Câc chất hữu cơ cĩ quâ trình biến đổi phức tạp với sự tham gia trực tiếp của câc sinh vật vă chịu ảnh hưởng của câc điều kiện trong khối ủ. Một phần trong chúng bị không hô hoăn toăn tạo thănh câc chất không đơn giản, một phần được câc sinh vật đất sử dụng để tổng hợp protein, lipit, đường vă câc hợp chất khâc xđy dựng cơ thể chúng, một phần sẽ trải qua quâ trình biến đổi phức tạp vă tâi tổng hợp thănh câc hợp chất cao phđn tửđược gọi lă chất mùn.
Chất hữu cơ
Chất khơng phải chất mùn
Vi sinh vật Tăn tích hữu cơ
Acid fulvis Acid humic
Humin, Ulmin Protein, lipit, đường Chất mùn
Nĩi một câch khâc, câc chất hữu cơ sẽ chịu tâc động của 2 quâ trình xảy ra
đồng thời lă quâ trình không hô vă quâ trình mùn hô. Tuỳ theo điều kiện vă hoạt
động của sinh vật mă một trong hai quâ trình trín cĩ thể chiếm ưu thế.
Câc hợp chất mùn sau khi được hình thănh cũng chịu tâc động phđn giải chậm
để tạo thănh câc chất không.
Sơđồ 1.2 Quâ trình không hô vă tổng hợp chất mùn Không hĩa chậm Không hĩa Chất hữu cơ Câc hợp chất không Mùn hĩa Câc hợp chất mùn
1.5.2.2 Quâ trình không hô chất hữu cơ (vơ cơ hô)
Sơđồ 1.3 Quâ trình không hĩa chất hữu cơ (vơ cơ hĩa)
Không hô lă quâ trình phđn huỷ câc hợp chất hữu cơ thănh câc chất không
đơn giản như CO2, H2O, NO3-, NH4+, Ca2+, Mg2+, K+...
Đđy lă quâ trình biến đổi phức tạp vă trải qua nhiều giai đoạn khâc nhau. Trước hết chất hữu cơ phức tạp bị phđn giải thănh câc chất hữu cơđơn giản hơn gọi lă câc sản phẩm trung gian. Quâ trình phđn giải năy gồm cĩ hai sự kiện chính: (i) sự
phâ vỡ câc hợp chất hydratcarbon cũng như câc hợp chất bĩo; (ii) sự không hĩa câc hợp chất cĩ đạm.
i- Hydratcarbon
Cĩ cơng thức chung Cn(H2O)m cĩ chứa nhiều những hydroxyl (OH) vă carbonyl (C=O). Hydratcarbon cĩ thể chia lăm 3 loại: monosaccharit, disaccharit, polysaccharit.
Monosaccharit chủ yếu lă pentose vă hexose.
CHẤT HỮU CƠ
Quâ trình thối mục
(tỏa nhiệt)
Sản phẩm phđn giải trung gian
Sản phẩm không hĩa hoăn toăn
Quâ trình thối rữa (khơng tỏa nhiệt) NH3, H2O, CO2 R3PO4, R2PO4, RNO2, RNO3 CH4, H2, N2, H2S, PH3
PENTOSE C5H10O5 lă một loại đường trong chất pentosane, cĩ nhiều trong rơm rạ (30%)
Trong điều kiện hiếu khí nĩ phđn giải như sau: C5H10O5 + 5O2l 3CO2 + 5H2O
Vă trong điều kiện yếm khí nĩ phđn giải như sau: C5H10O5 + H2O l 3CO2 + 3H2 + 2CH4
Như vậy trong quâ trình phđn giải, vi sinh vật cơng phâ hợp chất năy ra thănh câc chất khí, bay đi mất, do đĩ trọng lượng đống ủ giảm đi nhiều. Thực nghiệm cho thấy, khi độn thím rơm rạ văo đĩng ủ, nếu tỷ lệ pentosane giảm cịn khoảng 12% thì đống ủ về cơ bản đê hoăn tất quâ trình phđn giải. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
HEXOSE C6H12O6 cĩ rất nhiều trong tế băo thực vật (ở dạng glucose, fructose, mannose). Trong hầu hết câc loại lâ cđy đều cĩ loại đường năy.
