|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Процессы гумификации при первичном почвообразовании в холодном гумидном климатеНИР
- Руководитель НИР: Заварзина А.Г.
- Участники НИР: Абакумов Е.В., Заварзин А.А., Загоскина Н.В., Лисов А.В., Николаева Т.Н., Шамрикова Е.В.
- Подразделение: Кафедра химии почв
- Срок исполнения: 3 мая 2013 г. - 31 декабря 2015 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 13-04-01693
- Номер ЦИТИС: И130404144258
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Почва и почвенный покров России как основа её устойчивого развития.
- ПН России: Рациональное природопользование
-
Рубрики ГРНТИ:
- 68.05.43 Химия почв
- 68.05.45 Биология почв
-
Ключевые слова:
фенольные соединения, лишайники, первичное почвообразование, лакказы
-
Описание:
Целью проекта является установление роли пионерной литофильной растительности в процессах гумификации на ранних стадиях почвообразования. Предполагается, что в отсутствие фенольных полимеров-предшественников образование гумусовых кислот идет преимущественно путем гетерогенной конденсации (синтеза из низкомолекулярных предшественников на границе раздела почвенный раствор-минерал в присутствие фенолоксидаз). Решающее значение при этом приобретает продукция наземной биотой растворимых фенольных соединений-предшественников, а также их реакционная способность. Основной целью работы было изучить состав фенольных и нефенольных предшественников гуминовых веществ в лишайниках, их взаимодействие с минеральными фазами и фенолоксидазой, сравнить состав ароматических соединений лишайников и высших растений.
-
Основные результаты:
Проведены исследования содержания и состава растворимых фенольных соединений в лишайниках разных систематических групп. Установлено, что общее содержание ФС в лишайниках порядка Peltigerales более, чем в 4 раза выше, чем у лишайников порядка Lecanorales. Общее содержание растворимых фенольных соединений в лишайниках выше, чем во мхах, но в несколько раз ниже, чем в высших растениях. В отмирающих частях талломов содержание ФС снижается в 2-3 раза по сравнению с растущими живыми частями. При исследовании качественного состава ФС установлено, что в лишайниках широко распространены простые фенолы С6-С1 ряда, тогда как из фенилпропаноидов, характерных для высших растений, обнаружена только п-кумаровая кислота. Методом ВЭЖХ с обращенной фазой идентифицированы пара-оксибензойная, сиреневая, ванилиновая, протокатеховая, салициловая, 2,4 – диоксибензойная, галловая, бензойная, коричная кислоты, а также сиреневый альдегид, ацетосирингон, ванилин, ацетованилон. Установлено, что у большинства изученных видов растворимые фенольные соединения присутствуют в тканях в виде эфиров с азотсодержащими соединениями, тогда как гликозиды редки. Содержание растворимых ванилиновых, сиреневых, пара-оксибензойных и коричных структур составляет 2-3% от их общего содержания в лишайниках, установленного методом окисления тканей лишайников оксидом меди в щелочной среде. Для лишайников характерно преобладание сиреневых структур над ванилиновыми и параоксибензойными, что отличает их от сосудистых растений (преобладают ванилиновые структуры) и от мхов и водорослей (резко преобладают пара-оксибензойные структуры). Помимо фенольных соединений проведен анализ нефенольных компонентов – возможных предшественников гуминовых веществ. Методом ГХ-МС определен состав моносахаров, полиолов и аминокислот. Установлено, что в лишайниках резко преобладают полиолы над сахарами (по сравнению с кустарничками и мхами). Аминокислотные профили пельтигеровых лишайников близки к кустарничкам и мхам. В целях установления реакционной способности ФС лишайников проведены реакции взаимодействия водных вытяжек с глинистыми минералами и лакказой. Установлено, что фенольные коньюгаты лишайников разных систематических групп способны к окислению с образованием соединений, поглощающих в видимой области, а также хорошо сорбируются минеральными фазами. Таким образом, установлено, что лишайники продуцируют комплекс растворимых ароматических предшественников, коньюгированных с сахарами и аминокислотами, которые могут участвовать в синтезе гуминовых веществ путем гетерофазного биокатализа.
