Procesy i przemiany biochemiczne wywoływane i prowadzone przez organizmy glebowe

Bardzo ważnym, a jednocześnie wrażliwym składnikiem przyrody są organizmy żyjące w glebie, począwszy od dużych - dżdżownic i owadów, przez liczne małe - nicienie i rozmaite gatunki grzybów, po najmniejsze bakterie. Bogaty zespół tych organizmów decyduje o warunkach środowiska wykorzystywanego rolniczo tj.: skład chemiczny gleby, czy struktura oraz wynikająca ze struktury zawartość powietrza i wody i dzięki wielostronnemu współdziałaniu stwarza możliwość prawidłowego rozwoju roślin i pozostałych żywych składników ekosystemu. Warunki rozwoju mikroorganizmów w glebie i ich działalność zależą przede wszystkim od czynników edaficznych tj. temperatura gleby, woda, dostęp powietrza, promieniowanie słoneczne, odczyn i zasobność w składniki pokarmowe, zabiegi agrotechniczne, ilość pestycydów i inne, które odpowiadają za żyzność gleb.

Większość organizmów glebowych stanowią:

• Organizmy roślinne reprezentowane przez glony;

• Grzyby - kapeluszowe, drożdże, pleśnie;

• Bakterie, wśród których szczególną rolę odgrywają promieniowce;

• Korzenie roślin wyższych.

Mikroflorę możemy podzielić na mikroflorę autochtoniczną, gdzie mikroorganizmy występują i rozwijają się w danym środowisku oraz mikroflorę zymogenną, którą stanowią drobnoustroje bytujące okresowo (saprofity i patogenny).

Natomiast ze względu na rozmiar mikroorganizmy glebowe dzielimy na:

1. Mikrobiota - niedostrzegalne gołym okiem, czyli wirusy, bakterie, grzyby, pierwotniaki, glony;

2. Mezobiota - organizmy 0,2 - 2mm; są to: wazonkowce, nicienie, ślimaki, owady bezskrzydłe, roztocza, małe rośliny i inne;

3. Makrobiota - reprezentowane przez dżdżownice, krety, gryzonie, korzenie dużych roślin i krzewów.

Mikroflora glebowa wraz z szatą roślinną określają zarówno kierunek i charakter procesów biogeochemicznych, jak i całość podstawowych przemian związanych z biologią i właściwościami fizykochemicznymi gleb.

We wszystkich procesach biochemicznych związanych z przemianami związków organicznych i mineralnych w glebie decydującą rolę spełniają enzymy mikroorganizmów. Obejmują one określone typy przemian biochemicznych powodowanych przez różne grupy fizjologiczne mikroorganizmów.

Do najważniejszych procesów wywoływanych i prowadzonych przez organizmy glebowe zaliczamy:

• Mineralizacja;

• Immobilizacja - unieruchomienie;

• Utlenienie;

• Redukcja;

• Humifikacja;

• Wytwarzanie substancji chelatujących lub kompleksowych;

• Krążenie pierwiastków;

• Tworzenie osadów geologicznych.

Mineralizacja. To zespół procesów, w wyniku których związki organiczne w warunkach tlenowych przekształcają się w glebie w związki nieorganiczne, czyli tzw. mineralne. Typowym przykładem mineralizacji jest tutaj mineralizacja organicznych związków azotu, fosforu i siarki. Mikroorganizmy glebowe powodując mineralizację związków organicznych zmniejszają ich zawartość. Niektóre pierwiastki niezbędne dla życia są przyswajane przez liczne gatunki w formie mineralnej, stąd czasami proces ten zwany jest „regeneracją” składników pokarmowych.

Immobilizacja - unieruchomienie. Proces ten polega na przemianie nieorganicznych związków w złożone połączenia organiczne w wyniku pobrania pierwiastka przez mikroorganizmy i wbudowania go w skład swoich komórek. Populacja zyskuje niezbędne substancje konieczne do rozmnażania, a tym samym zwiększa biochemiczną złożoność ekosystemu.

Mineralizacja i immobilizacja są w pewnym sensie przeciwieństwami. Pierwszy proces powoduje wzrost zawartości przyswajalnych pokarmów, drugi zmniejsza ich zasoby. Każdy pierwiastek, który został wbudowany w komórki mikroorganizmów zostaje okresowo unieruchomiony.

