(Introduction to Soil Science) ปฐพีศาสตร์เบื้องต้น (Introduction to Soil Science) (361212) โดย ดร. นิวัติ อนงค์รักษ์

สิ่งมีชีวิตในดิน (Soil Organisms) บทที่ 7 สิ่งมีชีวิตในดิน (Soil Organisms)

สิ่งมีชีวิตในดิน (Soil Organisms) ดินมีลักษณะเป็นวัสดุพรุน ที่มีทั้งอากาศ น้ำ และสารอาหารต่างๆ จึงเป็นแหล่งธรรมชาติที่เอื้ออำนวยต่อการดำรงชีพ และเป็นถิ่นที่อยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิตมากมาย ตั้งแต่พืชชั้นสูง สัตว์ชนิดต่างๆ และจุลินทรีย์

ชนิดและความสำคัญของสิ่งมีชีวิตในดิน 1. พืช (plant หรือ flora) พืชขนาดใหญ่ มีอิทธิพลต่อการสร้างสารอินทรีย์ให้แก่สิ่งมีชีวิตต่างๆ และยังเป็นแหล่งสะสมที่สำคัญของธาตุอาหารพืชหลายชนิด เช่น ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และกำมะถัน นอกจากนี้พืชยังมีอิทธิพลโดยตรงต่อสมบัติต่างๆ ของดิน การหยั่งรากลึกของพืชลงดิน ทำให้เกิดกิจกรรมต่างๆ ได้แก่ การดูดและการคายน้ำ การดูดธาตุอาหาร การหายใจ การปลดปล่อยสารอินทรีย์ออกจากรากพืช การย่อยสลายของราก การแผ่กิ่งใบปกคลุมผิวดิน ฯลฯ

อิทธิพลของรากพืชต่อสมบัติต่างๆ ของดิน

2. สัตว์ (animal หรือ fauna) ดินเป็นที่อาศัยของสัตว์นานาชนิด โดยบทบาทหลักของสัตว์ที่อาศัยอยู่ในดินคือ การขุดคุ้ยหาอาหารหรือเป็นที่อยู่อาศัย และการกัดกินอาหาร เช่น การกัดย่อยอินทรียวัตถุ การกัดกินรากพืช หรือจับสิ่งมีชีวิตอื่นเป็นอาหาร สัตว์ในดินได้แก่ - โปรโตซัว (protozoa) - กิ้งกือ (millipedes) - ไส้เดือนฝอย (nematode) - ตะขาบ (centipedes) - โรติเฟอร์ (rotifers) - แมงมุม (spiders) - ไร (mites) - สัตว์มีกระดูกสันหลัง ฯลฯ - ไส้เดือนดิน (earthworms) - แมลง (insects)

สัตว์ในดินที่พบโดยทั่วไป

1) โปรโตซัว เป็นสัตว์ที่พบมากสุดในดิน มีเซลล์เดียวและขนาดเล็กมาก 1) โปรโตซัว เป็นสัตว์ที่พบมากสุดในดิน มีเซลล์เดียวและขนาดเล็กมาก จนถูกจำแนกไว้เป็นพวกจุลินทรีย์ 2) ไส้เดือนดิน มีบทบาทต่อสมบัติของดิน คือ การเพิ่มช่องว่างในดิน จากการขุดหาอาหาร การกินอินทรียวัตถุในดิน และมูลไส้เดือนมักมี ดินเหนียวและทรายแป้ง (silt) มากกว่าดินภายนอกและเสถียรกว่า 3) ไส้เดือนฝอย เป็นสัตว์หลายเซลล์ที่พบมากสุด เป็นพาราสิตของ สิ่งมีชีวิตต่างๆ มีหน้าที่ควบคุมสิ่งมีชีวิตชนิดอื่นในดิน

โปรโตซัว ไส้เดือนฝอย ไส้เดือนดิน

3. จุลินทรีย์ดิน (soil microorganisms) จุลินทรีย์ดิน เป็นสิ่งมีชีวิตที่มีบทบาทและอิทธิพลต่อการเจริญเติบโตของพืชมากที่สุด แบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่ม คือ 1) จุลินทรีย์พวก heterotroph เป็นกลุ่มที่ใช้สารอินทรีย์เป็นแหล่ง อาหาร คาร์บอน เป็นพวกที่มีปริมาณมากที่สุด และมีบทบาทสำคัญ ในการย่อยสลายอินทรียวัตถุในดิน 2) จุลินทรีย์พวก autotroph เป็นกลุ่มที่ใช้คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นแหล่งอาหารคาร์บอนเพื่อสังเคราะห์สารอินทรีย์มาสร้างเป็น องค์ประกอบของเซลล์ มีบทบาทในการเพิ่มอินทรียวัตถุให้กับดิน

