Почему мы решили обратиться к этой сложной теме на страницах нашего журнала?
Во-первых, потому что цель компостирования — это улучшение плодородия почвы. Качество любой почвы определяется кроме многих прочих показателей количеством и составом гуминовых веществ. В этой статье мы решили сделать обзор тех изменений, которые произошли в последние десятилетия в учении об органических веществах почвы.
Во-вторых, к этой теме был проявлен большой интерес со стороны подписчиков нашего Telegram-канала, и комментарии были неоднозначными. Возник спор: возможно ли образование гумуса вне почвы?
Ну и в-третьих, потому что на нашей встрече 12 мая 2023 года, посвященной вермикомпостированию, Вячеслв Дмитриевич Величко (руководиль ООО “Зоотехникофф”) сравнил молекулу гуминовой кислоты с галактикой, в которой есть ядро и рукава. И такое поэтическое сравнение “зацепило” нас всех! Обратите внимание на рисунок 1.
Считается, что в черноземах содержится наибольшее количество гумуса (от 4% до 16%). В некоторых регионах нашей страны чернозем как таковой вообще отсутствует, хотя по незнанию, местные жители чернозёмом называют любой плодородный слой земли, который залегает на поверхности их участков.
Рис. 1. Гипотетический структурный фрагмент гумусовых кислот почв (Кляйнхемпель, 1970). Изображение: «Химия и жизнь»
Принято считать, что чем больше содержание гумуса в почве, тем она плодороднее. Однако, растения не могут непосредственно усваивать гуминовые вещества. Это в начале XX века показал Д. Н. Прянишников. Разложением гумуса для растений занимаются симбиотические микроорганизмы. Но давайте все по порядку. Из любого учебника по почвоведениею мы узнаем:
Гу́мус (от лат. humus – земля, почва), динамичная система, состоящая из природных органических соединений в составе растительных и животных остатков, утративших черты анатомического строения и претерпевающих различные этапы разложения и синтеза; основная и важнейшая составляющая часть органического вещества почвы. В состав гумуса входят как специфические гумусовые вещества, так и неспецифические органические соединения, образовавшиеся в результате разрушения тканей отмерших организмов: белки, аминокислоты, воски, смолы и низкомолекулярные органические кислоты, фрагменты целлюлозы, лигнина, хитина, и т.д. В узком смысле гумус – это динамичная система природных органических и органо-минеральных соединений, образующихся из растительных и животных остатков в результате реакций разложения и синтеза. Гумусовые вещества разделяются по растворимости в щелочах и кислотах на гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумин.
Роль гуминовых веществ в почве велика: гуминовые вещества формируют окраску почвы и регулируют минеральное питание, катионный обмен, буферность и окислительно-восстановительные процессы в почве, а также путем сорбции токсичных веществ и радионуклидов гуминовые вещества предотвращают их поступление в растения.
Комментарий эксперта
Вячеслав Дмитриевич Величко, основатель и руководитель ООО “Зоотехникофф” рассказал о роли гуминовых веществ в биосфере:
Скажу больше - регуляторная функция гуминовых кислот простирается намного дальше, чем почвенный горизонт.
Гуминовые кислоты задерживают из почвенного раствора макро- и микроэлементы и делают подвижными элементы материнской породы, которая образует почву. Например карбонат кальция (CaCO3). Ионы этого элементы отщепляются в реакции ионного обмена и через грунтовые воды и реки попадают в океан. Там этот кальций улавливают организмы (радиолярии и многие другие) и образуют известковые скелеты, которые после отмирания опускаются на дно, забирая с собой растворенный в воде углерод. Если разрушить гумус, то в океане будет присутствовать азот, калий, фосфор, а кальция не будет.
Нарушается не только процесс утилизации углерода, но и в такой питательной среде весь кислород заберут синезеленые водоросли и это приведет к гибели всех поверхностных экосистем.
История Учения о гумусе почв, которая насчитывает уже около 250 лет, в течение всего этого периода характеризовалась появлением кардинально противоположных точек зрения на существование в природе специфических углеродистых соединений – гуминовых веществ: от признания их в качестве особых природных соединений, не имеющих аналогов, до полного отрицания их существования.
Гуминовые вещества не укладывались в привычные рамки химических, биологических, физических, геологических представлений и все попытки объяснения тех или иных связанных с гумусом вопросов не приводили к однозначным решениям, а скорее порождали все новые противоречия во взглядах на их происхождение, природу, строение и свойства.
Надо сказать, что к началу XX века интерес химиков к гуминовым веществам резко упал. Понятно почему — было достоверно установлено, что это не индивидуальное соединение, а сложная смесь макромолекул переменного состава и нерегулярного строения (рис. 1), к которой неприменимы законы классической термодинамики и теории строения вещества.
Дискуссионное состояние Учения о гумусе почв вновь обострилось в последние десятилетия, а особенно после выхода в свет статьи Лехмана и Клебера (Lehmann, Kleber, 2015) в Nature. В этой работе было предложено рассматривать гумус как континуум продуктов разложения органических веществ на разной стадии этого процесса, запретить употребление термина гумус и считать артефактами изучаемые гумусовые вещества, выделяемые при щелочном экстрагировании и разделении на гуминовые кислоты и фульвокислоты при подкислении растворов до самых низких значений pH.
Оказалось, что если обработать кислотой щелочную вытяжку, можно выделить гумус не только из почвы. Примерно такие же вещества выделяются из донных осадков (сапропеля), торфа (что, собственно, впервые сделал сам открыватель гумуса — Ф.К. Архард), компоста. Но ведь гумус — это продукт особых, специфически почвенных процессов? В других средах образование гумуса происходить не должно. Точка зрения этих авторов вызвала только усиление противостояния исследователей, поддерживающих признание существования специфических почвенных веществ, что привело к увеличению интенсивности и разнообразию исследований в этой области знаний, как научного, так и прикладного значения.
