 |
|
|
Виноградский. МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ |
НИТРИФИКАЦИЯ
|
С.Н. Виноградский
Смотрите также:
Биографии биологов, почвоведов
|
БИОЛОГИЧЕСКИЙ ЭТАП Нитрификация органического азота. Теория о биологическом факторе в нитрификации
К 1878 г. работы Пастера уже открыли широкую дорогу для изучения динамики «бесконечно малых существ». Были изучены различные виды брожения, в том числе и уксуснокислое (1862). Последнее воспроизводилось чисто химически, путем окисления паров спирта в присутствии губчатой платины; быстрота протекающей реакции рассматривалась как наилучшее доказательство влияния пористых тел. Пастер признал подобные взгляды слишком узкими и подал мысль о том, что окислительное действие может быть вызвано активностью специфического микроорганизма. Пастером были также отмечены другие случаи окисления, вызываемого микодермами и грибами. Это, естественно, заставило предположить участие микроскопического возбудителя и в процессе нитрификации, идущей за счет органического азота при тех же условиях температуры, влажности и аэрации, что и всякие другие биологические процессы. В 1862 г. в заметке об окислительных процессах, вызываемых микодермами, Пастер вскользь коснулся этого вопроса. Однако он ограничился лишь замечанием:
«Мне кажется необходимым пересмотреть с точки зрения этих новых идей все, что относите я к нитрификации».
Прошло 16 лет, прежде чем это пожелание было осуществлено. Правда, в 1873 г. Мюллер [5] высказался положительно относительно участия низших организмов в процессе нитрификации, однако он не дал экспериментальных доказательств своих предположений. Эти доказательства были представлены лишь в 1878 г. Шлезингом и Мюнцем [6].
Ученику Буссенго — Шлезингу, уже владевшему техникой экспериментального изучения нитрификации при помощи агрохимических методов, разработанных его учителем, было поручено найти способ улучшения работы полей орошения в Женнвилье и Ашере. Результатом этого явились опыты, проведенные в сотрудничестве с Мюнцем. Методика их исследования состояла в следующем: сточные воды пропускались сквозь заполненную кварцевым песком и известью трубку, длиною в 1 м. Нитрификация в этой трубке стала заметной через 20 дней; ее интенсивность возрастала с такой быстротой, что вскоре уже нельзя было открыть присутствие аммиака в воде, вытекавшей из трубки. После добавления к содержимому трубки хлороформа, процесс резко прервался. По истечении двухнедельного периода инактивации пары хлороформа были удалены, но нитрификация не развивалась в течение четырех недель до тех пор, пока в трубку не было внесено небольшое количество почвенной суспензии; тогда нитрификация возобновилась.
Вторая работа была специально посвящена изучению влияния хлороформа на образцы почв, нитрифицирующая способность которых уже была изучена. Во всех опытах, немедленно после внесения хлороформа, процесс прерывался, в то время как в отсутствие хлороформа он шел энергично в тех же самых образцах.
Было также изучено влияние высоких температур, в результате чего Удалось установить, что нагревание почвы до 100° лишает ее .способности нитрифицировать. Эта способность возвращается лишь после добавления небольшого количества суспензии пахотной земли.
То, что пористость вещества не является основным фактором нитрификации, было видно из следующего обстоятельства: процесс шел 6 жидкой среде, а именно в навозной жиже, в присутствии небольшого количества извести.
В третьем сообщении авторы утверждают, что грибы и микодермы (Penicillium glaucum, Aspergillus niger, Mucor mucedo, M. racemosus, My- coderma aceti, M. vini), оказывающие интенсивное воздействие на органические вещества, неспособны к нитрификации. Отсюда следует, что окисление аммиачного и органического азота в азот нитратный является специфическим свойством группы организмов, действующих в средах, в которых происходит нитрификация.
