stringtranslate.com

Органическое вещество

Органическое вещество , органический материал или природное органическое вещество относится к большому источнику соединений на основе углерода, обнаруженных в естественных и искусственных, наземных и водных средах. Это вещество, состоящее из органических соединений , которые произошли из фекалий и останков организмов, таких как растения и животные . [1] Органические молекулы также могут быть получены химическими реакциями, которые не связаны с жизнью. [2] Базовые структуры создаются из целлюлозы , танина , кутина и лигнина , а также других различных белков , липидов и углеводов . Органическое вещество очень важно для перемещения питательных веществ в окружающей среде и играет роль в удержании воды на поверхности планеты. [3]

Формирование

Живые организмы состоят из органических соединений. В жизни они выделяют или выделяют органический материал в окружающую среду, сбрасывают части тела, такие как листья и корни, а после смерти организмов их тела разрушаются под действием бактерий и грибков. Более крупные молекулы органического вещества могут образовываться в результате полимеризации различных частей уже разрушенного вещества. [ необходима цитата ] Состав природного органического вещества зависит от его происхождения, способа преобразования, возраста и существующей среды, поэтому его биофизико-химические функции различаются в зависимости от различных сред. [4]

Функции естественных экосистем

Органическое вещество распространено во всей экосистеме и циклически проходит через процессы разложения микробными сообществами почвы, которые имеют решающее значение для доступности питательных веществ. [5] После разложения и реагирования оно может перемещаться в почву и основные воды через поток воды. Органическое вещество обеспечивает питание живых организмов. Органическое вещество действует как буфер в водных растворах для поддержания нейтрального pH в окружающей среде. Было предложено, что компонент, действующий буфером, имеет отношение к нейтрализации кислотных дождей . [6]

Исходный цикл

Часть органического вещества, которого еще нет в почве, поступает из грунтовых вод . Когда грунтовые воды насыщают почву или осадок вокруг нее, органическое вещество может свободно перемещаться между фазами. Грунтовые воды имеют свои собственные источники природного органического вещества, включая:

Организмы разлагаются на органические вещества, которые затем транспортируются и перерабатываются. Не вся биомасса мигрирует, часть довольно неподвижна, оборачиваясь только в течение миллионов лет. [8]

Органическое вещество почвы

Органическое вещество в почве происходит от растений, животных и микроорганизмов. Например, в лесу опавшие листья и древесные материалы падают на лесную подстилку. Иногда это называют органическим материалом. [9] Когда он разлагается до такой степени, что становится неузнаваемым, его называют органическим веществом почвы. Когда органическое вещество распалось на устойчивое вещество, которое сопротивляется дальнейшему разложению, его называют гумусом . Таким образом, органическое вещество почвы включает в себя все органическое вещество в почве, за исключением материала, который не разложился. [10]

Важным свойством органического вещества почвы является то, что оно улучшает способность почвы удерживать воду и питательные вещества и позволяет им медленно высвобождаться, тем самым улучшая условия для роста растений. Еще одним преимуществом гумуса является то, что он помогает почве слипаться, что позволяет нематодам , или микроскопическим бактериям, легко разлагать питательные вещества в почве. [11]

Существует несколько способов быстро увеличить количество гумуса. Сочетание компоста, растительных или животных материалов/отходов или зеленого удобрения с почвой увеличит количество гумуса в почве.

  1. Компост: разложившийся органический материал.
  2. Растительный и животный материал и отходы: мертвые растения или растительные отходы, такие как листья или обрезки кустов и деревьев, а также животный навоз.
  3. Зелёное удобрение : растения или растительный материал, выращиваемые исключительно с целью внесения в почву.

Эти три материала снабжают нематоды и бактерии питательными веществами, необходимыми для их процветания и производства большего количества гумуса, который даст растениям достаточно питательных веществ для выживания и роста. [11]

Органическое вещество почвы имеет решающее значение для всей экологии и всего сельского хозяйства , но особое значение ему придается в органическом земледелии , где от него особенно много зависит.

Эффект грунтовки

Эффект прайминга характеризуется интенсивными изменениями в естественном процессе оборота органического вещества почвы (SOM), возникающими в результате относительно умеренного вмешательства в почву. [12] Это явление обычно вызывается либо импульсными, либо непрерывными изменениями в поступлении свежего органического вещества (FOM). [13] Эффект прайминга обычно приводит к ускорению минерализации из- за триггера , такого как поступление FOM. Причиной этого увеличения разложения часто считалось увеличение микробной активности в результате более высокой доступности энергии и питательных веществ, высвобождаемых из FOM. После поступления FOM специализированные микроорганизмы, как полагают, быстро растут и разлагают только это недавно добавленное органическое вещество. [14] Скорость оборота SOM в этих областях по крайней мере на один порядок выше, чем в основной массе почвы. [13]

