Почва как биохимическая система

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

История отдела биологии и биохимии почв

Организация исследований в области биохимии почв в институте относится к 30-м гг. XX в. и связана с именем И.В.Тюрина. Его ближайшими сотрудниками в те годы были М.М.Кононова и В.В.Пономарева (Почвенный музей им.В.В.Докучаева, Ленинград). Начало работы лаборатории ознаменовалось выходом в свет капитального труда И.В.Тюрина “Органическое вещество почв и его роль в почвообразовании и плодородии” (1937), ставшего настольной книгой почвоведов, агрохимиков и агрономов широкого профиля. В монографии критически рассмотрено богатое литературное наследие по основным разделам проблемы органического вещества почвы, изложены методы исследования и оригинальные экспериментальные результаты.

Тогда же определились главные направления работ лаборатории: 1) изучение природы гумусовых веществ (гуминовых кислот, фульвокислот, гуминов); 2) выяснение характера накопления и разложения органического вещества в естественных и освоенных почвах различных природно-климатических зон страны; 3) исследования механизмов связи гумусовых и органических веществ с минеральной частью почвы. Целью всех этих работ было выяснение роли органических и гумусовых веществ в почвообразовании, в формировании почвенной структуры, в снабжении растений питательными элементами.

Большое внимание уделялось разработке методов исследования природы гумусовых веществ и их состава в различных типах почв, инициатором постановки которых был академик И.В.Тюрин. Методы применялись и применяются по настоящее время в почвенных учреждениях России и ряде зарубежных стран. С 1946 по 1976 гг. лабораторией заведовала профессор М.М.Кононова. В этот период были испытаны и модифицированы применительно к изучению органических веществ почвы многие методы – спектроскопия в видимой и ультрафиолетовой частях спектра, различные виды хроматографии, приемы электрофореза и др. (М.М.Кононова, И.В.Александрова, Н.П.Бельчикова, Н.А.Титова). Сравнительные исследования с помощью этих методов выявили характерные закономерности процесса гумусообразования в различных почвенно-климатических зонах страны. В этот же период продолжал свои уникальные экспериментальные исследования Д.В.Хан, начатые еще под руководством И.В.Тюрина, по изучению связи гумусовых веществ с минеральной частью почвы, что представляет интерес для познания как почвообразования, так и механизма структурообразования, закрепления гумуса в почве и его разложения, сопровождаемого мобилизацией питательных элементов для растений и углекислоты для фотосинтеза.

Систематическая многолетняя работа позволила лаборатории выпустить ряд капитальных трудов и разработать новые методы изучения гумусовых веществ. За монографию “Проблема почвенного гумуса и современные задачи его изучения” М.М.Кононова в 1952 г. удостоена премии В.В.Докучаева, а за совокупность работ по органическому веществу почвы в 1968 г. – Государственной премии СССР. Перевод двух монографий М.М.Кононовой на иностранные языки и переиздание их в ряде зарубежных стран способствовали распространению идей отечественного почвоведения среди иностранных ученых. Сотрудник лаборатории М.Ш.Шаймухаметов, проанализировав данные длительных полевых опытов Мира, пришел к выводу о недостаточности традиционных экстракционных методов для оценки агрономически важных фракций органического вещества и приступил к усовершенствованию приемов физического фракционирования почв.

В дальнейшем он совместно с Л.С.Травниковой (лаборатория физико-химии почв) разработал усовершенствованный метод гранулоденсиметрического фракционирования, позволивший всю совокупность органических компонентов почвы разделить на две функционально значимые группы: легкие фракции, содержащие гумусовые и органические вещества, не связанные с глинистыми минералами, и илистые фракции, в которых гумусовые вещества адсорбированы глинами. В 1976-1997 гг. лабораторией заведовала ксхн К.В.Дьяконова. Ею совместно с сотрудниками лаборатории (В.С.Булеева, Н.Х.Исмагилова, Б.М.Когут) была изучена трансформация органического вещества при сельскохозяйственном использовании дерново-подзолистых, серых лесных и черноземных почв. Были предложены различные экстракционные методы и определены наиболее информативные показатели оценки почв по содержанию и качеству гумуса в отношении почвенного плодородия.

Совместно с лабораториями физико-химии и химии почв сотрудниками лаборатории (Н.А.Титова, Б.М.Когут, Н.Х.Исмагилова) с помощью метода гранулоденсиметрического фракционирования почв было изучено распределение тяжелых металлов и органических поллютантов по фракциям ряда почв России и Германии, проводимого в рамках договора о двустороннем сотрудничестве (1988–2003 гг) между Почвенным институтом им.В.В.Докучаева и Секцией почвоведения Научного центра исследования окружающей среды (Лейпциг-Халле, Германия). Показана перспективность подобных исследований для более правильной оценки как судьбы, механизмов связи и длительности периодов инактивации тяжелых металлов, так и экологических функций органического вещества почвы в целом. В настоящее время лаборатория (в 1997 г. заведующим избран дсхн Б.М.Когут) продолжает и развивает основные традиционные направления, дополняя и углубляя их в соответствии с современными научными принципами и методами.

Источник

Биохимия почв

Описание разработки

Цели: раскрыть роль периодического закона применительно к биологическим процессам, протекающим в природе; познакомить учащихся с химическим составом почв, влияние химических элементов на жизнедеятельность организмов.

