Federalna Agencja Edukacji

Państwowa instytucja edukacyjna

Nowogrodzki Uniwersytet Państwowy nazwany imieniem. Jarosław Mądry

Wydział Nauki i Zasobów Naturalnych

Katedra Chemii i Ekologii

tworzenie i zużycie materii organicznej przez rośliny

Zbiór wytycznych

Wielki Nowogród

Tworzenie i zużycie substancji organicznych przez rośliny: Zbiór wytycznych dotyczących pracy laboratoryjnej / Oprac. Kuzmina I. A. - NovSU, Nowogród Wielki, 2007. - 12 s.

Wytyczne przeznaczone są dla studentów specjalności 020801.65 - „Ekologia” oraz wszystkich studentów studiujących na kierunku „Ekologia ogólna”.

Wstęp

Do powstania materii organicznej – podstawy biomasy roślinnej na Ziemi – potrzebny jest atmosferyczny dwutlenek węgla i woda, a także minerały glebowe. Wykorzystując światło o określonej długości fali, dwutlenek węgla wiąże się w roślinach podczas fotosyntezy. W rezultacie do atmosfery uwalniany jest tlen, który powstaje podczas fotolizy wody. Jest to pierwszy etap biochemicznego cyklu węgla.

Ilość energii zmagazynowanej na Ziemi w procesie fotosyntezy jest ogromna. Każdego roku w wyniku fotosyntezy przez rośliny zielone powstaje 100 miliardów ton substancji organicznych, które zawierają około 450-1015 kcal energii słonecznej zamienionej na energię wiązań chemicznych. Procesom tym towarzyszą zjawiska o tak wielkiej skali, jak asymilacja przez rośliny około 170 miliardów ton dwutlenku węgla, fotochemiczny rozkład około 130 miliardów ton wody, z czego uwalnia się 115 miliardów ton wolnego tlenu.

Tlen jest podstawą życia wszystkich istot żywych, które wykorzystują go do utleniania różnych związków organicznych w procesie oddychania; wyróżnia się CO2. Jest to drugi etap biochemicznego cyklu węgla, związany z funkcją dwutlenku węgla w organizmach żywych. W tym przypadku uwalnianie tlenu w pierwszym etapie jest w przybliżeniu o rząd wielkości większe niż jego absorpcja w drugim etapie, w wyniku czego podczas funkcjonowania roślin zielonych tlen gromadzi się w atmosferze.

Energia związana przez autotrofy w procesie fotosyntezy jest następnie wydawana na żywotną aktywność różnych heterotrofów, w tym ludzi, częściowo zamieniając się w energię cieplną i magazynowana w szeregu składników tworzących biosferę (rośliny i gleba). W biomach lądowych węgiel podczas fotosyntezy jest najsilniej sekwestrowany przez lasy (-11 miliardów ton rocznie), następnie grunty orne (-4 miliardy ton), stepy (-1,1 miliarda ton), pustynie (-0,2 miliarda ton). Ale przede wszystkim węgiel jest wiązany przez Ocean Światowy, który zajmuje około 70% powierzchni Ziemi (127 miliardów ton rocznie).

Powstałe substancje organiczne autotrofów wchodzą do łańcuchów pokarmowych różnych heterotrofów i przechodząc przez nie ulegają przemianie, tracą masę i energię (piramidy masy, energii), ta ostatnia jest wydawana na procesy życiowe wszystkich organizmów zawartych jako ogniwa w łańcuchach pokarmowych, trafia w przestrzeń świata w postaci energii cieplnej.

Materia organiczna różnych organizmów żywych po ich śmierci staje się własnością (pokarmem) mikroorganizmów heterotroficznych. Mikroorganizmy rozkładają materię organiczną poprzez procesy odżywiania, oddychania i fermentacji. Podczas rozkładu węglowodanów powstaje dwutlenek węgla, który jest uwalniany do atmosfery z rozłożonej naziemnej materii organicznej, a także z gleby. W wyniku rozkładu białek powstaje amoniak, który częściowo przedostaje się do atmosfery i głównie poprzez proces nitryfikacji uzupełnia zapasy azotu w glebie.

Część materii organicznej nie ulega rozkładowi, ale tworzy „fundusz rezerwowy”. W czasach prehistorycznych powstawał w ten sposób węgiel, gaz, łupki, a obecnie – torf i próchnica glebowa.

Wszystkie powyższe procesy reprezentują najważniejsze etapy i fazy cykli biochemicznych (węgiel, tlen, azot, fosfor, siarka itp.). Zatem materia żywa w procesie swojego metabolizmu zapewnia stabilność istnienia biosfery o określonym składzie powietrza, wody, gleby i bez ingerencji człowieka ta homeostaza ekosystemu Ziemi zostałaby zachowana w nieskończoność.

2 Wymagania bezpieczeństwa

Doświadczenia przeprowadzane są ściśle według wytycznych metodologicznych. Podczas wykonywania pracy należy przestrzegać ogólnych przepisów bezpieczeństwa obowiązujących laboratoriów chemicznych. W przypadku kontaktu odczynników ze skórą lub odzieżą, zanieczyszczone miejsce należy szybko spłukać dużą ilością wody.

3 Część eksperymentalna

Praca nr 1. Określenie powstawania materii organicznej w liściach roślin podczas fotosyntezy (na podstawie zawartości węgla)

Fotosynteza to główny proces akumulacji materii i energii na Ziemi, w wyniku którego CO2 I H2O powstają substancje organiczne (glukoza w tym wzorze):

6СО2 + 6Н2О + energia świetlna → С6Н12О6+ 602t

Jednym ze sposobów pomiaru intensywności fotosyntezy jest określenie tworzenia się materii organicznej w roślinach na podstawie zawartości węgla, co uwzględnia metoda mokrego spalania opracowana dla gleb i zmodyfikowana dla roślin drzewiastych przez F. 3. Borodulina.

W próbce liści oznacza się zawartość węgla, następnie liście wystawia się na działanie światła na 2-3 godziny lub dłużej i ponownie oznacza się zawartość węgla. Różnica między drugim i pierwszym oznaczeniem, wyrażona na jednostkę powierzchni liścia na jednostkę czasu, wskazuje ilość utworzonej materii organicznej.

Podczas procesu spalania węgiel z liści utlenia się 0,4 N roztworem dwuchromianu potasu w kwasie siarkowym. Reakcja przebiega według następującego równania:

2K2Cr2О7 + 8H2SO4 + 3C = 2K2SO4 + 2Cr2(SO4)3 + 8H2O + 3СО2

Niezużytą ilość dwuchromianu potasu oznacza się przez ponowne miareczkowanie 0,2 N roztworem soli Mohra:

6FeSO4 ∙ (NH4)2SO4 + K2Cr2O7 + 7H2SO4 =

Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 6(NH4)2SO4 + K2SO4 + 7H2O

Jako wskaźnik stosuje się bezbarwny roztwór difenyloaminy, który po utlenieniu zmienia się w niebieskofioletowy fiolet difenylobenzydynowy. Dwuchromian potasu utlenia difenyloaminę i mieszanina nabiera czerwono-brązowego koloru. Po miareczkowaniu solą Mohra sześciowartościowy chrom redukuje się do trójwartościowego chromu. W rezultacie barwa roztworu zmienia się na niebieską, a pod koniec miareczkowania na niebiesko-fioletową. Podczas miareczkowania chromu, kolejny dodatek soli Mohra powoduje, że utleniona postać wskaźnika przekształca się w zredukowaną (bezbarwną); Pojawia się zielony kolor, który nadają roztworowi jony trójwartościowego chromu. Wyraźne przejście barwy niebieskofioletowej w zieloną utrudniają pojawiające się w trakcie reakcji jony żelaza(III). Aby koniec reakcji miareczkowania był wyraźniejszy, prowadzi się go w obecności kwasu ortofosforowego, który wiąże jony Fe3+ w bezbarwny jon kompleksowy 3 i zabezpiecza difenyloaminę przed utlenianiem.

Sprzęt, odczynniki, materiały:

1) kolby stożkowe o pojemności 250 ml; 2) żaroodporne kolby stożkowe o pojemności 100 ml; 3) małe lejki szklane stosowane jako chłodnice zwrotne; 4) biurety; 5) 0,4 N roztwór dwuchromianu potasu (w rozcieńczonym kwasie siarkowym (1:1)); 6) 0,2 N roztwór soli Mohra; 7) difenyloamina; 8) 85% kwas fosforowy; 9) wiertło czopowe lub inne urządzenie do wybijania krążków o średnicy 1 cm; 10) cylinder miarowy; 11) rośliny wegetatywne o symetrycznych szerokich i cienkich blaszkach liściowych (geranium, fuksja, liście roślin drzewiastych).

Postęp

Liść rośliny wegetatywnej dzieli się wzdłuż żyły głównej na dwie połowy i na jednym z nich za pomocą wiertła korkowego wycina się 3 krążki o średnicy 1 cm, umieszczone na dnie stożkowej żaroodpornej kolby o pojemności 100 ml, do którego wlewa się 10 ml 0,4 N roztworu K2Cr2O7. . Kolbę zamyka się małym lejkiem z dziobkiem w dół i umieszcza na kuchence elektrycznej z zamkniętą spiralą pod wyciągiem. Gdy roztwór się zagotuje, doprowadzić do delikatnego wrzenia przez 5 minut, czasami lekko potrząsając kolbą okrężnymi ruchami, tak aby krążki były dobrze pokryte płynem. Na wierzch kolby zakłada się pasek z kilku warstw grubego papieru (bez zakrywania szyi), który zapobiegnie poparzeniom dłoni podczas mieszania zawartości kolby i jej przekładania.

Następnie kolbę zdejmuje się z ognia, umieszcza na płytce ceramicznej i chłodzi. Płyn powinien mieć brązowawy kolor. Jeśli jego kolor jest zielonkawy, oznacza to niewystarczającą ilość dwuchromianu potasu pobranego do utlenienia materii organicznej. W takim przypadku oznaczanie należy powtórzyć z większą ilością odczynnika lub mniejszą liczbą cięć.

Do ochłodzonego roztworu dodaje się małymi porcjami w kilku etapach po 150 ml wody destylowanej, następnie ciecz tę stopniowo wlewa się do kolby o pojemności 250 ml, do której dodaje się 3 ml 85% kwasu ortofosforowego i 10 kropli difenyloaminy. Wstrząsnąć zawartość i miareczkować 0,2 N roztworem soli Mohra.

Jednocześnie przeprowadza się kontrolę (bez materiału roślinnego), uważnie obserwując wszystkie powyższe operacje. Sól Mohra stosunkowo szybko traci swoje miano, dlatego przed rozpoczęciem oznaczania należy okresowo sprawdzać roztwór.

Ilość węgla materii organicznej zawartej w 1 dm2 powierzchni liścia oblicza się ze wzoru:

a to ilość soli Mohra w ml zastosowana do miareczkowania roztworu kontrolnego;

b to ilość soli Mohra w ml użyta do miareczkowania roztworu doświadczalnego;

k - poprawka na miano soli Mohra;

0,6 - miligramy węgla odpowiadające 1 ml dokładnie 0,2 N roztworu soli Mohra;

S - powierzchnia sadzonek, cm2.

Schemat rejestrowania wyników

Przykład obliczenia ilości węgla:

1. Na początku eksperymentu:

a = 19 ml, b = 9 ml, k = 1, S = πr2∙3 = (3,14 ∙ 12) ∙ 3 = 9,4 cm2

Wodór" href="/text/category/vodorod/" rel="bookmark">wodór ulatnia się w postaci dwutlenku węgla, wody i tlenków azotu. Pozostała nielotna pozostałość (popiół) zawiera pierwiastki zwane popiołami. Różnica między masa całej suchej próbki oraz Pozostałość popiołu jest masą materii organicznej.

1) wagi analityczne lub precyzyjne wagi technochemiczne; 2) piec muflowy; 3) szczypce do tygli; 4) kuchenka elektryczna z zamkniętą spiralą; 5) tygle porcelanowe lub tygle wyparne; 6) igły preparacyjne; 7) eksykator; 8) alkohol; 9) woda destylowana; 10) chlorek wapnia; 11) wióry drzewne, rozdrobniona kora, liście, gleba bogata w próchnicę, wysuszone do całkowicie suchej masy.

Postęp

Suche i rozdrobnione próbki drewna, kory, liści i gleby (3-6 g i więcej), wybrane metodą średniej próbki, waży się na kalce technicznej z dokładnością do 0,01 g. Umieszcza się je w wypalonych i zważonych tyglach porcelanowych lub naczyniach do odparowywania (o średnicy 5-7 cm), wypełnionych 1% roztworem chlorku żelaza, który po podgrzaniu brązowieje i nie znika po podgrzaniu. Tygle z materią organiczną umieszcza się na nagrzanym piecu elektrycznym pod wyciągiem i podgrzewa do momentu zwęglenia i zaniku czarnego dymu. Ponadto w przypadku większej ilości materiału roślinnego można go uzupełnić z wcześniej odważonej próbki.

Następnie tygle umieszcza się w piecu muflowym w temperaturze 400-450 ° C i pali przez kolejne 20-25 minut, aż popiół zmieni kolor na szaro-biały. W wyższych temperaturach kalcynacji mogą wystąpić znaczne straty siarki, fosforu, potasu i sodu. Może również nastąpić fuzja z kwasem krzemowym, zapobiegając całkowitemu spopieleniu. W tym przypadku zatrzymuje się kalcynację, tygiel schładza się i dodaje się do niego kilka kropli gorącej wody destylowanej; wysuszyć na płycie grzejnej i kontynuować kalcynację.

Możliwe są następujące warianty barwy popiołu: czerwono-brązowy (przy dużej zawartości tlenków żelaza w próbce), zielonkawy (w obecności manganu), szaro-biały.

W przypadku braku pieca muflowego spalanie można przeprowadzić w celach edukacyjnych na kuchence elektrycznej pod trakcją. Aby wytworzyć wyższe temperatury, należy ściśle zabezpieczyć płytkę blachą żelazną w postaci boku o wysokości 5-7 cm od blachy płytki, a także przykryć ją kawałkiem azbestu na górze. Spalanie trwa 30-40 minut. Podczas spalania należy okresowo mieszać materiał igłą preparacyjną. Spalanie prowadzi się także na popiół biały.

W przypadku powolnego spalania niewielką ilość alkoholu wlewa się do ostudzonych tygli i podpala. W popiele nie powinno być zauważalnych cząstek węgla kamiennego. W przeciwnym razie próbki traktuje się 1 ml wody destylowanej, miesza i powtarza kalcynację.

Po całkowitym spaleniu tygle schładza się w eksykatorze z pokrywką i waży.

Oświadczenie" href="/text/category/vedomostmz/" rel="bookmark">oświadczenie narysowane na tablicy.

Schemat rejestrowania wyników

Praca nr 3. Określenie zużycia materii organicznej przez rośliny podczas oddychania

Każda społeczność organizmów żywych na Ziemi charakteryzuje się produktywnością i zrównoważonym rozwojem. Produktywność definiuje się w szczególności jako różnicę pomiędzy akumulacją i zużyciem materii organicznej podczas takich kardynalnych procesów, jak fotosynteza i oddychanie. W pierwszym procesie materia organiczna syntetyzowana jest z dwutlenku węgla i wody przy wydzieleniu tlenu, w drugim ulega rozkładowi w wyniku procesów oksydacyjnych zachodzących w mitochondriach komórek wraz z absorpcją tlenu. Różne rośliny różnią się znacznie pod względem powiązań między tymi procesami. Tak, j C4 rośliny (kukurydza, sorgo, trzcina cukrowa, namorzyny) charakteryzują się dużą intensywnością fotosyntezy przy niewielkim oddychaniu światłem, co zapewnia ich wysoką produktywność w porównaniu do roślin C3 rośliny (pszenica, ryż).

C3 - rośliny. To większość roślin na Ziemi, które to wykonują C3- sposób wiązania dwutlenku węgla podczas fotosyntezy, w wyniku którego powstają związki trójwęglowe (glukoza itp.). Są to głównie rośliny umiarkowanych szerokości geograficznych z optymalną temperaturą +20...+25°C, a maksymalną +35...+45°C.

C4 - rośliny. Są to te, których produkty utrwalające CO2 to czterowęglowe kwasy organiczne i aminokwasy. Dotyczy to głównie roślin tropikalnych (kukurydza, sorgo, trzcina cukrowa, namorzyny). C4- ścieżka fiksacji CO2 występuje obecnie u 943 gatunków z 18 rodzin i 196 rodzajów, w tym w wielu roślinach zbożowych występujących w umiarkowanych szerokościach geograficznych. Rośliny te charakteryzują się bardzo dużą intensywnością fotosyntezy i dobrze tolerują wysokie temperatury (optimum +35...+45°C, maksymalnie +45...+60°C). Są bardzo przystosowane do warunków gorących, efektywnie wykorzystują wodę, dobrze znoszą stres - suszę, zasolenie, charakteryzują się zwiększoną intensywnością wszelkich procesów fizjologicznych, co decyduje o ich bardzo wysokiej produktywności biologicznej i ekonomicznej.

Oddychanie tlenowe (z udziałem tlenu) jest procesem odwrotnym do fotosyntezy. W procesie tym substancje organiczne syntetyzowane w komórkach (sacharoza, kwasy organiczne i tłuszczowe) ulegają rozkładowi, uwalniając energię:

С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + energia

Wszystkie rośliny i zwierzęta otrzymują energię do utrzymania swoich funkcji życiowych poprzez oddychanie.

Metoda określania szybkości oddychania roślin polega na uwzględnieniu ilości wydzielanego przez rośliny dwutlenku węgla, który jest pochłaniany przez baryt:

Ba(OH)2 + CO2 = BaCO3 + H2O

Nadmiar barytu, z którym nie przereagował CO2, miareczkować kwasem solnym:

Ba(OH)2 + 2HCl = BaCl2 + H2O

Sprzęt, odczynniki, materiały

1) kolby stożkowe szerokoszyjne o pojemności 250 ml; 2) zatyczki gumowe z wywierconymi otworami, w które wkładana jest szklana rurka; do rurki wciąga się cienki drut o długości 12-15 cm; 3) skale technochemiczne; 4) ciężary; 5) czarny nieprzezroczysty papier; 6) biurety z roztworem Ba(OH)2 z korkiem na górze, do którego wkładana jest rurka z wapnem sodowanym; 7) 0,1 N roztwór Ba(OH)2; 8) 0,1 N roztwór HCl; 9) 1% roztwór fenoloftaleiny w zakraplaczu; 10) zielone liście, świeżo zebrane w naturze lub liście roślin domowych.

