Органическое вещество: состав, источники и роль в экосистемах.

Введение

Материя, состоящая из органических соединений

Органическое вещество, органический материал или природное органическое вещество – это обширный источник углеродсодержащих соединений, встречающийся в естественной и искусственной, наземной и водной среде. Оно представляет собой материю, состоящую из органических соединений, образованных из экскрементов и останков организмов, таких как растения и животные. Органические молекулы могут также образовываться в результате химических реакций, не связанных с живыми организмами. Основные структуры формируются из целлюлозы, танина, кутина и лигнина, а также различных белков, липидов и углеводов. Органическое вещество играет важную роль в круговороте питательных веществ в окружающей среде и способствует удержанию воды на поверхности планеты.

Формирование

Живые организмы состоят из органических соединений. В процессе жизни они выделяют или экскретируют органические вещества в окружающую среду, сбрасывают части тела, такие как листья и корни, а после смерти организмов их тела разлагаются под действием бактерий и грибов. Более крупные молекулы органического вещества могут образовываться в результате полимеризации различных фрагментов уже разложившегося вещества. Состав природного органического вещества зависит от его источника, способа трансформации, возраста и окружающей среды, что обуславливает разнообразие его биофизико-химических функций в различных условиях.

Функции естественных экосистем

Органические вещества широко распространены в экосистеме и перерабатываются посредством процессов разложения почвенными микробными сообществами, которые играют решающую роль в обеспечении доступности питательных веществ. После разложения и химических реакций они могут перемещаться в почву и поверхностные воды с потоком воды. Органические вещества служат питанием для живых организмов. Органические вещества выступают в роли буфера в водном растворе, поддерживая нейтральный pH в окружающей среде. Считается, что буферные свойства этих веществ важны для нейтрализации кислотных дождей.

Цикл источника

Некоторые органические вещества, отсутствующие в почве, поступают из грунтовых вод. Когда грунтовые воды насыщают почву или осадочные породы вокруг них, органические вещества могут свободно перемещаться между фазами. Грунтовые воды имеют собственные источники природного органического вещества, включая: отложения органического вещества, такие как кероген и уголь, почвенное и осадочное органическое вещество, а также органические вещества, проникающие в подповерхностные слои из рек, озер и морских систем. Организмы разлагаются, образуя органическое вещество, которое затем транспортируется и рециркулируется. Не вся биомасса мигрирует; часть её остаётся неподвижной, претерпевая изменения в течение миллионов лет.

Органическая материя почвы

Органическое вещество в почве образуется из растений, животных и микроорганизмов. В лесу, например, на почву опадают листья и древесный материал. Это иногда называют органическими остатками. Когда они разлагаются до степени, когда их уже невозможно узнать, это называется почвенным органическим веществом. Когда органическое вещество распадается на стабильное соединение, устойчивое к дальнейшему разложению, оно называется гумусом. Таким образом, почвенное органическое вещество включает в себя все органическое вещество в почве, за исключением неразложившегося материала. Важным свойством почвенного органического вещества является его способность улучшать водо- и питательноудерживающую способность почвы, обеспечивая их медленное высвобождение, что, в свою очередь, улучшает условия для роста растений. Еще одним преимуществом гумуса является его способность склеивать частицы почвы, что облегчает нематодам или микроскопическим бактериям разложение питательных веществ. Существует несколько способов быстро увеличить содержание гумуса. Внесение компоста, растительных или животных материалов/отходов, или сидератов в почву увеличивает количество гумуса. Компост: разложившийся органический материал. Растительные и животные материалы и отходы: мертвые растения или растительные остатки, такие как листья или обрезки кустарников и деревьев, или животный навоз. Сидераты: растения или растительный материал, выращиваемые исключительно для заделывания в почву. Эти три материала обеспечивают нематод и бактерии питательными веществами для их развития и производства большего количества гумуса, который, в свою очередь, обеспечивает растения достаточным количеством питательных веществ для выживания и роста. Это явление обычно вызывается импульсным или непрерывным поступлением свежего органического вещества (FOM). Эффект инициации обычно приводит к ускорению минерализации из-за триггера, такого как поступление FOM. Увеличение скорости разложения часто связывают с повышением микробной активности, вызванной увеличением доступности энергии и питательных веществ, высвобождаемых из FOM. После внесения FOM считается, что специализированные микроорганизмы быстро размножаются и разлагают только эту вновь добавленную органическую материю. Скорость круговорота SOM в этих областях как минимум на один порядок выше, чем в основной почве. Однако механизмы, лежащие в основе эффекта инициации, сложнее, чем предполагалось изначально, и до сих пор остаются в значительной степени неизученными.

