Превращения других элементов

Цель лекции:роль марганца, алюминия и других важных элементов в биосфере, превращения этих элементов в почве и микроорганизмы, участвующие в окислительно-восстановительных процессах марганца, алюминия, молибдена, кобальта, меди, бор, мышьяк, цинка

Ключевые слова:значениемарганца, алюминия, молибдена, кобальта, меди, бор, мышьяк, цинка, питание растений, недостаток в растениях элементов, микроорганизмы, бактерии,

Вопросы:

1. Значение марганца, алюминия и других элементов в биосфере

2. Превращение марганца

3. Превращение алюминия

4. Превращение других элементов (молибдена, кобальта, меди, бор, мышьяк, цинка)

1 Значение марганца, алюминия и других элементов в биосфере Марганец относится к группе необходимых для жизни микро­элементов. Его содержание в литосфере 0,1%, но в почве относи­тельное накопление марганца выражено сильнее, чем железа, что связано с его концентрированием растениями. В изверженных породах марганец находится в рассеянном состоянии в форме Мn²⁺, на земной поверхности он легко окисляется. Марганец, как и железо, разновалентный элемент. Встречаются соединения с 2, 3, 4, 6 и 7, редко с 1 и 5 валентностями. Различные формы марганца обладают разными свойствами и подвижностью. В 3- и 4-валентном состоянии марганец входит в состав железомарган­цевых конкреций в почве. В биосфере марганец энергично миг­рирует в восстановительных и малоподвижен в окислительных условиях. Наиболее подвижен он в кислых почвах тундры и лес­ных ландшафтов, где содержание его местами превышает необ­ходимые для растений дозы и вызывает токсический эффект. В сухих степях и пустынях в условиях нейтральной или слабоще­лочной среды соли марганца чрезвычайно устойчивы и недоступ­ны растениям.

В состав растений и животных марганец входит в очень малых количествах. К аккумуляции марганца способны ржавчинные грибы, некоторые диатомовые водоросли и бактерии, из живот­ных — рыжие лесные муравьи. В живых организмах марганец выполняет функцию активатора некоторых ферментов, участву­ющих в дыхательном цикле, фотосинтезе и биосинтезе нуклеи­новых кислот. При его недостатке у растений наблюдается угне­тение роста, появление признаков некроза и хлороза.

Особенно тесно связана реакция среды с подвижными формами в почве алюминия и марганца. Чем кислее почва, тем больше в ней подвижных алюминия и марганца, которые отрицательно влияют на рост и развитие растений. Вред от алюминия в подвижной его форме по своим размерам часто превосходит вред, вызываемый непосредственно актуальной кислотностью, ионами водорода. Алюминий нарушает у растений процессы закладывания генеративных органов, оплодотворения и налива зерна, а также обмена веществ. В растениях, выращенных на почвах с большим содержанием подвижного алюминия, часто уменьшается содержание сахаров, тормозится превращение моносахаров в сахарозу и более сложные органические соединения, резко увеличивается содержание небелкового азота и самих белков. Подвижный алюминий задерживает образование фосфотидов, нуклеопротеидов и хлорофилла. Он связывает в почве фосфор, отрицательно влияет на жизнедеятельность полезных для растений микроорганизмов.

Растения обладают разной чувствительностью к содержанию в почве подвижного алюминия. Одни без вреда переносят относительно высокие концентрации этого элемента, а другие при тех же концентрациях погибают. Высокой стойкостью к подвижному алюминию обладают овес, тимофеевка, средней — кукуруза, люпин, просо, чумиза, повышенной чувствительностью характеризуются яровая пшеница, ячмень, горох, лен, турнепс и наиболее чувствительны — свекла сахарная и кормовая, клевер, люцерна, озимая пшеница.

Количество подвижного алюминия в почве находится в большой зависимости от степени ее окультуренности и от состава применяемых удобрений. Систематическое известкование почв, применение органических удобрений приводят к уменьшению и даже полному исчезновению подвижного алюминия в почвах. Высокий уровень обеспеченности растений фосфором и кальцием в первые 10—15 дней, когда растения наиболее чувствительны к алюминию, существенно ослабляет его отрицательное действие. В этом, в частности, заключается одна из причин высокого эффекта рядкового внесения суперфосфата и извести на кислых почвах.

Алюминий в растениях может содержаться в значительных количествах: на его долю в золе некоторых растений приходится до 70 %. Алюминий нарушает обмен веществ в растениях, затрудняет синтез Сахаров, белков, фосфатидов, нуклеопротеидов и других веществ, что отрицательно сказывается на урожайности растений. Наиболее чувствительными культурами к наличию подвижного алюминия в почве (1 - 2 мг на 100 г почвы) являются сахарная свекла, люцерна, клевер красный, озимая и яровая вики, озимая пшеница, ячмень, горчица, капуста, морковь.

