Рисунок 3 – Приведенная буферная емкость некоторых типов почв (П.П. Надточий, 1993) и карбонатного сапропеля озера Неро

Разнообразный элементный и вещественный состав сапропелей неодина­ково влияет на урожайность с/х культур. В качестве экспресс-метода предвари­тельной оценки удобрительного действия сапропелей в работе был использован метод проростков Нейбауэра-Шнейдера. Результаты исследования показали, что наибольшее влияние сапропели оказывают на массу проростков (коэф­фициент активности К.а. 1,52), содержание в них азота (К.а.1,51) и каротина (К.а.1,45). Наибольшая продуктивность получена на сапропелях с нейтральной средой и сравнительно высоким содержанием ОВ (не менее 30%). На прорастание семян сапропели оказывают слабое ингибирующее действие.

Анализ ферментативной и микробиологиче­ской активности сапропеля оз. Неро в вегетационном опыте показал сравни­тельно высокую протеолитическую, каталазную и уреазную активность в на­чале вегетации и затухание ферментативной активности в конце, когда минерализо­валась наиболее доступная для микрофлоры часть ОВ сапропеля.

Для повыше­ния биологической активности озерных илов, по предложению Л.В. Кирейче­вой, автором при участии И.В. Петровой была проведена предварительная ак­тивизация сапропелей обработкой их пероксидом водорода. В результате произошло час­тичное разрушение органоминеральных комплексов сапропелей, увеличившее количество свободных функциональных групп в ГК и повысившее их биологическую актив­ность, что также было подтверждено методом проростков: высота и масса про­ростков увеличилась на 10 -15% (таблица 6).

Таблица 6 – Влияние пероксида водорода на высоту проростков, выращен­ных на карбонатном сапропеле (см)

Третья глава посвящена теоретическому обоснованию вещественно-энергетического подхода к оценке мелиорирующего воздействия органического вещества на почву с це­лью повышения почвенного плодородия.

Любая открытая система может развиваться только за счет использования матери­ально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды (Реймерс, 1994). В соответствии с этим агроэкосистема и сельскохозяйственные растения, как ее компонент, не получая достаточно антропогенных энергетиче­ских ресурсов, потребляют необходимые вещества из окружающей среды, глав­ным образом, из почвы, снижая ее энергетический потенциал, что проявляется в снижении запасов гумуса. Энергетическая оценка почвенного гумуса и гео­химических процессов рассмотрены в трудах В.Р. Волобуева, А.Е. Ферсмана, В.Н. Сукачева, С.В. Зона, Б.Г. Розанова, С.А. Алиева, Н.И. Парфеновой и мно­гих других. При осуществлении любой антропогенной деятельности, в том числе при решении проблемы устойчивого повышения продуктивности почв, для сохранения установившегося соотношения энергетических потоков необ­ходимо точно учитывать количество входящей и исходящей энергии на основе термодинамического подхода. В.Р. Волобуев вывел экспоненциальную функцию полноты использования энергии в биоценозе при почвообразовании в за­висимости от радиационного баланса, величины относительной увлажненности и биологической активности биоценоза. Работа, производимая в процессе почвообразования, под­разделяется на процессы воднотеплового круговорота, биологические про­цессы, физическое и химическое выветривание. Эти затраты энергии соотносятся как 100: 1: 0,01 (В.Р. Волобуев, 1974). Работа, за­траченная на биологическую продуктивность, в соответствие с законами тер­модинамики, превращается в энергию химических связей биогенного органического веще­ства, ее можно определить через энергию Гиббса G, которая служит мерой движущей силы химической ре­акции при изобарно-изотермических условиях. Для равновесной химической реакции в стандартных условиях справедливо уравнение:

G⁰ = H⁰ - TS⁰, (1)

где, G⁰ – изменение стандартной энергии Гиббса, H⁰ – изменения стандартной энтальпии, S⁰ – изменение стандартной энтропии, Т – температура, К.