Postęp

Odważa się 5-8 g zielonych, świeżo zebranych liści rośliny wraz z ogonkami w skali technochemicznej, ogonki mocuje się jednym końcem drutu, który przeciąga się przez otwór w korku (ryc. 1).

Ryż. 1. Zamontowana kolba do określania intensywności oddychania:

1 - drut, 2 - szklana rurka, 3 - gumowy korek, 4 - kiść liści, 5 - baryt.

Zaleca się wykonanie w pierwszej kolejności instalacji próbnej poprzez opuszczenie materiału do kolby i zamknięcie kolby korkiem. Upewnij się, że korek szczelnie zakrywa kolbę, kiść liści znajduje się w górnej części kolby, a odległość barytu od kiści jest odpowiednio duża. Zaleca się uszczelnienie wszystkich otworów pomiędzy kolbą, korkiem i rurką plasteliną oraz zaizolowanie układu kawałkiem folii na górnym wyjściu drutu z rurki.

Do kolb probierczych wlewa się z biurety 10 ml 0,1 N roztworu Ba(OH)2, materiał umieszcza się i izoluje w powyższy sposób. Kontrolę (bez roślin) przeprowadza się 2-3 razy. Wszystkie kolby przykrywa się czarnym nieprzezroczystym papierem w celu wykluczenia fotosyntezy i tożsamości wszystkich kolb, odnotowuje się czas rozpoczęcia doświadczenia, który trwa 1 h. W trakcie doświadczenia kolbami należy okresowo delikatnie kołysać, aby zniszczyć tworzącą się warstwę BaCO3 na powierzchni barytu i zapobiega całkowitej absorpcji CO2.

Po godzinie lekko otworzyć korek i wyjąć materiał z kolb szybko wyciągając drut z listkami. Natychmiast zamknij korek, izolując górną część tuby folią. Przed miareczkowaniem dodaj 2-3 krople fenoloftaleiny do każdej kolby: roztwór zmieni kolor na szkarłatny. Miareczkować wolny baryt 0,1 N HCl. W tym przypadku najpierw miareczkuje się kolby kontrolne. Weź średnią i miareczkuj w kolbach doświadczalnych. Roztwory należy miareczkować ostrożnie, aż do odbarwienia. Wyniki zapisz w tabeli (na tablicy i w zeszycie).

Produkt końcowy" href="/text/category/konechnij_produkt/" rel="bookmark">produkty końcowe

Inną formą rozkładu materii organicznej do najprostszych związków są procesy mikrobiologiczne zachodzące w glebach i wodach, w wyniku których powstaje próchnica glebowa oraz różnorodne osady denne z częściowo rozłożonej materii organicznej (sapropel itp.). Głównym z tych procesów jest biologiczny rozkład przez saprofity substancji organicznych zawierających azot i węgiel, co stanowi integralną część cykli tych pierwiastków w cyklach naturalnych. Bakterie amonifikujące mineralizują białka z pozostałości roślinnych i zwierzęcych, a także innych mikroorganizmów (w tym wiążących azot), mocznik, chitynę i kwasy nukleinowe, w wyniku czego powstaje amoniak (NH3). Białka roślinne i zwierzęce zawierające siarkę również ulegają rozkładowi, w wyniku czego powstaje siarkowodór (H2S). Produktami odpadowymi mikroorganizmów są związki indolowe, które działają jako stymulatory wzrostu. Najbardziej znanym jest kwas β-indolilooctowy lub heteroauksyna. Substancje indolowe powstają z aminokwasu tryptofanu.

Proces rozkładu substancji organicznych na proste związki ma charakter enzymatyczny. Ostatnim etapem amonifikacji są dostępne dla roślin sole amonowe.

Sprzęt, odczynniki, materiały

1) skale technochemiczne; 2) termostat; 3) probówki; 4) korki bawełniane; 5) zlewki; 6) szalki Petriego; 7) NaHCO3 8) 5% PbNO3 lub Pb(CH3COO)2; 9) Odczynnik Salkowskiego; 10) odczynnik Ehrlicha; 11) odczynnik ninhydrynowy; 12) Odczynnik Nesslera; 13) gleba próchniczna; 14) świeże liście łubinu lub suszone liście innych roślin strączkowych; 15) ryba, mączka mięsna lub kawałki mięsa, ryba.

Postęp

A. Amonifikacja białek zwierzęcych

a) Do probówki włóż 0,5-1 g świeżej ryby lub mały kawałek mięsa. Dodać osiadłą wodę do połowy objętości probówki i 25-50 mg NaHCO33 (na czubku skalpela) w celu zneutralizowania środowiska, co sprzyja działaniu amonifikatorów (sprzyja im środowisko obojętne lub lekko zasadowe o pH = 7 i wyższym). Do pożywki dodać niewielką bryłę ziemi próchnicznej w celu wprowadzenia amonifikatorów, wymieszać zawartość probówki, zatkać probówkę bawełnianym korkiem, uprzednio zabezpieczając między korek a probówkę kawałek ołowianego papieru (ryc. 2). ), aby nie dotykał roztworu. Owiń każdą probówkę od góry folią, aby zapobiec ulatnianiu się gazu z probówki. Umieścić wszystko w termostacie w temperaturze 25-30°C na 7-14 dni.

Ryż. 2. Zamontowana probówka do oznaczania amonifikacji białek: 1 - probówka; 2 - bawełniana wtyczka; 3 - papier ołowiowy; 4 - środa.

Doświadczenie to symuluje rozkład pozostałości organicznych w środowisku wodnym stojącego zbiornika (np. stawu), do którego mogą zostać wypłukane cząsteczki gleby z sąsiednich pól.

b) Do szklanki wsypać ziemię humusową, zalać osiadłą wodą, zakopać w ziemi mały kawałek mięsa, pomiędzy ziemię a brzeg szklanki wzmocnić papierem ołowiowym, zamknąć układ szalką Petriego (stroną do dołu), włożyć w termostacie w temperaturze 25-30 ° C przez jeden lub dwa tygodnie.

Doświadczenie to symuluje rozkład pozostałości organicznych (robaków, różnych zwierząt glebowych) w glebie.

B. Amonifikacja resztek roślinnych

Monitoruj rozkład zielonego nawozu w glebie, napełniając zlewkę o pojemności 100 ml ziemią humusową i zakopując kilka kawałków zielonych łodyg i liści łubinu wieloletniego, grochu i fasoli posadzonych jesienią w doniczce. Możesz użyć suszonych części roślin strączkowych zebranych latem, gotowanych na parze w wodzie. Szklanki przykryć pokrywką z szalki Petriego, umieścić w termostacie w temperaturze 25-30°C na okres jednego do dwóch tygodni, utrzymując w trakcie doświadczenia normalną wilgotność gleby (60% pełnej wilgotności), nie dopuszczając do jej nadmiernego nawilżania .

Kontynuacja pracy nr 4 (wykonana w ciągu 7-14 dni)

a) Odfiltrować część roztworu hodowlanego z probówek, w których nastąpił rozkład białek zwierzęcych. Zwróć uwagę na powstawanie nieprzyjemnych zapachów (siarkowodór - zapach zgniłych jaj, związków indolowych itp.).

Wykryj powstawanie amoniaku dodając 2-3 krople odczynnika Nesslera do 1 ml roztworu hodowlanego. Aby to zrobić, wygodnie jest użyć szkiełka zegarkowego umieszczonego na kartce białego papieru lub porcelanowym kubku. Zażółcenie roztworu wskazuje na obecność amoniaku powstałego podczas niszczenia białek.

Wykryj obecność siarkowodoru poprzez czernienie papieru ołowiowego nad roztworem lub podczas opuszczania go do roztworu.

Za pomocą mikropipety z wyciągniętą końcówką nanieść roztwór hodowli na filtr lub bibułę chromatograficzną (10-20 kropli na punkt), osuszyć nad wentylatorem, wkroplić odczynnik Salkovsky'ego, Ehrlicha lub ninhydrynowy. Podgrzej nad kuchenką. Związki indolowe z odczynnikiem Salkowskiego dają barwę niebieską, czerwoną, szkarłatną w zależności od składu produktu indolowego (kwas auksyno-indolooctowy daje barwę czerwoną). Odczynnik Ehrlicha daje fioletową barwę w przypadku pochodnych indolu. Odczynnik ninhydrynowy jest reakcją na aminokwas tryptofan (prekursor auksyn indolowych). Po podgrzaniu zmienia kolor na niebieski.

b) Wyjmij kawałek mięsa lub ryby z ziemi wraz z ziemią przylegającą do kawałka, włóż do szklanki, zalej niewielką ilością wody, rozgnieć szklaną pałeczką, wstrząśnij, przefiltruj. Oznaczyć zawartość amoniaku, siarkowodoru i indolu w filtracie, stosując powyższe metody. Podobne procesy zachodzą w glebie, gdy martwe zwierzęta gniją.

c) Usuń z gleby na wpół rozłożone łodygi zielonej masy łubinu, oczyść je z gleby i rozdrobnij niewielką ilością wody. Przesączyć 1-2 ml roztworu i wykonać próbę na obecność azotu amonowego, powstającego podczas mineralizacji białek roślinnych (odczynnikiem Nesslera). Podobne procesy zachodzą w glebie podczas orki w nawozy zielone lub pozostałości organiczne w postaci obornika, torfu, sapropelu itp.

Określ obecność siarkowodoru, substancji indolowych, tryptofanu.

d) Kroplę płynu hodowlanego z probówki, w której nastąpił rozkład białka zwierzęcego, umieścić na szkiełku mikroskopowym i obejrzeć pod mikroskopem przy powiększeniu 600. Wykrywa się wiele mikroorganizmów powodujących rozkład substancji organicznych. Często poruszają się energicznie i wyginają się jak robak.

Wstęp. 3

2 Wymagania bezpieczeństwa. 4

3 Część eksperymentalna. 4

Praca nr 1. Określenie powstawania materii organicznej w liściach roślin podczas fotosyntezy (na podstawie zawartości węgla) 4

Praca nr 2. Określenie akumulacji materii organicznej w biomasie roślinnej i glebie. 8

Praca nr 3. Określenie spożycia materii organicznej przez rośliny podczas oddychania 11

Praca nr 4. Rozkład materii organicznej w wodzie i glebie z oznaczeniem niektórych produktów końcowych. 14

W warunkach współczesnej Ziemi naturalne powstawanie związków organicznych ze związków nieorganicznych praktycznie nie występuje. Co więcej, pojawienie się żywej materii organicznej jest niemożliwe. Jeśli chodzi o wczesną Ziemię, warunki na niej były zupełnie inne. Atmosfera redukująca o wysokim stężeniu wodoru, metanu i amoniaku, intensywne promieniowanie ultrafioletowe Słońca, niezaabsorbowane przez taką atmosferę oraz silne wyładowania elektryczne w atmosferze stworzyły niezbędne i najwyraźniej wystarczające warunki do powstawania związków organicznych . Rzeczywiście, eksperymenty laboratoryjne przeprowadzone w warunkach symulujących rzekomą atmosferę wczesnej Ziemi wytworzyły szereg związków organicznych, w tym aminokwasy wchodzące w skład żywych białek.

Brak tlenu w atmosferze był warunkiem koniecznym spontanicznej syntezy materii organicznej. Jednak z punktu widzenia kolejnych przekształceń czynnik ten okazał się destrukcyjny. W rzeczywistości atmosfera pozbawiona tlenu prawie swobodnie przepuszcza silne promieniowanie ultrafioletowe (atmosfera współczesnej Ziemi ma warstwę ozonową, która powstała wraz ze składnikiem tlenu, który pochłania to promieniowanie). Promieniowanie dostarczając energii dla reakcji chemicznych syntezy związków organicznych, jednocześnie dąży do ich natychmiastowego zniszczenia. Dlatego biopolimery, lipidy i węglowodory powstałe w atmosferze, gdy tylko się pojawiły, były skazane na zagładę. Aby nie umrzeć, musieli ukryć się przed szkodliwym działaniem słonecznego promieniowania ultrafioletowego. Uważa się, że część tych związków organicznych uniknęła zniszczenia, przedostając się do środowiska wodnego zbiorników pierwotnych.

Tutaj, w środowisku wodnym, związki organiczne wchodziły w różnorodne reakcje chemiczne, spośród których wykorzystywały reakcje, które doprowadziły do ​​​​samorozwoju najaktywniejszych katalizatorów. Natura bardzo rygorystycznie dążyła do naturalnej selekcji reakcji cyklicznych, które są zdolne do samopodtrzymania, m.in. dzięki energii uwalnianej podczas reakcji. Problem zaopatrzenia w energię reakcji ewolucyjnych, w szczególności reakcji polimeryzacji (łączenia cząsteczek tego samego typu – monomerów w makrocząsteczki) wydaje się na tym etapie ewolucji najważniejszy, gdyż środowisko wodne w niewielkim stopniu przyczynia się do aktywacji związków chemicznych reakcje. Dlatego „przetrwać” mogą jedynie reakcje wysokoenergetyczne, w których biorą udział szczególnie skuteczne, samodoskonalące się katalizatory.

Nadszedł jeden z kluczowych momentów rozwoju. Załóżmy, że powstały reakcje chemiczne niezbędne do przejścia do bioewolucji i nabyły właściwość samowystarczalności. Aby je zachować (i oczywiście dalej rozwijać), odpowiednie objętości muszą być w jakiś sposób odizolowane od niezorganizowanego środowiska, nie tracąc przy tym możliwości wymiany z nim materii i energii. Jednoczesne spełnienie tych dwóch, na pierwszy rzut oka niezgodnych warunków, było konieczne, aby ewolucja chemiczna osiągnęła jakościowo nowy poziom.

Możliwość tę znaleziono dzięki tworzeniu specjalnych struktur z lipidów - skorupy membranowe . Wyniki współczesnych eksperymentów laboratoryjnych dają podstawy sądzić, że przy pewnym stężeniu lipidów w wodzie i warunkach zewnętrznych symulujących stan atmosfery i hydrosfery ówczesnej Ziemi następuje charakterystyczny proces samoorganizacji, prowadzący do samoorganizacja otoczek lipidowych o właściwościach błonowych.

Ponadto nietrudno założyć, że procesy selekcji cyklicznych reakcji katalitycznych i samoorganizacji otoczek lipidowych zbiegają się w czasie i przestrzeni. W ten sposób mogły pojawić się naturalne formacje, odizolowane od niszczycielskiego wpływu środowiska, ale połączone z nim metabolizmem. W swego rodzaju reaktorze zaczęły zachodzić reakcje samopodtrzymujące, co pomaga utrzymać znaczną nierównowagę zawartego w nim układu biopolimerowego. Teraz położenie odczynników chemicznych stało się uporządkowane, procesy adsorpcji na powłoce przyczyniły się do wzrostu ich stężenia, a tym samym aktywacji efektu katalitycznego. Faktycznie, to miało miejsce przejście od mieszanin chemicznych do zorganizowanych systemów przystosowanych do dalszego rozwoju.

Rozważa się także szereg innych modeli, które prowadzą do podobnie ważnego, ale wciąż pośredniego zdarzenia na ścieżce przejścia do ewolucji biologicznej. Jeden z nich uwzględnia procesy związane z powstawaniem początkowych związków organicznych w atmosferze, przy założeniu, że wczesna Ziemia wraz z jej rozrzedzoną atmosferą redukcyjną była ciałem zimnym o temperaturze rzędu -50°C. Istotnym punktem tego modelu jest założenie, że atmosfera w tych warunkach była zjonizowana, czyli znajdowała się w stanie zimnej plazmy. Plazma ta jest uważana za główne źródło energii w reakcjach ewolucji chemicznej. Założeniem niskiej temperatury tłumaczy się zachowanie biopolimerów powstałych w atmosferze: zamarzając, opadały na pokrywę lodową Ziemi i przechowywano w tej naturalnej lodówce „do lepszych czasów”. W tej formie promieniowanie ultrafioletowe i potężne wyładowania elektryczne nie były już dla nich tak niebezpieczne.

Zakłada się ponadto, że „lepsze czasy” nadeszły wraz z intensyfikacją aktywności tektonicznej i początkiem masowych erupcji wulkanów. Uwolnienie produktów aktywności wulkanicznej do atmosfery doprowadziło do jej zagęszczenia i przesunięcia granicy jonizacji do wyższych warstw. Wraz ze zmianą warunków temperaturowych pokrywa lodowa naturalnie się stopiła, utworzyły się zbiorniki pierwotne, w których po rozmrożeniu nagromadzone przez długi czas biopolimery, lipidy i węglowodory rozpoczęły aktywną aktywność chemiczną. Dlatego możemy mówić o ich wysokim stężeniu w „pierwotny rosół”(jak często nazywa się powstałą substancję), co było kolejnym pozytywnym czynnikiem z punktu widzenia intensyfikacji ewolucji chemicznej.

Wielokrotne eksperymenty potwierdziły, że podczas rozmrażania lipidy faktycznie wykazują samoorganizację, tworząc mikrosfery o średnicy kilkudziesięciu mikrometrów. Nie ma znaczenia, w jaki sposób biopolimery trafią do ich wnętrza – czy przenikną przez warstwę membrany, czy stopniowo otacza je otoczka lipidowa. Ważne jest to, że w objętości otoczonej otoczką membranową mógłby rozpocząć się nowy etap ewolucji – przejście od reakcji chemicznych do biochemicznych.

Jeśli chodzi o decydujący moment – ​​przejście do najprostszej komórki, można go uznać za wynik skoku charakterystycznego dla samoorganizacji materii. Aby przygotować się do tego skoku, w procesie ewolucji chemicznej musiało pojawić się więcej struktur zdolnych do wykonywania funkcji niezbędnych protokomórce. Rozważane są takie fragmenty konstrukcyjne frakcje , zapewniając przenoszenie naładowanych cząstek, co jest niezbędne do transportu materii. Inne grupy muszą zapewnić dostawę energii - są to głównie cząsteczki związków zawierających fosfor (układ ADP-ATP). Wreszcie konieczne jest utworzenie struktur polimerowych, takich jak DNA i RNA, których główną funkcją jest służenie matryca katalityczna do samodzielnej reprodukcji.

