Процессы трансформации органических и неорганических соединений фосфора

Фосфор составляет 0,12 % массы земной коры. Содержание его в разных типах почв колеблется от 0,1% до 0,18 %. По значению в питании растений и животных фосфор занимает второе место после азота. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, аденозинфосфорных кислот, фитина, фосфолипидов и других жизненно-важных макромолекул клетки.

В 1 га почвы содержится до 2 т валового фосфора, т.е. намного больше, чем необходимо для получения высоких урожаев растений. Однако большая часть фосфора в почве находится в форме, недоступной для усвоения растениями. Это, прежде всего, фосфор органических соединений растительного и животного происхождения, на который приходится от 10% до 50 % всего запаса фосфора в почве. Отщепляемая при разложении белков фосфорная кислота обычно образует в почве трудно растворимые соединения, которые практически не усваиваются растениями.

Фосфор в почве представлен также неорганическими фракциями, в первую очередь, фосфатами кальция, входящими в состав первичных минералов, а также в состав минеральных удобрений. Но коэффициент использования фосфора растениями из минераль­ных удобрений очень низок и составляет всего 15%-20 %. Роль почвенной микрофлоры в трансформации фосфорных соединений заключается, в первую очередь, в минерализации фосфоорганических соединений, а также в переводе нерастворимых форм неорганического фосфора в растворимые соединения, доступные растениям.

Разложение фосфоорганических соединений в почве происходит ферментативным путем за счет активной жизнедеятельности микроорганизмов. При разложении фосфоорганических соединений часть фосфора фиксируется в клетках микроорганизмов. Поэтому при внесении в почву органических удобрений, бедных фосфором (например, соломы), в процессе минерализации органики весь фосфор может быть потреблен самими микроорганизмами, что ведет к фосфорному голоданию растений.

Многие почвенные микроорганизмы способны переводить нерастворимые в воде соединения фосфора в растворимую форму. К таким микроорганизмам относятся бактерии родов Micrococcus, Bacillus, Pseudomonas, Mycobacterium, а также актиномицеты и плесневые грибы.

Перевод нерастворимых соединений в растворимые связан со способностью микроорганизмов в процессе жизнедеятельности образовывать минеральные и органические кислоты. Из минеральных кислот чаще всего образуется угольная кислота при растворении диоксида углерода, выделяемого микроорганизмами. Угольная кислота является слабой кислотой, но и она способна растворять нерастворимые фосфаты:

Ca₃(PO₄)₂ + 2CO₂ + 2H₂O → 2CaHPO₄ + Ca(HCO₃)₂

Более сильными по действию являются азотная и серная кис­лоты, продуцируемые соответственно нитрифицирующими и тионовыми бактериями. Эти кислоты активно переводят нераствори­мые фосфаты кальция в растворимые соединения:

Ca₃(PO₄)₂ + 4HNO₃ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2Ca(NO₃)₂

Ca₃(PO₄)₂ + H₂SO₄ → 2CaHPO₄ + CaSO₄

В почве всегда можно обнаружить присутствие таких органических кислот; как уксусная, лимонная, молочная, пропионовая и другие, растворяющие фосфор из минералов.

Перевод фосфатов в растворимую форму, доступную для питания растений, является основным движущим звеном вовлечения фосфора в биологический круговорот.

Процессы трансформации органических и неорганических соединений серы

Сера, как азот и фосфор, является одним из основных элемен­тов питания растений и животных и играет важную роль в биохимических процессах, протекающих в живом веществе. Она входит в состав некоторых аминокислот (цистеин, цистин, метионин), белков, растительных эфирных масел и алкалоидов. При разложении отмирающих растений и животных органически связанная сера минерализуется, превращаясь в сероводород.

В природе сера находится в составе как органических, так и неорганических соединений. В неорганических соединениях сера присутствует в окисленной форме (сульфаты, сульфиты) и в восстановленной форме (сероводород, сульфиды). Помимо этого, в при­роде имеются запасы молекулярной серы. Основными серосодержащими органическими соединениями являются аминокислоты, белки, тиомочевина и некоторые алкалоиды.

Остатки растений, животных и микроорганизмов являются богатым источником веществ, содержащих серу. Подсчитано, что в органической фракции почвы содержится от 50% до 70 % запасов серы.

Цикл трансформации соединений серы (рис. 30) включает окис­лительные и восстановительные звенья, основную роль в которых играют микроорганизмы. Среди них наиболее активны бактерии родов Proteus, Bacillus, Arthrobacter и плесневые грибы. В аэроб­ных условиях процесс разложения органических веществ сопровож­дается образованием сероводорода, сульфатов и молекулярной серы. В анаэробных условиях белки и аминокислоты разлагаются с об­разованием сероводорода и летучих соединений типа меркаптанов.

Рис. 30. Круговорот серы в природе

В процессе минерализации органических соединений серы часть серы усваивается и фиксируется самой микробной клеткой. Этот процесс получил название иммобилизации. Окисление сероводорода, молекулярной серы и других недоокисленных соедине­ний серы получило название сульфофикации. Этот процесс ведут специфические группы автотрофных микроорганизмов; в аэробных условиях серные и тионовые бактерии, а в анаэробных условиях -фотосинтезирующие серные пурпурные и зеленые бактерии.

Процесс восстановления сульфатов и сульфитов до сероводорода осуществляется микроорганизмами в анаэробных условиях и носит название десульфофикации. В природе десульфофикация осо­бенно широко распространена в затопляемых почвах, торфяных болотах, лиманах, морях и пластовых водах.

Помимо биологического цикла соединений серы, в атмосфере происходит трансформация серосодержащих газов от предприятий, работающих на нефти, мазуте и высокосернистых углях, от автотранспорта. Окисление сернистого газа в атмосфере сопровожда­ется образованием серной кислоты, которая с осадками выпадает на почву, вызывая сильное закисление и гибель растительности.