Органическое вещество
Органическое вещество , органический материал или природное органическое вещество относится к крупному источнику соединений на основе углерода, обнаруженных в естественной и искусственной, наземной и водной среде. Это вещество , состоящее из органических соединений , образовавшихся из фекалий и останков таких организмов, как растения и животные . [1] Органические молекулы также могут быть созданы в результате химических реакций, не связанных с жизнью. [2] Основные структуры состоят из целлюлозы , танина , кутина и лигнина , а также других различных белков , липидов и углеводов . Органические вещества очень важны для перемещения питательных веществ в окружающей среде и играют роль в удержании воды на поверхности планеты. [3]
Формирование
[ редактировать ]Живые организмы состоят из органических соединений. При 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 расщепленного вещества. [ нужна ссылка ] Состав природного органического вещества зависит от его происхождения, способа преобразования, возраста и окружающей среды, поэтому его биофизико-химические функции различаются в зависимости от окружающей среды. [4]
Функции природных экосистем
[ редактировать ]Органические вещества распространены во всей экосистеме и подвергаются процессам разложения почвенными микробными сообществами, которые имеют решающее значение для доступности питательных веществ. [5] После разложения и реакции он может попасть в почву и основные потоки воды через поток воды. Органические вещества обеспечивают питание живых организмов. Органические вещества действуют как буфер в водном растворе, поддерживая нейтральный pH в окружающей среде. Было высказано предположение, что компонент буферного действия может использоваться для нейтрализации кислотных дождей . [6]
Исходный цикл
[ редактировать ]Некоторое количество органических веществ, еще не находящихся в почве, поступает из грунтовых вод . Когда грунтовые воды насыщают почву или отложения вокруг нее, органические вещества могут свободно перемещаться между фазами. Подземные воды имеют собственные источники природных органических веществ, в том числе:
- залежи органических веществ, такие как кероген и уголь .
- Органические вещества почвы и отложений.
- органические вещества, проникающие в недра из рек, озер и морских систем». [7]
Организмы разлагаются на органические вещества, которые затем транспортируются и перерабатываются. Не вся биомасса мигрирует, часть достаточно стационарна, поворачиваясь лишь в течение миллионов лет. [8]
Органическое вещество почвы
[ редактировать ]Органическое вещество в почве происходит от растений, животных и микроорганизмов. Например, в лесу лиственный опад и древесный материал падают на лесную подстилку. Иногда его называют органическим материалом. [9] Когда он разлагается до такой степени, что его уже невозможно узнать, его называют органическим веществом почвы. Когда органическое вещество распалось на стабильное вещество, устойчивое к дальнейшему разложению, его называют гумусом . Таким образом, органическое вещество почвы включает в себя все органическое вещество почвы, за исключением неразложившегося материала. [10]
Важным свойством органического вещества почвы является то, что оно улучшает способность почвы удерживать воду и питательные вещества и обеспечивает их медленное высвобождение, тем самым улучшая условия для роста растений. Еще одним преимуществом перегноя является то, что он помогает почве слипаться, что позволяет нематодам или микроскопическим бактериям легко разлагать питательные вещества в почве. [11]
Есть несколько способов быстро увеличить количество гумуса. Объединение компоста, растительных или животных материалов/отходов или зеленых удобрений с почвой увеличит количество гумуса в почве.
- Компост: разложившийся органический материал.
- Растительный и животный материал и отходы: мертвые растения или растительные отходы, такие как листья, обрезки кустарников и деревьев, или навоз животных.
- Зеленое удобрение : растения или растительный материал, выращиваемый с единственной целью внесения в почву.
Эти три материала снабжают нематоды и бактерии питательными веществами, необходимыми для их процветания и производства большего количества гумуса, что дает растениям достаточно питательных веществ для выживания и роста. [11]
Органическое вещество почвы имеет решающее значение для всей экологии и всего сельского хозяйства , но ему уделяется особое внимание в органическом сельском хозяйстве , где на него полагаются особенно сильно.