Nie można pominąć jeszcze jednego kluczowego punktu związanego z naruszeniem symetrii izomerycznej. Jak doszło do wyboru na rzecz lewoskrętnej materii organicznej, można się tylko domyślać, ale fakt, że ta fluktuacja bezpośrednio poprzedzała powstanie życia, wydaje się całkowicie naturalny. Można założyć, że ewolucję biologiczną „zapoczątkowano” pojawieniem się lewoskrętnej protokomórki.

Szczątki roślinne i zwierzęce gromadzące się na powierzchni zwietrzałej skały oraz w jej mniej lub bardziej górnych horyzontach możemy zaobserwować w najróżniejszych stadiach rozkładu lub 1) w postaci słabo rozłożonych szczątków, które z czasem kumulują się w postaci z różnych „filców” (w lasach „filc leśny”, na stepach „step”), charakteryzujących się tak niskim rozkładem składników wchodzących w ich skład, że z łatwością możemy rozróżnić poszczególne części roślin lub zwierząt; lub 2) w postaci części roślin (i zwierząt), które w mniejszym lub większym stopniu utraciły już swój pierwotny kształt i wygląd; ukazują się nam wówczas w postaci odrębnych fragmentów, w różnym stopniu zdeformowanych, zrumienionych i mających delikatną, kruchą konsystencję i strukturę. Ale już na tym etapie rozkładu możemy je oddzielić od cząstek mineralnych skały różnymi metodami mechanicznymi – mocząc je, bo są bardziej specyficzne, w wodzie, czasem wybierając pęsetą itp.; wreszcie, 3) w dalszym etapie rozkładu opisywane szczątki całkowicie tracą swoje pierwotne właściwości i wchodzą w tak ścisłe połączenie chemiczne z substancją mineralną skały, że nie są już od niej oddzielane żadnymi środkami mechanicznymi.
Ten etap rozkładu charakteryzuje się całkowitą asymilacją powstałych produktów przez bazę mineralną skały; Produkty te możemy oddzielić od części mineralnej jedynie stosując energiczne techniki chemiczne lub niszcząc te produkty (spalając).
Efektem tak ścisłego chemicznego połączenia produktów rozkładu szczątków roślinnych i zwierzęcych z mineralną częścią skały wietrznej jest kompleks specjalnych, tzw. związków „organiczno-mineralnych”, które kumulują się w glebie w różnej ilości, wyróżniają się względną stabilnością i wytrzymałością swojego składu i nadają glebie mniej lub bardziej ciemny kolor. Ta grupa produktów, stanowiąca integralną część gleby, „zasymilowana” przez nią i związana chemicznie, nazywana jest humusem glebowym (humusem).
Z powyższego jasno wynika, że ​​nie każdy związek organiczny występujący w glebie powinien należeć do kategorii próchnicy, czyli próchnicy, związków glebowych. Zatem „wolne” węglowodany, tłuszcze itp., które mogą tworzyć się w glebie w wyniku rozkładu pozostałości roślinnych i zwierzęcych, nie stanowią jeszcze tej nowej formacji organiczno-mineralnej, którą nazywamy humusem. Ze względu na bogatą mikroflorę występującą w glebach oraz różnorodność enzymów występujących w glebach, wspomniane związki organiczne ulegają zwykle tak szybkim i łatwym przemianom, że można je nazwać, w dosłownym tego słowa znaczeniu, związkami ulotnymi i przejściowymi. Rzeczywiście, bezpośrednia analiza zwykle pokazuje niezwykle zmienne i zmienne ich ilości w tej samej glebie – często w bardzo krótkim czasie. Związki te w wyniku złożonych reakcji interakcji z substancją mineralną gleby w swoim późniejszym losie mogą oczywiście stać się integralną częścią próchnicy glebowej, ale mogą nie znaleźć do tego odpowiednich warunków fizykochemicznych i nie stać się wchodzą w skład nowo powstałego kompleksu organo-mineralnego i pozostają „wolne”, nie będąc składnikami próchnicy.
Jeśli chodzi o te związki mineralne, które zawsze wchodzą w skład szczątków roślinnych i zwierzęcych, podczas rozkładu tych ostatnich związki te również spotykają podwójny los: niektóre z nich zostają uwolnione od silnego i złożonego związku, w jakim znajdowały się za życia tego czy innego organizmu ze związkami organicznymi tego ostatniego i wytrąca się w powierzchniowych poziomach gleby w postaci pewnych „czystych” formacji mineralnych (jak mówią, następuje „całkowita mineralizacja pozostałości organicznych”); druga część również bierze bezpośredni udział w syntezie i budowie kompleksu organo-mineralnego, o którym teraz mówimy.
Zatem nie wszystkie składniki mineralne gleby i nie wszystkie jej związki organiczne są składnikami jej kompleksu próchnicznego.
Z kategorii substancji humusowych znajdujących się w glebie należy wyłączyć także te, nawet silnie zdeformowane, pozostałości rozkładających się roślin i zwierząt, które możemy oddzielić mechanicznie od masy gleby (resztki systemu korzeniowego, skrawki liści, resztki chitynowych powłok owadów itp.).
Tym samym odróżniamy pojęcie „składnika organicznego” gleby od jej „części próchnicznej”. Druga koncepcja jest częścią pierwszej. Należy o tym pamiętać podczas całej naszej późniejszej prezentacji.
Skład chemiczny tego złożonego kompleksu, zwanego humusem glebowym lub humusem, jest nadal bardzo słabo poznany, mimo że badania tego obiektu rozpoczęły się bardzo dawno temu. Główną przyczyną tego braku badań jest fakt, że nie opracowano jeszcze niezawodnych metod pozwalających w ten czy inny sposób zindywidualizować ten złożony obiekt, nadal nie ma metod uzyskania go w postaci krystalicznej itp.
Ostatnie lata upływały jednak pod znakiem szeregu badań, które znacząco posunęły się do przodu w badaniu tego kompleksu.
Pomiędzy naturą związków organicznych wchodzących w skład wszystkich wymienionych kategorii obiektów w środowisku naturalnym obserwujemy oczywiście cały szereg stopniowych przejść, zarówno pomiędzy minerałami pierwotnymi skały macierzystej, jak i minerałami końcowymi produktami ich rozkładu oraz pomiędzy niezakłóconymi procesami rozkładu przez pozostałości roślinne (i zwierzęce) a końcową fazą ich niszczenia, w każdej glebie możemy zaobserwować cały szereg bardzo zróżnicowanych formacji pośrednich.
Jeżeli w początkowych fazach wietrzenia skał i minerałów dominującą rolę odgrywają elementy przyrody „nieożywionej”, czyli elementy atmosfery i hydrosfery, to w kolejnych stadiach rozwoju tych procesów, kiedy skały te nabywają zdolność do zapewniają życie zasiedlającej je roślinności i w związku z tym, że zaczynają być one w ten sposób wzbogacane w produkty rozkładu tej ostatniej, rola ta przechodzi na elementy biosfery. O tym, że wiodącą rolę w procesach rozkładu umierających szczątków organicznych odgrywają zwłaszcza mikroorganizmy, udowodniły już w 1862 roku genialne badania Pasteura.
Liczne eksperymenty mające na celu określenie wpływu wysokich temperatur i różnych środków antyseptycznych na rozkład substancji organicznych ostatecznie potwierdziły to stanowisko. Należy jednak zaznaczyć, że część z tych eksperymentów wykazała, że ​​w powyższych warunkach procesy rozkładu nie ustały całkowicie, a jedynie uległy znacznemu zahamowaniu, co pozwala przypuszczać, że procesy te, choć w bardzo nieznacznym stopniu , może czasami jeszcze wystąpić w wyniku czysto chemicznego oddziaływania pomiędzy częściami rozkładającego się materiału. W każdym razie ostatniej kategorii zjawisk należy przypisać więcej niż skromną rolę w procesach rozkładu substancji organicznych.
Jeżeli procesy rozkładu substancji organicznych w glebie są głównie procesami biochemicznymi, wówczas jasne jest, jakie różne formy i kierunki te procesy mogą przyjmować w glebie w warunkach naturalnych, w zależności od tego czy innego przepływu powietrza, wilgotności gleby, warunków temperaturowych, właściwości chemiczne i fizyczne środowiska itp.
Aby zrozumieć, jak daleko w każdym indywidualnym przypadku może posunąć się rozkład pozostałości organicznych i na jakich etapach pośrednich rozkład ten w każdym indywidualnym przypadku może się opóźnić, rozważymy dalej w tych procesach znaczenie w tych procesach każdego z wymienionych czynników powyżej oddzielnie, bez cytowania. Opierając się na całej licznej dostępnej literaturze na ten temat, ograniczymy się do przytoczenia jedynie ostatecznych wniosków uzyskanych w tym obszarze.
Punktem wyjścia prezentowanych tu badań jest powszechnie znane stanowisko, że uwalnianie się dwutlenku węgla z rozkładającej się materii organicznej można uznać za miarę szybkości i energii tego rozkładu (Hoppe-Seuler). Biorąc jednak pod uwagę, że w glebie równolegle z procesami rozkładu materii organicznej często zachodzą procesy odwrotne - syntetyczne - pod wpływem życiowej aktywności mikroorganizmów - a co za tym idzie ilości wydzielanego dwutlenku węgla nie zawsze może służyć jako miara rozkładu materii organicznej, można zastosować inną metodę badań, a mianowicie bezpośrednio analizę ilości zawartych w jej składzie związków mineralnych, które zostały oddzielone od rozkładającej się substancji.
Spośród najważniejszych warunków decydujących o szybkości i charakterze rozkładu substancji organicznych skupimy się na badaniu wpływu na te procesy temperatury, stopnia nawilżenia, stopnia przepływu powietrza, właściwości chemicznych środowiska, a także charakter dopływu wilgoci do rozkładającego się materiału.
Wpływ temperatury i nawilżania. Najdokładniejsze badania na ten temat przeprowadził Wollny.
Rozkładający się materiał umieszczano w rurkach w kształcie litery U i przepuszczano przez nie powietrze pozbawione dwutlenku węgla. Probówki te umieszczono w łaźniach wodnych, w których temperaturę regulowano według własnego uznania.
Jeśli wilgotność badanego obiektu pozostawała stała, wówczas wraz ze wzrostem temperatury zwiększała się ilość dwutlenku węgla (CO2). Zatem powietrze przechodzące przez rurki zawierało dwutlenek węgla (w glebie kompostowej):

Jeśli z kolei temperatura pozostała stała, a stopień nawilżenia wzrósł, to ilość CO2 również odpowiednio wzrosła:

Zatem zarówno temperatura, jak i wilgotność rozkładającego się podłoża wpływają na interesujący nas proces w jednym kierunku.
Zmieniając w swoich eksperymentach warunki temperatury i wilgotności w przeciwnych kierunkach, Wollny doszedł do wniosku, że powstawanie CO2 zachodzi najintensywniej w średnich warunkach temperatury i wilgotności. Czyli na przykład kiedy