Помимо упомянутых макро - и микроэлементов в растениях содержится ряд элементов в ничтожно малых количествах (от 108 до 10 - 12 %), называемых ультрамикроэлементами. К ним относятся цезий, кадмий, селен, серебро, рубидий и др. Роль этих элементов в растениях не изучена.

2 Превращение марганцаМарганец накапливается в почве в окисленной форме. Гипо­теза биогенного происхождения отложений окисных соединений марганца принадлежит В.И. Вернадскому. Биологическое окис­ление оптимально протекает в пределах pH 6,5-7,3. Энергии окис­ления марганца недостаточно для образования АТФ, поэтому бактерий, аналогичных железоокисляющим хемолитоавтотрофам, в природе нет, хотя известны микроорганизмы, способные к ак­кумуляции и отложению марганца.

Как и в случае превращений железа, в основе окисления и накопления марганца микроорганизмами можно проследить разные механизмы. Мобилизация марганца из устойчивых при­родных соединений — минералов почвообразующих пород (на­пример, пиролюзита Мп0₂) — происходит за счет разрушения последних с включением механизмов, описанных для процессов превращения калия. При микробиологическом окислении двух­валентный растворимый марганец переходит в нерастворимую четырехвалентную форму. Марганец окисляют многие неспеци­фические микроорганизмы из разных таксономических групп бактерий и грибов, при этом процесс осуществляется часто од­новременно двумя организмами. Наиболее известна ассоциация грибов с микоплазмой Metallogenium. Грибными компонентами выступают представители многих родов — Coniothyrium, Fusarium, Altemaria, Cephalosporium.

Характер взаимоотношений симбионтов в этой ассоциации не до конца выяснен, но в основе, вероятно, лежит способность Metallogenium разлагать Н₂0₂, защищая тем самым грибы, не об­разующие каталазы, от токсического действия перекиси. Осаж­дение марганца в этом случае — побочный процесс, сопряжен­ный с удалением Н₂0₂. Metallogenium получает от грибного компонента необходимые для гетеротрофного метаболизма орга­нические вещества. На агаризованных питательных средах, со­держащих марганец, колонии ассоциированных микроорганиз­мов развиваются в виде хорошо заметных по отложениям окиси марганца черных зерен. В природе такие ассоциации широко представлены в почвах подзолистого ряда, для которых они служат индикаторами на подзолообразование. Бинарные культуры Metallogenium образует не только с мицелиальными грибами, но и с дрожжами, а также с прокариотами.

Среди гетеротрофных марганецокисляющих микроорганизмов известны те же виды, которые участвуют в окислении железа. Это почвенные коринеподобные бактерии Arthrobacter и Rhodococcus, олиготрофные Hyphomicrobium и Pedomicrobium, стебельковые бактерии рода Seliberia.

Многие почвенные грибы, бактерии и актиномицеты способ­ны не только окислять неорганические соли марганца, но также могут освобождать и окислять марганец из металлоорганических соединений. Бактерии проводят окисление марганца, как прави­ло, в условиях нейтральной среды, грибы окисляют марганец в зоне кислых значений pH.

Окисление железа и марганца активно протекает в ризосфере риса. В результате активности ризосферных микроорганизмов на корнях риса образуются ризоконкреции, содержащие Fe и Мп.

Итак, марганецокисляющие микроорганизмы распростране­ны в почвах в широком диапазоне условий, проявляя активную деятельность в качестве специфических катализаторов окисле­ния марганца и его концентраторов.

В восстановительных условиях (например, в почвах рисовых полей) облигатные и факультативно анаэробные бактерии родов Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum участвуют в мобилизации марганца путем его восстановления и в иммобилизации в ре­зультате поглощения из растворимых форм. Восстановление мар­ганца — неспецифическая реакция, которую могут проводить многие бактерии-полиредуктанты.

3 Превращения алюминияАлюминий — один из наиболее распространенных элементов. По содержанию в земной коре он занимает третье место после кислорода и кремния, а из металлов — первое. В почве алюми­ний находится в составе первичных и вторичных минералов, гид­роокиси и солей, в форме различных алюмоорганических соеди­нений. В зависимости от физико-химических условий среды и формы соединений алюминий по-разному мигрирует и аккуму­лируется в почвах.

