Chất hữu cơ trong đất

1. Quá trình phân giải chất hữu cơ và hình thành chất mùn đất

Quá trình phân giải chất hữu cơ và hình thành chất mùn đất

Các chất hữu cơ trong đất có quá trình biến đổi phức tạp với sự tham gia trực tiếp của các sinh vật đất và chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đất. Một phần trong chúng bị khoáng hoá hoàn toàn tạo thành các chất khoáng đơn giản, một phần được các sinh vật đất sử dụng để tổng hợp protein, lipit, đường và các hợp chất khác xây dựng cơ thể chúng, một phần sẽ trải qua quá trình biến đổi phức tạp và tái tổng hợp thành các hợp chất cao phân tử được gọi là chất mùn.

Nói một cách khác, các chất hữu cơ khi đi vào đất sẽ chịu tác động của 2 quá trình xảy ra đồng thời là quá trình khoáng hoá và quá trình mùn hoá. Tuỳ theo điều kiện đất đai và hoạt động của sinh vật đất mà một trong hai quá trình trên có thể chiếm ưu thế ở trong đất.

Các hợp chất mùn sau khi được hình thành cũng chịu tác động phân giải chậm để tạo thành các chất khoáng (Hình).

Quá trình khoáng hoá và tổng hợp chất mùn đất

2. Quá trình khoáng hoá chất hữu cơ trong đất (vô cơ hoá)

Khoáng hoá là quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ thành các chất khoáng đơn giản như CO₂, H₂O, NO^3-, NH⁴⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺...

Đây là quá trình biến đổi phức tạp và trải qua nhiều giai đoạn khác nhau. Trước hết các chất hữu cơ phức tạp bị phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản hơn gọi là các sản phẩm trung gian. Ví dụ như từ các phân tử protein bị phân huỷ tạo thành các mạch peptit, sau đó là các axit amin; các hyđratcacbon bị phân huỷ tạo thành các hợp chất đường, sau đó các hợp chất trung gian này tiếp tục bị phân huỷ tạo thành các sản phẩm cuối cùng là các chất khoáng.

Tuỳ thuộc vào điều kiện môi trường và hoạt động của các vi sinh vật đất mà quá trình khoáng hoá chất hữu cơ có thể diễn ra theo hai con đường khác nhau là thối mục và thối rữa.

- Thối mục là quá trình hiếu khí diễn ra trong điều kiện có đầy đủ oxy. Sản phẩm  cuối cùng của quá trình này chủ yếu là các chất ở dạng oxy hoá như CO₂, H₂O, NO^3-, PO₄^3-, SO₄^2-. Đây là quá trình toả nhiệt và kết quả làm tăng nhiệt độ của đất.

- Thối rữa là quá trình kỵ khí diễn ra trong điều kiện thiếu oxy do ngập nước hoặc do các vi sinh vật hiếu khí phát triển nhanh đã sử dụng hết oxy trong đất. Sản phẩm cuối cùng của quá trình thối rữa bên cạnh các chất ở dạng oxy hoá như CO₂, H₂O còn có một lượng lớn các chất ở dạng khử như CH₄, H₂S, PH₃, NH₃...

Tốc độ khoáng hoá các chất hữu cơ trong đất phụ thuộc vào bản chất chất hữu cơ, điều kiện môi trường và hoạt động của sinh vật đất. Nhìn chung các hợp chất đường và tinh bột dễ bị khoáng hoá nhất; tiếp đó là các chât protein, hemixenlulô, xenlulô; các hợp chất linhin, nhựa sáp khó bị phân huỷ hơn.

Các điều kiện môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, chế độ không khí, thành phần và tính chất dung dịch đất cũng có ảnh hưởng mạnh đến tốc độ của quá trình khoáng hoá. Thông thường ở độ ẩm đất 70%, pH 6,5 – 7,5, nhiệt độ 25 – 30^oC và có đủ không khí là thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật đất và do đó quá trình khoáng hoá cũng xảy ra mạnh. Trong điều kiện như vậy chất hữu cơ bị phân giải nhanh chóng và mùn ít được tích luỹ. Chính vì vậy mà quá trình phân huỷ chất hữu cơ ở các đất có thầnh phần cơ giới nhẹ (như đất cát) cũng diễn ra nhanh hơn ở các đất có thành phần cơ giới nặng (đất thịt nặng và đất sét).

3. Quá trình mùn hoá

Con đường tích luỹ chất hữu cơ sau 1 năm bón vào đất (theo Brady 1990)

Mùn hoá là quá trình phân giải tái tổng hợp các chất hữu cơ tạo thành chất mùn với sự tham gia tích cực của các sinh vật đất.

Mùn là hợp chất hữu cơ cao phân tử phức tạp, chúng là sản phẩm của quá trình mùn hoá các chất hữu cơ thông thường. Người ta cho rằng, mọi thành phần hữu cơ trong đất (protein, linhin, lipit, axít amin, hydratcacbon....) đều có thể là vật chất tham gia hình thành chất mùn đất. Tuy nhiên về bản chất của quá trình hình thành chất mùn vẫn còn có ý kiến khác nhau.

Những người theo quan điểm hoá học cho rằng quá trình hình thành chất mùn chỉ đơn thuần là các phản ứng hoá học. Đại diện cho quan điểm  này như Vacsman, Scheffer. Theo Vacsman (1936) thì hạt nhân của chất mùn được hình thành do linhin kết hợp với các chất khoáng kiềm  trong đất, sau đó các phản ứng oxy hoá sẽ gắn kết thêm các axít hữu cơ khác để hình thành chất mùn. Ngoài ra trong quá trình phân giải các xác hữu cơ, một loại sản phẩm màu đen vô định hình, có thành phần phức tạp được hình thành gọi là chất mùn.