The organic matter in soil derives from plants, animals and microorganisms. In a forest, for example, leaf litter and woody material falls to the forest floor. This is sometimes referred to as organic material. When it decays to the point in which it is no longer recognizable, it is called soil organic matter. When the organic matter has broken down into a stable substance that resist further decomposition it is called humus. Thus soil organic matter comprises all of the organic matter in the soil exclusive of the material that has not decayed. An important property of soil organic matter is that it improves the capacity of a soil to hold water and nutrients, and allows their slow release, thereby improving the conditions for plant growth. Another advantage of humus is that it helps the soil to stick together which allows nematodes, or microscopic bacteria, to easily decay the nutrients in the soil. There are several ways to quickly increase the amount of humus. Combining compost, plant or animal materials/waste, or green manure with soil will increase the amount of humus in the soil. Compost: decomposed organic material. Plant and animal material and waste: dead plants or plant waste such as leaves or bush and tree trimmings, or animal manure. Green manure: plants or plant material that is grown for the sole purpose of being incorporated with soil. These three materials supply nematodes and bacteria with nutrients for them to thrive and produce more humus, which will give plants enough nutrients to survive and grow. The phenomenon is generally caused by either pulsed or continuous changes to inputs of fresh organic matter (FOM). Priming effects usually result in an acceleration of mineralization due to a trigger such as the FOM inputs. The cause of this increase in decomposition has often been attributed to an increase in microbial activity resulting from higher energy and nutrient availability released from the FOM. After the input of FOM, specialized microorganisms are believed to grow quickly and only decompose this newly added organic matter. The turnover rate of SOM in these areas is at least one order of magnitude higher than the bulk soil. However, the mechanisms which lead to the priming effect are more complex then originally thought, and still remain generally misunderstood.

Разложение

Одно из подходящих определений органического вещества – это биологический материал, находящийся в процессе разложения, например, гумус. Более детальное изучение биологического материала в процессе разложения показывает так называемые органические соединения (биологические молекулы), которые разрушаются (распадаются). Основные процессы, посредством которых происходит разрушение (распад) молекул почвы, – это бактериальный или грибковый ферментативный катализ. Если бы на Земле не было бактерий или грибов, процесс разложения протекал бы значительно медленнее.

Органическая химия

Измерения органического вещества обычно измеряют только органические соединения или углерод, и поэтому являются лишь приближением к количеству когда-то живого или разложившегося вещества. Некоторые определения органического вещества также рассматривают под "органическим веществом" только содержание углерода или органические соединения, не принимая во внимание происхождение или разложение вещества. В этом смысле не все органические соединения создаются живыми организмами, и живые организмы оставляют после себя не только органический материал. Например, раковина моллюска, хотя и является биотой, содержит мало органического углерода и поэтому может не считаться органическим веществом в этом понимании. С другой стороны, мочевина – лишь одно из многих органических соединений, которые могут быть синтезированы без какой-либо биологической активности. Органическое вещество неоднородно и очень сложно. Как правило, органическое вещество по массе состоит из:

Водные

Водные органические вещества можно разделить на два компонента: (1) растворенные органические вещества (DOM), измеряемые как цветные растворенные органические вещества (CDOM) или растворенный органический углерод (DOC), и (2) взвешенные органические вещества (POM). Обычно их различают по способности проходить через фильтр размером 0,45 микрометра (DOM) и неспособности к этому (POM).

Обнаружение

Органические вещества играют важную роль в очистке и переработке питьевой воды и сточных вод, в естественных водных экосистемах, аквакультуре и реабилитации окружающей среды. Поэтому важно иметь надежные методы обнаружения и характеристики органических веществ для краткосрочного и долгосрочного мониторинга. Существует множество аналитических методов обнаружения органических веществ, используемых на протяжении десятилетий для их описания и характеристики. 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 недостатки.

Очистка воды

Та же способность природного органического вещества, которая способствует удержанию воды в почве, создает проблемы для современных методов очистки воды. В воде органические вещества все еще могут связываться с ионами металлов и минералами. Эти связанные молекулы не обязательно задерживаются в процессе очистки, но не представляют опасности для людей, животных или растений. 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 на очистных сооружениях, поскольку побочные продукты больше, чем размеры пор мембран. Эту проблему засорения можно решить с помощью хлорирования, которое способно разрушать остаточные вещества, вызывающие засорение систем. Однако хлорирование может приводить к образованию побочных продуктов дезинфекции.

Витализм

Уравнение понятия "органический" с живыми организмами восходит к устаревшей идее витализма, которая приписывала жизни особую силу, единственную способную создавать органические вещества. Эта идея впервые была подвергнута сомнению после искусственного синтеза мочевины Фридрихом Вёлером в 1828 году.