Соединения алюминия малоподвижны в слабощелочной и нейтральной средах и приобретают подвижность в кислых. На­пример, в почвах гумидных областей с низкими значениями pH алюминий образует растворимые органоминеральные комплек­сы с фульвокислотами и активно мигрирует по почвенному про­филю. Интервал pH, в котором фульваты алюминия подвижны, меньше, чем у фульватов Fe. Повышение pH и разложение алюмоорганических комплексов приводят к осаждению алюминия. Биогенные процессы преобразования его исследованы слабо. Участие микроорганизмов прямое или косвенное в цикле пре­вращения алюминия в почвах можно рассмотреть на следую­щих примерах: 1) мобилизации алюминия из первич­ных и вторичных минералов, 2) разложения (минерализации) алюмоорганических соединений, 3)аккумуляции гидроокиси алюминия.

Минералы почвообразующей породы — это первоисточник всех содержащихся в почве форм алюминия. Освобождение алюми­ния из первичных и вторичных минералов может происходить в результате выноса остальных, более подвижных в соответствую­щих условиях химических элементов.

При выветривании алюмосиликатов полуторные окислы алю­миния (глинозем) и железа в зависимости от физико-химичес­кого режима почв или выносятся из определенных почвенных горизонтов, или, наоборот, закрепляются в них. В первом случае это приводит к подзолообразованию, которое сопровождается на­коплением остаточного кремнезема, а во втором — к латерито- образованию. Возможность биогенного образования минералов окиси алюминия и в связи с этим — залежей алюминиевых руд (бокситов) не исключена, хотя этот вопрос решается неодно­значно. Т. В. Аристовская выдвинула гипотезу, что возникнове­ние залежей бокситов во многих случаях может быть не непос­редственным результатом разрушения алюмосиликатов, а следствием минерализации соответствующих металлоорганичес­ких комплексов.

Один из важных механизмов мобилизации алюминия из кри­сталлических решеток алюмосиликатов — хелатизация. В этом процессе участвуют, с одной стороны, продукты микробного син­теза и микробного разложения растительных остатков, с другой — специфические органические вещества почвы — гумусовые кис­лоты. Образующиеся алюмоорганические соединения широко распространены в почвах. Например, комплексы алюминия с фульвокислотами в значительных количествах закрепляются и накапливаются в иллювиальных горизонтах подзолистых почв.

Алюмоорганические соединения не только образуются в са­мой почве, но и поступают в нее с растительными остатками в виде комплексов алюминия с органическими кислотами, амино­кислотами и белками. Далее в зависимости от экологических ус­ловий алюмоорганические соединения в почве претерпевают раз­личные превращения: выносятся за пределы почвенного профиля, минерализуются, закрепляются в составе гумусовых веществ. Первые два процесса характерны для почв влажных субтропи­ков, третий — для почв подзолистой зоны.

Процессы минерализации алюмоорганических комплексных соединений связаны с жизнедеятельностью почвенных микроор­ганизмов. Экспериментальных работ в этой области пока очень мало. В разложении этих веществ участвуют грибы в комплексе с организмами группы микоплазм — Metallogenium. В присутствии органоминеральных соединений алюминия гифы грибов Penicilium sp. в симбиозе с Metallogenium покрываются отложениями гидроокисей алюминия. Микроорганизмы типа Metallogenium могут участвовать в накоплении алюминия, а также железа и марганца (см. выше) в почвенном профиле.

5 Превращение другие элементы (молибдена, кобальта, меди, бор, мышьяк, цинка, никель) Почвенные микроорганизмы участвуют в превращениях всех без исключения элементов, которые имеются в земной коре. Прак­тически нет ни одного элемента, который тем или иным путем не подвергался бы воздействию микроорганизмов или их метаболи­тов. Одни элементы вовлекаются в биологический круговорот, входя в состав органических веществ в процессе ассимиляции, другие окисляются, восстанавливаются или аккумулируются, третьи осаж­даются или растворяются, извлекаются из минералов, подверга­ются миграции, включаются в комплексы и т.д.

Очень важны превращения, связанные с микроэлементами, которые необходимы всем организмам в очень малых дозах, но при этом роль их необычайно велика, так как они входят в со­став ферментов и определяют их активность. Такова, например, роль молибдена, входящего в активный центр ферментов азотно­го цикла — нитрогеназы и нитратредуктазы, кобальта, ответствен­ного за функции витамина В₁₂, меди, входящей в простетическую группу ферментов — оксидаз.

Известен ряд микроэлементов, которые не входят непосредст­венно в молекулы ферментов, но косвенно влияют на их актив­ность и направление обмена веществ. К таковым относятся бор, мышьяк и др.