В четвертой работе авторы сообщают о том, что им удалось культивировать «нитратного возбудителя» в специальных питательных растворах. Нитратные микробы из их культур представляют собой овальные тельца, более крупные в растворах, богатых органическими веществами, более мелкие в бедных средах. Они размножаются почкованием и по своим морфологическим признакам несколько напоминают дрожжи уксуснокислого брожения . Наконец, в пятом сообщении авторы излагают данные о благоприятном и неблагоприятном влиянии внешних условий на образование нитратов. При 5° процесс едва заметен, при 12° он уже достигает значительного развития; при 37° наступает максимум его интенсивности; при 47° нитрификация замедляьтся, при 55° полностью останавливается. Необходимо присутствие карбонатов щелочных или щелочноземельных металлов, лучше всего — углекислого кальция; количество щелочи не должно превышать 0,2—0,5%. Для хода нитрификации необходимо также присутствие различных органических веществ; сахара,глицерина, спирта, винной кислоты, альбумина; однако избыток их тормозит деятельность микроба.
Отмечено, что в жидкой среде часто образуются нитриты, являющиеся в почве редким исключением. Это неполное окисление происходит вследствие различных помех на пути развития процесса и, в частности, при отсутствии достаточной аэрации.
Теория о первостепенном значении биологического фактора в нитрификации привлекла к себе внимание многочисленных ученых — агрохимиков, микробиологов, гигиенистов.Были предприняты исследования для проверки результатов, полученных Шлезингом и Мюнцем, т. е. изучение нитрификации как биологического явления.
Первым возобновил работы в данной области Уорингтон [7]. Он подтвердил, во-первых, что антисептики действительно тормозят процесс нитрификации в почве, и во-вторых, что этот процесс идет в растворах аммонийных солей. Большинство экспериментов проводилось им именно с этими растворами. Он, как и французские ученые, работал только со смешанными культурами, так как не мог создать условий, обеспечивающих хотя бы преобладание специфического возбудителя. Однако его наблюдения способствовали тому, что понятие о нитрификации как о биологическом явлении стало несомненным. Добавим, что исследования этого ученого пролили свет на некоторые важные вопросы, заслуживающие углубленного изучения, а именно: 1) влияние органических веществ на нитрификацию; 2) обильное образование нитрита в ходе процесса; 3) нитрификация органического азота.
В большинстве своих опытов английский ученый пользовался раствором хлористого аммония и растворимых неорганических солей в присутствии мела; в этот раствор он вносил определенное количество органического углерода в форме виннокислого натрия или калия. Что касается количества вносимых органических веществ, то увеличение его сверх очень слабых доз не оказывало никакого положительного влияния на ход процесса. Замена виннокислых солей сахаром лишь замедляла процесс. Никакого объяснения этим фактам не было дано.
Что же касается образования нитрита в растворах аммонийных солей в ходе нитрификации, то, по данным этого ученого, количества его сильно колеблются. В одних случаях преобладают нитриты, в других — нитраты. Непосредственное превращение аммиака в нитраты наблюдалось редко; значительно чаще ему предшествовало обильное образование нитритов, иногда остававшихся без изменения, иногда подвергавшихся дальнейшему окислению. Автор приходит к выводу, что причины изменчивости конечных продуктов нитрификации остаются еще совершенно неясными и что теории, выдвинутые Шлезингом и Мюнцем, в данном вопросе являются неприемлемыми. Он скорее допускает вероятность того, что ход нитрификации и количество ее конечных продуктов зависят от состояния и свойств нитрифицирующих организмов.
Относительно нитрификации органического азота Уорингтон, на основании собственных опытов, пришел к следующему заключению: в молоке, моче и аспарагине идет процесс окисления азота, но выделение аммиака всегда предшествует нитрификации в ее чистом виде. Из его слов создается впечатление, что именно аммиачный азот в форме углекислого аммония претерпевает прямое окисление и что нитрификации могут подвергаться лишь те органические вещества, которые при разложении выделяют аммиак. Впоследствии было признано, что подобная точка зрения весьма близка к правильной характеристике естественного процесса. Тем не менее, Уорингтон не сумел выделить в нем двух самостоятельных фаз, осуществляемых различными организмами.