จำนวนและปริมาณชีวมวลของสิ่งมีชีวิตบางชนิดในดินที่อุดมสมบูรณ์ ชีวมวล (นน.สด) (กิโลกรัม/เฮ็กตาร์) (ต่อตารางเมตร) (ต่อดิน 1 กรัม) แบคทีเรีย 1013-1014 108-109 300-3,000 แอกทิโนไมชีท 1012-1013 107-108 เชื้อรา 1010-1011 105-106 500-5,000 สาหร่าย 109-1010 103-106 10-1,500 โปรโตซัว 103-105 5-200 ไส้เดือนฝอย 106-107 101-102 1-100 ไส้เดือนดิน 30-300 - 10-1,000 สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังขนาดเล็ก 1-200

จุลินทรีย์ดิน สามารถแบ่งตามระบบการจำแนกของสิ่งมีชีวิตได้เป็น แบคทีเรีย แอกทิโนไมซีท เชื้อรา สาหร่าย โปรโตซัว และไวรัส 1) แบคทีเรีย (bacteria) มีจำนวนมากสุดในดิน มีความหลากหลายใน รูปแบบของการดำรงชีวิตสูง มีบทบาทในกิจกรรมต่างๆ แทบทุก สภาพแวดล้อม 2) แอกทิโนมัยชีท (actinomycetes) จัดเป็นพวกแบคทีเรีย แต่มีลักษณะ เป็นเส้นใยคล้ายเชื้อรา ใช้ O2 หายใจ ใช้อินทรียวัตถุเป็นอาหาร และ บางชนิดตรึงไนโตรเจนได้ (N2 fixation) 3) เชื้อรา (fungi) มีจำนวนน้อยแต่มีปริมาณชีวมวลมากสุด เป็นพวก aerobic heterotroph มีบทบาทในการย่อยอินทรียวัตถุ และส่งเสริม การเกิดโครงสร้างดิน บางชนิดอยู่ร่วมกับสิ่งมีชีวิตชนิดอื่น เช่น mycorrhiza (รา-รากพืช) และ lichen (รา-สาหร่าย)

แบคทีเรีย แอกทิโนไมซีท ไมคอร์ไรซา ไลเคน

4) จุลินทรีย์อื่นๆ ได้แก่ สาหร่าย (algae) โปรโตซัว (protozoa) และ 4) จุลินทรีย์อื่นๆ ได้แก่ สาหร่าย (algae) โปรโตซัว (protozoa) และ ไวรัส (virus) เป็นกลุ่มจุลินทรีย์ที่มีบทบาทในดินอยู่บ้างแต่ไม่มาก เหมือนกับจุลินทรีย์ 3 พวกแรก - สาหร่ายในดิน ได้แก่ สาหร่ายสีเขียว สาหร่ายสีน้ำเงิน และไดอะตอม เป็นพวก photoautotroph จึงมีบทบาทบริเวณผิวดินหรือในน้ำบน ผิวดิน บางชนิดตรึงไนโตรเจนได้ เช่น Nostoc และ Anabaena - โปรโตซัว มีบทบาทในการควบคุมประชากรจุลินทรีย์บางชนิดและ ย่อยสลายอินทรียวัตถุ - ไวรัส บทบาทในดินไม่ชัดเจนนัก แต่มีบทบาทต่อระบบนิเวศของ สิ่งมีชีวิตที่เป็นแหล่งอาศัยของไวรัส

Nostoc Anabaena Gloeothece ไดอะตอม

การดำรงชีวิตของจุลินทรีย์ในดิน การเจริญเติบโตและเพิ่มประชากรของจุลินทรีย์ดิน ขึ้นกับปัจจัย 2 ประการ คือ 1) ปริมาณและความเป็นประโยชน์ของอาหาร มีอิทธิพลมากสุด และ ควบคุมกิจกรรมของจุลินทรีย์ 2) ปัจจัยด้านสภาพแวดล้อม เป็นปัจจัยรอง ได้แก่ การระบายอากาศ ความชื้น และ pH ดิน เป็นต้น ดินในการเกษตรมักขาดอินทรียวัตถุ ซึ่งเป็นอาหารของจุลินทรีย์ กิจกรรมส่วนใหญ่จะอยู่บริเวณรากพืช (rhizosphere) ในช่วงที่ขาดอาหาร จุลินทรีย์บางชนิดจะมีการพักตัวหรือลดระดับเมแทบอลิสซึมในเซลล์ เป็นรูปแบบการดำรงชีวิตในสภาวะขาดแคลนอาหาร (oligotrophy)