Праймирующий эффект
[ редактировать ]Эффект грунтования характеризуется интенсивными изменениями естественного процесса круговорота органического вещества почвы (ПОВ) в результате относительно умеренного воздействия на почву. [12] Это явление обычно вызвано импульсными или непрерывными изменениями поступления свежего органического вещества (СОМ). [13] Эффекты прайминга обычно приводят к ускорению минерализации из-за такого триггера, как входные сигналы FOM. Причину такого увеличения разложения часто связывают с увеличением микробной активности в результате более высокой доступности энергии и питательных веществ, высвобождаемых из FOM. Считается, что после введения ФОМ специализированные микроорганизмы быстро растут и только разлагают вновь добавленное органическое вещество. [14] Скорость оборота ПОВ на этих участках как минимум на порядок выше, чем насыпного грунта. [13]
Другие обработки почвы, помимо внесения органических веществ, приводящие к такому кратковременному изменению скорости оборота, включают «внесение минеральных удобрений, выделение органических веществ корнями, простую механическую обработку почвы или ее высушивание и повторное увлажнение». [12]
Эффекты грунтования могут быть как положительными , так и отрицательными в зависимости от реакции почвы с добавляемым веществом. Положительный эффект прайминга приводит к ускорению минерализации, тогда как отрицательный эффект прайминга приводит к иммобилизации, что приводит к недоступности N. Хотя большинство изменений зарегистрировано в пулах углерода и азота, эффект прайминга также можно обнаружить в фосфоре и сере, а также в других питательных веществах. [12]
Лёнис был первым, кто открыл явление эффекта прайминга в 1926 году, изучая разложение сидерата и его влияние на бобовые растения в почве. Он заметил, что добавление в почву свежих органических остатков приводит к усилению минерализации гумуса N. Однако только в 1953 году термин « эффект грунтования» был введен Бингеманом в его статье « Эффект добавления органический материал при разложении органической почвы . , использовалось несколько других терминов До того, как был придуман эффект прайминга , включая действие прайминга, дополнительное взаимодействие азота (ANI), дополнительный N и дополнительный N. [12] Несмотря на эти ранние достижения, концепция эффекта прайминга широко игнорировалась примерно до 1980-1990-х годов. [13]
Эффект прайминга был обнаружен во многих различных исследованиях и считается обычным явлением, возникающим в большинстве растительных почвенных систем. [15] Однако механизмы, приводящие к эффекту прайминга, более сложны, чем первоначально предполагалось, и до сих пор в целом остаются неправильно понятыми. [14]
Хотя существует большая неопределенность относительно причины эффекта прайминга, несколько неоспоримых фактов в ходе недавних исследований появилось :
- Эффект прайминга может возникнуть либо мгновенно, либо очень быстро (потенциально дни или недели). [13] после внесения вещества в почву.
- Эффект грунтования сильнее в почвах, богатых углеродом и азотом, по сравнению с почвами, бедными этими питательными веществами.
- Реальные эффекты прайминга не наблюдались в стерильных средах.
- Величина эффекта грунтования увеличивается по мере увеличения количества дополнительной обработки почвы. [12]
Недавние результаты показывают, что те же механизмы эффекта прайминга, действующие в почвенных системах, могут также присутствовать в водной среде, что предполагает необходимость более широкого рассмотрения этого явления в будущем. [13] [16]
Разложение
[ редактировать ]Одним из подходящих определений органического вещества является биологический материал, находящийся в процессе разложения или разложения , такой как гумус . Более пристальный взгляд на биологический материал, находящийся в процессе разложения, позволяет обнаружить так называемые органические соединения ( биологические молекулы ), находящиеся в процессе распада (распада).
Основными процессами распада молекул почвы являются бактериальный или грибковый ферментативный катализ . Если бы на Земле не было бактерий или грибов, процесс разложения протекал бы гораздо медленнее.