Другие виды обработки почвы, помимо внесения органических веществ, которые приводят к этому краткосрочному изменению скорости оборота, включают «внесение минеральных удобрений, выделение органических веществ корнями, простую механическую обработку почвы или ее высушивание и повторное увлажнение». [12]

Эффекты прайминга могут быть как положительными , так и отрицательными в зависимости от реакции почвы с добавленным веществом. Положительный эффект прайминга приводит к ускорению минерализации, тогда как отрицательный эффект прайминга приводит к иммобилизации, что приводит к недоступности N. Хотя большинство изменений было задокументировано в пулах C и N, эффект прайминга также может быть обнаружен в фосфоре и сере, а также в других питательных веществах. [12]

Лёнис был первым, кто открыл явление эффекта прайминга в 1926 году, изучая разложение зеленого удобрения и его воздействие на бобовые растения в почве. Он заметил, что при добавлении свежих органических остатков в почву это приводило к усилению минерализации гумусом N. Однако только в 1953 году Бингеман в своей статье под названием «Влияние добавления органического материала на разложение органической почвы» дал термин «эффект прайминга ». До появления эффекта прайминга использовались несколько других терминов , включая «действие прайминга», «взаимодействие добавленного азота» (ANI), «дополнительный N» и «дополнительный N». [12] Несмотря на эти ранние вклады, концепция эффекта прайминга широко игнорировалась примерно до 1980-х–1990-х годов. [13]

Эффект прайминга был обнаружен во многих различных исследованиях и считается обычным явлением, проявляющимся в большинстве систем почвенных растений. [15] Однако механизмы, которые приводят к эффекту прайминга, более сложны, чем первоначально предполагалось, и до сих пор остаются в целом непонятыми. [14]

Хотя существует много неопределенности относительно причины эффекта прайминга, в результате недавних исследований было выявлено несколько неоспоримых фактов :

  1. Эффект праймирования может возникнуть как мгновенно, так и очень скоро (потенциально через несколько дней или недель) [13] после добавления вещества в почву.
  2. Эффект грунтования сильнее в почвах, богатых углеродом и азотом, по сравнению с почвами, бедными этими питательными веществами.
  3. В стерильных условиях реальные эффекты прайминга не наблюдались.
  4. Величина эффекта грунтования увеличивается по мере увеличения количества добавленного к почве вещества. [12]

Недавние открытия показывают, что те же механизмы эффекта прайминга, которые действуют в почвенных системах, могут также присутствовать в водной среде, что указывает на необходимость более широкого рассмотрения этого явления в будущем. [13] [16]

Разложение

Одним из подходящих определений органического вещества является биологический материал в процессе разложения или разложения , такой как гумус . Более пристальный взгляд на биологический материал в процессе разложения обнаруживает так называемые органические соединения ( биологические молекулы ) в процессе распада (распада).

Основными процессами, посредством которых распадаются молекулы почвы, являются бактериальный или грибковый ферментативный катализ . Если бы на Земле не было бактерий или грибков, процесс разложения протекал бы гораздо медленнее.

Различные факторы влияют на разложение органического вещества, включая его химические свойства и другие параметры окружающей среды. Метаболические возможности микробных сообществ играют решающую роль в разложении, поскольку они тесно связаны с доступностью энергии и ее переработкой. [17] В наземных экосистемах было показано, что энергетический статус органического вещества почвы влияет на предпочтения микробных субстратов. [18] Некоторые пулы органического вещества могут быть энергетически выгодными для микробных сообществ, что приводит к их быстрому окислению и разложению по сравнению с другими пулами, где микробные деструкторы получают меньшую отдачу от вложенной ими энергии. В более широком смысле, почвенные микроорганизмы преимущественно минерализуют высокоэнергетическое органическое вещество, избегая разложения менее энергетически плотного органического вещества. [19]

Органическая химия

Измерения органического вещества обычно измеряют только органические соединения или углерод , и поэтому являются лишь приблизительным показателем уровня некогда живого или разложившегося вещества. Некоторые определения органического вещества также рассматривают «органическое вещество» только как относящееся к содержанию углерода или органических соединений и не учитывают происхождение или разложение вещества. В этом смысле не все органические соединения создаются живыми организмами, и живые организмы не только оставляют после себя органический материал. Раковина моллюска, например, хотя и является биотической , не содержит большого количества органического углерода , поэтому ее нельзя считать органическим веществом в этом смысле. И наоборот, мочевина является одним из многих органических соединений, которые могут быть синтезированы без какой-либо биологической активности.