Utlenianie. Prawie wszystkie procesy mikrobiologiczne utlenienia związane są z przemianą materii i energii. Przykładem mogą tu być znane reakcje utleniania związków organicznych przez organizmy heterotroficzne (cudzożywne) i utleniania związków mineralnych azotu, żelaza, siarki i wielu minerałów przez bakterie autotroficzne (samożywne).

Redukcja. Procesy redukcyjne mogą bezpośrednio wiązać się z przemianami energetycznymi komórek mikroorganizmów, gdzie do rozwoju i wzrostu zużywają substancje, które z kolei ulegają redukcji. Procesy te zachodzą w wyniku modyfikowania środowiska przez rozwijającą się mikroflorę (np. zużycie tlenu). Wspomniane procesy utleniania i redukcji katalizowane są przez enzymy mikroorganizmów autotroficznych i niektórych heterotroficznych, nie tylko przyczyniają się do modyfikacji chemicznego składu środowiska, ale wskazują też na udział bakterii w formowaniu i rozkładzie minerałów.

Humifikacja. Proces humifikacji przyczynia się do rozkładu substancji organicznych przez mikroorganizmy tj. grzyby, promieniowce, bakterie i pierwotniaki, co z kolei prowadzi do powstania związków humusowych określanych jako próchnica.

Wytwarzanie substancji chelatujących. Wytwarzanie organicznych substancji chelatujących lub kompleksowych substancji polimerycznych jest udziałem wielu mikroorganizmów glebowych. Metabolity mikroorganizmów wydzielane przy aktywnym wzroście łączą się z rozpuszczalnymi związkami mineralnymi tworząc trwałe kompleksy. W ten sposób mogą one zwiększać rozpuszczalność lub zapobiegać wytrącaniu się jonów metali. Substancje chelatujące można zaliczyć do organicznych związków wychwytujących i utrzymujących nierozpuszczalne związki. Uczestniczą one także w pionowym przemieszczaniu się metali i wietrzeniu skał.

Krążenie pierwiastków

1. Krążenie węgla. Zasadniczym źródłem węgla jest CO₂. Najważniejszym procesem uzupełniającym zapasy tego związku jest rozkład materii organicznej powodowany przez mikroorganizmy (bakterie i grzyby).

2. Krążenie azotu. Przemiany azotu zachodzące w biosferze są prawie całkowicie regulowane przez mikroorganizmy glebowe i wodne. Organizmy te ściśle dostosowują zasoby azotu dla potrzeb roślin wyższych oraz pośrednio dla zwierząt. Znaczenie bakterii i niektórych glonów (głównie sinic) w przemianach azotu jest bardzo duże. Dzięki procesom mineralizacji uwalniają one azot związany w połączeniach organicznych. Dalsze przemiany związków azotu nitryfikacja i denitryfikacja są wywołane głównie przez bakterie. Denitryfikacja prowadzi do zmniejszenia zasobów azotu dostępnych dla organizmów żywych. Zaś końcowy produkt nitryfikacji - azotany są wymywane z gleb i trafiają w końce do rzek i mórz.

3. Rola tlenu i wodoru w procesach biogeochemicznych. Mikroorganizmy mają duży udział w obiegu tlenu. Ogromne zasoby tlenu w wodzie i w atmosferze pod postacią O₂, jak również mniejsze ilości zawarte w azotanach, fosforanach, siarczanach i różnych związkach organicznych wykorzystywane są w procesach metabolicznych mikroorganizmów. Wolny tlen cząsteczkowy jest prawdopodobnie w dużej mierze produktem fotosyntezy glonów wodnych i roślin wyższych.

Wodór wchodzący w skład żywych organizmów roślinnych i zwierzęcych pochodzi w całości z wody i głównie w postaci wody jest wydalany w procesie dysymilacji. Nieznaczne ilości wodoru powstają w wyniku niektórych procesów metabolicznych bakterii w warunkach beztlenowych.

4. Krążenie siarki, fosforu i innych. Główną rolę w krążeniu siarki w przyrodzie spełniają procesy biochemiczne, w których udział biorą mikroorganizmy autotroficzne i heterotroficzne. Siarka elementarna i jej związki podlegają różnym specyficznym przemianom, które wpływają na zachowanie się innych pierwiastków i reakcje z nimi, mogąc w ten sposób poważnie wpływać na biocenozę. Do najważniejszych zaliczamy: mineralizację związków organicznych, przyswajanie związków mineralnych siarki i wbudowanie jej w ciała żywych organizmów, utlenianie związków mineralnych i siarki zawartej w aminokwasach oraz redukowanie siarczanów i siarki elementarnej do siarczków.