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการดำรงชีวิตของจุลินทรีย์ดิน 1. อาหาร (food) อาหารเป็นปัจจัยที่จุลินทรีย์ต้องการ เพื่อนำไปใช้ในการเจริญเติบโตแพร่พันธุ์ แบ่งออกเป็น 5 ส่วน ดังนี้ 1) แหล่งของพลังงาน (energy source) จุลินทรีย์ต้องการพลังงาน สำหรับต่อสู้เพื่อการขยายพันธุ์ในดิน - แสง เป็นแหล่งพลังงานของพวก phototroph แสงเป็นแหล่งพลังงาน ที่ไม่จำกัด แต่บริเวณที่ได้รับแสงก็จำกัดอยู่เพียงผิวดินหรือผิวน้ำ - สารอินทรีย์ เป็นแหล่งพลังงานของพวก chemoheterotroph ได้จาก การออกซิเดชันของสารอินทรีย์

- สารอนินทรีย์ เป็นแหล่งพลังงานของพวก chemoautotroph ได้จาก

2) แหล่งของคาร์บอน (carbon source) เป็นธาตุอาหารหลักที่จุลินทรีย์ 2) แหล่งของคาร์บอน (carbon source) เป็นธาตุอาหารหลักที่จุลินทรีย์ ต้องการเพื่อใช้สร้างองค์ประกอบต่างๆ ของเซลล์ - จุลินทรีย์พวก autotroph ใช้ CO2 เป็นแหล่งคาร์บอน อาจใช้แสงหรือ กระบวนการออกซิเดชันสารอนินทรีย์เป็นแหล่งพลังงาน โดยแหล่ง พลังงานเป็นปัจจัยหลักที่ควบคุมกิจกรรมจุลินทรีย์ - จุลินทรีย์พวก heterotroph เป็นกลุ่มใหญ่ในดิน ใช้สารอินทรีย์เป็น แหล่งคาร์บอนและพลังงาน โดยสารอินทรีย์เป็นปัจจัยหลักที่ควบคุม กิจกรรมจุลินทรีย์

การจำแนกจุลินทรีย์ดินตามความแตกต่างของแหล่งคาร์บอนและพลังงาน กลุ่ม แหล่งพลังงาน แหล่งคาร์บอน ตัวอย่างจุลินทรีย์ Photoautotroph แสง CO2 แบคทีเรียสังเคราะห์แสงพวก purple sulfur และ green sulfur bacteria, สาหร่าย Photoheterotroph สารอินทรีย์ nonsulfur และ green nonsulfur bacteria Chemoautotroph สารอนินทรีย์ แบคทีเรียพวก hydrogen bacteria, sulfur bacteria, iron bacteria, และ nitrifying bacteria Chemoheterotroph แบคทีเรียส่วนใหญ่, แอกทิโนไมชีท, เชื้อรา, โปรโตซัว และ สัตว์

3) ตัวรับอิเล็กตรอน (electron acceptor) จุลินทรีย์สกัดพลังงานจาก 3) ตัวรับอิเล็กตรอน (electron acceptor) จุลินทรีย์สกัดพลังงานจาก สารอินทรีย์หรืออนินทรีย์ โดยการออกซิไดส์ พลังงานจะถูก ปลดปล่อยออกมากับอิเล็กตรอนผ่านกระบวนการถ่ายทอด อิเล็กตรอน (e-) และถูกเก็บไว้ในรูปสารประกอบพลังงานสูง เช่น ATP สารที่รับอิเล็กตรอนเป็นตัวสุดท้าย เรียกว่า ตัวรับอิเล็กตรอน - Aerobic respiration คือ กระบวนการที่จุลินทรีย์ใช้ O2 เป็นตัวรับ อิเล็กตรอน หรือกระบวนการหายใจ เพื่อให้ได้พลังงานออกมา - Anaerobic respiration คือ กระบวนการที่จุลินทรีย์ใช้สารอนินทรีย์ อื่นๆ มารับอิเล็กตรอน หรือถ้าใช้สารอินทรีย์เป็นตัวรับอิเล็กตรอน เรียกว่า fermentation ซึ่งได้พลังงานน้อยและย่อยสลายสารอินทรีย์ ไม่สมบูรณ์

