Гумусоутворення та гуміфікація

Поняття гумусоутворення та гуміфікація слід розрізняти.

Гумусоутворення - це вся сукупність процесів трансформації органічних решток у ґрунті.

Схема гумусоутворення включає процеси розкладу органічних решток, мікробний синтез, гуміфікацію, взаємодію продуктів гуміфікації з мінеральною частиною ґрунту, а також повну мінералізацію та включення мінеральних компонентів в біокругообіг.

Гуміфікація - елемент гумусоутворення, складний біофізико-хімічний процес трансформації проміжних високомолекулярних продуктів розкладу органічних решток в особливий клас органічних сполук - гумусові кислоти.

Гуміфікація - синтез гумусових речовин із уламків біологічних макромолекул, або їх мономерів, що утворюються в ґрунті завдяки метаболізму його живого населення та діяльності екзоферментів.

Гумус утворюється при окисленні та конденсації продуктів розкладу білків, насамперед ароматичних амінокислот із сполуками типу фенолів та хінонів, що в свою чергу утворюються при розщепленні лігніну та дубильних речовин.

Агенти гуміфікації - кисень повітря, аміак, оксидази мікроорганізмів.

Початковий етап гуміфікації - це біохімічне окислювальне кислотоутворення, матеріалом для якого служать високомолекулярні продукти розкладу.

Утворюється система високо-молекулярних органічних кислот, які при взаємодії з азотистими сполуками утворюють систему азотовмістких гумусових кислот. Ароматизація молекул цих кислот відбувається не за рахунок конденсації, а внаслідок часткового відщеплення найменш стійких ділянок макромолекули. Підсилення ароматизації пов'язане зі зменшенням молекулярної маси.

Система гумусових кислот взаємодіє із зольними елементами рослинних решток, що виділяються при мінералізації, утворюючи низку органо-мінеральних похідних.

При цьому єдина система поступово розщеплюється на кілька фракцій, різних за розчинністю, деталями будови молекули.

Менш дисперсна частина, що утворює нерозчинні у воді солі з кальцієм, оксидами та гідрооксидами заліза і алюмінію, формується як група гумінових кислот.

Більш дисперсна фракція, що дає більш розчинні солі - це фракція фульвокислот.

У ґрунтах підвищеного зволоження завжди утворюються більше фульвокислот через інтенсивне гідролітичне розщеплення всієї системи гумусових кислот.

На думку Д.С.Орлова, гуміфікація може відбуватися як шляхом конденсації, так і біохімічного окислення.

В грунтах чорноземного типу з підвищеною біологічною активністю переважає конденсація з глибоким розкладом вихідних органічних решток.

В підзолистих, дерново-підзолистих ґрунтах зі значною біологічною активністю не відбувається глибокого розкладу органічних решток. Крупні фрагменти лігніну, білків, полісахаридів, пігментів шляхом карбоксилювання поступово трансформується в гумусові речовини.

Дослідження з використанням мічених атомів вуглецю в рослинних рештках показали механізм фрагментарного оновлення гумусу поряд з утворенням нових молекул специфічних сполук.

Фрагментарне оновлення зумовлене конденсацією. Периферійна частина оновлюється значно швидше, ніж карбонізоване ядро. Периферійні фрагменти значно молодші від ядерних.

За Дюшофуром, процес гуміфікації має дві фази.

Перша з них - біологічна, відносно коротка, в якій панують мікроорганізми та їх ензими. Ця фаза завершується утворенням «молодого гумусу», слабко зв'язаного з мінеральною частиною ґрунту.

Друга фаза - фаза визрівання - кліматична, більш тривала, зумовлена сезонними контрастами клімату. Фаза завершується формуванням зрілого гумусу, міцно зв'язаного з мінеральною частиною ґрунту.

На думку Дюшофура, лише карбонати та вторинні мінерали здатні стабілізувати гумус, а клімат (особливо в сухий період) підсилює полімеризацію, що обумовлена процесом дегідратації.

Гумусові речовини активно взаємодіють з мінеральною частиною ґрунту. Виділяють три групи їх органо-мінеральних сполук.

Першу групу складають солі гумусових кислот з катіонами лужних та лужноземельних металів.

Утворюються гумати чи фульвати кальцію, магнію та інших металів. В утворенні цих гуматів беруть участь зольні елементи рослин після їх розкладу, прості солі, що є в ґрунтовому розчині, ввібрані катіони дифузного шару колоїдів ґрунту, основи, що входять до складу кристалічних ґраток первинних чи вторинних мінералів.