Schefer cho rằng sự hình thành axít humic có thể bằng con đường sinh hoá và cũng có thể bằng con đường hoá học đơn thuần. Bằng con đường hoá học, các axít humic được tạo thành từ các phenol, quinol và các aminoaxit thông qua các phản ứng oxy hoá và trùng hợp.

Ngày nay, nhiều bằng chứng cho thấy sự hình thành chất mùn có sự tham gia tích cực của các quá trình sinh hoá, đặc biệt là các vi sinh vật đất. Sự hình thành chất mùn bằng con đường hoá học đơn thuần là rất hạn chế, nó chỉ có thể gặp ở những nơi có điều kiện bất lợi cho các quá trình sinh học như đất quá chua hoặc quá nhiều độc tố. Chúng ức chế các quá trình sinh học xảy ra.

Quan điểm sinh hoá về sự hình thành chất mùn cho rằng chất mùn được hình thành từ sản phẩm phân giải và tái tổng hợp các chất hữu cơ thông thường với sự tham gia tích cực của các phản ứng sinh hoá, đặc biệt là các men do các vi sinh vật tiết ra.

4. Quá trình hình thành mùn theo quan điểm hiện đại

Chiurin là người có nhiều đóng góp trong việc nghiên cứu về mùn đất. Ông  cho rằng đặc điểm cơ bản của sự mùn hoá là những phản ứng sinh hoá oxy hoá dần dần những hợp chất cao phân tử có mạch vòng khác nhau, trong đó protein, linhin đóng vai trò quan trọng. Những phản ứng oxy này xảy ra khi phân giải các tàn tích thực vật dưới ảnh hưởng của oxy không khí, men oxydaza và các chất xúc tác vô cơ khác.

Những hợp chất cao phân tử trên liên kết lại với nhau rồi trùng hợp thành các chất mùn. Trong quá trình sống của mình, vi sinh vật đất sử dụng các sản phẩm phân giải hữu cơ, những sản phẩm trao đổi chất và tổng hợp các hợp chất amin, hợp chất thơm cũng tham gia cấu tạo nên chất mùn.

Các con đường hình thành chất mùn từ các xác hữu cơ thông thường ở trong đất (Theo Stevenson, 1982).

Các con đường hình thành chất mùn

Từ sơ đồ trên cho thấy nguồn gốc các chất tham gia cấu tạo nên chất mùn có thể bao gồm tất cả các chất hữu cơ là sản phẩm phân giải trung gian, sản phẩm tái tổng hợp của các cơ thể sinh vật. Chúng có thể là các chất đường, polyphenol, quinol, các chất amin, các hợp chất linhin,... Trong đó các hợp chất chứa vòng thơm như phenol, polyphenol, quinol, polyquinol, các chất linhin có vai trò quan trọng.

Xét một cách tổng quát, quá trình hình thành chất mùn có thể phân chia thành 3 bước cơ bản như sau:

-Từ các xác hữu cơ mà chủ yếu là xác thực vật bị phân huỷ với sự tham gia tích cực của vi sinh vật đất để hình thành các hợp chất hữu cơ là các sản phẩm trung gian như đường, polyphenol, quinol, các chất amin,...

- Tác động của các hợp chất trung gian, hoặc bị phân huỷ tiếp tục hoặc liên kết với nhau để hình thành các chất phức tạp hơn.

- Trùng hợp và liên kết các hợp chất trung gian trên tạo thành các chất mùn.

Theo Stevenson thì có 4 con đường hình thành chất mùn khác nhau: Sự liên kết trùng ngưng giữa các hợp chất đường với các chất amin (con đường 1); giữa các polyphenol là sản phẩm phân huỷ các xác hữu cơ với các chất amin (con đường 2); giữa các chất là sản phẩm phân huỷ linhin với các hợp chất amin (con đường 3); và các chất linhin biến đổi với các chất amin (con đường 4). Các con đường này đều có sự tham gia của các quá trình sinh học.

Theo Selman Waksman, chất mùn được hình thành chủ yếu từ các hợp chất linhin (con đường 4) nên còn được gọi là lý thuyết linhin hình thành chất mùn. Theo thuyết này, trước hết các hợp chất linhin bị biến đổi mất dần các nhóm metoxyl (OCH₃). Với sự có mặt của các orthohydroxylphenol và sự oxy hoá các hợp chất béo để hình thành các nhóm cacboxyl (COOH). Các hợp chất linhin này bị biến đổi dần để hình thành các axit mùn. Sự hình thành chất mùn theo con đường 1 là không đáng kể.

Một số tác giả khác lại cho rằng chất mùn đất được hình thành theo con đường 2 và 3 là chính và gọi là học thuyết polyphenol hình thành chất mùn. Theo thuyết này, linhin cũng được xem là nguồn gốc quan trọng trước tiên để hình thành chất mùn. Dưới tác động của các enzym sinh học, linhin bị phân huỷ thành các aldehyt phenol và các axít hữu cơ. Sau đó chúng chuyển thành các hợp chất quinol rồi trùng hợp lại để hình thành chất mùn.

Ngày nay người ta thừa nhận cả 4 con đường hình thành chất mùn đều diễn ra đồng thời. Tuy nhiên tuỳ theo điều kiện và tính chất cụ thể của từng loại đất mà một con đường nào đó có thể chiếm ưu thế hơn. Thông thường chất mùn hình thành từ các chất linhin biến đổi (con đường 4) chiếm ưu thế ở các đất thoát nước kém; trong khi hình thành từ polyphenol (con đường 2 và 3) lại có ưu thế ở các đất rừng.