— представление о биогенных элементах, их месте в периодической системе и биологической роли в организмах на основании качественных и количественных характеристик; сформировать понятие о биологической взаимозаменяемости химических элементов; научить применять теоретические знания на практике;

-развивать умение проводить элементарные лабораторные исследования, делать выводы;

— воспитывать любовь и уважение к природе, аккуратность, чувства ответственности за сохранение жизни на Земле.

Материал: дополнительная литература, химические стаканы, пробирки, хромат калия.

Форма работы: групповая работа с последующим обсуждением.

Вступительное слово учителя:

Почва – это важная составляющая часть биосферы. Она является средой обитания представителей всех царств живой природы: растений, грибов, животных. Большинство из них не могут существовать вне почвенной среды. Деятельность организмов, населяющих почву, являются частью процесса формирования почв. Она является основой для развития флоры, поскольку у растений корневая система находится в почве. Всем известно значение для растительности гумуса, также из почвы растения получают микро- и макроэлементы: азот, фосфор, калий и другие. Продуктивность культурных растений напрямую зависит от состояния почвы. Огромную роль в формировании почвенного профиля и образования гумуса играют микроорганизмы и мезофауна.

В почвах встречается большое количество представителей различных таксономических групп царства животные. Особенно огромно видовое разнообразие беспозвоночных животных. Нужно отметить, что деятельность этих организмов незаменима при формировании почв. Беспозвоночные животные участвуют в процессах превращения биогенных элементов, их усвоении растениями. Все беспозвоночные занимают в почве определенный ярус.

Нужно отметить, что в настоящее время происходит очень сильное загрязнение почв (применение удобрений, ядохимикатов и т.д.). Такое отрицательное воздействие человека ведет к сокращению видового разнообразия и численности, населяющих почву беспозвоночных. Во многих районах России отмечено истончение и исчезновение плодородного слоя почвы. Следствием этих процессов является снижение роста и развития флоры. Продуктивность сельскохозяйственных растений резко снижается. Поэтому, в связи с возрастающим антропогенным воздействием на почвенный покров, научные разработки в области биохимии почв становятся крайне необходимыми. Важно научить учащихся простейшим методикам определения химического состава почв.

После небольшого экскурса в суть проблемы ребятам предлагается задание. Данная работа предполагает исследовательскую деятельность с использованием дополнительной литературы и проведение практических работ по химии и биологии.

Ученики разбиваются на 5 групп. Каждой группе выдается опережающее задание (за 2 недели до урока).

1и 2 группы – работа с дополнительной литературой.

Задание для 1 группы – доклад на тему: «Почва как составная часть биосферы. Компоненты почв».

2 группа: «Основные источники загрязнения почв. Последствия для живых организмов».

3 группа: исследование на тему: «Экологическое исследование плотности заселения почв» (за 1 неделю до указанного срока).

1.Метод банок-ловушек (на дно 0,5л банки наливается вода на 3-5см от дна, затем она закапывается в почву, горлышко должно быть на уровне почвы).

2.Ловушки поставить на сутки в двух местах:

-с густой растительностью (в огороде, лесу).

-в местах с плохо развитой флорой (вблизи дорог, на песчаных почвах).

3.Определить активность насекомых по их количеству и видовому разнообразию в банках ловушках.

4.Сделать вывод о соотношении организмов и качестве почв, количестве произрастающих там растений.

4 группа – перед учащимися ставится проблема: дать характеристику магнию как элементу в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и основе зеленого пигмента хлорофилла. Выполнить задание:

«В питательной среде, на которой выращивается зеленое растение, отсутствуют ионы магния, вместо них присутствуют ионы кальция. Вызовет ли это какие-либо последствия? Если да, то какие и почему? Какие ещё можно привести примеры биологической взаимозаменяемости химических элементов, приводящих к серьёзным нарушениям в живых организмах. Биохимические основы».

5 группа: «Исследование на токсичность». Работа проводится после уроков.

Токсичность элементов исследуется на примере действия солей свинца, накапливающихся в больших концентрациях вдоль автострад в почве. Проводится анализ образцов почв (вдоль автострады, во дворе, удаленных от автострады мест). Все образцы почв помещают в стаканы, добавляют воду (на 1 см почвы – 20-30мл воды). Почвенный раствор из образцов помещают в пробирки (около 1 мл) и добавляют раствор хромата калия – качественная реакция на ионы свинца. Работа проводится под руководством и в присутствии учителя (К₂СrО₇ – яд!).

Урок начинается с доклада 1 группы (3-4минуты). Затем учащиеся 4 группы характеризуют положение магния и кальция в периодической системе и дают ответы на поставленные вопросы (5 минут).

5 группа сообщает о результатах своей работы, делает вывод о том, какой из образцов почв и, соответственно этот участок, содержит свинец; чем это опасно (3-4 минуты).

Третья группа знакомит с результатами своих исследований, делает вывод о том, в каком районе больше живых организмов, с чем это связано (4 минуты).

Завершает сообщения доклад второй группы (5 минут).

Подведение итога: учащиеся сами обосновывают актуальность проблемы загрязнения почв (как загрязненность почв и какими веществами влияет на жизнедеятельность почвенной флоры и фауны, как человек своей деятельностью загрязняет почв, чем опасно для природы и человека загрязнение почв, рекомендации по природоохранным мероприятиям).

Содержимое разработки

Широбокова Анна Анатольевна,

учитель биологии, химии высшей квалификационной категории

Урок биологии для 9 класса

Тема урока: «Биохимия почв»