Превращения калия. Превращения железа

ПРЕВРАЩЕНИЯ КАЛИЯ

Калий — один из важнейших элементов, необходимых для растений. Он участвует в обменных процессах при синтезе аминокислот и белков, в реакциях фотосинтеза. Калий в значительной степени регулирует использование растениями азота. Между тем он относится к элементам, содержание которых в доступной форме в почве ниже потребности в них растений, и поэтому необходимо внесение калия в составе минеральных удобрений NPK

Усваиваемый калий составляет всего 1—2% от его общего количества в почве. Основной запас калия находится в минералах и в составе органоминеральных комплексов. Первичные минералы, содержащие калий, это слюды (биотит и мусковит) и полевые шпаты (ортоклазы и микроклины). Калий входит и во вторичные минералы: каолин, монтмориллонит, вермикулит. Освобождение калия из минералов происходит в процессе биологического выветривания. Процессы разложения минералов при взаимодействии с почвенными микроорганизмами и их метаболитами постоянно идут во всех почвах. В основе этих взаимодействий лежат разные механизмы: растворение сильными минеральными кислотами, образующимися при нитрификации, при окислении серы тионовыми бактериями; воздействие органических кислот — продуктов брожений и неполных окислении углеводов грибами; взаимодействие с внеклеточными аминокислотами, которые выделяются в среду многими почвенными микроорганизмами. С минералами взаимодействуют и продукты разложения микроорганизмами растительных остатков — полифенолы, таннины, полиурониды, флавоноиды, а также продукты микробного биосинтеза, например полисахариды. Некоторые из этих веществ действуют в растворе (кислоты), другие in situ на поверхности минералов (кислые гетерополисахариды). В опытах Н. Н. Сушкиной и И. П. Цурюпа с микроклином (8, 7% К), биотитом (8, 28% К) и бентонитом (1, 89% К) в раствор вносили почвенные бактерии и через 100 дней обнаруживали освобождение из минералов более 50% калия. Рентгеноструктурный анализ подтвердил изменение крупных и мелких частиц алюмосиликатов под действием бактерий. Особенно активны в разрушении алюмосиликатов слизистые бактерии, выделяющие большое количество кислых полисахаридов. Среди них постоянно обнаруживается споровая палочка Bacillus circulans. Из неспоровых в превращении минералов участвуют представители рода Arthrobacter. В общем же это процессы неспецифические в которых участвуют разнообразные почвенные микроорганизмы.

ПРЕВРАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗА

Железо относится к элементам с переменной валентностью, и это обусловливает его разную подвижность в восстановительных и окислительных условиях. В первом случае оно активно мигрирует, во втором — инертно. Таким образом, основную роль в миграции железа в почве играет окислительно-восстановительная обстановка. В виде железоорганических соединений железо мигрирует легко, в виде FeS0₄ — слабо, а трехвалентное железо подвержено коллоидной миграции. Железо в почве содержится в следующих формах: в составе минералов (биотит, амфибол, пироксен); окисное нерастворимое (лимонит, гетит); растворимое — FеСОз (вивианит); псевдорастворимое — железо-гумусовые комплексы. В дерново-подзолистых почвах иллювиальные горизонты содержат 4—7% железа, а в красноземе его запас составляет 8-17%.

Участие микроорганизмов в превращениях железа в почве может быть прямым и косвенным. Рассмотрим несколько примеров.

1. Окисление железа в кислой среде происходит с участием специфических железобактерий, например Thiobacillus ferrooxidans. Процесс окисления Fe²⁺- Fe³⁺ идет за счет кислорода воздуха и с образованием энергии, которая используется в форме АТФ для фиксации: СО₂ по типу хемосинтеза. Истинные железобактерии — хемолитоавтотрофы.

2. Окисление железа в нейтральной среде (в почвах гумидной зоны) - процесс побочный для осуществляющих его микроорганизмов и идет без использования ими энергии этого окисления. Как показала Г. А. Дубинина, он проводится микробами-гетеротрофами, которые удаляют этим путем образующуюся в их метаболических процессах перекись водорода. Эта функция у них проявляется только в специфических экологических условиях. К этой группе микроорганизмов относятся представители самых разных групп прокариот. Из них в почве распространены микоплазмы и представители рода Arthrobacter, а в воде — нитчатые, скользящие и цианобактерии.

Микоплазмы (класс Mollicutes) —сапрофиты, но в олиготрофных условиях способны паразитировать на других прокариотах или эукариотных организмах, например на грибах. Они окисляют железо и марганец, откладывая окислы на поверхности. Это мелкие полиморфные клетки, прорастающие нитями. К ним относятся Metallogenium symbioticum и Gallionella ferruginea.

Артробактерии — типичные почвенные бактерии со сложным циклом развития. К ним относятся многие бактерии, образующие отложения железа, которые были по-разному описаны на основании морфологических наблюдений их развития на стеклах обрастания или педоскопах: Siderocapsa, Siderobacter, Sideronema, Naumaniella, Ferribacterium.

3. Разложение железогумусовых комплексов в почве производят гетеротрофные микроорганизмы, осаждающие железо в виде конкреций и прослоек. Наиболее типичный для этого процесса организм - почвенная бактерия Seliberia stellata, описанная Т. В. Аристовской. Морфологически — это стебельковая бактерия, у которой стебельки закручены спирально, а отдельные клетки собираются в розетки.

4. Мобилизация железа из почвенных минералов происходит; за счет тех же механизмов, которые приводят к освобождению калия, т. е. благодаря образованию микроорганизмами слизей, фенольных соединений, щелочей. При этом образуются комплексные соединения, в которых железо мигрирует и аккумулируется в определенных горизонтах почв.

5. Восстановление железа при сопряженном окислении органического вещества или водорода происходит в анаэробных условиях с участием гетеротрофных микроорганизмов-полифагов (Bacillus или Clostridium) или анаэробных водородных бактерий из Pseudomonas, у которых Fe³⁺ - выступает в качестве акцептора электрона и может быть заменен молекулярным кислородом в аэробных условиях, или кислородом нитратов — в анаэробных. Восстановленное железо образует нерастворимый минерал — вивианит.

Таким образом, в превращениях железа в почве участвуют в основном микроорганизмы с неспецифическими функциями. Истинные железобактерии — группа облигатно-ацидофильных автотрофных бактерий, участвующие также и в превращениях серы.