Podobne wyniki uzyskał Fodor, którego badania są interesujące także dlatego, że pracował m.in. w bardzo wysokich temperaturach (do 137°). Wszystkie jego eksperymenty w pełni potwierdziły wnioski Wollnego; Swoją drogą stwierdził, że w bardzo wysokich temperaturach wydzielanie się dwutlenku węgla z rozkładającej się masy, choć trwało, było wyjątkowo słabe. Dalsze badania Petersena nad rozkładem materii organicznej w czarnej glebie i rozkładem drewna drzew liściastych, a także Bellena i nieżyjącego już P. Kostychewa - z opadłymi liśćmi brzozy, świeżymi igłami świerkowymi i sianem, ogólnie wykazały, że zarówno temperatura, jak i wilgotność rzeczywiście działają w tym samym kierunku, ale do pewnej granicy (w kierunku wzrostu lub odwrotnie, w kierunku spadku), gdy aktywność życiowa mikroorganizmów została już z tego powodu zakłócona i gdy proces, w związku z tym posuwał się do przodu bardzo słabo i ospale.
Ostateczny wniosek ze wszystkich tych obserwacji można sformułować następująco: energia rozkładu substancji organicznych osiąga swoje maksimum przy pewnej średniej wartości wilgotności i temperatury. Brak wilgoci powoduje zmniejszenie tej energii, a także jej nadmiar, gdyż w tym drugim przypadku utrudniana jest swobodna cyrkulacja powietrza w rozkładającej się masie. Niskie i wysokie temperatury również hamują opisywany proces.
Wyniki wszystkich tych eksperymentów i obserwacji, przeniesione do środowiska naturalnego, pomagają nam w najlepszy możliwy sposób zrozumieć przyczyny gromadzenia się w tym czy innym obszarze tej lub innej ilości próchnicy - o takim czy innym składzie. W każdym indywidualnym przypadku zawsze możemy powiązać te zjawiska z jednej strony z warunkami klimatycznymi danego obszaru i czynnikami od których zależy sytuacja mikroklimatyczna (teren, charakter roślinności itp.), z drugiej strony z zespołem wewnętrznych właściwości fizykochemicznych samej gleby (w tym przypadku jej właściwości wodnych i termicznych), przez które załamywane są wszystkie elementy przyrody otaczające tę glebę.
Wpływ właściwości chemicznych środowiska. Ograniczymy się jedynie do najbardziej ogólnych przepisów istniejących w tym zakresie.
Kwasowość środowiska, zgodnie z doświadczeniami Wollnego i wielu innych badaczy, ma przygnębiający wpływ na procesy rozkładu, co oczywiście jest całkiem zrozumiałe, jeśli pamiętamy, że dla populacji bakterii - głównego czynnika sprawczego procesów, które prowadzimy opisują - kwaśne środowisko jest trucizną (mikroflora grzybowa jednak ten czynnik jest, jak wiemy, do pewnego stopnia niewrażliwy).
Jeśli chodzi o znaczenie środowiska zasadowego, rozważymy tę kwestię nieco bliżej i będziemy pamiętać o wpływie na interesujące nas procesy jedynie poprzez obecność węglanu wapnia, ponieważ to właśnie z tym związkiem mamy najwięcej często mamy do czynienia przy omawianiu na przykład kwestii wpływu na energię rozkładu materii organicznej tak powszechnych skał macierzystych jak less, iły lessopodobne i inne utwory bogate w węglany wapnia.
Jeszcze nie tak dawno temu panowało przekonanie, że CaCO3 (węglan wapnia) znacząco przyspiesza tempo rozkładu substancji organicznych. W praktyce rolniczej do niedawna panowało powszechne stanowisko, że „wapno wzbogacając ojców, rujnuje dzieci”, czyli że substancja ta przyczynia się do niezwykle szybkiego rozkładu próchnicy w glebie, z której „wypadają” składniki odżywcze, z których (minerały substancje zawarte w związkach) przejściowo znacznie zwiększają żyzność gleby, ale jednocześnie pozbawiają ją podaży tych związków, z których kolejne uprawy mogłyby czerpać pożywienie. To błędne przekonanie opierało się między innymi na badaniach Petersena.
Petersen swoje doświadczenia przeprowadził na glebie zawierającej 58% próchnicy (czyli o glebie wyraźnie kwaśnej), a pod względem ilości CO2 stwierdził, że po dodaniu do tej gleby węglanu wapnia ilość tego gazu była prawie trzykrotnie większa, z czego wspomniany autor wywnioskował, że wapno znacząco przyspiesza rozkład materii organicznej. W innym eksperymencie Petersen pracował z glebą wapienną - niezmienioną, a także z tą samą glebą, ale wstępnie traktowaną kwasem solnym w celu usunięcia wapna. Wyniki były takie same. Pierwsze eksperymenty wspomnianego naukowca zostały później poddane uczciwej krytyce ze strony nieżyjącego już P. Kostychewa, który zwrócił przede wszystkim uwagę na fakt, że gleba, którą manipulował Petersen, była niewątpliwie kwaśna i zawierała dużo wolnych kwasów humusowych. Wiadomo, że dodatek węglanu wapnia do takiej gleby, uśredniając środowisko, stworzył korzystne warunki dla procesów rozkładu. Jeśli chodzi o inną grupę eksperymentów Petersena, w tym ostatnim pominięto efekt wstępnego traktowania gleby kwasem solnym, co powinno mieć szkodliwy wpływ na florę bakteryjną gleby.
Dalsze eksperymenty P. Kostycheva z liśćmi drzew i glebami czarnoziemowymi wykazały, że wręcz przeciwnie, dodatek węglanu wapnia zawsze zmniejszał energię rozkładu. Podobne wyniki uzyskali Wollny, Reitmair, Kossovich i inni.Tylko w wyjątkowych przypadkach, gdy środowisko glebowe zawiera dużo wolnych kwasów humusowych, dodatek wapna może przyspieszyć procesy rozkładu
Jak wiadomo, wzbogacanie gleb czarnoziemów w próchnicę można częściowo wytłumaczyć ochronną rolą związków wapnia wchodzących w skład najczęstszych skał macierzystych w strefie stepowej (lessy, gliny lessopodobne itp.).
Biorąc pod uwagę, że wapń jest energetycznym koagulatorem substancji koloidalnych (zarówno organicznych, jak i mineralnych), należy temu pierwiastkowi przypisać także rolę energetycznego utrwalacza związków humusowych w warstwie gleby. Utrata związków wapnia przez glebę, z tego czy innego powodu, pociąga za sobą, jak wiadomo, procesy jej całkowitej degeneracji („degradacji”) - z utratą części substancji humusowych w wyniku ługowania itp.
Wpływ przepływu powietrza na rozkład substancji organicznych. Aby wyjaśnić rolę powietrza jako jednego z czynników rozkładu materii organicznej, Wollny przeprowadził następujące doświadczenie: mieszaninę piasku kwarcowego i mączki torfowej, zwilżoną do pewnego stopnia, umieszczano w rurkach w kształcie litery U, przez które przepływało powietrze. o różnej zawartości tlenu, a także czystego azotu i czystego tlenu. Co 24 godziny oznaczano ilość dwutlenku węgla. Wyniki eksperymentów wykazały, że rozkład materii organicznej wzrasta wraz ze wzrostem zawartości tlenu w powietrzu. Wręcz przeciwnie, wraz ze spadkiem tego ostatniego, a tym bardziej z zastąpieniem tego gazu jakimś obojętnym gazem (na przykład azotem), utlenianie węgla w materii organicznej zostało znacznie zahamowane. Brak tlenu dopływającego do rozkładającego się materiału wpływa nie tylko na spadek energii tego rozkładu, ale także wpływa na sam charakter procesu. Z tego punktu widzenia zwyczajowo rozróżnia się proces tlenia (tj. Proces rozkładu przy dostępie powietrza) od procesu gnicia (tj. Rozkład w warunkach beztlenowych).
Jeśli pozostałości organiczne rozkładają się przy pełnym dostępie powietrza (proces tlenowy - „proces tlenia”), to procesy te mają charakter wyłącznie utleniający, a rozkład materii organicznej może przebiegać bez przerwy (oczywiście pod nieobecność jakichkolwiek czynników hamujące te zjawiska) aż po takie produkty jak woda, dwutlenek węgla, sole kwasów azotowego, siarkowego, fosforowego i innych. Jednocześnie uwalniane są w ten sposób substancje mineralne, które wchodziły w skład popiołu z rozkładających się pozostałości. Następuje „mineralizacja” pozostałości organicznych.
Tlenie zwykle następuje po znacznym uwolnieniu ciepła.
Podczas procesów beztlenowych („proces gnicia”) zauważamy szereg niedotlenionych związków, takich jak metan (w wyniku beztlenowej fermentacji metanowej błonnika, skrobi, pentozanów itp.), siarkowodór (charakterystyczny produkt gnicia białek), wodór (produkt fermentacji wodorowej błonnika), wodorofosfor, amoniak, azot itp. Ponadto wśród produktów rozkładu beztlenowego widzimy takie pośrednie formy rozkładu białek, jak indol, skatol itp. Wreszcie, w rozkładającej się masie w opisanych warunkach tworzą się liczne kwasy organiczne – kwasy tłuszczowe (od kwasu mrówkowego, a skończywszy na kwasie masłowym z jego wyższymi homologami), następnie kwas mlekowy, benzoesowy, bursztynowy itp. Stopniowo gromadząc się w dużych ilościach, kwasy organiczne, nie znajdując dogodnych warunków do ich dalszego rozkładu z powodu braku powietrza, zatrzymują rozwój mikroorganizmów, a dalszy rozkład materii organicznej może całkowicie ustać.
Tlenie i rozkład to oczywiście tylko najbardziej ekstremalne formy rozkładu materii organicznej, pomiędzy którymi możliwe są różne etapy pośrednie.
Wpływ charakteru dopływu wilgoci do substancji rozkładającej się. Oprócz czynników wymienionych powyżej, na energię i charakter rozkładu substancji organicznych bardzo duży wpływ ma charakter dostarczania wilgoci do rozkładającej się substancji (S. Kravkov). W bezpośrednich badaniach ilości związków mineralnych odszczepionych z różnych rozkładających się pozostałości roślinnych w przypadku systematycznego poddawania tych pozostałości poprzez przemywanie wodą (tj. gdy produkty rozkładu są stale usuwane ze strefy wzajemnego oddziaływania), natomiast w przypadku, gdy produkty te przez cały czas pozostają w interakcji z materiałem rozkładającym się, stwierdzono, że w pierwszym przypadku w rozkładającej się masie w dużych ilościach gromadzą się produkty kwaśne, utrudniając dalszy przebieg procesów rozkładu, w drugim - te procesy wręcz przeciwnie, przebiegają cały czas bardzo energicznie. Bliższe badanie tego zjawiska wykazało, że przy dokładnym myciu rozkładającego się materiału mamy do czynienia z bardzo szybką utratą przez tę substancję jego zasad ziem alkalicznych, co przyczynia się do gromadzenia się w masie rozkładu hamujących ten proces nienasyconych produktów kwasowych.
Te same zjawiska zaobserwował S. Krawkow w odniesieniu do gleb. Wnioski te, sformułowane jeszcze w 1911 r., można obecnie najlepiej wyjaśnić z punktu widzenia nauk K. Gedroitsa o „kompleksie wchłaniania gleby”.
Opisane fakty należy mieć na uwadze badając warunki akumulacji i rozkładu materii organicznej w glebach o różnej przepuszczalności wody, leżących w różnych warunkach rzeźby terenu itp.
Oprócz omówionych powyżej czynników, na energię procesów rozkładu istotny wpływ ma także szereg innych warunków: stopień rozdrobnienia rozkładającego się materiału (im wyższy stopień rozkładu, tym większa powierzchnia kontaktu z czynnikami atmosferycznymi: temperatura, wilgoć, tlen z powietrza itp., procesy rozkładu zachodzą bardziej energetycznie), skład chemiczny rozkładającego się materiału (najszybciej rozkładają się substancje białkowe, cukry i niektóre kwasy organiczne; trudniej ulegają włóknikowi, ligninie, substancjom korkowym; wreszcie , żywice, substancje woskowe, garbniki itp.). Z tego punktu widzenia znajomość składu chemicznego tych zbiorowisk roślinnych, które w każdym indywidualnym przypadku biorą udział w tworzeniu materii organicznej w danej glebie, wydaje się absolutnie konieczna.
Przenosząc wszystkie te wnioski na naturę, możemy już przewidzieć, że charakter i energia rozkładu substancji organicznych powinny stanowić jeszcze bardziej wrażliwą reakcję na zmianę tego czy innego czynnika zewnętrznego w tym czy innym kierunku niż procesy wietrzenia minerałów i skały omówione powyżej. Rzeczywistość w pełni potwierdza to założenie: ilość próchnicy gromadzącej się w danej glebie, jej skład jakościowy, właściwości chemiczne itp. Zawsze można ściśle powiązać z charakterem otaczających warunków klimatycznych, z warunkami rzeźby terenu, z naturą rośliny (i zwierzęcym) świecie i wreszcie z charakterystyką skały macierzystej i całym zespołem wewnętrznych właściwości fizykochemicznych i biologicznych samej gleby.
Po zbadaniu warunków, od których zależy energia i charakter rozkładu umierających pozostałości organicznych, przejdziemy teraz do badania składu chemicznego i właściwości produktów tego rozkładu.
Podobnie jak w mineralnej części gleby, z jednej strony wyróżniamy relikty (pozostałości) pierwotnych minerałów i skał, które przedostają się do gleby bez istotnej zmiany ich wewnętrznego charakteru chemicznego, a z drugiej strony cały szereg różnych pośrednich produktów ich wietrzenia, aż do stosunkowo trudnych ich przedstawicieli ulegających dalszym przemianom (na różnych etapach rozwoju gleby - różniących się składem i właściwościami), zatem w części organicznej gleb możemy odnaleźć stopniowy zakres przejść od „ pierwotne” związki organiczne wchodzące w skład martwych szczątków roślinnych i nietkniętych procesami rozkładu zwierząt, do takich związków organicznych, które w odniesieniu do wymienionej kategorii substancji można by nazwać także „nowymi formacjami” i które także można by rozpoznać przy każdym danym etapie rozwoju gleby, jako stosunkowo słabo podatny na dalszy rozkład.
Wymienione substancje humusowe należy zaliczyć do produktów rozkładu substancji organicznych, które charakteryzują się stosunkowo dużą trwałością. Ta stabilność wyjaśnia stosunkowo słabe wahania składu ilościowego próchnicy w pewnym okresie czasu w tym czy innym typie gleby, w tej czy innej jej odmianie. Ale oczywiście w procesie ewolucji, któremu podlega każda gleba, substancje te nieuchronnie również biorą czynny udział - aż do ich całkowitego zniszczenia i późniejszej mineralizacji, to znaczy do momentu, aż wypadną z nich związki mineralne - w wolnej postaci formie, a przed przekształceniem „organogenów” w takie produkty końcowe jak CO2, H2O itp.
Pomijając rozważania na temat składu i właściwości tych przejściowych i „ulotnych”, a przez to niestabilnych i nietypowych produktów rozkładu, o których wspomnieliśmy powyżej, w przyszłości zajmiemy się badaniem tej specyficznej formacji glebowej, która nazywa się humusem.
Związki humusowe w glebie, które odgrywają tak podstawową rolę w tworzeniu gleby i życiu roślin, od dawna przyciągają uwagę wielu badaczy. Mimo to nadal nie jest możliwe w pełni poznanie całego złożonego zespołu zjawisk związanych z genezą próchnicy, jej składem i właściwościami.
Aby zrozumieć skład i właściwości próchnicy glebowej, od dawna stosuje się ścieżkę analityczną: od dawna podejmowano różne próby w ten czy inny sposób wyizolowania tego złożonego kompleksu z całkowitej masy gleby - z późniejszą analizą jej składu i właściwości .
Zaproponowana przez Sprengela metoda ekstrakcji substancji humusowych z gleby, która do dziś nie straciła na znaczeniu w modyfikacji Grandeau, polega na traktowaniu gleby jakimś alkalicznym węglanem (węglanem sodu, węglanem potasu lub węglanem amoniaku). Długotrwałe i wielokrotne przemywanie gleby wymienionymi odczynnikami często pozwala na niemal całkowite odbarwienie tej gleby i otrzymanie w filtracie czarnej lub brązowej cieczy, będącej zatem zasadowym roztworem substancji próchnicznych badanej gleby („czarna substancja”). Z uwagi na fakt, że roztwór „czarnej materii” może zawierać w pewnym stopniu także te substancje mineralne gleby, które nie należą bezpośrednio do związków próchnicznych (w postaci bardzo drobnych zawiesin), ww. wspomniana filtracja jest obecnie zwykle przeprowadzana przy użyciu specjalnych filtrów, które mogą całkowicie zatrzymać te zawiesiny (przy użyciu np. Świec glinianych Chamberlant itp.).
Jak wykazały badania, w dalszym ciągu nie da się w ten sposób wyizolować wszystkich związków humusu: niezależnie od tego, jak długo i wielokrotnie będziemy traktować glebę alkaliami węglowymi, w glebie prawie zawsze pozostaje pewna ilość substancji organicznych, których nie da się rozpuścić i wyizolować. gleba. W literaturze istnieją wskazania, że ​​w niektórych glebach pozostaje od 15 do 30, a nawet 40% całkowitej masy substancji organicznych występujących w tych glebach, których nie można poddać dalszym badaniom, co oczywiście wskazuje na niezwykle istotne i istotne znaczenie pilna potrzeba natychmiastowego zbadania tej nieusuwalnej części próchnicy glebowej. Poprzedni badacze nazywali te związki, które nie są rozkładane przez zasady, „obojętnymi” substancjami próchnicy glebowej (humin - ciemniejszy kolor, ulmin, hein itp. - brązowawy).
Proces przemiany części substancji humusowych w glebie w ekstrakt zasadowy, jak omówiliśmy powyżej, był zwykle uważany za powstawanie rozpuszczalnych soli alkalicznych różnych kwasów humusowych.
W tej kwaśnej części próchnicy glebowej dotychczasowi badacze wyróżnili: 1) kwas ulmowy, 2) kwas humusowy, 3) kwas chrzanowy (klucz) i 4) kwas apokrenowy (klucz sedymentacyjny), przy czym uważano, że kwasy ulmowy i humusowy są najmniej utleniona część próchnicy glebowej, tj. stanowią w jej składzie najmłodszą i najbardziej początkową formę rozkładu niektórych związków organicznych biorących udział w jej syntezie; kwas krenowy jest produktem już bardziej utlenionym niż te wymienione powyżej; wreszcie kwas apokrenowy jest substancją jeszcze bardziej utlenioną, charakteryzującą się jeszcze głębszym rozkładem związków organicznych biorących udział w budowie próchnicy glebowej. Każdy z powyższych domniemanych składników próchnicy uznano za specyficzny indywiduum chemiczne i została wyrażona przez różnych autorów w różnych specyficznych wzorach chemicznych.
Powyższe składniki próchnicy glebowej, zdaniem wielu badaczy, posiadają następujące właściwości:
Kwas huminowy (i blisko spokrewniony kwas ulmowy) jest czarny; wyjątkowo słabo rozpuszczalny w wodzie. Jego sole („humaty”) - półtoratlenki, a także sole wapnia, magnezu i tlenku żelaza są również nierozpuszczalne. Rozpuszczalne są tylko jego sole zasadowe (potas, sód, amon).
Kwas krepowy („kluczowy” kwas) – łatwo rozpuszczalny w wodzie; jego wodny roztwór jest bezbarwny. Jego sole („krenaty”) - sole alkaliczne, sole ziem alkalicznych i tlenek żelaza - są łatwo rozpuszczalne. To samo należy powiedzieć o kwaśnych solach tlenku glinu; sole półtoratlenków - średnich, a także manganu i miedzi - są trudno rozpuszczalne w wodzie.
Kwas apokrenowy (kwas „kluczowy osadowy”) jest nieco słabiej rozpuszczalny w wodzie niż kwas kreninowy. Jego sole („apokrenaty”) zasad i tlenku żelazawego są łatwo rozpuszczalne w wodzie; sole zasad ziem alkalicznych są nieco trudniejsze; Sole półtoratlenkowe, sole manganu i miedzi są trudno rozpuszczalne.
Istniejące metody ich oddzielnej produkcji również opierają się na opisanych właściwościach składników próchnicy glebowej.
Ideę humusu jako kompleksu różnych, specyficznych kwasów i ich soli popiera wielu współczesnych badaczy. Zatem Sven-Oden wyróżnia następujące związki w składzie próchnicy glebowej:
Węgle humusowe (odpowiadające ulminowi i huminowi poprzednich autorów). Są to bezwodniki kwasów huminowego i hymatomelanowego. Są nierozpuszczalne w wodzie i nie dają roztworów koloidalnych. Pokryte czarnym lub ciemnobrązowym kolorem.
Kwas humusowy; odpowiada kwasowi huminowemu poprzednich autorów, ze wszystkimi jego właściwościami (bardzo słabo rozpuszczalny w wodzie i alkoholu; wszystkie jego sole, z wyjątkiem alkalicznych, są również nierozpuszczalne; może tworzyć z wodą roztwory koloidalne; kwas ma kolor czarnobrązowy).
Kwas hymatomelanowy; odpowiada kwasowi ulmowemu poprzednich autorów. Brązowy kolor. Jego właściwości są podobne do kwasu huminowego, ale rozpuszczają się w alkoholu. Daje roztwory koloidalne z wodą.
Kwasy fulwowe odpowiadają kwasom krepowym i apokrynowym poprzednich autorów. Łatwo rozpuszczalny w wodzie, podobnie jak większość ich soli. Malowany na żółto.
Zatem Sven-Oden na podstawie swoich badań uznaje, że substancje humusowe w glebie rzeczywiście reprezentują pewne związki chemiczne (kwasy i ich pochodne), ale częściowo, będąc w stanie koloidalnym, mogą również wytwarzać tzw. „związki absorbujące”. ”
Równolegle z próbami poznania samej natury składników tworzących substancję humusową gleby, od dawna trwają aktywne prace badawcze mające na celu wyjaśnienie wewnętrznej struktury tego złożonego kompleksu. Szczególną uwagę zwrócono na kwestię charakteru i siły połączenia z „rdzeniem” próchnicy substancji popiołowych i ich związków azotowych.
Na podstawie niektórych prac można sądzić, że związki organiczne i mineralne tworzące próchnicę glebową to proste i podwójne sole kwasów humusowych, w których substancje popiołowe łączą się z substancjami organicznymi niczym wiązanie zasad z kwasami, spełniając w ten sposób prawa prostego reakcje chemiczne (Schibler, Mulder, Pitch). Z drugiej strony istnieją dowody na to, że substancje popiołowe są zawarte w próchnicy znacznie mocniej i nie można ich z niej całkowicie wydobyć w drodze obróbki konwencjonalnymi metodami, a dopiero po jej całkowitym zniszczeniu (np. przez spalenie). tego nawet od poprzednich autorów. I tak np. Rodzianko po wielokrotnym wytrąceniu próchnicy i potraktowaniu jej 30% kwasem solnym, znalazł w niej jeszcze około 1,5% popiołu. Wszystkie te badania dają podstawy do przypuszczenia, że ​​w cząsteczce samego kompleksu humusowego obecne są substancje mineralne.
Według wielu naukowców (Gustavson) substancja humusowa oprócz kwaśnych pozostałości wodnych zawiera pozostałości alkoholowe, których wodór można zastąpić metalami o słabo kwasowym charakterze (żelazo, aluminium). W popiele substancji humusowej te metale wieloatomowe znajdują się w znacznych ilościach i mogą służyć jako łączniki między resztą mineralnej części związku mineralnego (P2O5, SiO2, częściowo nasycone innymi zasadami) a substancjami organicznymi. Takiego związku nie należy rozkładać alkaliami, ponieważ wodoru z wodnych pozostałości alkoholowych nie można, jak wiadomo, zastąpić rodnikami alkalicznymi.
Ponadto praca Hoppe-Seylera, która wykazała, że ​​substancje humusowe z żrącymi zasadami i wodą po podgrzaniu do 200 ° C dają kwas protokatechinowy (jeden z kwasów dihydroksybenzoesowych), sugeruje, że kompleks humusowy zawiera wodne pozostałości fenolowe (potwierdzone ostatnimi badaniami - F. Fischera).
Reinitzer, zauważywszy zdolność kwasu humusowego do przywracania cieczy Fehlinga, jest skłonny sądzić, że zawiera on również grupę aldehydową lub grupę hydroksylową, jak w fenolu, lub obie te grupy. Istnieją pewne przesłanki wskazujące na obecność grup karboksylowych w kwasie humusowym. Levakovsky, P. Slezkin, S. Kravkov uważają, że w próchnicy połączenie części organicznej i mineralnej jest tak samo silne, jak to istniejące w świeżej materii roślinnej i że próchnica otrzymuje część swoich części popiołu, jakby „odziedziczona” od próchnicy dawny. Z tego punktu widzenia substancje popiołowe próchnicy zawarte są w samej cząsteczce materii organicznej, a kompleks próchniczny przedostaje się do gleby z obumierających resztek roślinnych (i zwierzęcych) w pewnym stopniu w postaci „gotowej”, tj. nie w postaci forma czysto organicznej, ale mineralno-organicznej materii, która niejako później, gdy dostanie się do gleby, kończy swoje ostateczne formowanie, dodając szereg innych pierwiastków popiołu już z gleby. Potwierdzenie tego poglądu znajdujemy w późniejszych pracach B. Odintsova i Gartnera, którzy uzyskali ekstrakty z rozkładających się szczątków roślinnych, które pod względem składu i właściwości były bardzo podobne do próchnicy glebowej.
Wiele badań poświęcono bardziej szczegółowemu pytaniu – w jakiej formie azot występuje w próchnicy glebowej. Istnieją dowody nie pozostawiające wątpliwości, że pierwiastek ten występuje w próchnicy częściowo w postaci związków amoniaku, czego dowodem jest możliwość usunięcia tych związków poprzez gotowanie substancji humusowych z żrącymi zasadami i wielokrotne wytrącanie kwasami. Tenar z silnie zgniłego obornika ekstrahował kwas, który po 10-krotnym rozpuszczeniu w KHO i wytrąceniu kwasem nie spowodował zmniejszenia zawartości azotu; stąd autor doszedł do wniosku, że azot ten nie jest amoniakiem, lecz należy do cząsteczki samego kwasu i może zostać stamtąd wyparty dopiero po całkowitym zniszczeniu substancji, np. po stopieniu z żrącą zasadą itp. Badania przeprowadzone przez szereg inni naukowcy również odnotowali obecność niektórych – mniej dokładnie zbadanych – bardzo silnych związków azotowych. Prace Berthelota i Andre wykazały, że azot w próchnicy glebowej występuje w pewnej części w postaci amidów i aminokwasów. Jednocześnie doświadczenia ostatniego z wymienionych przez nas autorów wykazały, że próchnica glebowa oprócz azotu amidowego i aminokwasowego (i amoniakalnego) zawiera pewną (od 20 do 66% całkowitej ilości azotu) ilość ten pierwiastek w jakiejś formie (co dokładnie pozostaje niejasne), nierozłożony ani przez zasady, ani kwas azotawy. Niektórzy badacze uważają tę silnie azotową część próchnicy za pozostałości substancji pochodzenia zwierzęcego (keratyny, chininy itp.). Nieżyjący już P. Kostychev uważał te substancje azotowe za część żywych bakterii i grzybów żyjących w próchnicy glebowej. Istnieje założenie (Demyanov), że humus zawiera substancje białkowe, ale nie w postaci wolnej (w której są kruche i łatwo rozkładane - zarówno pod wpływem odczynników chemicznych, jak i pod wpływem enzymów), ale w bardziej stabilnym połączeniu z innymi substancjami o charakterze kwaśnym, na przykład z kwasami garbnikowymi i fosforowymi i wreszcie z bezazotowymi kwasami humusowymi lub z odwodnionym zapaleniem naczyń. Istnieją podstawy, aby podejrzewać obecność w próchnicy glebowej azotu, który należy do nuklein, nukleoprotein, lecytyny itp. Obecność białka w próchnicy glebowej potwierdzają prace A. Shmuka.
Sukcesy, jakie chemia koloidów osiągnęła, zwłaszcza w ostatnich latach, nie mogły nie znaleźć odzwierciedlenia w niektórych zasadach gleboznawstwa, a w szczególności nie mogły nie odegrać znaczącej roli w wyjaśnieniu prawdziwej natury substancji humusowych. Prace van Bemmelena, Fischera, Ehrenberga oraz wybitne badania rosyjskiego naukowca K. Gedroitsa dają obecnie możliwość uznania substancji humusowych występujących w glebie jako związków znajdujących się w pewnym stopniu w stanie koloidalnym. To prowadzi nas do badania szeregu szczególnych właściwości, jakie posiadają te substancje. Stąd ich zdolność do koagulacji z roztworów pod wpływem kwasów i soli, mrozu i prądu elektrycznego, silna absorpcja wody i w konsekwencji największa zdolność do pęcznienia, a po wyschnięciu silnego spadku objętości, bardzo słabe przewodnictwo elektrolityczne, podporządkowanie przemianom zachodzącym w substancjach humusowych - prawa napięcia powierzchniowego, a nie stechiometryczne, zdolność substancji humusowych do wytrącania zoli przeciwnie naładowanych koloidów, zdolność do tworzenia złożonych mieszanin i złożonych produktów addycji itp. - wszystko to potwierdza, że ​​w postaci substancji humusowych widzimy złożony kompleks związków, które w niektórych częściach występują w stanie koloidalnym.
Z tego punktu widzenia niektóre z omówionych powyżej właściwości substancji humusowych powinny nam ukazać się w nieco innej formie. Zatem na przykład popiołową część próchnicy należy uważać nie za jakiś konkretny związek chemiczny, ale za „związek pochłaniający”; roztwory substancji humusowych w zasadach nie powinny być roztworami prawdziwymi, lecz pseudorozpuszczalnikami; wytrącające działanie na substancje humusowe kationów dwucyfrowych i trzycyfrowych (Ca++, Mg++, Al+++, Fe+++) – jako proces koagulacji, koagulacji, tworzenie się żeli itp. Według W. Gemmerlinga dyspersja substancji humusowych wzrasta wraz ze stopniem ich utlenienia i równolegle z ich aktywnością. Z tego punktu widzenia V. Gemmerling za ciała najmniej rozproszone uważa humin i ulmin, a za najbardziej rozproszone kwasy krepinowy i apokretowy.
W pracach Baumanna i Gully’ego powyższe poglądy van Bemmelena i innych znalazły jednak skrajny wyraz; wspomniani autorzy starali się wykazać, że kwasy huminowe w ogóle nie tworzą prawdziwych soli, że wszystkie związki, które określano mianem soli, tak naprawdę nie mają ani stałego składu, ani zdolności do wchodzenia w reakcje jonowe, a są one wyłącznie „absorpcją (adsorpcją) związki.” Obecnie pogląd ten należy uznać za przesadny, gdyż jak wskazaliśmy powyżej, jedynie część substancji humusowych występuje w glebie w stanie koloidalnym; ponadto należy zauważyć, że koloidalny stan materii wcale nie wyklucza zdolności substancji do wchodzenia w reakcje chemiczne.
Na podstawie szeregu późniejszych badań należy wierzyć, że żaden z powyższych „kwasów” nie reprezentuje konkretnej jednostki chemicznej, ale rozpatrywany indywidualnie jest złożonym kompleksem różnych związków. Z tego punktu widzenia istniejące metody rozdziału próchnicy glebowej na ww. składniki należy uznać za warunkowe, rozumiejąc słowa kwasy „huminowy”, „krepowy” i „apokrenowy” jedynie jako zbiór kompleksów jednorodnych pod względem fizycznym i fizycznym. właściwości chemiczne.
Mamy na to dowody od poprzednich autorów (Post, Muller, Reinitze, Berthelot i in.), którzy stwierdzili, że w organicznej części gleb występuje szereg bardzo różnorodnych związków organicznych (żywice i tłuszcze, gliceryna, nukleiny, aldehydy, i wiele innych. ); Jednakże stanowisko to zyskało szczególnie mocne uzasadnienie po pracach amerykańskich naukowców (Schreiner i Shorey itp.). Ten ostatni, w celu zbadania składu i właściwości związków próchnicznych, zastosował szereg bardzo różnorodnych odczynników do różnych gleb amerykańskich, aby wydobyć z gleb najróżniejsze grupy związków organicznych, jakie można było znaleźć w próchnicy tych gleb . Jako rozpuszczalniki stosowali w tym celu zasady, kwasy mineralne, alkohol, eter naftowy, eter etylowy itp. Aby pokazać, jak różnorodne grupy związków organicznych udało się badaczom amerykańskim stwierdzić w składzie części organicznej gleb, przedstawiamy ich listę (ograniczymy się tylko do najważniejszych przedstawicieli).
Stwierdzono kwasy: monooksystearynowy, dioksystearynowy, parafinowy, lignocerynowy, agrocerynowy, szczawiowy, bursztynowy, krotonowy i inne.
Znaleziono następujące węglowodany: pentozany, heksoza itp.
Z węglowodorów: entriakontan.
Z alkoholi: fitosterol (z grupy substancji cholesterolowych), agrosterol, mannitol itp.
Z estrów: estry kwasów żywicznych, glicerydy kwasów kaprynowego i oleinowego itp.
Z substancji azotowych: trimetyloamina, cholina.
Diaminokwasy: lizyna, arginina, histydyna itp.
Cytozyna, ksantyna, hipoksantyna, kreatyna.
Kwasy pikolinokarboksylowe i nukleinowe.
Oprócz wymienionych związków, w wielu glebach wyizolowano kwas benzoesowy, wanilinę i wiele innych. itp.
Spośród wszystkich wymienionych substancji dominował kwas humusowy (tj. W osadzie powstałym podczas obróbki ekstraktu zasadowego kwasem solnym); estry kwasów żywicznych, kwasów żywicznych, glicerydów kwasów tłuszczowych, agrosterolu, fitosterolu, kwasu agrocerynowego, lignocerynowego, parafinowego itp.; w składzie kwasu krenowego i apokrynowego (tj. w kwaśnym filtracie z ww. osadu) stwierdzono: pentozany, ksantynę, hipoksantynę, cytozynę, histydynę, argininę, kwas dihydroksystearynowy, pikolinokarboksylowy itp.
Warto zauważyć, że po wielokrotnym traktowaniu gleb zasadą żrącą (2%) nadal pozostawała znaczna ilość niektórych związków organicznych, które nie uległy rozpuszczeniu („humin” i „ulmin” poprzednich autorów).
Oczywiście nie ma już wątpliwości, że tak zwane kwasy humusowy, krepowy i apokrenowy nie reprezentują żadnych konkretnych jednostek chemicznych, ale każdy z osobna jest mieszaniną różnych związków organicznych. Przytoczone powyżej prace badaczy amerykańskich w żaden sposób nie rozwiązują jednak problemu związanego z wyjaśnieniem składu próchnicy, gdyż nie jest jasne, czy oznaczyli oni wszystkie wymienione substancje w części organicznej badanych gleb w ogóle, czy też konkretnie w humusowa część ich składu (pamiętaj o rozróżnieniu tych dwóch pojęć, które zrobiliśmy powyżej). Musimy raczej założyć, że wszystkie związki organiczne wyizolowane powyżej z gleb są składnikami ogólnej organicznej części gleb; ale które z nich wchodzą w skład próchnicy glebowej, pozostaje niejasne. Sam fakt występowania w glebach wszystkich związków organicznych wchodzących w skład pozostałości roślinnych i zwierzęcych, a także obecność w nich różnych pośrednich form rozkładu tych związków nie może oczywiście budzić wątpliwości. Dlatego badania amerykańskich naukowców raczej nie posuwają nas do przodu w rozwiązaniu kwestii składu i właściwości organicznej i mineralnej formacji glebowej, którą nazywamy humusem. W najlepszym wypadku dają nam dodatkowy argument - podejrzewać złożoność chemiczną i różnorodność kompleksów, które tradycyjnie łączymy ze słowami „humusowy”, „krepowy” itp. kwasy.
Biorąc pod uwagę fakt, że nie wynaleziono jeszcze metod, za pomocą których moglibyśmy wyizolować substancje humusowe z gleby w czystej postaci i w ten sposób je zindywidualizować, przedstawione przez nas rozważania można w większym lub mniejszym stopniu zastosować do wszystkich innych badań i pracy, którzy w ten czy inny sposób starają się rozszyfrować skład i właściwości próchnicy glebowej, próbując ją odizolować od gleby, ponieważ nigdy nie możemy być pewni, czy rzeczywiście mamy do czynienia z substancjami humusowymi w glebie, czy też mamy do czynienia jedynie z różnymi reliktami tych związków organicznych, które wchodziły w skład martwych szczątków roślinnych i zwierzęcych i które musimy uznać za związki przejściowe ogólnie organicznej części tej gleby.
Nie bez powodu zakłada się, czy wszystkie oznaczane tą metodą związki organiczne są swego rodzaju nowymi formacjami, powstałymi w samym procesie traktowania badanych gleb określonymi odczynnikami (zasadami, alkoholami itp.). Na koniec nie sposób nie zauważyć, że skład próchnicy na różnych glebach jest oczywiście bardzo różny (w zależności od składu obumierającej roślinności, warunków klimatycznych, składu fizycznego, mechanicznego i chemicznego części mineralnej gleba itp.). Dlatego też chęć poznania składu i właściwości próchnicy glebowej w sposób wspomniany powyżej niewątpliwie napotyka wiele trudności, dając nam w każdym indywidualnym przypadku warunkowe częściowe wyobrażenie o uzyskanych danych.
Wszystkie wyrażone obecnie rozważania można w dużym stopniu zastosować, jak wskazaliśmy powyżej, do najnowszych prób podjętych ostatnio przez wielu badaczy w dziedzinie znalezienia metod izolacji substancji humusowych z masy glebowej. Szczególną uwagę zwraca się obecnie na metodę izolacji substancji humusowych z gleby poprzez traktowanie jej bromkiem acetylu (CH3COOBr) – metodę zaproponowaną przez Karrera i Boding-Wiegera, a szeroko stosowaną przez Springera. Bromek acetylu, jak wykazały odpowiednie badania, przenosi do roztworu wszystkie substancje organiczne gleby z jeszcze niehufionych resztek roślinnych i prawie nie wpływa na substancje humusowe gleby, co wydaje się otwierać szerokie możliwości dla późniejszych bezpośrednich badań i analiza tych ostatnich. Jednak metoda ta jest nadal zbyt mało zbadana i przetestowana, dlatego na razie musimy powstrzymać się od jakichkolwiek ostatecznych ocen. Tym bardziej aktualne jest to, co zostało powiedziane w odniesieniu do innych niedawnych prób izolowania substancji humusowych z gleby – do metod na przykład traktowania gleby nadtlenkiem wodoru, pirydyną itp. Wszystkie te metody należy uznać za warunkowe i kontrowersyjne, jak omówiona powyżej metoda zastosowana przez Schreinera i Shoreya, w wyniku której wszystkie rozważania i ustalenia przedstawionych przez wspomnianych badaczy na temat składu i właściwości substancji humusowych w glebie budzą szereg nierozstrzygalnych wątpliwości.
W związku z tym nie uważamy za możliwe przedstawienie w niniejszym wykładzie wszystkich poglądów wymienionych autorów na zagadnienia składu, struktury i właściwości substancji humusowych, jako opartych na nierzetelnych i warunkowych podstawach.
Od dłuższego czasu podejmuje się próby zastosowania innej metody do oceny składu i właściwości substancji humusowych, a mianowicie metody syntetycznej, a właściwie metody genetycznej, czyli metody sztucznego pozyskiwania substancji humusowych (z wszystkimi ich charakterystyczne właściwości) od pewnych osobników chemicznych wraz ze szczegółowym badaniem wszystkich etapów pośrednich, przez które te osobniki przechodzą na swojej ścieżce. Należy uznać ścieżkę badań genetycznych próchnicy za niewątpliwie bardziej owocną i zdolną szybko dać klucz do rozwiązania pytań związanych z pochodzeniem, składem i właściwościami tego złożonego kompleksu.
W ten sposób można zastosować dwie metody: lub spróbować sztucznie uzyskać związki podobne do substancji humusowych, traktując tym lub innym odczynnikiem różne związki organiczne występujące najczęściej w organizmie rośliny. Ścieżkę tę szeroko stosowano w pracach poprzednich badaczy (szczególnie wiele takich eksperymentów przeprowadzono z węglowodanami, traktując je mocnymi kwasami mineralnymi). Lub, aby uniknąć stosowania takich „gwałtownych” metod humifikacji badanych obiektów, można zastosować inną metodę, a mianowicie: umieszczenie określonych jednostek chemicznych (białka, węglowodany itp.) i ich kombinacji w różnych warunkach ich rozkładu (w różnych temperaturach, w różnych warunkach napowietrzania i nawilżania, z udziałem czynników biologicznych lub bez nich itp.), spróbuj zbadać, który z badanych obiektów i w jakich warunkach może zostać przekształcony w substancje podobne do próchnicy, a które nie mogą , a badając etapy pośrednie, przez które te obiekty przechodzą na drodze do ostatecznego powstania próchnicy, starają się wniknąć w samą istotę przemian chemicznych zachodzących w tym procesie. Musimy uznać tę ścieżkę za bardziej naturalną i produktywną.
Pierwsze ogólne pytanie, które wynika z tak sformułowanego interesującego nas problemu, jest następujące: jakie konkretne składniki obumierających pozostałości roślinnych i zwierzęcych biorą bezpośredni udział w budowie próchnicy? Innymi słowy: który z tych składników należy uznać za „pierwotne źródła” składu materiałowego próchnicy? Niektórzy badacze opierając się na teoretycznych przesłankach, że w tworzeniu próchnicy powinny brać udział tylko te części roślin (i zwierząt), które mają porównywalną odporność i wytrzymałość w procesach rozkładu, przyjmują założenie, że głównym źródłem powstawania próchnicy jest włókno , substancje inkrustujące, lignina, guma, garbniki itp. Inne składniki pozostałości roślinnych (białka itp.) podczas procesów rozkładu rozkładają się w glebie tak łatwo i szybko do produktów końcowych (CO2, H2O itp.), że według badaczy, nie mogą one zostać związane z masą gleby i tym samym nie mogą brać udziału w syntezie silnego i stabilnego kompleksu, jakim jest humus. Inni badacze prezentują inny punkt widzenia, w pewnym stopniu odwrotny do tego, co właśnie stwierdzono, a mianowicie, że w procesie powstawania próchnicy glebowej najbardziej mobilne, a zwłaszcza rozpuszczalne w wodzie produkty rozkładu umierających substancji organicznych pozostałości odgrywają bezpośrednią i bezpośrednią rolę (Levakovsky, Hoppe-Seyler, Slezkine, Kravkov).
Na podstawie prac tych badaczy można zauważyć, że woda atmosferyczna, nawet ze świeżych, czyli resztek roślinnych, które nie zostały jeszcze poddane żadnym procesom rozkładu, jest w stanie wypłukać całą gamę związków organicznych i popiołowych, które następnie pod wpływem różnych czynników fizyczno-chemicznych i biochemicznych potrafią zamienić się w ciemne, przypominające humus substancje. Proces ten zachodzi oczywiście na jeszcze bardziej dramatyczną skalę w przypadku, gdy woda musi zadziałać na martwe szczątki roślin, które przeszły już pewne etapy rozkładu (przypadek, z którym trzeba sobie radzić głównie w warunkach naturalnych).
Powinniśmy teraz rozważyć przedstawione powyżej sprzeczne sądy dotyczące pierwotnych źródeł składu materialnego próchnicy glebowej, które utraciły ostrość. W dzisiejszych czasach nie ma już wątpliwości, że związki całkowicie organiczne, zanim zamienią się w humus, niewątpliwie muszą najpierw przejść przez fazę ciekłą. A ponieważ nie ma absolutnie stabilnych i absolutnie niezmiennych związków organicznych i wszystkie z nich pod wpływem czynników czysto chemicznych lub biochemicznych mogą ulegać różnym przemianom, m.in. w kierunku zwiększenia ich mobilności i rozpuszczalności (nawet lignina, żywice i garbniki) , wówczas należy uznać, że wszystkie związki organiczne wchodzące w skład pozostałości roślinnych i zwierzęcych mogą brać udział w budowie rdzenia próchnicznego masy glebowej. Pytanie sprowadza się jedynie do wyjaśnienia udziału każdego ze związków organicznych w procesie budowy tego jądra, a co najważniejsze, do wyjaśnienia tych złożonych oddziaływań chemicznych, fizykochemicznych i biochemicznych, jakie zachodzą pomiędzy związkami organicznymi a substancją mineralną glebę, innymi słowy, do badania tych złożonych zjawisk, które towarzyszą samemu procesowi powstawania kompleksu organiczno-mineralnego, ciała glebowego.

