Органо-минеральные взаимодействия как основа стабилизации органического вещества в почвахНИР

Organo-mineral interaction is a basis of soil organic matter stabilization

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 9 июля 2019 г.-26 июня 2020 г. Органо-минеральные взаимодействия как основа стабилизации органического вещества в почвах
Результаты этапа: Составлен обзор литературы, в котором рассмотрены основные источники алифатических и ароматических низкомолекулярных органических кислот (НМОК) в почвах, описаны состав и концентрации под разными типами растительности и профильное распределение. Рассмотрены основные закономерности и механизмы сорбции алифатических и ароматических НМОК почвой и ее отдельными компонентами и глинистыми минералами. Оценены скорости биодеградации НМОК в почвах и их роль в глобальном цикле углерода. Проведены исследования состава водорастворимого органического вещества (ВОВ) лесных подстилок разного состава. Установлено, что сфагновая подстилка содержит меньше растворимого азота и углерода, но больше углеводов, по сравнению с хвойно-лиственной и хвойной. ВОВ хвойно-лиственной подстилки, с преобладанием опада березы, содержит максимальное количество азота, а ВОВ подстилки из хвои сосны  максимальное количество растворимых фенольных соединений (РФС). ВОВ всех видов подстилок полидисперсно. Во всех образцах преобладает среднемолекулярная фракция 7000-10000 Да. Увеличение в составе подстилки лиственных остатков приводит к повышению доли компонентов с молекулярными массами (ММ) ≥20000 Да. Проведены эксперименты по изучению влияния температуры и циклов промерзания/оттаивания подстилки из листьев березы и хвои ели на состав и свойства ВОВ. При минерализации ВОВ из натиных подстилок повышение температуры с 11 до 25 0С влияет на скорость разложения лабильной части ВОВ и некоторые части РФС, скорость минерализации стабильной фракции и доля минерализуемых соединений не меняется. Инкубирование подстилок меняет устойчивость, находящегося в них ВОВ. Установлено, что циклы промерзания/оттаивания приводят к увеличению общей концентрации углерода ВОВ, увеличивают в их составе долю углеводов, уменьшают содержание азота и не влияют на долю РФС. Цикличное промораживание приводит к увеличению доли гидрофобных соединений и низкомолекулярной фракций ВОВ. Проведены эксперименты по биодеструкции РОВ почвенных растворов, выделенных их горизонтов торфянисто-подзолисто-глееватой почвы. Показано, что более устойчивы к биодеструкции РОВ из горизонта Eih, в составе которых содержится максимальное количество гидрофобной фракции. РОВ из нижележащих горизонтов менее устойчиво к биодеструкции и в условиях проведенных экспериментов минерализуется на 76 % и более. Устойчивость к минерализации прямо коррелирует с содержанием РФС. В экспериментах по сорбции ВОВ почвенными горизонтами установлено, что минеральные горизонты подзолов избирательно сорбируют ВОВ, а способность к минерализации оставшихся в растворе ВОВ значительно уменьшается. Проведены эксперименты по сорбции ВОВ из лесных подстилок на каолините, иллите и гетите. Показано, что каолинит и иллит извлекают из водных вытяжек преимущественно гидрофильные соединения, вещества с меньшими Е254-величинами и с относительно низкими молекулярными массами (менее 7 кДа (иллит) и 7–19 кДа (каолинит)). Гетит преимущественно поглощает компоненты гидрофобной фракции, ароматические соединения как из гидрофобной, так и из гидрофильной фракции, РФС, вещества с молекулярными массами менее 7 кДа. После сорбционного взаимодействия с минералами уменьшается или исчезает более длинноволновая флуоресценция, обусловленная присутствием гумусовых веществ с длинной цепью сопряжения, появляются новые флуорофоры, содержащие фенольные и/или протеиновые фрагменты. Установлены закономерности и предложены механизмы сорбции бензойной кислоты монтмориллонитом при рН <5. Наиболее вероятными механизмами сорбции являются мостиковые связи через ион Cа2+ или через воду гидратной оболочки Са на внешних базальных гранях минерала и электростатическое взаимодействие бензоата с положительно заряженными функциональными группами на боковых сколах кристаллитов. Установлены закономерности профильного и сезонного распределения н-алканов и н-метил-кетонов в профиле дерново-подзолистой почвы. Вниз по профилю вклад н-алканов в состав органического вещества почвы увеличивается в 2 раза, достигая максимума в горизонте EL. н-метил-кетоны в горизонтах EL и BT не обнаружены, что может свидетельствовать о низкой скорости окисления углеводородов в этом горизонте. В нижней части профиля дерново-подзолистой почвы увеличивается доля коротких гомологов н-алканов, что указывает на повышенный вклад в состав липидной фракции компонентов микробной плазмы. Установлено что, в июне фракция н-алканов на 90% была представлена нечетными длинноцепочечными гомологами. В осенний период доля нечетных длинноцепочечных н-алканов снижается. В ноябре после окончания листопада верхние горизонты обогащаются н-алканами свежего корневого отпада. Более глубокий гумусовый горизонт AYel относительно обогащается липидной фракцией в весенний период. Наиболее низкое содержание кетонов за период наблюдений было зафиксировано в июле. В сентябре содержание кетонов начинало нарастать и достоверно увеличивалось в ноябре в 3-4 раза по сравнению с летним периодом. В гомологическом составе н-метил-кетонов, выделенных из почвы, во все сезоны доминировали нечетные кетоны с длиной С-цепи 25-33.