Trong điều kiện hiếu khí nĩ phđn giải như sau: C6H12O6 + 5O2l 6CO2 + 562O Trong điều kiện yếm khí, sự phđn giải diễn ra như sau: C6H12O6 + 6O2l 6CO2 + 12H2O Hoặc theo hướng: C6H12O6 + 6H2O l CH3-CH2OH + 2CO2 + H2O
Tùy theo tính chất của từng loại vi sinh vật; trường hợp năy, ta ngửi thấy cĩ mùi rượu phât ra. Nhưng ethanol sẽ tiếp tục phđn giải thănh acid hữu cơ:
CH3-CH2OH + O2l CH3-COOH + H2O
những acid hữu cơ năy cĩ thể lă acid oxalic, acid benzoic, acid fumaric, acid malic… nhưng tất cảđều bị phđn giải đến mức cuối cùng ra nước vă khí carbonic.
Disaccharit (như saccharose, mantose, lactose) khi ủ thì bị thủy phđn ra câc
loại monosaccharit vă cũng biến đổi tiếp theo như trín: C12H22O11 + H2O l 6C6H12O6
Polysaccharit do sự tổng hợp nhiều monosaccharit mă ra, cơng thức chung lă
Tinh bột phđn giải phđn giải rất nhanh chĩng, qua hiện tượng thủy phđn thănh dextrose rồi mantose vă glucose:
(C6H10O5)2n + (n-1)H2O l nC12H22O11
C12H22O11 + 2H2O l 2C6H11O6
Sự phđn giải tinh bột thường do một số loăi vi sinh vật thơng thường thực hiện
như Apergillus, Bacillus amolovorus, B. maceians… Cellulose cũng lă một chất dễ
phđn giải vă trong điều kiện thiín nhiín cĩ rất nhiều loăi vi sinh vật cĩ khả năng phđn giải cellulose như Cytophaga, Cellvibrio… (trong điều kiện hiếu khí) hoặc
nhưClostridium, Plectridium… (trong điều kiện kỵ khí).
Tĩm lại, đối với câc chất thuộc loại hydratcarbon, quâ trình phđn giải thường trải qua nhiều bước trong cĩ cĩ sự hình thănh ra câc sản phẩm trung gian nhiều loại acid hữu cơ khâc nhau, tùy nguyín liệu nhưng cuối cùng đi đến câc sản phẩm chủ
yếu lă CO2, H2O hoặc cĩ thím H2, CH4 (trong điều kiện yếm khí). Do đĩ, đống ủ bị
tiíu hao nhiều về mặt trọng lượng trong quâ trình ủ.
ii- Protein
Gồm những chất phức tạp chứa đạm vă được phđn giải thănh acid amin. Trong nhiều bộ phận của thực vật cĩ chứa protein. Hợp chất protein trong đống ủ qua quâ trình thủy phđn, biến thănh acid amin vă câc acid amin năy bị vi sinh vật cơng phâ thănh ammoniac, trong điều kiện hiếu khí cũng như kỵ khí. Ví dụ như acid amin
đơn giản nhất lă acid aminoacetic (cịn gọi lă glycocon):
2NH2-CH2-COOH + 3O2l 2NH3 + 4CO2 + 2H2O (hiếu khí) NH2-CH2-COOH + 2H2Ol NH3 + 2CO2 + 3H2 (kỵ khí)
Tùy điều kiện phđn giải vă tính chất của những loăi vi sinh vật tham gia phđn giải, đạm amoniac phât ra sẽ chuyển thănh đạm nitrat, đạm nitrit… nĩi chung lă
Trong đống nguyín liệu cịn nhiều loại hợp chất đạm khâc như ure, acid hippuric, acid uric… thường cĩ trong nước tiểu lẫn văo, chúng sẽ bị nhĩm niệu
khuẩn (Urobavteri – ví dụMicrococcus ureae) phđn giải thănh muối amon.