Этот момент освещен более ясно в работах Мунро [8], явившихся продолжением исследований Уорингтона. Мунро уже говорит об организмах, выделяющих аммиак, и нитрифицирующих микробах как об автономных возбудителях. Не изучив еще подробно ни одного из них, он уже вполне обоснованно отмечает известный антагонизм, существующий между этими двумя группами. В присутствии органических веществ преобладает первая группа, отодвигая на задний план нитрификаторов, продукт жизнедеятельности которых может подвергаться восстановлению. В присутствии банальных форм торможение нитрификации вызывается даже такими веществами, как соли щавелевой и янтарной кислот. Мунро заходит так далеко, что в конце концов поднимает вопрос о необходимости присутствия органического вещества для осуществления нитрификации. Он допускает, что следы растворимых органических веществ, присутствующие в речных или родниковых водах, достаточны для поддержания нитрификации и что более высокие концентрации будут лишь тормозить ее.
«нитратного возбудителя»—остался открытым. Правда, выражение «возбудитель нитрификации» уже широко применялось английскими и французскими учеными, однако в Германии, где господствовали идеи Либиха, к новым теориям относились с большой осторожностью. Таково было отношение большинства немецких агрохимиков, если судить по «Учебнику агрохимии» Р. Заксе [9], в котором говорится, что широко известные опыты Шлезинга и Мюнца можно объяснить без допущения наличия специфического возбудителя, так как процессы гниения в почве являются мощным источником озона. Микробы, находящиеся в почве, имеют лишь косвенное отношение к нитрификации; действие антисептиков влечет за собой общее подавление их активности, связанной с образованием озона.
Перед бактериологами встала теперь задача доказать существование этого гипотетического возбудителя, выделить его в чистом виде и изучить его основные признаки. Благодаря простым и целесообразным методам, разработанным Робертом Кохом, выделение столь широко распространенных в почве видов как нитрифицирующие бактерии, казалось, не должно было представлять никаких серьезных затруднений. Были проведены многочисленные исследования. В одном 1886 г. их насчитывалось четыре, но все они оказались, однако, безрезультатными. Все виды, выделенные из почвы Адамецом [10], Франком [И], Целли и Марино-Цукко [12], не проявили никаких способностей к нитрификации.
Лишь Гереус [13], один из всех исследователей, не захотел признать неудачу своих о;штов. Он упорно считал, что добился некоторых положительных результатов. Однако открытия, о которых он сообщает, могут служить только для выявления источников ошибок, затрудняющих изучение нитрификации. Целью его работы было выделение из почвы, воды и воздуха некоторого количества видов для изучения их тарификационных способностей. Он начал с выделения доброй дюжины видов, из которых ни один этой способностью не обладал. Тогда Гереус сосредоточил свое внимание на изучении почвенной суспензии, в которую были внесены соли аммония. В этой суспензии шла интенсивная нитрификация. Из нее он выделил при помощи питательной желатины еще несколько видов, также неспособных вызывать нитрификацию, в то время как одна капелька вышеупомянутого почвенного настоя вызывала ее с большой легкостью. Со всеми выделенными им видами были произведены опыты по нитрификации. В итоге через несколько дней было зарегистрировано слабое посинение с реактивом Троммсдорфа. Однако количественное определение нитритов оказалось невозможным'. Тем не менее, результат был оценен как положительный. Ободренный этим, ученый проделал аналогичные опыты с большим количеством давно изученных видов: чудесной палочкой,'тифозной палочкой, спириллами из сыра, спириллами Финклера, сибиреязвенной бациллой и стафилококком. Он производил посев этих форм на разведенную мочу и через несколько дней наблюдал посинение с дифениламином. В результате этих опытов Гереус решил, что специфических возбудителей нитрификации вообще не существует, но что большое количество сапрофитных и патогенных видов проявляет очень незначительные способности к нитрификации.