Гумати кальцію - особливо цінний компонент цієї групи.

Другу групу утворюють комплексні гетерополярні солі, що виникають при взаємодії гумусових кислот з полівалентними металами (Fe, Al, Cu, Zn, Ni). Метали в комплексних солях входять до складу комплексного іону і не здатні до обмінних реакцій на інші.

Третю групу складають адсорбційні органо-мінеральні сполуки. Серед них поширені:

1. Алюмо-залізогумусові сорбційні комплекси: гумусові кислоти сорбуються гелями напівтораоксидів (R₂0₃), що утворюють згустки, плівки та конкреції в ґрунтах. Буває й навпаки: гелі гумінових кислот адсорбують на своїй поверхні золі напівтораоксидів.

2. Глинисто-гумусові комплекси утворюються не через валентність, а в процесі склеювання (адгезії) компонентів за рахунок між молекулярних сил. Це склеювання супроводжується дегідратацією.

Питання про проникнення гумусових кислот в міжпакетні простори глинистих мінералів залишається дискусійним. Утворення органомінеральних сполук може супроводжуватися їх міграцією в профілі ґрунту або акумуляцією на місці утворення. Гумати лужних металів добре розчинні у воді і легко пересуваються по профілю, як це видно з будови солонців. Гумати кальцію дуже мало розчинні. їх багато в чорноземах. Гумати магнію трохи більш рухомі. Всі фульвати розчинні і рухомі.

В наш час уже одержано чимало даних про будову гумусових кислот, але цих даних ще недостатньо для побудови їх структурної формули. Гумусові кислоти належать до класу речовин, що мають високий вміст вуглецю і які об'єднуються спільною назвою карбонізованих.

Принципово загальний тип будови цих речовин являє плоску атомну сітку циклічно полімеризованого вуглецю з бічними радикалами у вигляді лінійних вуглецевих ланцюгів.

Характерною особливістю гумусових кислот є полідисперсність та гетерогенність деталей їх будови. Міцели гумусу мають округлу форму. їх відокремлене існування можливе в дуже лужному середовищі (рН=11-12), нри більш низьких рН вони асоційовані в агрегати, що мають форму виноградного грона.

Як показали дослідження І.В.Тюріна, М.М.Кононової, Л.М.Александрової, Д.С.Орлова та ін., гумусові кислоти - особливий клас органічних сполук непостійного складу. Як гумінові, так і фульвокислоти зберігають загальний принцип будови. Але наразі існує лише ймовірна схема цієї будови. Ядро молекули гумусової кислоти складається з бензолполікарбонових кислот, ароматичних та гетероциклічних кілець типу бензолу, фурану, піридину, індолу та ін. Ці ароматичні компоненти з'єднуються безпосередньо через вуглець (- С-С -, - С=С -) або через містки (- О -, - N -, - СН₂ -), або конденсовані, утворюючи сітку.

Ступінь ущільненості ароматичних компонентів наростає в процесі гуміфікації і по мірі зрілості ГК*, що веде до зменшення їх рухомості. Периферійну частину молекули ГК складають ланцюги бічних радикалів, як правило неароматичної будови, до складу яких входять вуглеводні, амінокислотні та вуглеводні компоненти. Губчастість будови молекули ГК обумовлює її здатність до набухання та адсорбції. Ядро має гідрофобні властивості, а периферичні ланцюги - гідрофільні.

Важливою частиною молекули є функціональні групи: карбоксильні, фенол-гідроксильні, метоксильні, карбонільні, амідні. Кислотні властивості, ємність вбирання, здатність до утворення органо-мінеральних похідних обумовлені наявністю цих груп.

Ємність вбирання зростає в умовах лужного середовища за рахунок іонів водню фенольних гідроксилів. Ароматичні і гетероциклічні компоненти ГК складають 50-60%, вуглеводні компоненти - 25-30, функціональні групи - 10-25%. Атомне відношення Н:С = 0,5 ± 1,3, а атомне відношення C:N = 14 ± 19.

Таким чином гумус ґрунту - це складний динамічний азотовмісний комплекс органічних сполук, що утворюється при розкладі та гуміфікації органічних решток і вступає в тісну взаємодію з мінеральною частиною ґрунту.