腐殖物質的形成探究

腐殖物質的形成探究

土壤中除有機體中已知的各類有機化合物（非腐殖物質）以外，還有各種淡棕色至暗褐色的天然高分子化合物，這些就是腐殖物質。腐殖物質既是天然有機質的主體，也是土壤有機質的主體，分為胡敏酸、富里酸和胡敏素。腐殖物質對土壤肥力和環境保護具有重要作用，既是釋放二氧化碳的重要來源，也是截獲二氧化碳的重要載體，在全球碳循環中具有舉足輕重的作用。

腐殖物質是經腐殖化作用而形成的、多相分布的類高分子化合物。在微生物參與下的腐殖化作用是使原本結構明確的四大類生物分子單體（蛋白質、多糖、脂質和木質素）經縮合，形成了具有獨特結構屬性的系列高分子化合物或混合物。

不同環境條件所形成的腐殖物質之間存在著結構上的差異。與陸地環境相比，海洋環境形成的腐殖物質，其分子中含有更多支鏈脂肪族結構和相對少量的芳香族結構。不同地理和氣候區對結構性質亦會產生影響。此外，在堆肥過程及植物凋落物腐解的不同階段，腐殖物質組分間也在不斷轉化。木質素、糖類、脂質和蛋白質是植物和微生物體內能量和物質積累的重要代表物，也是各類生命活動的主要代謝物。它們均能以原料形式參與形成腐殖物質，在微生物作用下相互轉化或以分子形式直接進入腐殖物質結構中。

木質素、多糖和脂族化合物（包括膜脂和植物角質層）是構成細胞壁及細胞膜的結構材料，而蛋白質是細胞內重要的貯藏物質。這些生物聚合物很有可能以特殊形式存在于腐殖物質中。

木質素對腐殖物質的形成影響頗大，多數學者認為陸地上腐殖物質是由木質素轉化而來的，且土壤中真菌在這個過程中發揮一定的作用。但檢測手段顯示腐殖物質和木質素的分子結構相似程度并不高，腐殖物質的結構更為復雜。

糖類的生物可降解性較好，在植物殘體中最先被微生物同化，那些未被降解的部分可能直接進入腐殖物質結構中，成為腐殖物質的一部分。此外有學者研究不同來源腐殖物質的水解產物，發現獲得的糖類物質種類大同小異，說明大多腐殖物質中均含有糖類。

脂類是脂肪酸和醇所形成的酯及其衍生物，包括磷脂、角質、蠟質等。放線菌可利用甘油合成類腐殖酸物質。大量研究表明，土壤和其他來源的腐殖酸中均含有脂類成分，通過化學熱解可將脂類組分從腐殖酸中脫離出來進行檢測。但人們對脂類組分在腐殖物質中的比重大小觀點不一。有學者認為，脂類并非腐殖物質分子的主要組分，它可能是以非共價鍵或者氫鍵等較弱的力與主體結構相連接的，對腐殖物質的化學和光譜學結構分析造成干擾。但另有學者在研究污泥來源的腐殖酸中，二元羧酸和脂肪酸較芳香環類有機物含量豐富。

蛋白質的氨基酸分子可以作為原料，在微生物作用下合成類腐殖物質。但新的研究發現，蛋白質或多肽可能通過共價交聯的方式進入腐殖物質結構中，使土壤中氮素得以保存，也使腐殖物質結構更為復雜。

研究表明，真菌、真核藻類等物質作為原料參與了腐殖物質的合成與土壤肥力的進化。

真菌可產生多種酶類物質，如漆酶、酪氨酸酶等，通過降解木質素、纖維素，轉化酚及醌類物質，參與土壤有機質的循環和腐殖物質的合成。真菌中的擔子菌在其中發揮作用最大、研究最多。雙孢蘑菇是自然界分布廣泛且可人工種植的一類大型擔子菌真菌，近來其基因組序列被破解，從中發現一系列多糖和木質素降解基因，為其可在木質原料上生長繁殖的行為提供了強有力的理論解釋。

真核藻類依靠光合作用自養而廣泛存在于海洋中。海洋懸浮物及海底沉積物中的腐殖類物質極有可能是它們的殘骸轉化來的。在歷史變遷中，這些沉積物經由海洋轉移到陸地，為土壤的形成與增肥提供物質基礎。從結構上看，海洋與陸地起源的腐殖物質有某些共同特征；從物質組成上看，這種可能性也是存在的。藻類的細胞壁含肽聚糖而沒有纖維素，并且藻類缺乏維管組織，幾乎不含木質素；但它們的分泌液中均存在類蛋白化合物及類腐殖物質。

地衣是子囊真菌與藍細菌的復合共生體，一直以來均被認為是土壤形成的開路先鋒，特別是荒漠地區，對原始腐殖物質的形成起重要作用。近期發現，地衣可分泌漆酶、纖維素酶等多種酶類，對木質纖維素及腐殖物質的轉化產生直接或間接影響。更有學者認為，地衣所形成的腐殖物質并非酶類直接催化降解植物殘體而成，而是在礦物及酶的催化作用下由低分子前體物質如酚類縮合而成，這與地衣所生長的環境極為契合。苔蘚因沒有維管組織而被界定為低等植物，生物學家認為它是水生藻類登陸演化的先驅。苔蘚多生長于沼澤，其殘體因特殊的多酚結構難以被微生物降解，經腐殖化過程可轉化為泥炭。

蕨類植物是進化水平最高的孢子植物，與種子植物一起總稱為維管植物，體內幾乎均含有木質素。在研究白堊紀早期蕨類植物的化石時發現，其中的酚類組分如木質素、蠟質等發生了重新排列，通過芳構化和交聯反應進入干酪根結構中。蕨類植物含有大量脂族葉蠟、木質素和單寧，與此類物質含量同樣高的被子植物一起對土壤有機質的形成與轉化起著至關重要的作用。

（本刊整理）