ตัวอย่างสิ่งมีชีวิตในดิน รากพืช, สัตว์, และแบคทีเรีย ลำดับการใช้สารเป็นตัวรับอิเล็กตรอนของจุลินทรีย์ดินที่สัมพันธ์กับค่า redox potential ของสภาพแวดล้อมในดิน ตัวรับอิเล็กตรอนและ ผลของปฏิกิริยารีดักชั่น กระบวนการที่เกิดขึ้น Redox potential1/ ที่ pH 7 (mV) ตัวอย่างสิ่งมีชีวิตในดิน ที่เกี่ยวข้อง O2+ e- H2O Aerobic respiration +820 รากพืช, สัตว์, และแบคทีเรีย พวกที่ต้องการอากาศ NO3- + e- N2 Denitrification +420 Pseudomonas Mn4+ + e- Mn3+ Manganese reduction +410 Bacillus O.M. + e- Organic acids Fermentation +400 Clostridium Fe3+ + e- Fe2+ Iron reduction -180 SO42- + e- H2S Sulphate reduction -220 Desulfovibrio CO2 + e- CH4 Methanogenesis -240 Methanobacterium 1/ Redox potential คือ ศักยภาพของระบบหรือสภาพแวดล้อมในดิน ในการให้อิเล็กตรอน หรือรับอิเล็กตรอนสำหรับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น ระบบที่มีค่า redox potential สูง สามารถรับอิเล็กตรอนได้ดี

4) แร่ธาตุ (mineral) นอกจาก C, H และ O จุลินทรีย์ยังต้องการแร่ธาตุ 4) แร่ธาตุ (mineral) นอกจาก C, H และ O จุลินทรีย์ยังต้องการแร่ธาตุ อีกหลายชนิด แร่ธาตุที่จุลินทรีย์ - แร่ธาตุที่ต้องการใช้มาก ได้แก่ N, S และ P - ไนโตรเจน (N) เป็นส่วนประกอบสำคัญของกรดอะมิโนและ โปรตีน ตลอดจนกรดนิวคลีอิก - ซัลเฟอร์ (S) ใช้สร้างสารบางชนิด เช่น กรดอะมิโนพวก cysteine และ methionine วิตามินพวก biotin thiamine - ฟอสฟอรัส (P) เป็นส่วนประกอบสำคัญของกรดนิวคลีอิก, phospholipid หรือ nucleotide เช่น ATP - แร่ธาตุที่ต้องการใช้น้อย ได้แก่ K, Na, Ca, Mg, Cl และ Fe - โพแทสเซียม (K) ช่วยการทำงานเอนไซม์และสร้างโปรตีน - แมกนีเซียม (Mg) เป็น cofactor ของเอนไซม์ รักษา เสถียรภาพของ ribosome และเยื่อหุ้มเซลล์

- แมกนีเซียม (Mg) เป็น cofactor ของเอนไซม์ และเป็น - แมกนีเซียม (Mg) เป็น cofactor ของเอนไซม์ และเป็น ส่วนประกอบของ cytochrome - เหล็ก (Fe) เป็นโคแฟกเตอร์ของเอนไซม์ - แร่ธาตุที่ต้องการใช้น้อยมาก ได้แก่ Co, Mo, Cu, Mn, Ni และ Zn - แร่ธาตุที่ต้องการเฉพาะจุลินทรีย์บางชนิด ได้แก่ - ซิลิกอน (Si) ใช้สร้างเปลือกนอกของเซลล์ไดอะตอม - วานาเดียม (V) ใช้แทน Mo ในการสร้างเอนไซม์ nitrogenase ของ Azotobacter

องค์ประกอบแร่ธาตุหลักของแบคทีเรียและพืชโดยประมาณ แบคทีเรีย : Rhizobium (% น้ำหนักแห้ง) พืช : ต้นข้าวโพด/ C 50 45 O 20 44 N 12 1-2 H 8 6 P 1 0.2 S K Na Ca 0.5 0.3 Mg Cl 0.1 Fe

5) growth factor คือ สารอินทรีย์ที่มาจากสภาพแวดล้อมซึ่งจุลินทรีย์ 5) growth factor คือ สารอินทรีย์ที่มาจากสภาพแวดล้อมซึ่งจุลินทรีย์ มีความต้องการเพื่อให้การเจริญเติบโตสามารถดำเนินไปได้ตามปกติ - กรดอะมิโน เพื่อนำไปสร้างโปรตีน - purines และ pyrimidines ใช้ในการสร้างกรดนิวคลีอิก - วิตามิน ช่วยการทำงานของเอนไซม์บางชนิด