CO(NH2)2 + 2H2O l (NH4)2CO3
(NH4)2CO3l 2NH3 + CO2 + H2O
Như vậy trong quâ trình ủ nguyín liệu, câc hợp chất đạm của đống ủ mặc dầu trong điều kiện hiếu khí hay kỵ khí đều sinh ra khí ammoniac. Đĩ lă nguyín nhđn vì sao nguyín liệu căng ủ lđu căng mất đạm.
iii- Chất bĩo
Trong thức ăn của thức ăn gia súc cũng thường cĩ những chất bĩo như hạt bắp, câm gạo, đậu (lạc, nănh,…), khơ dầu… Câc chất bĩo về mặt hĩa học, cũng lă muối do sự hĩa hợp của một loại baz đặc biệt lă glycerin CH2OH-CHOH-CH2OH với những acid bĩo. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Glycerin phđn giải như sau: 2C3H8O3 + 7O2l 6CO2 + 2H2O
Câc acid bĩo, ví dụ acid arachic, phđn giải như sau: CH3-(CH2)18-COOH + 39O2l 20CO2 + 20H2O
Như vậy câc chất bĩo cuối cùng bị tiíu hao thănh CO2 vă H2O
Vì quâ trình ủ nguyín liệu sản sinh ra nhiều CO2, như vậy cho đến một lúc năo
đĩ, câc lỗ hổng trong đống ủ đều đầy ngập CO2 vă mơi trường trở thănh yếm khí. Do đĩ cần thiết phải đảo đống ủ, để oxy kịp thời văo tạo điều kiện cho VSV hiếu khí hoạt động, thì việc phđn giải mới nhanh chĩng.
Trong điều kiện yếm khí cĩ những vi sinh vật nhưClostridium perfringens cĩ khả năng phđn giải những hợp chất bĩo thănh một cacburhydrogen trong như dầu
CH2O-OC-R1 CH2OH R1-COOH
CHO-OC-R2 + 3H2O l CH-OH + R2-COOH CH2O-OC-R3 CH2OH R3-COOH
mazut, khơng lan trong nước vă nổi lín trín mặt nước với hiện tượng tân xạ ânh sang như dầu hỏa.
Ngoăi 3 hợp chất chủ yếu kể trín, trong đống ủ cịn cĩ nhiều loại hợp chất khâc nữa như sâp, nhựa, lignin,… lă những hợp chất rất khĩ phđn giải. Qua quâ trình phđn giải, những chất năy bị oxy hĩa vă tiíu hao bớt một phần. Phần cịn lại tiếp tục tồn tại khâ lđu trong nguyín liệu sau khi ủ.
Ngoăi câc hợp chất hữu cơ chính kể trín, cịn cĩ nhiều chất không hoặc ở thể
muối không (nitrat, sunfat, phosphat,…) hoặc ở thể hữu cơ (citrate, tartrat, malat, tannat, oxalate…) hoặc gần văo trong cấu trúc phđn tử của câc hợp chất hữu cơ
(như Mg trong diệp lục tố, S vă P trong câc phđn tử protein,…). Qua quâ trình phđn giải chất hữu cơ, câc chất ấy chuyển thănh những thể muối không dễ tiíu.
Tuỳ thuộc văo điều kiện mơi trường vă hoạt động của câc vi sinh vật mă quâ trình không hô chất hữu cơ cĩ thể diễn ra theo hai con đường khâc nhau lă thối mục vă thối rữa.
o Thối mục lă quâ trình hiếu khí diễn ra trong điều kiện cĩ đầy đủ oxy. Sản phẩm cuối cùng của quâ trình năy chủ yếu lă câc chất ở dạng oxy hô như
CO2, H2O, NO3-, PO43-, SO42-. Đđy lă quâ trình toả nhiệt vă kết quả lăm tăng nhiệt độ của khối ủ.
o Thối rữa lă quâ trình kỵ khí diễn ra trong điều kiện thiếu oxy hoặc do câc vi sinh vật hiếu khí phât triển nhanh đê sử dụng hết oxy trong khối ủ. Sản phẩm cuối cùng của quâ trình thối rữa bín cạnh câc chất ở dạng oxy hô như CO2, H2O cịn cĩ một lượng lớn câc chất ở dạng khử như CH4, H2S, PH3, NH3....
Tốc độ không hô câc chất hữu cơ phụ thuộc văo bản chất chất hữu cơ, điều kiện mơi trường vă hoạt động của sinh vật trong khối ủ. Nhìn chung câc hợp chất
đường vă tinh bột dễ bị không hô nhất; tiếp đĩ lă câc chất protein, hemicellulose, cellulose, câc hợp chất lignin, nhựa sâp khĩ bị phđn huỷ hơn.
