ИСТИНА

Экосистемы лесной зоны - главные элемент биосферы, где идет активный сток углекислого газа в почву. И это несмотря на то, что тропические леса занимают 1,7 млрд. га (FAO, 2005). Комплексная ароматическая структура и гидрофобные свойства лигнина, а также его высокая биохимическая стабильность предопределяют уникальную роль этого биополимера в процессах гумификации и планетарном круговороте углерода. Учитывая, что лигнин содержит на 50 % больше углерода на единицу веса, чем составляющая 57-77 % опада целлюлоза, можно утверждать, что устойчивое к биохимическому разложению обсуждаемое соединение тем самым выводит углерод из кругооборота на значительные периоды времени. Так ли это? Цель работы - выявление закономерностей поступления, состава и трансформации лигнина и его производных в тканях растений – подстилках - почвах некоторых лесных экосистем. Объекты исследования: евразийские леса из сосны, лиственницы, кедра, ели, пихты (50 км от г. Красноярска); южнотаежные березо-осиновые леса Коломенского ополья Московской области; дубово-липовые широколиственные леса («Тульские засеки») на серых почвах; березовые колки лесостепи Брянской области на агросерых почвах; тропический лес Амазонии на красноземах (Бразилия); аридные экосистемы вертикальных природных зон Тянь-Шаня; гумидные экосистемы Северного Кавказа. Основные методы - апробированная методика мягкого щелочного окисления органического вещества оксидом меди в азотной среде с последующим использованием хроматографии тонкого слоя является наиболее перспективной для анализа содержания и состава лигнина в объектах наземных экосистем: не только в тканях растений, но и в дневных и погребенных почвах, включая минеральные малогумусные горизонты, в конкреционных новообразованиях, препаратах гуминовых кислот, гранулометрических фракциях почв [1, 2]. Щелочное окисление исследуемых образцов оксидом меди дало 11 фенолов, которые сгруппированы по их химической природе в 4 структурных семейства: ванилиновые (V), сирингиловые или сиреневые (S), п-кумаровые (С) и феруловые фенолы (F). Сумма продуктов окисления (VSC) отражает общее содержание лигнина в образце. Результаты. Разные типы растительных тканей (голосеменные и покрытосеменные, древесные и недревесные, надземные и подземные) имеют контрастные «лигниновые параметры». Мы подтвердили существующие закономерности и обнаружили в наших образцах 3 известных типа лигнина. Во-первых, лигнин хвойных растений (мягкий древесный лигнин) содержит ванилиновые (гваяциловые) фенолы в качестве основной структурной единицы – до 60 мг г-1 Сорг можжевельника и до 80 мг г-1 Сорг – в опаде пихты. Сиреневые и цинамиловые кислоты и альдегиды в хвое практически отсутствуют и отношение S/V = 0. Впервые установлен химический состав лигнина из тканей можжевельника. Соотношение VSC в нем составил - 41:1:2. Во-вторых, лигнин лиственных деревьев (тяжелый древесный лигнин), преимущественно состоит из примерно равного количества ванилиновых (гваяциловых) и сирингиловых структур. При этом лигнин тканей лиственных пород горных лесов Кавказа (бук, каштан), почти не отличается от лигнина листвы пород умеренного пояса и орехово-плодового горного леса Тянь-Шаня и содержит действительно близкие количества ванилиновых и сирингиловых фенолов. Содержание циннамиловых фенолов близко к 0. В мелколиственных породах умеренного пояса композиционные соотношения – 4:4:1 2:1:1, а в тканях широколиственных растений 8:2:1. Минимум кумаровых и феруловых фенолов и нехарактерные для широколиственных пород следовые количества сиреневого альдегида обнаруживает опад тропических древесных растений Амазонии. П-кумаровые кислоты отсутствуют и в древесине хвойных растений – сосны и можжевельника. Третий тип лигнина – это лигнин травянистых растений, которым присуще наибольшее количество циннамиловых структурных единиц: их содержание в степных и луговых злаках и разнотравья возрастает до 20-30 мг/г углерода, что в 4-6 раз больше, чем у древесных растений. Определение продуктов окисления лигнина в подстилках разных типов растительных ассоциаций показало, что различия лигниновых параметров в них менее контрастны, а содержание лигнина значительно ниже по сравнению с живыми растительными тканями. Хотя композиционно подстилки повторяют характерные для живых тканей закономерности: подстилки хвойных пород характеризуются накоплением ванилиновых (гваяциловых) фенолов – до 33 мг г-1 Сорг. под кроной можжевельника, - и сохраняют тенденцию к меньшему содержанию сирингиловых и кумариловых структур. Подстилки лиственных пород имеют примерно равные соотношения ванилиновых (гваяциловых) и сирингиловых фенолов и меньшее по сравнению с кумаровыми количество феруловых кислот (V:S:C - 4:4:1; 2:1:1). Значительное уменьшение продуктов окисления лигнина (VSC) характерно для буково-грабаво-каштанового опада с 10, 4 до 2,2 мг/г углерода; опада в берёзовой роще с 24,5 до 10,9 мг/г углерода; в осиновой роще – с 9,3 до 1,6 мг/г углерода. Типичные структурные фрагменты лигнина еще долго узнаваемы в почвах [3]. Например, в серых лесных почвах Коломенского ополья величина отношения сирингилов к ванилинам S/V отношения около 1. Эти цифры соответствуют значениям, типичным для свежих тканей березы, характеризующихся эквивалентным вкладом сирингиловых и ванилиновых единиц. Почвы «Тульских засек» характеризуются отношением сирингиловых фенолов к ванилинам S/V около 0,8 в верхней части профиля, что типично для древесных широколиственных пород. Установлено, что наибольшее суммарное (VSC) количество продуктов окисления лигнина в рассматриваемых горизонтальных рядах почв приурочено к почвам естественных биогеоценозов с наивысшей биопродуктивностью: серая лесная почва Тульских засек, черноземы Курского заповедника, красноземы тропического леса Амазонии. При этом, показана линейная зависимость увеличения степени измененности боковых цепочек лигниновых структур. Так в почвах южной тайги она составляет 5-8 %, в лесостепи – 9-10 %, в черноземах – 10-12% и, достигая максимальных значений в красноземах тропического леса до 30-50 %, то есть фактически следует за величиной периода биологической активности. В почвах вертикального ряда наблюдается параболический характер распределения лигнина в ряду: от подножия к вершинам с максимумом содержания лигнина в субальпийских черноземовидных почвах (Тебердинский заповедник Кавказа и заказник Чон-Курчак Тянь-Шаня). В условиях антропогенного использовании (пашня Русской равнины, плантация производственной древесины Бразилии, вторичные леса Красноярска) количество лигнина в почвах уменьшается по сравнению с естественными аналогами. Благодаря химической и физиологической специфичности фенольных соединений лигнина наряду с их высокой устойчивостью к разложению лигнины должны быть использованы как молекулярные следы наземного органического вещества при реконструкции условий палеорастительности.