В данном уравнении H⁰, изменение энтальпии или теплосодержания вещества, может быть определено калориметрически, либо на основе стехиометрических расчетов абиотического окисления (формулы Дюлонга, Д.И. Менделеева, Фондра­чека и др.). Существующие методы определения энергии (H⁰) почвенного гу­муса (И.В. Тюрин, Е.М. Титов, С.А. Алиев, и др.) также основаны на абиотиче­ских процессах окисления. Н.И. Парфенова (1995) предложила определять в качестве энергетиче­ской характеристики вещества известного элементного состава ко­эффициент химической трансформации Qхт, который характеризует прочность химических связей в молекуле. Однако изменение энтальпии в результате абиотического окисления и величина Qхт не отражают особенности трансфор­мации энергии в биологических системах, которые целесообразно учитывать при энергетической оценке почвенного гумуса, минерализация которого идет с помощью почвенной биоты.

Для расчета энергии почвенного гумуса, как пищевого субстрата почвенной микробиоты, были использованы закономерности трансформации энергии в биологических системах (В.О. Тауссон, В.П. Скулачев, В.А. Энгельгардт и др.). Метод осно­ван на определении G⁰ сопряженных реакций при биологическом окисле­нии органических субстратов (рисунок 4).

С_MН_NО_Z + О₂ АДФ+ Ф Процессы

синтеза биополимеров

СО₂ + Н₂О АТФ и другие виды работы

Рисунок 4 – Схема аккумуляции и трансформации энергии органического веще­ства в биологической клетке (В.П. Скулачев, 1969)

Биологическое окисление органической молекулы сопровождается синтезом аденозинтрифосфорной кислоты АТФ, которая является непосредственным источником энергии в клетке. Изменение стандартной свободной энергии реакции синтеза АТФ из АДФ и фосфата – термодинамическая основа предлагаемой методики.

Органическое вещество является источником энергии для гетеротрофных организмов. Существуют два пути биологического окисления органического вещества: аэробный и анаэробный. Наиболее эффективный спо­соб получения энергии клеткой из органического субстрата – аэробный метабо­лизм или дыхание, стехиометрия которого легла в основу расчета потенциаль­ной энергии органического вещества. Аэробный метаболизм – один из процессов, обеспечивающих круговорот углерода в природе. В результате минерализации органического вещества микробиотой образуется до 80-90% СО₂ (Л. Месробяу, 1963). Элементами - энергогенами органических соединений являются водород, угле­род и кислород. Биологическое «топливо» – это водород органических молекул, энергия связей которого идет на синтез АТФ. При биологическом окислении органи­ческой молекулы водород окисляется кислородом воздуха, а углерод за счет кислорода органических молекул и кислорода молекул воды, что дает возможность определить количество водо­рода, занятого в процессе аэробного метаболизма. В этом заключается основной принцип предлагаемой автором методики (рисунок 5).

110Н₂О

С₇₁Н₅₉О₃₂ 71СО₂ + 279Н

279Н + 139,5О 139,5 Н₂О

418,5АТФ (12764,25кДж/моль)

Рисунок 5 – Схема биологического окисления элементарной ячейки гуминовых кислот чернозема

Исследованиями ряда авторов (Б. Албертс, 1987, А. Ленинджер, 1985, Р. Марри, 1993 и др.) показано, что при снятии с органического вещества двух атомов водорода в процессе его аэробного окисления образуется в среднем 3 молекулы АТФ. В концевой ( - ) ангидридной связи АТФ аккумулируется 30,5 кДж/моль энергии (А. Ленинджер, 1985). Практическое значение предложенного способа расчета выхода полезной энергии при аэробном окислении органического вещества состоит в том, что он позволяет по элементному составу вещества рассчитать выход полезной энергии в форме АТФ. Данная энергия характеризует потенциальную энергетическую ценность любого органического вещества, для реализации которой требуются определенные условия (обеспеченность другими химическими элементами, температура, влажность, оптимальное соотношение С:N, и т.п.), поэтому в работе она обозначена как «биоэнергетический потенциал» (БЭП) органических молекул.