Органическое вещество неоднородно и очень сложно. В общем, органическое вещество, по весу, это: [6]

Молекулярные массы этих соединений могут существенно различаться в зависимости от того, реполимеризуются они или нет, от 200 до 20 000 а.е.м. До одной трети присутствующего углерода находится в ароматических соединениях , в которых атомы углерода обычно образуют шестичленные кольца. Эти кольца очень стабильны из-за резонансной стабилизации , поэтому их сложно разрушить. Ароматические кольца также подвержены электрофильным и нуклеофильным атакам со стороны других материалов, отдающих или принимающих электроны, что объясняет возможную полимеризацию для создания более крупных молекул органического вещества.

Некоторые реакции происходят с органическим веществом и другими материалами в почве, создавая соединения, которые никогда не встречались ранее. К сожалению, их сложно охарактеризовать, поскольку изначально очень мало известно о природном органическом веществе. В настоящее время проводятся исследования, чтобы узнать больше об этих новых соединениях и о том, сколько их образуется. [20]

Водный

Водное органическое вещество можно далее разделить на два компонента: (1) растворенное органическое вещество (DOM), измеряемое как окрашенное растворенное органическое вещество (CDOM) или растворенный органический углерод (DOC), и (2) твердые органические вещества (POM). Они обычно различаются по тому, что может пройти через фильтр 0,45 микрометра (DOM), и тому, что не может (POM).

Обнаружение

Органическое вещество важно для очистки и переработки воды и сточных вод, природных водных экосистем, аквакультуры и восстановления окружающей среды. Поэтому важно иметь надежные методы обнаружения и характеристики как для краткосрочного, так и для долгосрочного мониторинга. Различные аналитические методы обнаружения органического вещества существуют уже несколько десятилетий для описания и характеристики органического вещества. К ним относятся, помимо прочего: общий и растворенный органический углерод, масс-спектрометрия , спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) , инфракрасная (ИК) спектроскопия , УФ-видимая спектроскопия и флуоресцентная спектроскопия . Каждый из этих методов имеет свои преимущества и ограничения.

Очистка воды

Та же способность естественного органического вещества, которая помогает удерживать воду в почве, создает проблемы для современных методов очистки воды. В воде органическое вещество все еще может связываться с ионами металлов и минералами. Процесс очистки не обязательно останавливает эти связанные молекулы, но и не причиняет вреда людям, животным или растениям. Однако из-за высокой реакционной способности органического вещества могут образовываться побочные продукты, не содержащие питательных веществ. Эти побочные продукты могут вызывать биообрастание , которое по сути засоряет системы фильтрации воды в водоочистных сооружениях, поскольку побочные продукты больше размеров пор мембраны. Эту проблему засорения можно решить путем дезинфекции хлором ( хлорированием ), которое может разрушать остаточный материал, засоряющий системы. Однако хлорирование может образовывать побочные продукты дезинфекции . [20]

Воду с органическими веществами можно дезинфицировать с помощью радикальных реакций, инициированных озоном . Озон (три кислорода) обладает мощными окислительными характеристиками. Он может образовывать гидроксильные радикалы (ОН) при разложении, которые будут реагировать с органическими веществами, чтобы устранить проблему биообрастания. [21]

Витализм

Отождествление «органического» с живыми организмами происходит из ныне заброшенной идеи витализма , которая приписывала жизни особую силу, которая одна могла создавать органические вещества. Эта идея была впервые подвергнута сомнению после того, как Фридрих Вёлер искусственно синтезировал мочевину в 1828 году.

Смотрите также

Сравните с:

Ссылки

  1. ^ "Natural Organic Matter". GreenFacts . Получено 28 июля 2019 г.
  2. ^ "NASA Goddard Instrument Makes First Detection of Organic Matter on Mars". NASA. 16 декабря 2014 г. Получено 28 июля 2019 г.
  3. ^ Sejian, Veerasamy; Gaughan, John; Baumgard, Lance; Prasad, Cadaba (31 марта 2015 г.). Влияние изменения климата на скот: адаптация и смягчение последствий . Springer. ISBN 978-81-322-2265-1.
  4. ^ Никола Сенеси, Баошань Син и П. М. Хуан, Биофизико-химические процессы с участием природных неликвидулирущих органических веществ в экологических системах, Нью-Йорк: ИЮПАК, 2006.
  5. ^ Ochoa-Hueso, R; Delgado-Baquerizo, M; King, PTA; Benham, M; Arca, V; Power, SA (2019). «Тип экосистемы и качество ресурсов важнее, чем движущие силы глобальных изменений в регулировании ранних стадий разложения подстилки». Soil Biology and Biochemistry . 129 : 144–152. Bibcode : 2019SBiBi.129..144O. doi : 10.1016/j.soilbio.2018.11.009. hdl : 10261/336676 . S2CID  92606851.
  6. ^ Авторы: Стив Кабанисс, Грег Мэди, Патрисия Морис, Инпин Чжоу, Лора Лефф, глава Olacheesy Боб Ветцель, Джерри Линхир и Боб Вершоу, составители, Стохастический синтез природных органических веществ, UNM, ND, KSU, UNC, USGS, 22 апреля 2007 г.
  7. ^ Джордж Эйкен (2002). «Органические вещества в грунтовых водах». Геологическая служба США . Получено 28 июля 2019 г.
  8. ^ Тори М. Хёлер и Бо Баркер Йоргенсен «Микробная жизнь в условиях экстремального ограничения энергии» Nature Reviews Microbiology 2013, т. 11, стр. 83 doi :10.1038/nrmicro2939
  9. ^ "Органические материалы". Агентство по охране окружающей среды США. Архивировано из оригинала 25 сентября 2006 года . Получено 19 ноября 2006 года .
  10. ^ "Термины здоровья почвы". Архивировано из оригинала 8 ноября 2006 г.
  11. ^ ab Crow, WT «Органические вещества, зеленые удобрения и покровные культуры для борьбы с нематодами». [ постоянная неработающая ссылка ] Университет Флориды. Институт пищевых и сельскохозяйственных наук Февраль 2009 г. Веб-сайт 10 октября 2009 г.
  12. ^ abcde Кузяков, Ю.; Фридель, Дж. К.; Штар, К. (октябрь 2000 г.). «Обзор механизмов и количественная оценка эффектов прайминга». Soil Biology & Biochemistry . 32 (11–12): 1485–1498. Bibcode :2000SBiBi..32.1485K. doi :10.1016/S0038-0717(00)00084-5.
  13. ^ abcde Кузяков, Ю. (2010). "Эффекты затравки: Взаимодействия между живым и мертвым органическим веществом". Soil Biology & Biochemistry . 42 (9): 1363–1371. Bibcode : 2010SBiBi..42.1363K. doi : 10.1016/J.Soilbio.2010.04.003.
  14. ^ ab Фонтейн, Себастьен; Мариотти, Аббади (2003). «Эффект затравки органического вещества: вопрос микробной конкуренции?». Soil Biology & Biochemistry . 35 (6): 837–843. Bibcode : 2003SBiBi..35..837F. doi : 10.1016/s0038-0717(03)00123-8.
  15. ^ Ноттингем, AT; Гриффитс, Чемберлен; Стотт, Таннер (2009). «Прайминг почвы субстратами из сахара и листовой подстилки: связь с микробными группами». Applied Soil Ecology . 42 (3): 183–190. Bibcode : 2009AppSE..42..183N. doi : 10.1016/J.Apsoil.2009.03.003.
  16. ^ Guenet, B.; Danger; Abbadie; Lacroix (октябрь 2010 г.). «Эффект прайминга: преодоление разрыва между наземной и водной экологией». Ecology . 91 (10): 2850–2861. Bibcode :2010Ecol...91.2850G. doi :10.1890/09-1968.1. PMID  21058546.
  17. ^ Ван, Чаоцюнь; Кузяков, Яков (ноябрь 2023 г.). «Эффективность использования энергии почвенными микроорганизмами: обусловленная рециркуляцией и сокращением углерода». Global Change Biology . 29 (22): 6170–6187. doi : 10.1111/gcb.16925 . ISSN  1354-1013. PMID  37646316.
  18. ^ Уильямс, Элизабет К.; Планте, Ален Ф. (26 сентября 2018 г.). «Биоэнергетическая структура для оценки стойкости органического вещества почвы». Frontiers in Earth Science . 6 : 143. Bibcode : 2018FrEaS...6..143W. doi : 10.3389/feart.2018.00143 . ISSN  2296-6463.
  19. ^ Barré, Pierre; Plante, Alain F.; Cécillon, Lauric; Lutfalla, Suzanne; Baudin, François; Bernard, Sylvain; Christensen, Bent T.; Eglin, Thomas; Fernandez, Jose M.; Houot, Sabine; Kätterer, Thomas; Le Guillou, Corentin; Macdonald, Andy; van Oort, Folkert; Chenu, Claire (октябрь 2016 г.). «Энергетические и химические сигнатуры стойкого органического вещества почвы». Biogeochemistry . 130 (1–2): 1–12. Bibcode : 2016Biogc.130....1B. doi : 10.1007/s10533-016-0246-0. ISSN  0168-2563.
  20. ^ ab "Topic Snapshot: Natural Organic Material", American Water Works Association Research Foundation, 2007, 22 апреля 2007 г. Архивировано 28 сентября 2007 г. на Wayback Machine
  21. ^ Чо, Мин, Хенми Чунг и Чжеён Юн, «Дезинфекция воды, содержащей природные органические вещества, с использованием радикальных реакций, инициируемых озоном», Реферат, Прикладная и экологическая микробиология, т. 69, № 4 (2003): 2284-2291.

Библиография