Мышьяк входит в состав всех живых клеток в микроколичест­вах. Его превращения в почве связаны с деятельностью микроор­ганизмов. Содержание мышьяка в почвах обычно невысокое — от 0,001 до 0,0001%. Оно наиболее значительно в черноземах и органогенных горизонтах почв лесной зоны. Количество мышья­ка очень сильно увеличивается за счет техногенных процессов. В его превращениях, аккумуляции и миграции участвуют грибы и бактерии. Окисление арсенита в арсенат — процесс биологиче­ский, о чем свидетельствует угнетение его азидом натрия, подав­ляющим дыхание. Среди бактерий, обусловливающих процесс окисления арсенитов, были описаны неспоровые грамотрицатель­ные палочки. Некоторые микроорганизмы ответственны за уда­ление мышьяка из почвы путем образования его газообразных соединений. Часть мышьяка фиксируется (иммобилизуется) клет­ками микроорганизмов за счет включения в обменные внутри­клеточные реакции.

В основном бор в почвах входит в состав органических соеди­нений, из которых он освобождается микроорганизмами. Роль бора проявляется в образовании и функционировании клубень­ков бобовых растений, так как он участвует в развитии сосудис­той системы растений. Бор влияет на азотфиксацию клубенько­вых бактерий, азотобактера и цианобактерий, а также стимулирует развитие многих бактерий и грибов. При малом содержании бора в почве или в условиях, затрудняющих его выведение из органи­ческих соединений, микроорганизмы выступают как конкурен­ты высших растений в отношении этого элемента, прочно удер­живая его в своих клетках.

Для многих элементов известны только отдельные звенья превращений, связанных с деятельностью почвенных микро­организмов.

Микроорганизмы способны к аккумуляции в своих клетках элементов, содержащихся в почвах в микроколичествах.

Методами радиоавтографии показано, что микробные клетки накапливают естественные радиоактивные элементы, такие как уран, торий, радий. На пленке после периода экспонирования микробных колоний, выращенных в присутствии указанных эле­ментов, подсчитывают число треков— следов радиоактивного распада элементов, аккумулированных микроорганизмами.

Живые клетки микроорганизмов разных таксономических групп оказались способными аккумулировать коллоидное золо­то. В этом процессе главную роль играют аминокислоты — про­дукты микробного метаболизма.

Тионовая бактерия Thiobacillus ferrooxidans вызывает как пря­мое окисление сульфидов, так и косвенно влияет на миграцию меди, цинка, никеля и др.

Известна роль микроорганизмов в процессах фракциониро­вания стабильных изотопов некоторых элементов: углерода, азо­та, серы, селена, лития. Примером может служить деятельность бактерий, участвующих в превращениях серы. Первичная сера Земли представлена сульфидами. Изотопный состав серы в гор­ных породах подвержен значительным колебаниям. За стандарт изотопного состава серы принимается сера метеоритов. Откло­нения в соотношении легких (32S) и тяжелых (33S, 34S, 36S) изото­пов серы — результат последующего разделения атомов разной массы. Появление кислорода в газовой оболочке Земли привело к образованию сульфатов. При их восстановлении биологиче­ским путем за счет активности сульфатредуцирующих бактерий происходит фракционирование изотопов серы: в H2S они пере­водят атомы легкой серы (32S), а в остаточном сульфате накапли­вается избыток тяжелого изотопа 34S. Таким образом, изотопный состав серы океанических сульфатов утяжелен на несколько про­центов по сравнению с серой метеоритов, а сульфидные место­рождения обогащены легким изотопом серы. По возрасту био­генных отложений серных руд определяют время появления кислорода на Земле, так как оно примерно совпадает с началом сульфатредукции.

В естественных биогеохимических провинциях, где почва обо­гащена молибденом, медью, ванадием, свинцом, бором, марган­цем, почвенные микроорганизмы проявляют повышенную ус­тойчивость и способность к аккумуляции этих элементов по сравнению с обедненными провинциями, что связано с адапта­ционными явлениями в отношении этих геохимических факто­ров среды.

Превращения веществ путем извлечения элементов из мине­ралов и включения в новообразованные минералы рассматрива­ются ниже.

Контрольные вопросы:

1. Значение марганца и алюминия в биосфере?

2. Какое значение имеет микроэлементы в питании растений?

3. Какие микроорганизмы разлагают эти элементы и их соединения?

4. Микроудобрения и их значение?

5.Превращение в почве марганца, алюминия, бора, меди, кобальта?

Литература:

1. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2005.

2. Звягинцев Д.Г. Микроорганизмы и почва. М.: МГУ, 1987.

3. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. М.: МГУ, 1989. с.336.

4. Мирчинк Т.Г.Почвенная микология .-М.: Изд. МГУ,1986.

5. Емцов В. Т.Микробы, почва, урожай. – М.: Изд. Колос,1980.

6. Почвенная микробиология./ Под ред. Д.И. Никитина /- М.: Изд. Колос,1979

Лекция 16