Szeroko zakrojone badania w tych obszarach przeprowadził w naszym laboratorium A. Trusov. Poddając różne związki organiczne – często na bardzo długi okres czasu – różnym warunkom rozkładu, wspomniany autor na podstawie swoich eksperymentów doszedł do następujących głównych wniosków:
1. Węglowodany (błonnik, hemiceluloza, skrobia, sacharoza, glukoza i lewuloza) najwyraźniej nie biorą udziału w tworzeniu substancji humusowych.
2. Oleje biorą w tej syntezie jedynie bardzo ograniczony udział.
3. Kwasy organiczne, guma i korek również nie mogą być klasyfikowane jako czynniki humusotwórcze.
4. Głównymi „dostawcami” substancji humusowych w glebie są białka, garbniki, substancje inkrustujące (lignina) i różne związki polifenolowe (hydrochinon, orcyna, pirogalol itp.).
5. Substancje białkowe na drodze humifikacji ulegają przede wszystkim rozkładowi hydrolitycznemu; Następnie następuje utlenianie i kondensacja produktów tej hydrolizy. Z tych produktów hydrolitycznego rozkładu białek powstają związki pirolu i benzenu, z których powstają substancje humusowe, a z tych ostatnich głównie te zawierające grupę fenolową, np.: indol, skatol, prolina, tryptofan, fenyloalanina, tyrozyna itp. Wynikiem są skondensowane, zabarwione na czarno i brązowo produkty kolorowe o charakterze oksychinonów.
6. Humifikacja ligniny (substancji inkrustujących) następuje ze względu na zawarte w niej grupy fenolowe i chinonowe. Otrzymuje się różne produkty zagęszczone – ponownie o charakterze oksychinonów.
7. Humifikacja garbników – poprzez kwas galusowy, powstająca w wyniku hydrolizy tych substancji, następuje ponownie, aż do powstania zwartych produktów o charakterze oksychinonów; ponadto otrzymuje się kwas tannomelanowy, pirogalol, purpurogalinę itp.
8. Mniej więcej te same produkty otrzymuje się w wyniku humifikacji związków polifenolowych zawartych w pozostałościach roślinnych.
Humifikacja wszystkich powyższych związków organicznych zachodzi w glebie pod wpływem różnorodnych czynników zarówno biologicznych, jak i chemicznych.
Podsumowując wszystkie procesy humifikacji w ramach jednego ogólnego schematu, można zatem powiedzieć, że pierwszym etapem tych procesów jest hydrolityczny rozkład różnych związków węgla, czyli rozkład złożonego łańcucha węglowego na prostsze części.
Drugi etap powstawania substancji humusowych wyraża się w gwałtownej utracie wody i zjawiskach wewnętrznego zagęszczenia.
Jak widzimy, A. Trusow narysował jedynie ogólny schemat interesujących nas procesów. Ostatnio syntetyczny (genetyczny) sposób badania substancji humusowych w glebie został szeroko zastosowany przez amerykańskiego badacza Waksmana.
Wychodząc z założenia, że ​​różne związki organiczne wchodzące w skład martwych szczątków roślinnych i zwierzęcych charakteryzują się różnym stopniem odporności na niszczycielskie działanie drobnoustrojów oraz różnym stopniem ich mobilności chemicznej i reaktywności, a co za tym idzie różnym stopniem ewentualnego udziału w syntezie tego stosunkowo stabilnego kompleksu, jakim jest próchnica glebowa, Waksman po opracowaniu odpowiedniej metodologii dzieli wszystkie związki organiczne występujące w materii roślinnej na szereg frakcji, które łączą pewne wspólne właściwości.
1. Jeśli tę lub inną substancję roślinną (torf itp.) Poddaje się najpierw ekstrakcji eterem, wówczas przechodzi ona do roztworu; olejki eteryczne i tłuszczowe, część substancji woskowatych, żywicznych itp. Tę grupę związków należy charakteryzować jako posiadającą dużą odporność na rozkładające działanie mikroorganizmów i jako taka może brać udział w nieco zmodyfikowanej formie w tworzeniu tego stosunkowo silnego kompleksu, jakim jest próchnica glebowa.
2. Oddziałując na pozostałość, po potraktowaniu jej eterem, wodą (najpierw zimną, potem gorącą), sprzyjamy przejściu do roztworu różnych cukrów (glukozy, mannozy, pentozy itp.), aminokwasów, niektórych rozpuszczalnych białek, niektórych kwasy organiczne (winowy, octowy, arabski, malonowy itp.), alkohole (mannitol itp.), pewna ilość skrobi, garbniki itp. Ta grupa substancji, z wyjątkiem garbników, przeciwnie, może być charakteryzuje się jako bardzo łatwo rozkładający się pod wpływem mikroorganizmów (bakterii i grzybów), dlatego szybko ulegając zniszczeniu w glebie, nie stanowi bezpośredniego źródła budowy kompleksu próchnicznego.
3. Dalej działając na pozostałą część analizowanej substancji wrzącym alkoholem o temperaturze 95°, do roztworu przenosimy trochę żywic i wosków, alkaloidy, chlorofil i inne pigmenty, garbniki, cholinę, wyższe alkohole (inozytol) itp. Całość tej frakcji należy scharakteryzować jako charakteryzujący się dużą stabilnością i odpornością na rozkładające działanie mikroorganizmów, w związku z czym może jako taki, w nieco zmodyfikowanej formie, wchodzić w skład próchnicy glebowej.
4. Traktując pozostałość po poprzedniej obróbce rozcieńczonymi wrzącymi kwasami (np. 2% HCl), sprzyjamy przejściu hemicelulozy („fałszywego” błonnika) do roztworu, który podczas tej operacji ulega hydrolizie, tj. zamienia się w prosty węglowodany Hemicelulozy to. Jak wiadomo zarówno heksozy, jak i pentozy są bezwodnikami (pochodne tych ostatnich, tzw. pentozany, są bardzo powszechne w organizmie rośliny).
Traktując pozostałość z poprzedniej operacji stężonymi kwasami (80% H2SO4 i 42% HCl), przenosimy do roztworu celulozę („prawdziwy” błonnik) – złożony bezwodnik glukozy.
Zarówno celuloza, jak i hemicelulozy są jednymi z najważniejszych składników suchej masy resztek roślinnych.
Choć z chemicznego punktu widzenia obie wymienione grupy związków organicznych należy więc charakteryzować jako związki bardzo mocne i stabilne, to jednak pod wpływem działania specjalnych mikroorganizmów wydzielających enzymy hydrolizujące ulegają one dość szybkiemu i całkowitemu rozkładowi w glebie , co powoduje, że ich obecność w składzie próchnicy glebowej jest bardzo wątpliwa.
5. Pozostałość wszystkich poprzednich operacji daje nam możliwość oznaczenia tzw. ligniny (substancji inkrustujących, które są niezbędnym składnikiem ścian komórkowych roślin). Charakter chemiczny ligniny jest niejasny. Koncepcja ta ma charakter złożony, obejmujący kompleks różnych związków, które nie ulegają hydrolizie nawet pod wpływem tak stężonych kwasów jak wspomniany 80% H2SO4 i 42% HCl. Jego duża odporność na niszczycielskie działanie drobnoustrojów daje prawo uważać go za jeden z powszechnych składników próchnicy glebowej.
6. Grupa związków zawierających azot odgrywa niezwykle ważną rolę w życiu roślin i zwierząt, będąc integralną częścią plazmy komórkowej. Grupa ta jest liczna i zróżnicowana pod względem właściwości. Niektóre z tych związków są rozpuszczalne w wodzie (patrz wyżej: rozpuszczalne białka, aminokwasy itp.); druga część łatwo ulega hydrolizie pod wpływem wrzących rozcieńczonych kwasów (samych białek), a następnie tworzy związki rozpuszczalne w wodzie; trzecia część ulega hydrolizie dopiero pod wpływem stężonych kwasów itp.
Z tego punktu widzenia grupę azotowych związków organicznych należy uznać za bardzo różniącą się stopniem stabilności i rozkładu poszczególnych jej przedstawicieli, a co za tym idzie stopniem udziału w tworzeniu kompleksu próchnicznego.
Oprócz wspomnianych powyżej różnych związków organicznych, w składzie ciała umierających roślin i zwierząt zawsze obserwujemy różne ilości różnorodnych substancji mineralnych (popiołu). Wszystkie te różnorodne związki, przedostając się w procesie powstawania gleby do różnych poziomów zwietrzałych skał, spotykają różne losy: niektóre z nich, stając się własnością drobnoustrojów, szybko ulegają rozkładowi i rozkładowi, inne ulegają szeregowi złożonych zjawisk interakcji z składniki mineralne gleby, których jednym z następstw jest stosunkowo stabilny i trwały kompleks organo-mineralny, zwany humusem. Te zjawiska interakcji są złożone i różnorodne: zachodzą tu reakcje czysto chemiczne pomiędzy składnikami skały zwietrzałej a rozpuszczalnymi produktami rozkładu pozostałości organicznych, które ulegają systematycznemu wypłukiwaniu z nich przez opady atmosferyczne, oraz zjawiska mikrobiologiczne polegające na różnorodnych procesach rozkład związków organicznych i uproszczenie ich składu, a z drugiej strony odwrotna synteza powstałych produktów w organizmie mikroorganizmów w procesie ich odżywiania z utworzeniem nowych złożonych substancji organicznych, i wreszcie zjawiska fizykochemiczne związane z stan koloidalny substancji oddziałujących i prowadzący do powstania w glebie specjalnych „związków adsorpcyjnych”
Wychodząc z faktu, że spośród wszystkich związków organicznych tworzących pozostałości roślinne, lignina wykazuje największą odporność na rozkładające działanie drobnoustrojów; z drugiej strony stwierdzając, że w procesie rozkładu tych pozostałości następuje akumulacja kompleksów białkowych (i innych azotowych), a ponadto, że we wszystkich analizowanych przez autora glebach wymienione substancje stanowiły aż do 80% całkowitej masy organicznej tych gleb itp., - Waksman przyjmuje, że próchnica glebowa składa się z podstawowego i złożonego kompleksu - rdzenia, w skład którego wchodzą frakcje głównie ligniny i białka, które są w ścisłym związku chemicznym z nawzajem.
temu głównemu rdzeniowi towarzyszy szereg innych substancji, które albo pozostały z rozkładu szczątków roślinnych i zwierzęcych, albo zostały zsyntetyzowane w wyniku żywotnej aktywności mikroorganizmów.
Wśród tych drobnych składników próchnicy glebowej znajdują się tłuszcze i woski, hemicelulozy, wyższe alkohole, kwasy organiczne itp. W wymienionych glebach analizowanych przez Waksmana materia organiczna zawiera właściwie tylko około 16% węglowodanów nierozpuszczalnych w wodzie (celuloza, hemiceluloza itp.) i tylko 2,5-3% substancji rozpuszczalnych w eterze i alkoholu, podczas gdy suma białka i ligniny stanowiła aż do 80% całkowitej materii organicznej tych gleb.
Biorąc pod uwagę, że frakcja białkowa przedostająca się do gleby wraz z pozostałościami roślinnymi i zwierzęcymi, a także powstająca w niej podczas syntezy działalności drobnoustrojów, może różnić się składem chemicznym, a grupa ligninowa może również stanowić kompleks związków różniących się od siebie znacznie od siebie, jasne jest, że wewnętrzna budowa rdzenia lignino-białkowego w różnych glebach powstałych i rozwijających się w różnych warunkach może znacznie się między sobą różnić.
Waksmanowi udało się sztucznie zsyntetyzować ten kompleks lignina-białko w warunkach laboratoryjnych. Ten ostatni okazał się, pod względem całkowitej sumy swoich właściwości, znacznie odmienny od właściwości poszczególnych składników wchodzących w jego skład – ligniny i białka – a jednocześnie uzyskał wszystkie te właściwości chemiczne, fizykochemiczne i biologiczne, które za charakterystyczne dla próchnicy (lub, ściślej mówiąc, dla tej jej części, która nazywa się kwasem huminowym) uważa się: rozpuszczalność w zasadach i późniejsze wytrącanie kwasami, ciemną barwę, odporność na rozkładające działanie drobnoustrojów (substancji białkowych, zwykle łatwo podatne na rozkładowe działanie mikroorganizmów, w wyniku ich interakcji z ligniną uzyskują, jak się okazało, większą stabilność).
Waksmanowi udało się ponadto otrzymać sztuczne związki kompleksu „lignina-białko” z różnymi zasadami (Ca, Mg, Fe, Al), ponadto stosując metody podobne do tych, które zwykle stosuje się do otrzymywania różnych soli kwasu humusowego; Badania te, wraz z ich dalszym rozwojem, mogą wnieść pewną jasność w wiedzę na temat związku istniejącego pomiędzy rdzeniem organicznym a elementami popiołowymi próchnicy glebowej. Przy okazji odkryto, że kompleks lignina-białko ma