Согласно последним воззрениям, в почве отсутствуют специфические устойчивые полимеры, а органика в почве не обладает высокой устойчивостью, она разлагается и поглощается микроорганизмами. Все последние достижения и открытия, касающиеся химии почв и гумуса, назвали сменой научной модели, сменой парадигмы. Поэтому многие термины и понятия химии почв утратили первоначальное значение, так как с ними связано слишком много допущений. Гумусом пока продолжают называть выделяемую щелочной экстракцией фракцию органических веществ.
Как выяснили ученые главными защитниками органических молекул являются частицы глинистых минералов: каолинита, вермикулита, иллита. Эти частицы очень мелкие, имеют слоистую структуру и огромную удельную поверхность (десятки и даже сотни квадратных метров на грамм). Вся эта поверхность собирает на себя органические вещества, делая их более устойчивыми. Небольшие молекулы даже проникают в промежутки между слоями минералов и “прячутся” там от разрушающих ферментов. Крупные органические остатки инкапсулируются, то есть покрываются кусочками глинистых минералов как панцирем, который физически защищает их от микроорганизмов. Чем больше в почве глинистых минералов — тем лучше защищено органическое вещество.
Рис. 2. Сканирующая электронная микроскопия частичек почвы. Минеральные зерна (желтый) связаны с пленками из смеси органических веществ и глинистых минералов (синий) и тяжами из органических веществ (зеленый). Фото предоставлено Ильей Шоркуновым, Институт географии РАН
Минеральные частицы в почве защищают органику, но и сама органика скрепляет минеральные частицы друг с другом. Хотя гумусовые молекулы остались в прошлом, какие-то органические вещества все же играют роль почвенного «клея».
На эту роль появился новый претендент — гликопротеин (белок, связанный с олигосахаридом) под названием гломалин. Сначала его нашли в мицелии арбускулярной микоризы, специфического симбиоза грибов с корнями растений. Он реагировал с антителами, синтезированными к спорам этих грибов. При помощи этих же антител обнаружили, что гломалин в большом количестве выделяется из почвы. Иммунофлюресцентный анализ показал, что гломалин, как пленка, покрывает поверхность почвенных агрегатов.
Гломалин — гликопротеин, вырабатываемый в большом количестве гифами и спорами грибов арбускулярной микоризы (АМ) в почве и в корнях растений.
Рис. 3. Гломалин на поверхности почвенных агрегатов. Иммунофлюоресцентная микроскопия (масштаб не указан).
Микориза – важнейший грибо-растительный симбиоз, оказавший влияние на формирование и дальнейшее функционирование наземной растительности. Первые сведения об этом явлении пришли к нам из античности, уже Теофраст (371 – 287 гг. до н.э.) указывал на приуроченность отдельных грибов к корням дуба и некоторых других деревьев. Франк Альберт Бернард - немецкий биолог в 1885 г. ввёл термин «микориза», изучил симбиозы древесных пород, в частности, бука. Арбускулы – основная зона контакта симбионтов, находящаяся в свободном пространстве между клеточными стенками растений.
Гломалин был обнаружен в 1996 году Сарой Ф. Райт, ученой из Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США. Название происходит от порядка грибов Гломовые.
Но скоро и у гломалина начались “проблемы”. Сначала оказалось, что это не один белок, а как минимум целая группа, которую назвали «родственные гломалину почвенные белки» (glomalin-related soil proteins, GRSP). Содержание GRSP коррелирует с количеством микоризных грибов и со стабильностью агрегатов почвы. Позже обнаружили, что GRSP — это целый коктейль, который содержит не только белки, но еще липиды и фенольные соединения, и далеко не все из них — продукты арбускулярной микоризы. В какой-то мере гломалин постигла та же судьба, что и гумус. Вместо уникальной молекулы он оказался сложной смесью разных веществ.
Но, помимо GRSP, почвенные частички скрепляются полисахаридами из клеточных капсул бактерий, адгезией самих бактериальных клеток, выделениями дождевых червей, гифами грибов и корнями растений. То есть важен не конкретный волшебный компонент, а разнообразие органических веществ и организмов в почве. Все самое интересное происходит в прикорневой зоне, где растение при помощи корневых выделений буквально “прикармливает” микроорганизмы, а с грибами вообще образует сложное сожительство - микоризу.
Рис. 4. Почвенный агрегат и скрепляющие его элементы. Источник: А. В. Юдина, Д. С. Фомин, А. Д. Котельникова, Е. Ю. Милановский. (2018). От понятия элементарной почвенной частицы к гранулометрическому и микроагрегатному анализам (обзор). Почвоведение. 1340-1362;
Таким образом мы считаем, что гумус конечно был и все еще есть, хотя в условиях современной хозяйственной деятельности человека его количество в обрабатываемом слое неуклонно снижается. Недобросовестные производители все чаще манипулируют сознанием потребителя, размещая на этикетке волшебное слово, надеясь на то, что никто не проверит: «А был ли гумус?».
Вся суть компостирования сводится к формуле: обезвредить - переработать - вернуть в грунт.
Принцип «Не навреди» актуален не только для медицины, но и при производстве грунтов, которыми будут питаться растения. А потому необходимо наладить систему оценки качества компостов. Это непростая задача, для ее скорейшего решения надо продолжить изучение органического вещества почвы, поддерживать молодых ученых, выделять гранты, открывать новые лаборатории. И тогда нас ждет еще много открытий, может даже больше, чем произошло за последние 250 лет.
Автор: Лия Давлетбаева, научный редактор журнала «PRO Компост»