- Добавил в систему: Заварзина Анна Георгиевна
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 3 мая 2013 г.-31 декабря 2013 г. | Процессы гумификации при первичном почвообразовании в холодном гумидном климате |
| Результаты этапа: Исследованы состав фенольных соединений (ФС) в сукцессионных предшественниках сосудистых растений (лишайниках и мхах) и органическое вещество развитых под ними почв. Проведена водная экстракция ФС из измельченных талломов 21 вида лишайников, отобранных в процессе экспедиционных работ в тундрах Заполярья (Хибины), изучено общее содержание ФС в живых и отмирающих частях талломов, а также в апикальных и средних частях талломов. Для сравнения изучено содержание ФС в 5 видах гипновых мхов и 2 видах кустарничков. Установлено, что общее содержание ФС в лишайниках порядка Peltigerales более, чем в 4 раза выше, чем у лишайников порядка Lecanorales и мхов, а содержание фенилпропаноидов в 10 раз выше и приближается к таковому в сосудистых растениях. Таким образом, пельтигеровые лишайники характеризуются достаточно высоким уровнем накопления растворимых ФС и, в частности, фенилпропаноидов, которые, как известно, являются предшественниками ГВ наземного происхождения. При отмирании талломов количество ФС и фенилпропаноидов снижается в 2-3 раза, что связано с быстрым вымыванием этих соединений. Установлено более высокое содержание водорастворимых ФС в апикальных частях талломов по сравнению со средними частями (в 1,5 раза для пельтигер, в 1,5-3 раза у кладоний и цетрарий). Эти результаты будут учтены в дальнейшем для расчета поступления ФС в почву из талломов лишайников. При исследовании качественного состава ФС установлено, что в лишайниках широко распространена пара-оксибензойная кислота, реже - ванилиновая и редко – протокатеховая. Установлено, что эти ФС находятся в коньюгированном состоянии и связаны в талломах с углеводами и/или аминокислотами. Таким образом, лишайники продуцируют комплекс растворимых предшественников, которые при воздействии фенолоксидаз могут конденсироваться в гумусовые кислоты. Изучено органическое вещество почв, развитых под мохово-лишайниковой растительностью. Почвы (подбуры и литоземы) содержат много детрита, элементный состав которого близок к таковому кустарничков и мхов. Можно предполагать, что органическое вещество лишайников быстро трансформируется, включаясь во фракции коллоидного гумуса и органо-минеральных соединений. Установлено, что при фульватном характере гумуса и низкой степени гумификации в изученных почвах создаются условия для синтеза и накопления высокомолекулярных гуминовых кислот. Происхождение их (моховое или лишайниковое) предполагается установить в дальнейшем | ||
| 2 | 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Процессы гумификации при первичном почвообразовании в холодном гумидном климате |
| Результаты этапа: Проведен анализ нефенольных компонентов – предшественников ГВ в водных вытяжках из 20 видов лишайников. Определен качественный состав состав моносахаров, полиолов и аминокислот. Установлено, что в лишайниках резко преобладают полиолы над сахарами (по сравнению с кустарничками и мхами). Аминокислотные профили пельтигеровых лишайников близки к кустарничкам и мхам. Проведены реакции взаимодействия водных вытяжек из 20 лишайников с двумя природными минеральными фазами – 1) каолинитом, содержащим на поверхности аморфную гидроокись алюминия, и 2) смесью продуктов выветривания нефелиновых сиенитов, служащих почвообразующей породой для почв лишайниковых тундр Хибинского горного массива. Установлено, что изученными минеральными фазами сорбируется 20-100% С и N водных вытяжек. Установлено адсорбционное фракционирование коньюгатов фенольных соединений, присутствующих в лишайниках, т.