Câc điều kiện mơi trường như độ ẩm, nhiệt độ, oxy, thănh phần vă tính chất nguyín liệu cũng cĩ ảnh hưởng mạnh đến tốc độ của quâ trình không hô. Thơng
thường ởđộ ẩm khoảng 60-65%, pH 6,5-7,5, nhiệt độ 25-30 C vă cĩ đủ khơng khí lă thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật đất vă do đĩ quâ trình không hô cũng xảy ra mạnh. Trong điều kiện như vậy chất hữu cơ bị phđn giải nhanh chĩng vă mùn ít được tích luỹ.
1.5.2.3 Quâ trình mùn hĩa
Sơđồ 1.4 Con đường tích luỹ chất hữu cơ (theo Brady (1990))
Mùn hô lă quâ trình phđn giải tâi tổng hợp câc chất hữu cơ tạo thănh chất mùn với sự tham gia tích cực của câc sinh vật trong đất.
Mùn lă hợp chất hữu cơ cao phđn tử phức tạp, chúng lă sản phẩm của quâ trình mùn hô câc chất hữu cơ thơng thường. Người ta cho rằng, mọi thănh phần hữu cơ
trong đất (protein, lignin, lipit, acid amin, hydratcarbon....) đều cĩ thể lă vật chất tham gia hình thănh chất mùn đất. Tuy nhiín, trín thế giới về bản chất của quâ trình hình thănh chất mùn vẫn cịn cĩ ý kiến khâc nhau.
Những người theo quan điểm hô học cho rằng quâ trình hình thănh chất mùn chỉ đơn thuần lă câc phản ứng hô học. Đại diện cho quan điểm năy như Vacsman, Scheffer.
o Theo Vacsman (1936) thì hạt nhđn của chất mùn được hình thănh do lignin kết hợp với câc chất không kiềm trong đất, sau đĩ câc phản ứng oxy hô sẽ gắn kết thím câc acid hữu cơ khâc để hình thănh chất mùn. Ngoăi ra trong quâ trình phđn giải câc xâc hữu cơ, một loại sản phẩm mău
đen vơ định hình, cĩ thănh phần phức tạp được hình thănh gọi lă chất mùn.
o Scheffer cho rằng sự hình thănh acid humic cĩ thể bằng con đường sinh hô vă cũng cĩ thể bằng con đường hô học đơn thuần. Bằng con đường hô học, câc acid humic được tạo thănh từ câc phenol, quinol vă câc aminoacid thơng qua câc phản ứng oxy hô vă trùng hợp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ngăy nay, nhiều bằng chứng cho thấy sự hình thănh chất mùn cĩ sự tham gia tích cực của câc quâ trình sinh hô, đặc biệt lă câc vi sinh vật trong đất. Sự hình thănh chất mùn bằng con đường hô học đơn thuần lă rất hạn chế, nĩ chỉ cĩ thể gặp
ở những nơi cĩ điều kiện bất lợi cho câc quâ trình sinh học nhưđất quâ chua hoặc quâ nhiều độc tố. Chúng ức chế câc quâ trình sinh học xảy ra.
Quan điểm sinh hô về sự hình thănh chất mùn cho rằng chất mùn được hình thănh từ sản phẩm phđn giải vă tâi tổng hợp câc chất hữu cơ thơng thường với sự
tham gia tích cực của câc phản ứng sinh hô, đặc biệt lă câc men do câc vi sinh vật tiết ra.
Quâ trình hình thănh mùn theo quan điểm hiện đại, Chiurin lă người cĩ nhiều
đĩng gĩp trong việc nghiín cứu về mùn đất. Ơng cho rằng đặc điểm cơ bản của sự
mùn hô lă những phản ứng sinh hô oxy hô dần dần những hợp chất cao phđn tử
cĩ mạch vịng khâc nhau, trong đĩ protein, lignin đĩng vai trị quan trọng. Những phản ứng oxy năy xảy ra khi phđn giải câc tăn tích thực vật dưới ảnh hưởng của oxy khơng khí, men oxydaza vă câc chất xúc tâc vơ cơ khâc.
Những hợp chất cao phđn tử trín liín kết lại với nhau rồi trùng hợp thănh câc chất mùn. Trong quâ trình sống của mình, vi sinh vật đất sử dụng câc sản phẩm phđn giải hữu cơ, những sản phẩm trao đổi chất vă tổng hợp câc hợp chất amin, hợp chất thơm cũng tham gia cấu tạo nín chất mùn.