WYKŁAD 9

Powstawanie i rozkład substancji organicznych.

(Fotosynteza, oddychanie, transpiracja)

Rozważmy bardziej szczegółowo procesy akumulacji energii słonecznej podczas tworzenia substancji organicznych i jej rozpraszania podczas niszczenia tych substancji. Życie na Ziemi uzależnione jest od przepływu energii powstałej w wyniku reakcji termojądrowych zachodzących w głębi Słońca. Około 1% energii słonecznej docierającej do Ziemi jest przekształcane przez komórki roślinne (i niektóre bakterie) w energię chemiczną syntetyzowanych węglowodanów.

Tworzenie substancji organicznych pod wpływem światła zwana fotosyntezą (gr. Światło, połączenie) Fotosynteza to akumulacja części energii słonecznej poprzez zamianę jej energii potencjalnej na wiązania chemiczne substancji organicznych.

Fotosynteza- niezbędne połączenie przyrody żywej i nieożywionej. Bez dopływu energii ze Słońca życie na naszej planecie, podlegające drugiej zasadzie termodynamiki, ustałoby na zawsze. Stosunkowo niedawno (koniec XVIII w.) odkryto, że w substancjach organicznych powstających podczas fotosyntezy stosunek węgla, wodoru i tlenu jest taki, że na 1 atom węgla przypada niejako 1 cząsteczka wody (stąd nazwa cukrów - węglowodany). Uważano, że węglowodany powstają z węgla i wody, a tlen wydziela się z CO2. Później angielski lekarz Cornelius van Niel, badając bakterie fotosyntetyzujące, wykazał, że w wyniku fotosyntezy bakterie siarkowe wytwarzają raczej siarkę niż tlen:

Zasugerował, że podczas fotosyntezy rozkłada się nie CO 2, ale woda i zaproponował następujące sumaryczne równanie fotosyntezy:

W przypadku alg i roślin zielonych H 2 A to woda (H 2 O). W przypadku fioletowych bakterii siarkowych H 2 A to siarkowodór. W przypadku innych bakterii może to być wolny wodór lub inna substancja ulegająca utlenieniu.

Pomysł ten został potwierdzony eksperymentalnie w latach 30. XX wieku przy użyciu ciężkiego izotopu tlenu (18 O).

W przypadku glonów i roślin zielonych ogólne równanie fotosyntezy zaczęto zapisywać w następujący sposób:

Węglowodany syntetyzowane przez rośliny (glukoza, sacharoza, skrobia itp.) są głównym źródłem energii dla większości organizmów heterotroficznych zamieszkujących naszą planetę. Rozkład materii organicznej zachodzi podczas procesu metabolizmu (gr. zmiany) w żywych komórkach.

Metabolizm to zespół reakcji biochemicznych i przemian energetycznych w żywych komórkach, którym towarzyszy wymiana substancji pomiędzy organizmem a środowiskiem.

Suma reakcji prowadzących do rozpadu lub degradacji cząsteczek i wyzwolenia energii nazywa się katabolizm i prowadzące do powstania nowych cząsteczek – anabolizm.

Transformacje energetyczne w żywych komórkach zachodzą poprzez przenoszenie elektronów z jednego poziomu na drugi lub z jednego atomu lub cząsteczki na drugi. Energia węglowodanów uwalniana jest w procesach metabolicznych podczas oddychania organizmów.

Oddychanie to proces, w którym energia uwalniana w wyniku rozkładu węglowodanów jest przekazywana do wszechstronnej cząsteczki przenoszącej energię, adenozynotrifosforanu (ATP), gdzie jest magazynowana w postaci wysokoenergetycznych wiązań fosforanowych.

Przykładowo, podczas rozkładu 1 mola glukozy uwalniane jest 686 kcal darmowej energii (1 kcal = 4,18t10 J). Gdyby ta energia została szybko uwolniona, większość zostałaby rozproszona w postaci ciepła. Nie byłoby to korzystne dla komórki, ale doprowadziłoby do śmiertelnego wzrostu jej temperatury. Jednak żywe organizmy mają złożone mechanizmy regulujące liczne reakcje chemiczne, dzięki czemu energia jest magazynowana w wiązaniach chemicznych, a następnie może być stopniowo uwalniana w razie potrzeby. U ssaków, ptaków i niektórych innych kręgowców ciepło wydzielane podczas oddychania jest zachowywane, dlatego temperatura ich ciała jest wyższa niż temperatura otoczenia. Rośliny oddychają powoli, więc wydzielane ciepło zwykle nie ma wpływu na temperaturę rośliny. Oddychanie może zachodzić zarówno w warunkach tlenowych (w obecności tlenu), jak i beztlenowych (beztlenowych).