е. способностью к адсорбции обладали не все коньюгаты, присутствующие в лишайниках. Проведено сравнение способности органических соединений водных экстрактов из ряда лишайников к окислению в присутствие лакказ S. crocea. Установлена лучшая окисляемость соединений водных вытяжек из пельтигеровых лишайников. Полученные данные свидетельствуют о потенциально высокой роли растворимых соединений лишайников в формировании органопрофилей почв, развивающихся под лишайниковыми ассоциациями, а также в формировании веществ водного гумуса (за счет содеинений, вымываемых из лишайников и не сорбирующихся почвами). В дальнейшем предполагается провести реакции органо-минерального взаимодействия и каталитического окисления (гумификации) с выделенными из лишайников коньюгатами фенолкарбоновых кислот. Для этого необходимо разработать метод эффективного препаративного выделения этих соединений из талломов. Проведены работы по подбору носителя для препаративного выделения фенольных соединений из лишайников. Показано, что полиамид и Сефадекс G-25 сорбируют примерно 30% коньюгатов ФС, тогда как традиционно применяющийся для высших растений Сефадекс LH-20 не подходит для целей препаративного выделения. Полученные данные свидетельствуют о более простой структуре Фс, синтезирующихся в лишайниках, чем в высших растениях, что должно найти отражение в различных свойствах ГВ, образующихся под высшими растениями и лишайниками. Этот аспект предполагается изучить в дальнейшем. | ||
| 3 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Процессы гумификации при первичном почвообразовании в холодном гумидном климате |
| Результаты этапа: Изучен качественный состав фенольных соединений в водных экстрактах из 10 видов лишайников методом тонкослойной хроматографии с опрыскиванием хроматограмм реагентами на фенольные соединения, фенолкарбоновые кислоты, аминокислоты и сахара. Установлено, что около половины фенольных соединений лишайников коньюгировано с азотсодержащими соединениями, коньюгаты с углеводами встречаются только у отдельных видов. После кислотного и щелочного гидролиза коньюгатов идентифицированы пара-оксибензойная, сиреневая, ванилиновая и протокатеховая кислоты. Количественный состав фенольных соединений в гидролизатах изучали методом ВЭЖХ с использованием обращенной фазы. В качестве стандартов использовали кислоты, альдегиды и кетоны, характерные для продуктов деструкции тканей высших растений. Необходимо было установить, насколько состав фенольных соединений лишайников отличается от такового сосудистых растений. Установлено, что у большинства изученных видов растворимые фенольные соединения присутствуют в тканях в виде эфиров, т.к. количественный выход соединений после щелочного гидролиза (разрыв эфирных связей) был в 2 раза выше, чем после кислотного (разрыв гликозидных связей). В дополнение к кислотам, идентифицированным методом тонкослойной хроматографии, в лишайниках обнаружены фталевая, салициловая, бензойная, 2,4 – диоксибензойная, галловая, пара-кумаровая, коричная кислоты, а также сиреневый альдегид, ацетосирингон, ванилин, ацетованилон. То есть лишайники содержат растворимые соединения, характерные для продуктов окисления лигнина высших растений. Содержание растворимых “фенолов лигнина” (ванилиновых, сиреневых, пара-оксибензойных и коричных структур) составляет 2-3% от их общего содержания в лишайниках (Заварзина и др., 2015). Во мхах, в отличие от лишайников, резко преобладают пара-оксибензойные структуры. Таким образом, судя по составу фенольных предшественников, в лишайниковых ассоциациях возможен синтез гумусовых веществ, по составу ароматических фрагментов близких к гуминовых веществам, образующимся при гумификации тканей высших растений. Однако, содержание фенольных структур в лишайниках на порядок или два меньше, чем в высших растениях.. Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что лишайники могут служить источником растворимых фенольных предшественников гумусовых кислот и что эти соединения обладают высокой реакционной способностью в процессах окисления и органо-минерального взаимодействия. | ||
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".