Эта работа наводит на мысль о невозможности использовать вышеупомянутый прием современной бактериологии для изучения интересующего нас вопроса. Несмотря на применение методически безупречного приема, исследователь, мало знакомый с агрохимией, не смог избежать грубых ошибок. Очевидно, он не давал себе отчета в том, что щелочные растворы самопроизвольно обогащаются следами азотной и азотистой кислот, выделяющихся при многих физических и химических процессах, электрических разрядах, испарении, горении. По данному вопросу уже давно существует обширная литература, критический обзор которой можно найти в работе Баумана [14]. По мнению этого автора, основным источником окислов азота в лабораторном воздухе является горение светильного газа. Действительно, если оставить на несколько часов возле горящей бунзе- новской горелки щелочной раствор, то после этого он даст посинение с раствором дифениламина в серной кислоте. Совершенно очевидно, что при работе со столь чувствительными реактивами, как реактив Троммсдор- фа, дифениламин, сульфаниловая кислота, нужно быть очень осторожным, прежде чем ссылаться на нитрификацию тотчас по получении сколько- нибудь заметной реакции. Безошибочным доказательством наличия биологического процесса служит закономерность его развития, закапчивающегося полным исчезновением аммонийных солей. Образующиеся при этом в значительных количествах продукты могут быть определены количественно, разумеется, если процесс протекает при благоприятных условиях. Чтобы судить о наличии нитрификации по слабой положительной реакции, необходимо изолировать культуры от доступа летучих кислот или поставить параллельные стерильные контроли.
Так как, повидимому, источники ошибок были Гереусу неизвестны, его выводы не заслуживают доверия. К тому же мы полагаем, что в опытах с разбавленной мочой, взятой в качестве среды для нитрификации, отмечаемая нитритная реакция отнюдь не являлась результатом окисления аммонийного азота, а возникла вследствие восстановления следов содержащихся в моче нитратов. Этим объясняются мнимые нитрификационные свойства некоторых сапрофитных и патогенных микробов, в действительности совершенно не существующие.
Я счел необходимым обратить особое внимание на заблуждения Гере- уса, потому, что его работы постоянно цитируются во всех авторитетных учебниках и научных трактатах по бактериологии (книга Флюге «Микроорганизмы» ; статья Готшлиха , являющаяся частью этой книги, статья того же автора «Общая морфология и биология» , включенная в «Руководство по изучению патогенных микроорганизмов» ). В последней статье вышедшей в свет в 1902 г., Готшлих пишет следующее: «Нитраты образуют патогенные зародыши; так Гереус обнаружил это у сибиреязвенной бациллы, тифозных бактерий и вибриона Финклер — Приора, культивируемых в моче, разбавленной в четыре раза...»
Несмотря на все неудачи, гипотеза о наличии специфического возбудителя нитрификации имела своих последователей. Был предпринят ряд работ, посвященных ее изучению, однако не давших ничего нового. Я имею в виду две работы Франка 1887 г. [15], работу Уорингтона в 1888 г. [16] и две его же работы в 1891 г. [17], две работы Франкландов в 1890 г. [18 и 19]. Микробы, выделенные обычным методом, оказались недеятельными, в то время как следы почвы почти всегда вызывали нитрификацию в растворе аммонийных солей. То обстоятельство, что отрицательные результаты получались постоянно, вызвало резкое изменение в теориях 0 биологической природе процесса, причем наметилась тенденция возвращения к старым концепциям о его чисто химической природе. Однако попытки, сделанные в этом направлении Франком [15], остались безуспешными. Они были подвергнуты критике со стороны агрохимиков: Плата [20],. Баумана [14] и Ландольта [21], лишний раз доказавших неопровержимыми аргументами биологическую природу упомянутого явления. Правда, они не сообщили никаких сведений о свойствах его истинных возбудителей.
|
|
|
|
К содержанию книги: Сергей Николаевич ВИНОГРАДСКИЙ - МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ. ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ
|
Последние добавления:
Ферсман. Химия Земли и Космоса
Перельман. Биокосные системы Земли
Вильямс. Травопольная система земледелия
Качинский - Жизнь и свойства почвы