влияют различные факторы 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 энергии . доступностью и переработкой [17] Показано, что в наземных экосистемах энергетический статус органического вещества почвы влияет на предпочтения микробного субстрата. [18] Некоторые пулы органических веществ 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
[ редактировать ]Измерения органического вещества обычно измеряют только органические соединения или углерод и поэтому являются лишь приблизительным уровнем некогда живого или разложившегося вещества. В некоторых определениях органического вещества также считается, что «органическое вещество» относится только к содержанию углерода или органических соединений и не учитывает происхождение или разложение вещества. В этом смысле не все органические соединения создаются живыми организмами, а живые организмы не только оставляют после себя органический материал. Например, раковина моллюска, будучи 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 можно синтезировать без какой-либо биологической активности.
Органическое вещество неоднородно и очень сложно. Обычно органическое вещество по весу представляет собой: [6]
Молекулярные массы этих соединений могут сильно различаться в зависимости от того, реполимеризуются они или нет, от 200 до 20 000 а.е.м. До одной трети присутствующего углерода приходится на ароматические соединения , в которых атомы углерода обычно образуют шестичленные кольца. Эти кольца очень устойчивы за счет резонансной стабилизации , поэтому их сложно сломать. Ароматические кольца также подвержены электрофильной и нуклеофильной атаке со стороны других электронодонорных или электроноакцепторных материалов, что объясняет возможную полимеризацию с образованием более крупных молекул органического вещества.
Существуют также реакции, происходящие с органическими веществами и другими материалами в почве, в результате которых образуются ранее не встречавшиеся соединения. К сожалению, их очень сложно охарактеризовать, поскольку о природном органическом веществе известно очень мало. В настоящее время проводятся исследования, чтобы узнать больше об этих новых соединениях и о том, сколько из них образуется. [20]
Водный
[ редактировать ]Водное органическое вещество можно разделить на два компонента: (1) растворенное органическое вещество (РОВ), измеряемое как окрашенное растворенное органическое вещество (CDOM) или растворенный органический углерод (DOC), и (2) твердые органические вещества (POM). Обычно их различают по тем, которые могут пройти через фильтр 0,45 микрометра (DOM), и по тем, которые не могут пройти (POM).
Обнаружение
[ редактировать ]Органические вещества играют важную роль в очистке и переработке питьевой воды и сточных вод, природных водных экосистемах, аквакультуре и восстановлении окружающей среды. Поэтому важно иметь надежные методы обнаружения и характеристики как для краткосрочного, так и для долгосрочного мониторинга. На протяжении десятилетий существовало множество аналитических методов обнаружения органических веществ, предназначенных для описания и характеристики органических веществ. 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
[ редактировать ]Та же способность природного органического вещества, которая помогает удерживать воду 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 останавливаются в процессе очистки, но не причиняют вреда людям, животным или растениям. Однако из-за высокого уровня 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 водоочистных сооружениях, поскольку размеры побочных продуктов превышают размеры пор мембраны. Эту проблему засорения можно решить с помощью дезинфекции хлором ( хлорированием ), которая может разрушить остаточный материал, засоряющий системы. Однако при хлорировании могут образовываться побочные продукты дезинфекции . [20]
Воду с органическими веществами можно обеззаразить радикальными реакциями, инициируемыми озоном . Озон (три кислорода) обладает очень сильными окислительными свойствами. При разложении он может образовывать гидроксильные радикалы (ОН), которые вступают в реакцию с органическими веществами, устраняя проблему биообрастания. [21]
Витализм
[ редактировать ]Приравнивание «органического» к живым организмам происходит от ныне заброшенной идеи витализма , приписывавшего особую силу жизни, которая одна могла создавать органические вещества. Эта идея впервые была подвергнута сомнению после искусственного синтеза мочевины Фридрихом Вёлером в 1828 году.
См. также
[ редактировать ]- Биофакт (биология)
- Биомасса
- Детрит
- Перегной
- Органическая геохимия
- Осадочное органическое вещество
- Общий органический углерод
Сравните с:
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Природное органическое вещество» . Зеленые факты . Проверено 28 июля 2019 г.
- ^ «Прибор Годдарда НАСА впервые обнаружил органическое вещество на Марсе» . НАСА. 16 декабря 2014 года . Проверено 28 июля 2019 г.
- ^ Седжян, Вирасами; Гоган, Джон; Баумгард, Лэнс; Прасад, Кадаба (31 марта 2015 г.). Влияние изменения климата на животноводство: адаптация и смягчение последствий . Спрингер. ISBN 978-81-322-2265-1 .