Впервые автором предложена методика расчета количества АТФ и энергии ее макроэргических концевых связей по элементному составу органической молекулы. Расчет количества БЭП выполняют по следующей стехио­метрической формуле:

Е_БЭП = 183С+ 45,75Н – 91,5О (кДж/моль), (2)

где С, Н и О – атомные доли или молекулярные индексы элементов углерода, водорода и кислорода в молекуле органического субстрата.

Если известны массовые доли элементов в веществе, то формула (2) приоб­ретает вид:

Е_БЭП = (15,25С + 45,75Н - 5,72О):(С+Н+О) (кДж/г), (3)

где С, Н и О – выраженные в % массовые доли элементов углерод, водород и ки­слород.

Расчеты по предложенной методике БЭП основных метаболитов клетки, таких как С₆Н₁₂О₆, СН₃СООН и т.д., совпадают с литературными данными расчета G⁰ для реакции синтеза АТФ из АДФ и фосфата за счет энергии этих молекул, полученной в процессе их аэробного биологического окисления. Предлагаемая методика позволяет рассчитать БЭП для веществ, метаболизм которых в клетке неизвестен, в частности, для гумино­вых и фульвокислот, а также для других органических веществ известного элементного состава. Аэробный окислительно-восстановительный процесс образования АТФ сопровождается превращением части энергии в тепло. Сопоставление БЭП для различных соединений по­казывает, что БЭП составляет 38-42% от Н⁰ (общего теплосодержания органиче­ских молекул).

В работе выявлена корреляция между энергией гуминовых кислот сапро­пелей, рассчитанной по формуле (2) и продуктивностью сапропелей (метод проростков). Достоверность аппроксимации составляет не менее 0,76, что указывает на тесную связь энергии органического субстрата с процессами клеточного метаболизма расте­ний.

Поступающая в биоценоз энергия аккумулируется в двух его основных объектах: в зеленых растениях и органическом веществе почв, что обеспечи­вает увеличение продуктивности агроценоза и повышение содержания гумуса в почве. С использованием зависимостей (2) и (3) был рассчитан биоэнергетический по­тенциал гуминовых веществ основных типов почв и количество аккумулиро­ванной энергии в урожае сельскохозяйственных культур. Показано, что гуми­новые кислоты аккумулируют больше энергии, чем фульвокислоты (рисунок 6). Выявлены зональные закономерности изменения энергии ГВ: наибольшей энергией обладают ГК черноземов, к северу и югу БЭП гуминовых кислот сни­жается; для ФК просматривается обратная закономерность.

Рисунок 6 – Биоэнергетический потенциал гуминовых веществ почв различных

типов, МДж/Моль

В тех почвах, где формируется гуматный тип гумуса (черноземы), энергия накапливается пре­имущественно в гуминовых кислотах, при возрастании энергии фульвокислот тип гумуса меняется в сторону фульватности. Следовательно, существует связь между энергией гумусовых кислот и типом гумуса, что на энергетическом уровне подтверждает закон В.В. Докучаева о зональности почв (В.В. Докучаев, 1949). Для энергетической оценки поч­венного гумуса целесообразно учитывать энергию лабильной части гумуса, аккумулированную в гуминовых и фульвокислотах. В работе рассчитан биоэнергетический потенциал фракционируемой части поч­венного гумуса (рисунок 7). Различное содержание энергии в одинаковом количе­стве гумуса предполагает, что при восстановлении запаса гумуса различ­ных типов почв с одинаковым вещественным дефицитом гумуса количество вносимой с органическими удобрениями энергии должно быть различно.

Рисунок 7 – Биоэнергетический потенциал гумуса различных типов почв, ГДж/т

Расчет энергии урожая, выращенного на различных типах почв, показал, что энергия, аккумулированная в фитомассе продукции, составила примерно 1% от энергии почвообразования, что подтверждает предположение В.Р. Воло­буева (1974) об относительных затратах энергии в процессе почвообразования на биологические и абиотические процессы (таблица 7).