Fosfor jest również pierwiastkiem przechodzącym serię cyklicznych przemian, w których mikroorganizmy mają decydujący udział. W obiegu fosforu mikroorganizmy biorą udział w następujących procesach biochemicznych: mineralizacja przez heterotroficzne mikroorganizmy organicznych związków fosforu i odnawianie zasobów ortofosforanów; unieruchomienie fosforu mineralnego w biomasie mikroorganizmów, co powoduje zmniejszenie zasobów fosforu przyswajalnego; rozpuszczenie trudno przyswajalnych nieorganicznych połączeń fosforu.

Mikroorganizmy biorą również udział w przemianach geochemicznych innych pierwiastków: żelaza, manganu, cynku, miedzi, krzemu itd. W procesach tych uczestniczą głównie bakterie chemoautotroficzne i heterotroficzne zdolne do prowadzenia różnych procesów biochemicznych.

Tworzenie osadów geologicznych. Różne formacje geologiczne powstały i powstają przy współudziale mikroorganizmów przeprowadzających procesy utleniania i redukcji lub na skutek abiotycznych reakcji, w których udział biorą produkty metabolizmu mikroorganizmów albo w akumulacji resztek biomasy organizmów. Obecnie przyjmuje się, że mikroorganizmy uczestniczyły również w powstawaniu złóż siarki, siarczków, ropy naftowej i węgla kamiennego. Mikroorganizmy, głównie bakterie, czynne są także w procesach degradacji krzemianów i glinokrzemianów oraz w formowaniu się gleb z podłoża skalnego.

Nitryfikacja, biologiczne utlenianie amoniaku do azotanów(V) zachodzące w dwóch etapach. W pierwszym jon amonowy jest utleniany (amonifikacja) do jonu azotanowego(III) przez bakterie z rodzaju Nitrosomonas:

NH₄⁺ + 1½ O₂ → NO₂^- + 2H + H₂O

w drugim jon azotanowy(III) jest utleniany do jonu azotanowego(V) przez bakterie z rodzaju Nitrobacter:

NO₂^-+ ½ O₂ → NO₃^-

Proces ten zachodzi przy udziale tlenowych bakterii autotroficznych (autotrofy, nitryfikatorów), które wykorzystują związki nieorganiczne jako źródło energii koniecznej do wiązania tlenku węgla(IV) CO₂. Nitryfikacja jest jednym z etapów krążenia azotu w przyrodzie (azotu cykl).

Denitryfikacja, redukcja azotanów(V) i azotanów(III) do azotu cząsteczkowego lub tlenku azotu(I) (denitryfikacja całkowita) lub amoniaku (denitryfikacja częściowa), wywołana przez bakterie denitryfikacyjne (denitryfikatory).

- Denitryfikacja - proces odwrotny do nitryfikacji, zachodzi w glebach o odczynie słabo kwaśnym lub zasadowym. Bakterie uczestniczące w tym procesie to Bacillus denitrificans. Pierwszy etap denitryfikacja częściowa czyli HNO₃ HNO₂ NH₃, drugi zaś etap denitryfikacja całkowita HNO₃ N₂. Etapy te mogą być także powodowane przez niektóre promieniowce i grzyby.

Rola Mikroorganizmów:

1. Rozmnażają się i metabolizują materię organiczną, tworzą biomasę własnych komórek oraz nagromadzają substancje tworząc próchnicę;

2. Rozkładają i mineralizują związki organiczne wprowadzając w ponowny obieg pierwiastki niezbędne do produkcji roślinnej;

3. Poprawiają strukturę gleby poprzez wytwarzanie śluzu.

Dysymilacja, rozkład związków organicznych w organizmie żywym przy udziale enzymów połączony z wyzwalaniem energii i wydalaniem poza ustrój powstałych produktów (katabolizm).

Redukcja (inna nazwa elektronacja) to proces, w trakcie którego atom lub ich grupa przechodzi z wyższego na niższy stopień utlenienia.

---