- ^ Никола Сенези, Баошань Син и П.М. Хуанг, Биофизико-химические процессы, включающие природные неразжижающие органические вещества в системах окружающей среды, Нью-Йорк: ИЮПАК, 2006.
- ^ Очоа-Уэсо, Р.; Дельгадо-Бакерисо, М; Кинг, ОТА; Бенхэм, М; Арка, В; Мощность, SA (2019). «Тип экосистемы и качество ресурсов более важны, чем факторы глобальных изменений, в регулировании ранних стадий разложения мусора». Биология и биохимия почвы . 129 : 144–152. Бибкод : 2019SBiBi.129..144O . doi : 10.1016/j.soilbio.2018.11.009 . hdl : 10261/336676 . S2CID 92606851 .
- ^ Перейти обратно: а б Стив Кабанисс, Грег Мэди, Патрисия Морис, Инпин Чжоу, Лаура Лефф, руководитель Olacheesy Боб Ветцель, Джерри Линхир и Боб Вершоу, составители, Стохастический синтез природного органического вещества, UNM, ND, KSU, UNC, USGS, 22 апреля 2007 г.
- ^ Джордж Эйкен (2002). «Органическое вещество в грунтовых водах» . Геологическая служба США . Проверено 28 июля 2019 г.
- ^ Тори М. Хелер и Бо Баркер Йоргенсен «Микробная жизнь в условиях крайнего ограничения энергии» Nature Reviews Microbiology 2013, том 11, стр. 83 дои : 10.1038/nrmicro2939
- ^ «Органические материалы» . Агентство по охране окружающей среды США. Архивировано из оригинала 25 сентября 2006 года . Проверено 19 ноября 2006 г.
- ^ «Термины здоровья почвы» . Архивировано из оригинала 8 ноября 2006 года.
- ^ Перейти обратно: а б Кроу, В.Т. «Органические вещества, сидераты и покровные культуры для борьбы с нематодами». [ постоянная мертвая ссылка ] Университет Флориды. Институт пищевых и сельскохозяйственных наук, февраль 2009 г., Интернет, 10 октября 2009 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Кузяков Ю.; Фридель, Дж. К.; Стар, К. (октябрь 2000 г.). «Обзор механизмов и количественная оценка эффектов прайминга». Биология и биохимия почвы . 32 (11–12): 1485–1498. Бибкод : 2000SBiBi..32.1485K . дои : 10.1016/S0038-0717(00)00084-5 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Кузяков Ю. (2010). «Эффекты прайминга: взаимодействие между живым и мертвым органическим веществом». Биология и биохимия почвы . 42 (9): 1363–1371. Бибкод : 2010SBiBi..42.1363K . doi : 10.1016/J.Soilbio.2010.04.003 .
- ^ Перейти обратно: а б Фонтен, Себастьен; Мариотти, Аббади (2003). «Прайминг-эффект органического вещества: вопрос микробной конкуренции?». Биология и биохимия почвы . 35 (6): 837–843. Бибкод : 2003SBiBi..35..837F . дои : 10.1016/s0038-0717(03)00123-8 .
- ^ Ноттингем, Австралия; Гриффитс, Чемберлен; Стотт, Таннер (2009). «Загрунтовка почвы сахаром и субстратами из листового опада: связь с микробными группами». Прикладная экология почв . 42 (3): 183–190. Бибкод : 2009AppSE..42..183N . doi : 10.1016/J.Apsoil.2009.03.003 .
- ^ Гене, Б.; Опасность; Аббади; Лакруа (октябрь 2010 г.). «Эффект прайминга: преодоление разрыва между наземной и водной экологией». Экология . 91 (10): 2850–2861. Бибкод : 2010Ecol...91.2850G . дои : 10.1890/09-1968.1 . ПМИД 21058546 .
- ^ Ван, Чаоцюнь; Кузяков, Яков (ноябрь 2023 г.). «Эффективность использования энергии почвенными микроорганизмами: за счет переработки и сокращения выбросов углерода» . Биология глобальных изменений . 29 (22): 6170–6187. дои : 10.1111/gcb.16925 . ISSN 1354-1013 . ПМИД 37646316 .