2
Sơđồ 1.5 Câc con đường hình thănh mùn (Theo Stevenson (1982))
Từ sơđồ trín cho thấy nguồn gốc câc chất tham gia cấu tạo nín chất mùn cĩ thể bao gồm tất cả câc chất hữu cơ lă sản phẩm phđn giải trung gian, sản phẩm tâi tổng hợp của câc cơ thể sinh vật. Chúng cĩ thể lă câc chất đường, polyphenol, quinol, câc chất amin, câc hợp chất lignin,... Trong đĩ câc hợp chất chứa vịng thơm như phenol, polyphenol, quinol, polyquinol, câc chất lignin cĩ vai trị quan trọng. Xĩt một câch tổng quât, quâ trình hình thănh chất mùn cĩ thể phđn chia thănh 3 bước cơ bản như sau:
o Từ câc xâc hữu cơ mă chủ yếu lă xâc thực vật bị phđn huỷ với sự tham gia tích cực của vi sinh vật đất để hình thănh câc hợp chất hữu cơ lă câc sản phẩm trung gian nhưđường, polyphenol, quinol, câc chất amin,...
o Tâc động của câc hợp chất trung gian, hoặc bị phđn huỷ tiếp tục hoặc liín kết với nhau để hình thănh câc chất phức tạp hơn.
o Trùng hợp vă liín kết câc hợp chất trung gian trín tạo thănh câc chất mùn. Theo Stevenson thì cĩ 4 con đường hình thănh chất mùn khâc nhau:
Chuyển hĩa do vi sinh vật Chất hữu cơ Hợp chất amin Chất mùn Sản phẩm phđn giải lignin Polyphenol Quinol Đường Quinol Câc chất lignin biến đổi 2 1 4 3
o Con đường 1: sự liín kết trùng ngưng giữa câc hợp chất đường với câc chất amin.
o Con đường 2: giữa câc polyphenol lă sản phẩm phđn huỷ câc chất hữu cơ
với câc chất amin.
o Con đường 3: giữa câc chất lă sản phẩm phđn huỷ lignin với câc hợp chất amin.
o Con đường 4: câc chất lignin biến đổi với câc chất amin. Câc con đường năy đều cĩ sự tham gia của câc quâ trình sinh học.
Theo Selman Waksman, chất mùn được hình thănh chủ yếu từ câc hợp chất lignin theo con đường 4 nín cịn được gọi lă lý thuyết lignin hình thănh chất mùn. Theo thuyết năy, trước hết câc hợp chất lignin bị biến đổi mất dần câc nhĩm metoxyl (OCH3). Với sự cĩ mặt của câc orthohydroxylphenol vă sự oxy hô câc hợp chất bĩo để hình thănh câc nhĩm cacboxyl (COOH). Câc hợp chất lignin năy bị
biến đổi dần để hình thănh câc acid mùn.
Sự hình thănh chất mùn theo con đường 1 lă khơng đâng kể.
Một số tâc giả khâc lại cho rằng chất mùn đất được hình thănh theo con đường 2 vă 3 lă chính vă gọi lă học thuyết polyphenol hình thănh chất mùn. Theo thuyết năy, lignin cũng được xem lă nguồn gốc quan trọng trước tiín để hình thănh chất mùn. Dưới tâc động của câc enzym sinh học, lignin bị phđn huỷ thănh câc aldehyt phenol vă câc acid hữu cơ. Sau đĩ chúng chuyển thănh câc hợp chất quinol rồi trùng hợp lại để hình thănh chất mùn.
Ngăy nay người ta thừa nhận cả 4 con đường hình thănh chất mùn đều diễn ra
đồng thời. Tuy nhiín tuỳ theo điều kiện vă tính chất cụ thể của từng loại đất mă một con đường năo đĩ cĩ thể chiếm ưu thế hơn. Thơng thường chất mùn hình thănh từ
câc chất lignin biến đổi theo con đường 4 chiếm ưu thế ở câc đất thôt nước kĩm; trong khi hình thănh từ polyphenol theo con đường 2 vă 3 lại cĩ ưu thế ở câc đất
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});