Oddychanie aerobowe- proces odwrotny do fotosyntezy, tj. zsyntetyzowana materia organiczna (C 6 H 12 O 6) ulega ponownemu rozkładowi z utworzeniem CO 2 i H 2 O z uwolnieniem energii potencjalnej Q zgromadzonej w tej substancji potu:

Jednakże w przypadku braku tlenu proces może nie zostać ukończony. W wyniku takiego niepełnego oddychania powstają substancje organiczne, które zawierają jeszcze pewną ilość energii, która może być później wykorzystana przez inne organizmy do innych rodzajów oddychania.

Oddychanie beztlenowe przebiega bez udziału gazowego tlenu. Akceptorem elektronów nie jest tlen, ale inna substancja, na przykład kwas octowy:

rezerwa energii q 1 i może być wykorzystana jako paliwo lub samoistnie utlenia się i zapala w naturze zgodnie z reakcją:

Oddychanie beztlenowe jest dla wielu osób podstawą życia saprotrofy(bakterie, drożdże, pleśnie, pierwotniaki), ale można je również znaleźć w tkankach zwierząt wyższych.

Fermentacja- jest to oddychanie beztlenowe, w którym sama materia organiczna służy jako akceptor elektronów:

		i powstały alkohol również zawiera

pewna ilość energii q 2, którą mogą wykorzystać inne organizmy:

Rozkład może być wynikiem nie tylko procesów biotycznych, ale także abiotycznych. Na przykład pożary stepów i lasów wyrzucają do atmosfery duże ilości CO 2 i innych gazów, a minerały do ​​gleby. Stanowią ważny, a czasem wręcz niezbędny proces w ekosystemach, w których warunki fizyczne sprawiają, że mikroorganizmy nie mają czasu na rozkład powstałych pozostałości organicznych. Ale ostateczny rozkład martwych roślin i zwierząt przeprowadzany jest głównie przez mikroorganizmy heterotroficzne - rozkładacze, których przykłady są szeroko rozpowszechnione w ściekach i wodach naturalnych bakterie saprofityczne. Rozkład materii organicznej jest wynikiem pozyskania niezbędnych pierwiastków chemicznych i energii w procesie przetwarzania pożywienia wewnątrz komórek ich ciał. Jeśli te procesy ustaną, w martwych szczątkach zostaną związane wszystkie elementy biogenne i dalsze życie stanie się niemożliwe. Kompleks niszczycieli w biosferze składa się z ogromnej liczby gatunków, które działając sekwencyjnie, dokonują rozkładu substancji organicznych na mineralne. Procesy powstawania substancji organicznych i ich rozkładu nazywane są procesami produkty(łac. kreacja, produkcja) i zniszczenie(łac. zniszczenie). Równowaga produktywno-niszcząca w biosferze jako całości w nowoczesnych warunkach jest pozytywna. Wynika to z faktu, że nie wszystkie części martwych roślin i zwierząt ulegają zniszczeniu w tym samym tempie. Tłuszcze, cukry i białka rozkładają się dość szybko, ale drewno (włókno, lignina), chityna i kości rozkładają się bardzo wolno. Najbardziej stabilnym produktem pośrednim rozkładu materii organicznej jest humus (łac. gleba, próchnica), których dalsza mineralizacja jest bardzo powolna. Powolny rozkład próchnicy jest jedną z przyczyn opóźnienia zniszczenia w porównaniu do produktów. Z chemicznego punktu widzenia substancje humusowe są produktami kondensacji (łac. - akumulacja, zagęszczanie) związków aromatycznych (fenoli, benzenów itp.) z produktami rozkładu białek i polisacharydów. ich rozkład najwyraźniej wymaga specjalnych enzymów, których często nie ma w glebie i saprotrofach wodnych.

Zatem rozkład pozostałości organicznych jest długim, wieloetapowym i złożonym procesem, który kontroluje kilka ważnych funkcji ekosystemu: powrót składników odżywczych do obiegu i energii do systemu; przemiana substancji obojętnych powierzchni ziemi; tworzenie nieszkodliwych złożonych związków substancji toksycznych; utrzymanie składu atmosfery niezbędnego do życia Azrobów. Dla całej biosfery ogromne znaczenie ma opóźnienie między procesami rozkładu substancji organicznych a procesami ich syntezy przez rośliny zielone. To właśnie to opóźnienie spowodowało nagromadzenie paliw kopalnych w wnętrznościach planety i tlenu w atmosferze. Zachodzący w biosferze dodatni bilans procesów produkcyjnych i niszczących zapewnia życie organizmom tlenowym, w tym człowiekowi.

Podstawowe wzorce zużycia wody rośliny.

Transpiracja to proces parowania wody przez naziemne części roślin.

Jedną z głównych funkcji fizjologicznych każdego organizmu jest utrzymanie wystarczającego poziomu wody w organizmie. W procesie ewolucji organizmy wykształciły różne przystosowania do pozyskiwania i ekonomicznego wykorzystania wody, a także do przetrwania okresów suchych. Niektóre zwierzęta pustynne pozyskują wodę z pożywienia, inne poprzez utlenianie terminowo zmagazynowanych tłuszczów (na przykład wielbłąd, który w wyniku biologicznego utleniania jest w stanie uzyskać 107 g wody metabolicznej ze 100 g tłuszczu). Jednocześnie mają minimalną przepuszczalność wody zewnętrznej powłoki ciała, przeważnie nocny tryb życia itp. Przy okresowej suchości zazwyczaj wpadają w stan spoczynku przy minimalnym tempie metabolizmu.

Rośliny lądowe pozyskują wodę głównie z gleby. Niskie opady, szybki drenaż, intensywne parowanie lub kombinacja tych czynników prowadzą do wysuszenia, a nadmiar wilgoci prowadzi do podlewania i podtapiania gleb. Bilans wilgoci zależy od różnicy pomiędzy ilością opadów a ilością wody odparowanej z powierzchni roślin i gleby, a także w wyniku transpiracji. Z kolei procesy parowania zależą bezpośrednio od wilgotności względnej powietrza atmosferycznego. Gdy wilgotność powietrza zbliża się do 100%, parowanie praktycznie zatrzymuje się, a w przypadku dalszego spadku temperatury rozpoczyna się proces odwrotny - kondensacja (tworzy się mgła, pojawia się rosa i szron). Wilgotność powietrza jako czynnik środowiskowy, przy jej skrajnych wartościach (wysoka i niska wilgotność), wzmacnia działanie (pogarsza) temperaturę na organizm. Nasycenie powietrza parą wodną rzadko osiąga wartość maksymalną. Niedobór wilgoci to różnica pomiędzy maksymalnym możliwym a faktycznie istniejącym nasyceniem w danej temperaturze. Jest to jeden z najważniejszych parametrów środowiskowych, ponieważ charakteryzuje jednocześnie dwie wielkości: temperaturę i wilgotność. Im wyższy deficyt wilgoci, tym jest bardziej sucho i cieplej i odwrotnie. Reżim opadów jest najważniejszym czynnikiem determinującym migrację substancji zanieczyszczających w środowisku przyrodniczym i ich wymywanie z atmosfery.

Masę wody zawartej w organizmach żywych szacuje się na 1,1 · 10 · 3 miliardów ton, czyli mniej niż zawierają koryta wszystkich rzek świata. Biocenoza biosfery, zawierająca stosunkowo niewielką ilość wody, mimo to intensywnie ją napędza. Szczególnie intensywnie dzieje się to w oceanie, gdzie woda jest zarówno siedliskiem, jak i źródłem składników odżywczych i gazów. Większość biocenozy planety składa się z producenci. W ekosystemach wodnych są to glony i fitoplankton, a w ekosystemach lądowych roślinność. W środowisku wodnym rośliny w sposób ciągły filtrują wodę przez swoją powierzchnię, natomiast na lądzie pobierają wodę z gleby za pomocą korzeni i usuwają (transpirują) jej część nadziemną. Zatem, aby zsyntetyzować jeden gram biomasy, rośliny wyższe muszą odparować około 100 g wody.

Najpotężniejszymi systemami transpiracyjnymi na lądzie są lasy, które są w stanie przepompować przez siebie całą masę wody w hydrosferze w ciągu 50 tysięcy lat; Jednocześnie plankton oceaniczny filtruje całą wodę oceaniczną w ciągu roku, a wszystkie organizmy morskie filtrują ją w ciągu zaledwie sześciu miesięcy.

W biosferze działa złożony filtr fotosyntezy, podczas którego woda ulega rozkładowi i wraz z dwutlenkiem węgla wykorzystywana jest do syntezy związków organicznych niezbędnych do budowy komórek organizmu. Żywe organizmy dokonujące fotosyntezy mogą rozłożyć całą masę wody w hydrosferze w ciągu około 5 milionów lat, a inne organizmy odtwarzają utraconą wodę z umierającej materii organicznej w mniej więcej tym samym okresie.

Zatem biosfera, pomimo niewielkiej ilości zawartej w niej wody, okazuje się najpotężniejszym i najbardziej złożonym filtrem hydrosfery na Ziemi.

Kaskada filtrów biologicznych przechodzi przez masę wody równą masie całej hydrosfery w okresie od sześciu miesięcy do milionów lat. Dlatego można twierdzić, że Hydrosfera jest produktem organizmów żywych, środowiskiem, które same dla siebie stworzyły. Akademik V.I. Wernadski wyraził to w tezie: Organizm ma do czynienia ze środowiskiem, do którego nie tylko jest przystosowany, ale które jest do niego przystosowane.

Rozwój ekosystemu.

Obserwacje przyrody pokazują, że opuszczone pola czy wypalone lasy stopniowo zostają opanowane przez wieloletnie dzikie trawy, następnie krzewy, a na końcu drzewa. Rozwój ekosystemów w czasie nazywany jest w ekologii sukcesją ekologiczną (łac. ciągłość, sekwencja).

Sukcesja ekologiczna to sekwencyjna zmiana biocenoz, które sukcesywnie powstają na tym samym terytorium pod wpływem czynników naturalnych lub antropogenicznych.

Niektóre społeczności pozostają stabilne przez wiele lat, inne zmieniają się szybko. Zmiany zachodzą we wszystkich ekosystemach, w sposób naturalny lub sztuczny. Naturalne zmiany są naturalne i kontrolowane przez samą społeczność. Jeśli o kolejnych zmianach decydują głównie interakcje wewnętrzne, to tak autogeniczny, tj. sukcesja samogenerująca. Jeżeli zmiany są spowodowane siłami zewnętrznymi na wejściu ekosystemu (burza, pożar, wpływ człowieka), wówczas nazywa się takie sukcesje allogeniczny to znaczy generowane z zewnątrz. Na przykład wycięte lasy są szybko ponownie zasiedlane przez otaczające je drzewa; łąka może ustąpić miejsca lasowi. Podobne zjawiska zachodzą w jeziorach, na skalistych zboczach, nagich piaskowcach, na ulicach opuszczonych wiosek itp. Na całej planecie zachodzą nieustannie procesy sukcesyjne.

Nazywa się kolejne wspólnoty zastępujące się nawzajem w danej przestrzeni w serii Lub gradacja.

Nazywa się sukcesją rozpoczynającą się na obszarze, który wcześniej nie był zajęty podstawowy. Na przykład osady porostów na kamieniach: pod wpływem wydzielin porostów skaliste podłoże stopniowo zamienia się w rodzaj gleby, na której następnie osiadają krzaczaste porosty, zielone trawy, krzewy itp..

Jeśli społeczność rozwija się na miejscu istniejącej, rozmawiają o tym wtórny dziedziczenie. Na przykład zmiany, które zachodzą po wyrwaniu lub wycięciu lasu, budowie stawu lub zbiornika itp.

Szybkość sukcesji jest różna. W aspekcie historycznym zmiany fauny i flory na przestrzeni okresów geologicznych to nic innego jak sukcesja ekologiczna. Są one ściśle powiązane ze zmianami geologicznymi i klimatycznymi oraz ewolucją gatunków. Takie zmiany zachodzą bardzo powoli. Sukcesja pierwotna wymaga setek i tysięcy lat. Wtórne postępują szybciej. Sukcesja rozpoczyna się od niezrównoważonej społeczności, w której produkcja (P) materii organicznej jest większa lub mniejsza niż tempo oddychania (D), a zbiorowość zmierza do stanu, w którym P = D. Sukcesja rozpoczynająca się od P > D jest nazywany autotroficzny i u P<Д - heterotroficzny. Współczynnik P/D jest funkcjonalnym wskaźnikiem dojrzałości ekosystemu.

Przy P > D biomasa zbiorowiska (B) i stosunek biomasy do produkcji B/P stopniowo rosną, tj. zwiększa się wielkość organizmów. Wzrost następuje do czasu ustabilizowania się systemu. Stan ustabilizowanego ekosystemu nazywa się klimakterium(gr. schody, stopień dojrzały).

Sukcesja autotroficzna- powszechne zjawisko w przyrodzie, które zaczyna się w niezamieszkanym środowisku: tworzenie lasów na opuszczonych terenach lub przywracanie życia po erupcjach wulkanów i innych klęskach żywiołowych. Charakteryzuje się długoterminową przewagą organizmów autotroficznych.

Sukcesja heterotroficzna charakteryzuje się przewagą bakterii i występuje, gdy środowisko jest przesycone substancjami organicznymi. Na przykład w rzece zanieczyszczonej ściekami o dużej zawartości substancji organicznych lub w oczyszczalni ścieków. Podczas sukcesji heterotroficznej rezerwy energii mogą stopniowo zanikać. Ze względu na brak procesu autotroficznego menopauza może nie wystąpić; wówczas po wyczerpaniu się zapasów energii ekosystem może zniknąć (upadające drzewo).

W systemach kulminacyjnych tworzy się złożona sieć relacji, która utrzymuje swój stabilny stan. Teoretycznie stan taki powinien być stały w czasie i trwać do czasu, aż zostanie zakłócony przez silne zakłócenia zewnętrzne. Im bardziej stosunek P/D odbiega od 1, tym mniej dojrzały i mniej stabilny jest ekosystem. W społecznościach kulminacyjnych stosunek ten zbliża się do 1.

Tendencje zmian głównych cech ekosystemów. Podczas sukcesji autogenicznej obserwuje się naturalną zmianę głównych cech systemów ekologicznych (tabela 2.2).

Sukcesja obejmuje funkcjonalne przesunięcie energii w kierunku zwiększonych kosztów oddychania w miarę gromadzenia się materii organicznej i biomasy. Ogólna strategia rozwoju ekosystemów polega na zwiększeniu efektywności wykorzystania energii i składników odżywczych, osiągnięciu maksymalnej różnorodności gatunków i skomplikowaniu struktury systemu.

Sukcesja to ukierunkowany, przewidywalny rozwój ekosystemu do czasu ustalenia się równowagi pomiędzy zbiorowiskiem biotycznym – biocenozą, a środowiskiem abiotycznym – biotopem.

W procesie sukcesji populacje organizmów i powiązania funkcjonalne między nimi w sposób naturalny i odwracalny zastępują się nawzajem. Chociaż ekosystem nie jest „superorganizmem”, istnieje wiele podobieństw pomiędzy rozwojem ekosystemu, populacji, organizmu i społeczności ludzi.

Ewolucja ekosystemy, w przeciwieństwie do sukcesji, to długi proces rozwoju historycznego. Ewolucja ekosystemów to historia rozwoju życia na Ziemi od powstania biosfery do czasów współczesnych. Ewolucja opiera się na doborze naturalnym na poziomie gatunkowym lub niższym. Ewolucja ekosystemów jest w pewnym stopniu powtarzana w ich sukcesywnym rozwoju. Procesy ewolucyjne są nieodwracalne i niecykliczne. Jeśli porównamy skład i strukturę ekosystemów we wczesnych i późnych epokach geologicznych, zobaczymy tendencję do zwiększania różnorodności gatunkowej, stopnia zamknięcia cykli biogeochemicznych, równomiernego rozmieszczenia i ochrony zasobów w obrębie systemu, złożoności struktury społeczności i pragnienie stanu równowagi, w którym tempo ewolucji zwalnia. W takim systemie ewolucja napotyka wiele przeszkód, ponieważ społeczność jest gęsta, a powiązania między organizmami i populacjami są silne. Jednocześnie szanse na penetrację takiego systemu z zewnątrz są bardzo małe, a jego ewolucja jest nieco zahamowana.

Biomy. Warunki fizykochemiczne i klimatyczne w różnych częściach biosfery są różne. Duże zbiory ekosystemów zdeterminowane klimatycznie nazywane są biomami lub formacjami. Biom to makrosystem lub zestaw ekosystemów ściśle powiązanych warunkami klimatycznymi, przepływami energii, obiegiem materiałów, migracją organizmów i rodzajem roślinności. Każdy biom zawiera szereg mniejszych, wzajemnie połączonych ekosystemów.

Biomy dzieli się na trzy główne grupy w zależności od ich siedliska: lądowe, morskie i słodkowodne. Ich powstawanie zależy od makroklimatu, a dla wód słodkich – od szerokości geograficznej obszaru. Ważnymi czynnikami są:

cyrkulacja powietrza,

dystrybucja światła słonecznego,

sezonowość klimatu,

wysokość i orientacja gór,

hydrodynamika systemów wodnych.

Biomy lądowe determinowana jest głównie przez roślinność, która jest ściśle zależna od klimatu i stanowi główną biomasę. Jasne granice między biomami są rzadkie. Częściej są one rozmyte i reprezentują szerokie strefy przejściowe. Na granicy dwóch ekosystemów, np. na skraju lasu, występują jednocześnie przedstawiciele gatunków leśnych i łąkowych. Kontrast środowiska, a co za tym idzie ogromna obfitość możliwości środowiskowych, powoduje powstanie „kondensacji życia” zwanej reguła efektu krawędziowego Lub zasada ekotonu(z gr. domu i komunikacji) . Najbogatszym biomem na planecie pod względem liczby gatunków jest wiecznie zielony las tropikalny.

Biomy morskie mniej zależne od klimatu niż lądowe. Tworzą się w zależności od głębokości zbiornika i pionowego rozmieszczenia organizmów. Najważniejsze jest to, że fotosynteza możliwa jest tylko w poziomach wód powierzchniowych. Przybrzeżna płytka woda oceaniczna, ograniczona z jednej strony wybrzeżem, a z drugiej grzbietem stoku kontynentalnego (do 600 m), nazywana jest kontynentalną półka(półka angielska). Powierzchnia szelfów stanowi około 8% całkowitej powierzchni oceanów świata.

