|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
Роль лигниновых фенолов в органоминеральных взаимодействияхтезисы доклада
- Авторы: Ковалев И.В., Ковалева Н.О.
- Сборник: Гуминовые вещества в биосфере Материалы VI Всероссийской научной конференции с международным участием
- Тезисы
- Год издания: 2014
- Место издания: Коми НЦ УрО РАН Сыктывкар
- Первая страница: 23
- Последняя страница: 26
- Аннотация: Комплексная ароматическая структура и гидрофобные свойства лигнина, а также его высокая биохимическая стабильность предопределяют уникальную роль этого биополимера в процессах гумификации, в органоминеральных взаимодействиях и структурообразовании. Вместе с тем, сведения такого рода крайне ограничены. Цель работы - выявление закономерностей поступления, состава и трансформации лигнина и его производных в гранулометрических фракциях и агрегатах почв геохимически сопряженных катен разных природных зон. Объекты исследования: светло-серые лесные почвы Коломенского ополья Московской области; экосистемы вертикальных зон Северного Кавказа. Основные методы. Апробирована 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 (Ковалев, Ковалева, 2008, 2013), но и в дневных и погребенных почвах (Ковалева, Ковалев 2009), включая минеральные малогумусные горизонты, в конкреционных новообразованиях, препаратах гуминовых кислот (Ковалев, Ковалева, 2013), гранулометрических фракциях почв (Ковалев, Ковалева, 2014), на поверхности и внутри агрегатов. 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. Определение углерода, азота, серы выполнено на элементном CNS-анализаторе (VARIO EL, Elementar GmbH, Hanau). Общая удельная поверхность почвы определена по БЭТ. Минералогический состав почв исследован с использованием рентгеновского дифрактометра D5000 фирмы “SIEMENS”. Диагностика фаз проведена при помощи базы данных JCPDS. Результаты. На основании результатов анализа содержания лигниновых фенолов в гранулометрических фракциях почв установлено, что с уменьшением размера фракции (<2 мкм, 2-20 мкм) количество лигнина в них значительно снижается – в 10 раз по сравнению с крупными фракциями (20-250 мкм, >250 мкм). Большая часть продуктов окисления лигниновых фенолов (до 50 %) ассоциируется во фракции крупного песка (>250 мкм). Однако именно к наиболее мелким илистым и пылеватым фракциям приурочены величины максимальной степени окисленности (ac/al)v и степени трансформации боковых цепочек биополимера (Т, %), а также и низкие величины S/V-отношения, которые обусловлены как селективной потерей сирингильных ароматических структур, так и деметилированием метоксильных групп. Таким образом, в мелких фракциях (<2 мкм, 2-20 мкм) наблюдается максимальная в исследованном ряду фракционирования по гранулометрическому составу деструкция лигниновых фенолов. Молекулы биополимера инкрустируются глинистыми минералами и становятся недоступными для микроорганизмов. Вероятно, этим и обусловлена высокая корреляция величин содержания лигнина (VSC) и значений удельной поверхности почв. Коэффициент корреляции (Р = 0,95) между величинами максимальной степени окисленности и степени трансформации боковых цепочек биополимера по отношению к исходной растительной ткани (%) и величиной удельной поверхности (м2/г) в пахотных горизонтах светло-серых почв Коломенского ополья составил в глубокооглеенной почве (на микроповышении) – 0,97, и в глееватой (на микропонижении) – 0,89. Удельная поверхность является интегральным показателем минералогического, гранулометрического состава, содержания гумуса, состава и структуры почвенно-поглощающего комплекса (ППК). Высокие величины удельной поверхности могут быть обусловлены и наличием смешанослойных минералов в исследованных почвах. Проведенный анализ выявил, что основу первичных минералов составляют кварц, минералы группы полевых шпатов (ортоклаз, микроклин, альбит), кальцит и доломит. Слоистые силикаты представлены иллитом (политип 2М1), каолинитом (низкотемпературный политип 1Тк, за исключением верхнего горизонта глееватой почвы, где встречается политип 1Md), а также вермикулитом (политип 2М) и иллит-монтмориллонитом. Можно предполагать, что окисленные мономеры (и возможно олигомеры) лигнина фиксируются глинистыми минералами. Концентрация полисахаридов (аминосахаров: глюкозамин, галактозамин, маннозамин) и мурамина в илистой фракции повышается по сравнению с фракциями пыли и мелкого песка, хотя полисахариды химически менее стабильны, чем лигнин. Необходимо подчеркнуть, что в исследуемых образцах, именно в мелких фракциях наблюдается и наибольшее содержание биофильных элементов: углерода, азота, серы, что обусловлено микробным ресинтезом. В крупных фракциях накапливаются слаборазложившиеся остатки, обогащенные лигнином, тогда как в тонких фракциях почв преобладают продукты микробной жизнедеятельности. Максимальное содержание серы в мелких фракциях – тому подтверждение. Агрегатный уровень организации почвенной массы демонстрирует более высокую степень окисленности лигниновых фенолов на поверхности агрегата, нежели внутри агрегата, что выражается в более высоких величинах отношения кислоты/альдегиды в ванилиновых и сирингиловых единицах ((ac/al)v, (ac/al)s). На поверхности агрегата в окислительных условиях наблюдается меньшее количество продуктов окисления лигнина и более высокая степень его окисленности, нежели внутри агрегата, где складывается восстановительная обстановка и преобладают факультативные анаэробные микроорганизмы. Факультативные анаэробные микроорганизмы поселяются внутри агрегата, в то время как аэробные популяции «сидят» на верхней поверхности агрегата. Эти факты хорошо согласуются с представлениями о том, что деструкция лигнина происходит только в аэробной среде и ускоряется благодаря высокому содержанию кислорода. В восстановительных условиях лигнин слабо разрушается и происходит его относительное накопление. Таким образом, окисленные мономеры (и возможно олигомеры) лигнина, а также лигниновые фенолы, входящие в состав гуминовых кислот (Ковалев, Ковалева, 2013), в процессе взаимодействия с тонкодисперсными фракциями почв играют ключевую роль в стабилизации биополимера и образовании устойчивых агрегатов в почвах. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ковалев И.В., Ковалева Н.О. Биохимия лигнина в почвах периодического переувлажнения (на примере агросерых почв ополий Русской равнины) // Почвоведение. 2008. № 10. С. 1205-1216. 2. Ковалев И.В., Ковалева. Лигнин в почвах как молекулярный индикатор палеорастительности //Электронный журнал «Доклады по экологическому почвоведению», 2013, выпуск 18, № 1. С. 235-262. http://soilinst.msu.ru. 3. Ковалев И.В., Ковалева Н.О. Новое в исследовании лигнина (по данным 13С ЯМР-спектроскопии в гуминовых кислотах почв разных природных зон //Электронный журнал «Доклады по экологическому почвоведению», 2013, выпуск 19, № 2. С. 142-172. http://soilinst.msu.ru. 4. Ковалева Н.О., Ковалев И.В. Биотрансформация лигнина в дневных и погребенных почвах разных экосистем // Почвоведение. 2009. № 11. С. 84-96.
- Добавил в систему: Ковалев Иван Васильевич