Биологическое выветривание: роль почвенных организмов в разрушении пород и почвообразовании

Сущность биологического выветривания и его современное понимание. Биологическое выветривание представляет собой ключевой процесс разрушения и трансформации горных пород и минералов на земной поверхности, осуществляемый почвенными организмами. Исторически этот процесс рассматривался как косвенный, когда живые организмы лишь усиливали физические и химические факторы, такие как замерзание воды или действие кислотных дождей. Однако современные исследования кардинально изменили эту точку зрения, доказав активную и прямую роль микроорганизмов в высвобождении необходимых питательных веществ. Особенно важной оказалась роль грибов, которые не только эффективно разрушают минералы, но и активно участвуют в новообразовании минералов, демонстрируя двойственную функцию — деструкции и созидания компонентов почвы.

Механизмы микробиологического разрушения горных пород. Современная наука признает бактерии, грибы и лишайники основными агентами прямого биологического выветривания, использующими сложные и разнообразные механизмы воздействия. Эти микроорганизмы осуществляют разрушение пород преимущественно через окислительно-восстановительные реакции, а также путем продуцирования органических кислот и хелатов, эффективно растворяющих кристаллические решетки минералов. Высвобождаемые в результате элементы становятся доступными питательными веществами для растений, формируя основу всей почвенной пищевой сети. Грибы, обладающие значительной подвижностью, дополнительно используют механическое воздействие: их гифы создают огромное осмотическое давление (до 10-20 нМ/мкм²), достаточное для проникновения в твердые материалы и физического разрушения минеральных поверхностей.

Таблица 4.2 систематизирует конкретные примеры бактерий, растворяющих минералы, предоставляя наглядную информацию о таксономии и функциях ключевых микроорганизмов-деструкторов. Эта таблица служит важным справочным материалом, подчеркивающим разнообразие и специализацию агентов биологического выветривания.

Роль грибов в туннелировании и высвобождении питательных элементов. Способность грибковых гиф к выветриванию впечатляет, что особенно наглядно демонстрирует процесс разрушения полевого шпата — широко распространенного минерала в составе гранита. Ключевым механизмом является туннелирование минералов, при котором гифы формируют сложные системы каналов внутри минеральных частиц. Это явление массово наблюдается в полевых шпатах в пределах Е-горизонтов подзолов — почв, широко распространенных across Europe. Считается, что механизм туннелирования связан с направленным выделением растворяющих анионов непосредственно на кончиках микоризных гиф.

Рис. 4.4 наглядно демонстрирует феномен «камнеядной микоризы»: слева — сканирующая электронная микрофотография двух грибковых гиф, проникающих в зерна полевого шпата; справа — микрофотография тонкого среза зерна полевого шпата из подзолистого горизонта, испещренного туннелями диаметром около 5 мкм. Со временем растущие гифы формируют постоянные туннели или поверхностные борозды, напрямую высвобождая такие критически важные элементы, как кальций (Ca) и калий (K), в экосистему, что является важнейшей экосистемной услугой по повышению плодородия почв.

Рис. 4.5 отображает карту распространения подзолов на территории Европейского союза, визуализируя географический контекст, в котором массово наблюдается описанный процесс грибкового туннелирования.

Новообразование минералов: почвенная биота как строитель. Помимо деструктивной функции, почвенная биота выполняет и созидательную роль, активно участвуя во вторичном минералообразовании. Этот процесс был зафиксирован у свободноживущих и симбиотических грибов. Например, лишайники и микоризные грибы продуцируют оксалаты металлов, гидроксиды железа и глинистые минералы. Также установлена их способность к образованию карбонатов. Кристаллический материал формирует зародыши и откладывается на клеточных стенках грибов и внутри них, что подробно показано на Рис. 4.7 и Рис. 4.8.

Рис. 4.7 демонстрирует разнообразие микогенных оксалатов: от оксалата магния на Penicillium simplicissimum до гидрата оксалата меди, осажденного на Beauveria caledonica.

Ярким примером является оксалат кальция (Рис. 4.8), самый распространенный оксалат в почвах, образование которого грибами создает резервуар кальция и влияет на доступность фосфатов. Эта прямая и обратная связь между почвенной биотой и минеральной матрицей является основным фактором, определяющим доступность питательных веществ и общее плодородие почвы.

Значение биовыветривания для почвообразования и устойчивости экосистем. Выветривание является фундаментальным, хотя и медленным, процессом почвообразования. Во многих глобальных экосистемах, особенно на сельскохозяйственных землях, скорость эрозии сейчас опережает скорость естественного почвообразования, что ведет к безвозвратной потере жизненно важного ресурса. Роль биоразнообразия в этом процессе огромна. Пионерные колонизаторы, такие как лишайники, накапливают атмосферный углерод, создавая первичное органическое вещество для последующих организмов.

Корни растений, проникая в трещины, ускоряют выветривание, запуская положительную обратную связь: высвобождаемые элементы питают почвенную биоту, которая, в свою очередь, интенсифицирует выветривание. Даже дождевые черви ускоряют этот процесс, способствуя, по некоторым данным, трансформации глинистого минерала смектита в иллит. Таким образом, уровень почвенного биоразнообразия напрямую определяет как скорость почвообразования, так и свойства формирующейся почвы, подчеркивая неразрывную связь между биологическим сообществом и долгосрочной устойчивостью планеты.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Rebekka Artz, The Macaulay Land Use Research Institute, UK Dimos Anastasiou, Bio4met, Greece Dominique Arrouays, L’Institut National de la Recherche Agronomique, France Ana Catarina Bastos, Cranfield University, UK Anna Bendetti, Istituto Sperimentale per la Nutrizione delle Piante

Источник: European Atlas of Soil Biodiversity

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам биологических и экологических специальностей, почвоведам, экологам-практикам, а также всем, кто интересуется основами почвенного биоразнообразия и функционирования наземных экосистем.