W obszarze półki znajduje się strefa litoralna(łac. przybrzeżny). Płytkie głębokości, bliskość kontynentów, przypływy i odpływy decydują o jego bogactwie w składniki odżywcze, wysoką produktywność i różnorodność organizmów. Wytwarza się tu około 80% całej biomasy oceanicznej i skupia się tu światowe rybołówstwo oceaniczne. Od dolnej krawędzi szelfu nad stokiem kontynentalnym do głębokości 2 – 3 tys. m strefa batialska(gr. głęboki). Powierzchnia tej strefy stanowi nieco ponad 15% całkowitej powierzchni oceanu. W porównaniu ze strefą litoralną fauna i flora strefy batialnej jest znacznie uboższa; całkowita biomasa nie przekracza 10% biomasy oceanów świata. Od podnóża stoku kontynentalnego do głębokości 6 - 7 tys. m występuje strefa głębinowa ( gr. otchłań) oceanu. Zajmuje powierzchnię ponad 75% dna oceanu. Otchłań charakteryzuje się brakiem światła słonecznego na dnie, słabą mobilnością mas wodnych, ograniczoną ilością składników odżywczych, ubóstwem fauny, małą różnorodnością gatunkową i biomasą. W rejonie głębin znajdują się głębokie zagłębienia - do 11 tys. m, których powierzchnia stanowi około 2% całkowitej powierzchni dna oceanu.

Świeże wody śródlądowe, zwykle płytkie. Wiodącym czynnikiem w tych ekosystemach jest prędkość obiegu wody. Na tej podstawie rozróżniają lotny(łac. spłukiwanie) wód płynących (rzeki, strumienie) i soczewkowy(łac. powoli, spokojnie), woda stojąca (jeziora, stawy, kałuże).

Duże biomy globu są stabilne.

7. klasa.

Lekcja______

Temat: Tworzenie substancji organicznych w roślinie.

Cel lekcji : kształtowanie wiedzy uczniów na temat powstawania substancji organicznych w roślinie.

Zadania:

Oedukacyjny : powtórzy wiedzę uczniów na temat budowy zewnętrznej liścia, jego różnorodności. Wyjaśnić pojęcia „chlorofil”, „fotosynteza”, „żywienie roślin”, zapoznać uczniów z procesem powstawania substancji organicznych i warunkami ich powstawania,ze znaczeniem liści dla roślin,znaczenie roślin zielonych dla życia na Ziemi.

korygując - rozwijanie: rozwój spójnej mowy, wzbogacenie słownictwa o nowe pojęcia, rozwój operacji umysłowych (umiejętność porównywania, uogólniania, wyciągania wniosków,ustalić związki przyczynowo-skutkowe); - edukacyjny: pielęgnuj troskliwą postawę wobec przyrody,kształtowanie u dzieci poczucia odpowiedzialności za stan środowiska.

Typ lekcji – połączone.

Forma organizacji: fajna lekcja.

Sprzęt : komputer, prezentacja na temat „Powstanie substancji organicznych”, sprzęt laboratoryjny do demonstracji doświadczeń, zadania do samodzielnego sprawdzenia, karty z materiałami dydaktycznymi i zadaniami, materiały testowe, zielnik, podręcznik Biologia 7 klasa.

1. Moment organizacyjny.

Sprawdzanie gotowości uczniów do zajęć. Nastrój psychiczny.

Mobilizujący początek.

Wyłania się z pąków

Kwitną wiosną,

Latem szeleszczą

Jesienią latają.

2. Sprawdzanie pracy domowej. „Struktura zewnętrzna liścia. Różnorodność liści.

A). Badanie czołowe:

Co to jest liść?

Z jakiego narządu zarodka się rozwija?

Jaka jest budowa zewnętrzna liścia?

Jak można przymocować prześcieradło?

Jakie znasz rodzaje żyłkowania?

Które rośliny mają żyły łukowate i równoległe?

Do jakich roślin należy żyłkowanie siatkowe?

Jakie znaczenie mają żyły w życiu roślin?

Które liście nazywamy prostymi, a które złożonymi?

B). Praca z kartami.

Karta „Struktura zewnętrzna liści, różnorodność liści”

1. Uzupełnij zdania:

Liść to ________________________________________

2. Z czego składa się liść? _________________________________________

3. Określ żyłkowanie liści

4. Które liście nazywane są prostymi?

5. Które liście nazywane są złożonymi?

__________________________________________________________________________________________________________________________

6. Połącz strzałkami:

Liście proste Liście złożone

V). Praca z zielnikiem. Niezależna praca

Teraz musisz wykonać zadanie. Zbadaj liście roślin, zbadaj wygląd i kształt liścia, określ rodzaj żyłkowania. Przedstaw zbadane dane w tabeli.

Nazwa rośliny

Kształt liścia

Proste lub złożone

Rodzaj wentylacji

Klasa

Brzozowy

Róża

Lilia doliny

Banan

Nauczyciel wspólnie z uczniami sprawdza wykonane zadanie.

3. Aktualizowanie wiedzy na temat lekcji.

Korzenie dostarczają roślinom jedynie wodę i sole mineralne, ale rośliny potrzebują także substancji organicznych do prawidłowego wzrostu i rozwoju. Skąd pochodzą te substancje w roślinie? Wielu naukowców próbowało rozwiązać tę tajemnicę żywej natury.NajpierwXVIV. Holenderski przyrodnik Jan van Helmont również zainteresował się tym zagadnieniem i postanowił przeprowadzić eksperyment. Do doniczki włożył 80 kg ziemi i posadził gałązkę wierzby. Przykryj ziemię w doniczce, aby zapobiec przedostawaniu się na nią kurzu. Podlewałem gałązkę wyłącznie wodą deszczową, która nie zawierała żadnych składników odżywczych. Po 5 latach wyhodowaną wierzbę wyjęto z ziemi i zważono. W ciągu 5 lat jej waga wzrosła o 65 kg. Masa gleby w doniczce zmniejszyła się zaledwie o 50 g! Skąd roślina wzięła 64 kg 950 g materii organicznej? Wielu naukowców próbowało rozwiązać tę zagadkę żywej przyrody. NajpierwXVIV. Holenderski przyrodnik Jan van Helmont również zainteresował się tym zagadnieniem i postanowił przeprowadzić eksperyment. Do doniczki włożył 80 kg ziemi i posadził gałązkę wierzby. Przykryj ziemię w doniczce, aby zapobiec przedostawaniu się na nią kurzu. Podlewałem gałązkę wyłącznie wodą deszczową, która nie zawierała żadnych składników odżywczych. Po 5 latach wyhodowaną wierzbę wyjęto z ziemi i zważono. W ciągu 5 lat jej waga wzrosła o 65 kg. Masa gleby w doniczce zmniejszyła się zaledwie o 50 g! Skąd roślina wzięła 64 kg 950 g materii organicznej?

Odpowiedzi uczniów oparte na wiedzy i doświadczeniu życiowym.

( Rośliny są w stanie same wytwarzać materię organiczną.)

4. Określenie tematu i celu lekcji.

Temat: Powstawanie substancji organicznych w roślinach Dowiesz się, jakie warunki są potrzebne do powstawania substancji organicznych i jakie znaczenie ma ten proces dla życia na Ziemi.

5. Pracuj nad tematem lekcji.

Opowieść nauczyciela, prezentacja, demonstracja eksperymentów.

1. Z czego zbudowane są rośliny?

Rośliny zawierają substancje organiczne i nieorganiczne.

Substancje nieorganiczne, jak pamiętacie z 6 klasy, to woda i sole mineralne.

A substancje organiczne tworzące rośliny obejmują cukier (czujesz to, jedząc winogrona), witaminy (które są szczególnie obfite w cytrynie, porzeczkach itp.), Białka roślinne (w fasoli, grochu itp.)

Skład roślin

Materia organiczna

Substancje nieorganiczne

Cukier

tłuszcz

woda

Minerały

Skrobia

witaminy

wiewiórki

Dokończ wypełnianie diagramu w zeszycie w oparciu o wyniki eksperymentów.

Demonstracja eksperymentów:

Doświadczenie 1. Wykrywanie tłuszczu na przykładzie słonecznika.

1. Obierz kilka nasion słonecznika.

2. Umieść nasiona na bibule.

3. Dociśnij ziarno i usuń zmiażdżone ziarno.

Co widzisz? Na bibule znajduje się tłusta plama.

Wniosek: oznacza to, że nasiona słonecznika zawierają tłuszcz.

Eksperyment 2. „Wykrywanie skrobi”.

1. Weź ziemniaka i przekrój go na pół.

2. Weź pipetę i jod. Umieść 2-3 krople jodu na pokrojonym ziemniaku.

Co widzisz? Na kawałku ziemniaka zobaczysz niebieską plamę.

Wniosek: oznacza to, że w ziemniakach jest skrobia.

Ale skąd biorą się te wszystkie substancje w roślinach? Czy roślina pobiera z gleby wodę i sole mineralne? Skąd pochodzą substancje organiczne?

2. Tworzenie substancji organicznych w roślinach

Na to pytanie odpowiedział rosyjski naukowiec Kliment Arkadiewicz Temiryazev.

Odkrył, że w liściach powstają substancje organiczne.

Liście są nie tylko częścią pędu, ale także osobliwe, niepowtarzalne

laboratoria, w których powstają substancje organiczne: cukier i skrobia. Ten

proces ten jest prawdopodobnie najbardziej niezwykłym procesem zachodzącym na naszym świecie

planeta. Dzięki niemu istnieje całe życie na Ziemi.

Weźmy pod uwagę zielony liść rośliny. (slajd)

Liść ma zielony kolor. Wyjaśnia to fakt, że liść zawiera zieloną substancję - chlorofil.

Praca ze słownictwem. Praca ze słownikiem biologicznym s. 221.

Na tablicy zawieszana jest kartka z napisem „Chlorofil”.

Chlorofil - zielona substancja roślin, która znajduje się w specjalnych ciałach - chloroplastach.

To w nich powstaje materia organiczna.Ale do tworzenia substancji organicznych konieczne są pewne warunki.

3. Warunki powstawania substancji organicznych przez rośliny.

Przede wszystkim potrzebujesz chlorofilu. Chlorofil zadziała, jeśli na liść spadnie światło. Oświetlony liść pobiera dwutlenek węgla z powietrza. Woda dostaje się do liścia z korzeni. Cały ten proces zachodzi w obecności ciepła.

Praca ze słownictwem „Fotosynteza”

Nazywa się powstawanie substancji organicznych w świetle za pomocą chlorofilufotosynteza.

Fotosynteza - /fotoświatło, synteza - powstawanie/.

Pisanie w notatniku

Warunki powstawania substancji organicznych przez rośliny

1 obecność chlorofilu.

2 światło.

3. dwutlenek węgla.

4 ciepłe.

5 woda.

Kiedy wszystkie te warunki - chlorofil, światło, dwutlenek węgla, ciepło, woda - są obecne, w liściach tworzy się cukier. Część cukru znajdującego się już w liściach zamienia się w skrobię.Tworzenie się skrobi w liściach to odżywianie roślin.

Projekcja prezentacji „Powstanie skrobi w liściach roślin pod wpływem światła”

1. Pelargonię umieszczono w ciemnej szafce na 3 dni, aby umożliwić odpływ składników odżywczych z liści.

2. Następnie roślinę umieszczono w świetle na 8 godzin,

3. Usunęliśmy liść rośliny i najpierw umieściliśmy go w gorącej wodzie (zniszczyło to powłokę i główną tkankę liścia), liść zmiękł, następnie włożyliśmy go do wrzącego alkoholu (w tym przypadku liść stał się odbarwił się, a alkohol stał się jasnozielony od chlorofilu).

4. Następnie przebarwiony liść potraktowano słabym roztworem jodu

5. Wynik: pojawienie się niebieskiego koloru po potraktowaniu liści jodem.

Wniosek: Rzeczywiście, w liściach utworzyła się skrobia.

Pamiętaj, że w przeciwieństwie do innych żywych organizmów, rośliny nie wchłaniają substancji organicznych, same je syntetyzują.

W procesie tworzenia materii organicznej rośliny wydzielają tlen.

W XVIII w. W 1771 r. angielski chemikJózefa Priestleyaprzeprowadził następujący eksperyment: umieścił dwie myszy pod szklanym dzwonkiem, ale pod jednym z nich umieścił roślinę doniczkową. Spójrz na ilustrację i powiedz, co stało się z myszą, gdy nie było rośliny doniczkowej. Mysz umarła.

Tak, niestety mysz zdechła. Zastanów się, jak wytłumaczyć fakt, że mysz pod drugim kapturkiem, w którym umieszczono roślinę doniczkową, pozostała żywa?

Pamiętaj, który z poniższych gazów jest niezbędny do oddychania żywym istotom? Tlen.

Prawidłowy. Odpowiedzieliśmy więc na pytanie, dlaczego mysz przeżyła. Roślina doniczkowa produkowała tlen, a mysz używała go do oddychania.

Substancje organiczne wytwarzane podczas fotosyntezy są potrzebne do odżywiania wszystkich części rośliny, od korzeni po kwiaty i owoce. Im więcej energii słonecznej i dwutlenku węgla otrzyma roślina, tym więcej materii organicznej wyprodukuje. W ten sposób roślina żeruje, rośnie i przybiera na wadze.

Rzeczywiście rośliny wytwarzają substancje organiczne na własne potrzeby, ale także dostarczają pożywienia innym żywym organizmom i dostarczają tlenu do oddychania wszystkim żywym istotom. Pokrywa roślinna Ziemi nazywana jest „zielonymi płucami planety”. To, czy pozostaną zdrowe, zależy od Was i ode mnie, od tego, jak mądrze gospodarujemy danym nam majątkiem.

FIMINUTA

GIMNASTYKA DLA OCZU

Chłopaki, posłuchajcie słów K.A. Timiryazev „Daj najlepszemu kucharzowi tyle świeżego powietrza, ile chce, tyle światła słonecznego, ile chce i całą rzekę czystej wody i poproś go, aby z tego wszystkiego przygotował cukier, skrobię, tłuszcze i zboże - uzna, że ​​się śmiejesz na niego.

Ale to, co człowiekowi wydaje się absolutnie fantastyczne, dzieje się bez przeszkód w zielonych liściach.

Jak rozumiesz to wyrażenie?

6. Pierwotne utrwalenie i korekta wiedzy.

Jaki gaz pochłaniają zielone liście roślin? Węglowy.

Jaka substancja przedostaje się do liści przez naczynia łodygi? Woda.

Jaki ważny warunek jest potrzebny? Światło słoneczne.

Jaki gaz wydzielają zielone liście roślin? Tlen.

Jakie złożone substancje powstają w liściach. Materia organiczna

Nazwij ten proces. Fotosynteza.

Jak nazywa się substancja, w której zachodzi proces fotosyntezy? Chlorofil.

Narysuj i zapisz schemat fotosyntezy

DWUTLENEK WĘGLA + WODA = SUBSTANCJE ORGANICZNE + TLEN

Fotosynteza to proces zachodzący w zielone liście rośliny w świetle , z którego dwutlenek węgla i wodę powstają materia organiczna i tlen.

7. Konsolidacja badanego materiału.

(zadanie zmienne)

1. Badanie czołowe

Chłopaki, dzisiaj na zajęciach nauczyliście się wielu nowych i ciekawych rzeczy.

Odpowiedz na pytania:

1.Jaki proces nazywa się fotosyntezą?

2.Przy pomocy jakiej substancji w liściach zachodzi proces fotosyntezy?

3. Co tworzą substancje organiczne w zielonych liściach?

4. Jaki gaz wydziela się z zielonych liści pod wpływem światła? Jakie ma znaczenie dla organizmów żywych?

5. Jakie warunki są niezbędne do przebiegu fotosyntezy?

2. Testowanie

„Tworzenie substancji organicznych w liściach”.

W jakiej części rośliny powstają substancje organiczne?

źródło;

arkusz;

trzon;

kwiat.

Jakie warunki są niezbędne do powstawania substancji organicznych w roślinie?

chlorofil, światło, ciepło, dwutlenek węgla, woda;

chlorofil, ciepło;

dwutlenek węgla, woda.

Jaki gaz wydziela roślina podczas tworzenia skrobi?

azot;

tlen;

dwutlenek węgla.

W jaki sposób roślina wykorzystuje materię organiczną?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Karta „Warunki powstawania substancji organicznych w roślinach”.

Dodatkowyzadanie.

Przeczytaj treść listu. Znajdź błędy, które popełnił autor listu?

Poprawiać błędy.

Witam młodych bioluchów! Pozdrawiam Cię Alosza Pereputkin. Jestem wielkim koneserem

proces fotosyntezy. Och, znasz go? otosynteza zachodzi w korzeniach i liściach,

tylko w nocy, kiedy nikt Ci nie przeszkadza. Podczas tego procesu wytwarzana jest woda i zużywany jest tlen. Księżyc wysyła swoją energię, a w komórkach powstają substancje organiczne.

substancje: najpierw skrobia, a następnie cukier. Podczas procesu fotosyntezy uwalniana jest duża ilość

energii, dzięki czemu rośliny nie boją się chłodu zimą. Bez fotosyntezy udusilibyśmy się, ponieważ nie byłoby wzbogacenia atmosfery dwutlenkiem węgla.

Podsumowanie lekcji

Na lekcji dowiedzieliśmy się, jak rośliny odżywiają się i rosną; udowodniono, że bez zielonego liścia roślina nie tylko nie mogłaby żyć, ale w ogóle nie byłoby życia na Ziemi, ponieważ tlen zawarty w atmosferze ziemskiej, który istoty żywe oddychają, powstał w procesie fotosyntezy. Wielki rosyjski botanik K.A. Timiryazev nazwał zielony liść wielką fabryką życia. Surowcami do tego są dwutlenek węgla i woda, silnik jest lekki. Zielone rośliny, stale uwalniając tlen, nie pozwolą ludzkości umrzeć. A o czyste powietrze trzeba dbać.

W rocku chciałbym zakończyć poezją

Fotosynteza zachodzi w świetle przez cały rok.

Daje ludziom żywność i tlen.

Bardzo ważnym procesem jest fotosynteza, przyjaciele,

Nie możemy się bez tego obejść na Ziemi.

Owoce, warzywa, pieczywo, węgiel, siano, drewno opałowe -

Fotosynteza jest głową tego wszystkiego.

Powietrze będzie czyste, świeże, jak łatwo się oddycha!

A warstwa ozonowa nas ochroni.

Praca domowa