibrio, Streptomyces. гриби родів Aspergillus, Rhizopus, Fomes та інші.

Ферменти, які каталізують деструкцію геміцелюлоз, називаються геміцелюлазами. Вони розщеплюють молекули геміцелюлоз на поліме­ ри меншої молекулярної маси, які можуть проходити через цитоплазма­ тичну мембрану, а потім розкладають їх до мономерів - цукрів, із яких складаються ці полімери.

Лігнін є тривимірним полімером фенольних сполук, розщеплюється мікроорганізмами з утворенням альдегідів, простих ароматичних сполук, таких як ванілін та ін. Цей полімер стійкий до мікробної деструкції. Про­ відну роль у розкладі лігніну відіграють гриби класу Basidiomycetes (Clavaria, Fomes, Polypoms, Ustilina), а також Trichoderma tignomm, Alternaria tenius та інші. He виключена участь бактерій роду Pseudomonas у термофільному розкладі лігніну. Встановлено, що продукти деструкції лігніну використовуються у синтезі гумусових сполук.

99

Пектинові речовини - складні полігалакгуроніди, що складаються Із залишків а-О-гапактуронових кислот, поєднаних 1,4-зв’язками. Існує три типи пектинових речовин:

1)протопектин - нерозчинний у ваді компонент клітинних стінок;

2)пектин - водорозчинний полімер галактуроново? кислоти, міс­ тить метил ефірні зв'язки;

3)пектинова кислота - водорозчинний полімер галактуроново? ки­

слоти, не містить метилефірних зв’язків.

Мікробна деструкція пектинових речовин відбувається в аеробних і анаеробних умовах. До аеробних деструкторів цих речовин відносяться представники роду ВасШиэ (В.тасегапз), Епмпіа (Е.сагоіоуога), багато грибів. Анаеробний розклад пектинів здійснюють представники роду

СІоаШіит (С. ресЬ'поюгит, С. ресИпоІуйсит).

Для розкладу пектинових речовин мікроорганізми синтезують фер­ менти таких груп:

-протопектинази, що каталізують деструкцію протопектинів з утворенням розчинного пектину;

-пекгинестерази, які гіцролізують метилефірні зв’язки з утворен­ ням пектинової кислоти І метилового спирту;

-полігалактуронази, які гідролізують зв’язки мономерів з утворен­ ням О-галакгуронової кислоти.

Розклад пектинової кислоти відбувається у такій послідовності:

СівНеаОю+НгО —* СНО(СНОН)4СООН — С вН ^О в+С ^.оО ^С ^оО *.

Прості вуглеводи галактоза, ксилоза, арабіноза засвоюються мік­ роорганізмами: в аеробних умовах - окиснюються, в анаеробних - зброджуються з утворенням масляної і оцтової кислот, водню І ДИОКСИДУ вуглецю, у незначній кількості - ацетону І бутилового спирту.

Продукування ыетану І проблеми парникового ефекту. За аеро­ бних умов основна частина фотосинтетичної продукції мінералізується за участю мікроорганізмів до кінцевих продуктів: С 02 і Н20 . За анаероб­ них умов диоксид вуглецю засвоюється автотрофними метаногенами, для яких він слугує джерелом вуглецю і термінальним акцептором елек­ тронів. Утворення метану описується таким рівнянням:

4Н2 + НСОз + Н* —* СН4 + З Н20 Д6о= -138,6 кДж/моль.

До метаногенів належать представники родів МеІЇїапотісгоЬіит, МсіЬапозагсіпа, МвіЬапососсиз, МеіІіапозрігіІІит.

100