2. สภาพแวดล้อมในดิน (soil environment) สภาพแวดล้อมในดิน ประกอบด้วย 1) สภาพการระบายอากาศของดิน (soil aeration) เป็นปัจจัยที่ส่งผล โดยตรงต่อปริมาณ O2 และค่า redox potential ของดิน 2) ความชื้นในดิน (soil moisture) หรือน้ำในดิน ช่วยละลายสารอาหาร ต่างๆ และใช้เป็นที่อยู่อาศัย 3) อุณหภูมิดิน (soil temperature) ช่วยเร่งอัตราการทำงานของ เอนไซม์และปฏิกิริยาทางชีวเคมีต่างๆ 4) สภาพกรดด่างของดิน (soil pH) มีผลต่อการละลายของแร่ธาตุต่างๆ ซึ่งเกี่ยวข้องกับความเป็นประโยชน์ของธาตุอาหาร 5) ความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออนของดิน (cation exchange capacity) มีผลต่อการดูดซับธาตุอาหารในดิน

บทบาทและความสำคัญของจุลินทรีย์ดิน 1. การย่อยสลายอินทรียวัตถุ การย่อยสลายอินทรียวัตถุ ทำให้แร่ธาตุองค์ประกอบของสารอินทรีย์ถูกย่อยสลายปลดปล่อยกลับออกมาอยู่ในรูปสารประกอบอนินทรีย์ให้พืชหรือ จุลินทรีย์นำไปใช้ได้ และทำให้เกิดการแปรสภาพสารอินทรีย์บางส่วนไปเป็น สารฮิวมิก

2. การแปรสภาพสารอนินทรีย์ การแปรสภาพสารอนินทรีย์ ประกอบด้วย 1) Immobilization เป็นกระบวนการที่จุลินทรีย์ใช้สารอนินทรีย์เป็น อาหาร เช่น NH4+, NO3-, H2PO4-, SO42-, K+ และ Ca2+ ฯลฯ 2) Oxidation เป็นกระบวนการที่จุลินทรีย์ออกซิไดส์สารประกอบ อนินทรีย์เพื่อให้ได้พลังงานไปใช้ในการดำรงชีวิต เช่น NH4+ ไปเป็น NO3- หรือ S ไปเป็น SO42- 3) Reduction เกิดจากการที่จุลินทรีย์ใช้สารอนินทรีย์ไปเป็นตัวรับ อิเล็กตรอนในกระบวนการสร้างพลังงาน เช่น NO3- ถูกรีดิวซ์ไปเป็น N2

3. การตรึงไนโตรเจน (nitrogen fixation) การตรึงไนโตรเจน โดยจุลินทรีย์เป็นกระบวนการหลักที่ช่วยเพิ่มไนโตรเจนที่พืชสามารถใช้ได้ลงสู่ดิน ชดเชยไนโตรเจนที่เสียไปในรูปต่างๆ เกิดโดย แบคทีเรีย, แอกทิโนไมซีท และสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน ประสิทธิภาพการตรึงไนโตรเจน ขึ้นอยู่กับปริมาณแหล่งของพลังงานและความสามารถในการป้องกันไม่ให้เอนไซม์ nitrogenes ถูกทำลายโดย O2

แบคทีเรียในปมรากถั่วสามารถตรึงไนโตรเจนในอากาศลงสู่ดิน

4. ไมคอร์ไรซา (mycorrhiza) ไมคอร์ไรซา เป็นรูปแบบของการอยู่ร่วมกันแบบ symbiosis ของเชื้อรากับรากพืช โดยเชื้อราจะแทรกเส้นใยบางส่วนเข้าไปอาศัยอยู่ในรากของพืช และได้รับสารอาหารจากต้นพืช ขณะเดียวกันก็มีเส้นใยอีกส่วนหนึ่งแตกแขนงเจริญเติบโตอยู่ในดิน ทำหน้าที่เปรียบเสมือนระบบรากย่อยที่แยกแขนงไปจากรากพืช สนับสนุนการหาน้ำและอาหารของพืช

ไมคอร์ไรซา (mycorrhiza) หรือการอยู่ร่วมกันของเชื้อรากับรากพืช

5. การย่อยสลายสารเคมี จุลินทรีย์ดิน ต้องแข่งขันแก่งแย่งทรัพยากรที่มีอยู่จำกัดในดิน ทำให้มีการปรับตัวในการใช้สารประกอบต่างๆ ในดินเป็นอาหารได้ดี จุลินทรีย์ดินจึงเป็นกลุ่มจุลินทรีย์ที่มีประสิทธิภาพสูงในการย่อยสลายหรือแปรสภาพสารเคมีชนิดต่างๆ และมีบทบาทในการช่วยทำลายความเป็นพิษของสารเคมีในพื้นที่ดิน

จบการสอนบทที่ 7 ดอยอินทนนท์