2 15 ноября 2020 г.-28 октября 2021 г. Сорбция ВОВ различными почвенными горизонтами
Результаты этапа: Проведены исследования закономерностей сорбции высоко- и низкомолекулярных органических соединений на глинистых минералах, почвах и илистых фракциях почв. Установлено, что сорбция фульвокислот (ФК) и водноэкстрагируемого из почвы органического вещества (WEOM) на каолините, мусковите и илистых фракциях почв сопровождается уменьшением гидрофобности органического вещества и снижением гетерогенности его амфифильных свойств в равновесном растворе. Показано, что основным механизмом закрепления FA на обоих минералах являются гидрофобные взаимодействия, которые происходят на силоксановых поверхностях. На единицу площади поверхности каолинит сорбирует больше Сорг., по сравнению с мусковитом, так как большой отрицательный заряд мусковита препятствует гидрофобным взаимодействиям на силоксановых поверхностях. Сорбция WEOM осуществляется в результате гидрофобных и электростатических взаимодействий и зависит от рН. Установлено, что в процессе сорбции на глинистых минералах происходит фракционирование гуминовой кислоты (ГК). Сорбированная на глинистых минералах ГК становится более термически устойчива, по сравнению со «свободной». Термическая устойчивость сорбированной ГК уменьшается в ряду монтмориллонит>каолинит >мусковит. Основным компонентом, сорбирующим органическое вещество в илистой фракции горизонта EL подзолистой почвы, являются глинистые минералы, в горизонте Ecng – несиликатные соединения железа и глинистые минералы. Установлены параметры скорости разложения органического вещества в лесных подстилках разного состава. Показано, что стабильная и лабильная фракции ВОВ из разных подстилок различается по скорости минерализации Органические вещества из сфагнума, разлагаются медленнее и в меньшем относительном количестве по сравнению с другими ВОВ. В елово-березовой подстилке стабильная фракция в 2 раза менее устойчива, чем у других ВОВ, Установлены закономерности распределения низкомолекулярных органических кислот в порах разного размера гумусового горизонта перегнойно-гумусовой почвы и горизонта ЕLВТg подзолистой почвы. Показано, что концентрация фенолкарбоновых кислот в растворах крупных пор в 4-8 раз выше, чем в более мелких. В крупных порах доминируют салициловая, бензойная и коричная кислоты, а в мелких - р-гидроксибензойная и бензойная. В подзолистой почве вещества из пор диаметром более 14,7 мкм содержат больше С, N, фенольных соединений, имеют большую молекулярную массу и степень ароматичности. Вещества растворов из мелких пор более гидрофобны, характеризуются более широким отношением C:N и потенциально более устойчивы к разложению. Преимущественная приуроченность фенольных соединений подзолистой почвы к растворам крупных пор, в природных условиях способствует их переносу с потоками влаги в нижние горизонты, где условия для сорбции и биохимической стабилизации наиболее благоприятны. Установлены закономерности распределения гидрофобных компонентов липидного комплекса, обладающих высоким сорбционным потенциалом к минеральной фазе почвы (н-алканов) между денсиметрическими фракциями почв, развитых под разными растительными сообществами, их сезонное варьирование. Для широколиственных растительных сообществ сезонный характер распределения в верхних слоях почв липидных компонентов между органоминеральной матрицей и органической матрицей растительных остатков в значительной степени определяется двумя факторами: 1) динамикой поступления растительных остатков в почву; 2) степенью активности микробиоты. От весеннего периода к летнему происходит два процесса: 1) физическое и биологическое измельчение растительных остатков и перемешивание их в верхних горизонтах; 2) деградация наиболее лабильных и легкодоступных органических соединений и за счет этого увеличение численности микробного сообщества на субстрате - легком фрагментированном материале детрита, который не связан с минеральной матрицей. В конце вегетационного сезона формируется индивидуальный для каждого листопадного сообщества молекулярный углеводородный «отпечаток» наземного лиственного опада.
3 9 февраля 2022 г.-31 декабря 2022 г. Сорбция ВОВ илистыми фракциями почв
Результаты этапа: Проведены эксперименты по сорбции водорастворимого органического вещества на подфракциях ила, выделенных из горизонтов EL и ELcn . Оценена биохимической устойчивости исходного и сорбированного водорастворимого органического вещества подстилок по скорости и степени его минерализации (для горизонтов ВFe (Bt) и IIBD подзолистых почв и подзолов). Определен состав и содержание н-алканов и н-метил-кетонов в наземном и корневом опаде, в почве и в почвенных фракциях из верхних горизонтов урбанозема из природного заказника Воробьёвы горы (Москва). Получены изотермы сорбции бензойной кислоты на образцах горизонтов AOEL и AEL подзолистых почв и выделенных из них илистых фракций после обработки Н2О2 (в трехкратной повторности). Обобщены полученные данные в рамках всего проекта.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".