- ^ Уильямс, Элизабет К.; Планте, Ален Ф. (26 сентября 2018 г.). «Биоэнергетическая основа для оценки стойкости органических веществ почвы» . Границы в науках о Земле . 6 : 143. Бибкод : 2018FrEaS...6..143W . дои : 10.3389/feart.2018.00143 . ISSN 2296-6463 .
- ^ Барре, Пьер; Планте, Ален Ф.; Сесильон, Лорик; Лутфалла, Сюзанна; Боден, Франсуа; Бернар, Сильвен; Кристенсен, Бент Т.; Эглин, Томас; Фернандес, Хосе М.; Уот, Сабина; Кеттерер, Томас; Ле Гийу, Корантен; Макдональд, Энди; ван Оорт, Фолкерт; Чену, Клэр (октябрь 2016 г.). «Энергетические и химические признаки стойкого органического вещества почвы» . Биогеохимия . 130 (1–2): 1–12. Бибкод : 2016Biogc.130....1B . дои : 10.1007/s10533-016-0246-0 . ISSN 0168-2563 .
- ^ Перейти обратно: а б «Снимок темы: природный органический материал», Исследовательский фонд Американской ассоциации водоснабжения, 2007 г., 22 апреля 2007 г. Архивировано 28 сентября 2007 г. в Wayback Machine.
- ^ Чо, Мин, Хенми Чунг и Джеён Юн, «Дезинфекция воды, содержащей природные органические вещества, с использованием радикальных реакций, инициируемых озоном», Abstract, Applied and Environmental Microbiology Vol. 69 № 4 (2003): 2284-2291.
Библиография
[ редактировать ]- Джордж Эйкен (2002). «Органическое вещество в грунтовых водах» . Геологическая служба США.
- Кабанисс, Стив, Грег Мэди, Патриция Морис, Инпин Чжоу, Лаура Лефф, Ола Олападе, Боб Ветцель, Джерри Линхир и Боб Вершоу, составители. Стохастический синтез природной органики. УНМ, НД, КГУ, УНК, Геологическая служба США. 22 апреля 2007 г.
- Чо, Мин, Хёнми Чон и Джеён Юн. «Обеззараживание воды, содержащей природные органические вещества, с использованием радикальных реакций, инициируемых озоном». Абстрактный. Прикладная и экологическая микробиология Vol. 69 № 4 (2003): 2284–2291.
- Фортнер, Джон Д., Джозеф Б. Хьюз, Джэ-Хонг Ким и Хун Хён. «Природное органическое вещество стабилизирует углеродные нанотрубки в водной фазе». Абстрактный. Экологические науки и технологии Vol. 41 № 1 (2007): 179–184.
- «Исследователи изучают роль природных органических веществ в окружающей среде». Science Daily, 20 декабря 2006 г., 22 апреля 2007 г. https://www.sciencedaily.com/releases/2006/12/061211221222.htm .
- Сенеси, Никола, Баошань Син и Пм Хуан. Биофизико-химические процессы с участием природной неживой органики в экологических системах. Нью-Йорк: ИЮПАК, 2006.
- «Таблица 1: Площадь поверхности, объем и средняя глубина океанов и морей». Британская энциклопедия.
- «Обзор темы: натуральный органический материал». Исследовательский фонд Американской ассоциации водопроводных предприятий. 2007. 22 апреля 2007 г. https://web.archive.org/web/20070928102105/http://www.awwarf.org/research/TopicsAndProjects/topicSnapShot.aspx?Topic=Organic .
- Соединенные Штаты Америки. Геологическая служба США. Распределение воды на Земле. 10 мая 2007 г. http://ga.water.usgs.gov/edu/waterdistribution.html.
- Водосборники: органические вещества. Государственный университет Северной Каролины. 1 мая 2007 г. http://www.water.ncsu.edu/watershedss/info/norganics.html Архивировано 14 марта 2014 г. в Wayback Machine .