|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Пул лигниновых фенолов и аминосахаров в почвах как индикатор их биологической активностистатья
- Авторы: Ковалев И.В., Ковалева Н.О.
- Сборник: «Экология и биология почв». Материалы Междун. научн. конф. Ростов-на-Дону
- Год издания: 2014
- Место издания: Ростов-на-Дону
- Первая страница: 123
- Последняя страница: 129
- Аннотация: С позиций экологии процесс гумификации является связующим звеном между совокупностью живых организмов и средой обитания. В вопросах биохимического направления гумификации до настоящего времени особый интерес вызывает лигнин. Лигнин интересен не только как структурный компонент растительного опада, обладающий относительной устойчивостью к разложению, но и тем, что химически он представляет собой нерегулярный трехзамещенный биополимер большого молекулярного веса, построенный из фенилпропановых звеньев и обладающий коллоидными свойствами. Относительные пропорции составляющих лигнин фенолов определяются филогенетическим происхождением растений и обуславливают возможность возникновения большого числа разнообразных низко- и высокомолекулярных продуктов разложения лигнина в почвах, которые участвуют в гумусообразовании. Трансформация лигнина (VSC, мг/г Сорг.) в естественных почвах геохимически сопряженных катен, а также в условиях антропогенного воздействия напрямую зависит от биологической активности почв. Цель работы – изучение содержания, профильного и ландшафтного распределения продуктов окисления лигнина, аминосахаров, а также выяснения взаимосвязи их пула с биологической активностью почв. Объекты исследования: южнотаежные березо-осиновые леса и агроэкосистемы, в том числе и осушенные, Коломенского ополья Московской области; дубово-липовые широколиственные леса («Тульские засеки») на серых почвах; березовые колки лесостепи и агроэкосистемы Брянской области на агросерых почвах. Основные методы – апробированная методика мягкого щелочного окисления органического вещества оксидом меди в азотной среде с последующим использованием хроматографии тонкого слоя (Ковалев, Ковалева, 2008, 2009, 2013, 2014) 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, агрегатах, гранулометрических фракциях почв, препаратах гуминовых кислот. Щелочное окисление 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. Для определения аминосахаров была использована модифицированная методика (Ковалев, Ковалева, 2012), состоящая из следующих этапов: гидролиза почвенных проб, очищения гидролизата на GF6-стеклянно-волокнистом фильтре, дериватизации по методу Guerrant und Moss, газохроматографического анализа. Результаты. Превращения лигнина в почвах определяются гидротермическими условиями среды и физико-химическими свойствами почв, активностью микробиоты. В условиях мезо- и микрорельефа стабилизация и консервация лигниновых полимеров в виде высококонденсированных многоядерных ароматических структур всегда приурочена к аккумулятивным позициям ландшафта (рис. 1). Так, в пределах изучаемых катен в ряду биоклиматических зон (зона южной тайги – Московская область; зона широколиственных лесов – «Тульские засеки»; зона лесостепи – Брянское ополье) во всех районах исследования максимум накопления фенольных соединений приходится на почвы мезопонижений с длительным господством восстановительных условий во всем профиле, а в опольях - на почвы микрозападин, обладающих, например, в весенний период двухъярусной верховодкой и пониженными значениями ОВП-режима (Ковалев И.В., 1994; Ковалев И.В., Ковалева Н.О., 2008). Степень измененности ароматических лигниновых структур по отношению к исходным растительным тканям также наивысшая в темно-серых лесных почвах Брянского ополья с высокой биохимической активностью – до 22 % в Ар и до 53 % во вторых гумусовых горизонтах, наименьшая – в светло-серых лесных оглеенных почвах (1-2 %). Для характеристики интенсивности разложения и трансформации лигнина в почвах используется отношение кислоты/к альдегидам в единицах ванилина или сиригнила как меры степени окисленности молекулы (Ковалев И.В., Ковалева Н.О., 2008). Это отношение используется в расчете степени измененности боковых цепочек по отношению к растительным тканям ( Т, %): Т = 74 – (100 – К)(1 + (Ас/Аl)v)-1, где (Ас/Аl)v - отношение ванилиновых кислот к ванилиновым альдегидам, К - содержание кетонов в исходных растительных тканях, %. Невысокие значения степени измененности боковых цепочек лигниновых структур по сравнению с исходной растительной тканью типичные для светло-серых почв Московской области являются прямым отражением механизма встраивания неизменных фенольных структур в молекулу гуминовых кислот. Так, в почвах южной тайги она составляет 5-8 %, в лесостепи – 9-10 %, в черноземах – 10-12%, то есть фактически следует за величиной периода биологической активности (ПБА), рассчитанной Д.С. Орловым, (1985). Аминосахара могут косвенно характеризовать биологическую активность почв, а, следовательно, деструкцию и такого устойчивого соединения как лигнин в почвах. Распределение суммы аминосахаридов (рис. 2) и мурамина по геохимически сопряженной катене светло-серых оглеенных почв Коломенского ополья обнаружило увеличение их содержания по мере увеличения влажности почв (от глубокооглеенных «автоморфных» → глееватым → глееватым «экстремально выраженным» (глеевым) светло-серым почвам) в поверхностных и в элювиальных горизонтах. Этот факт может быть свидетельством интенсивной микробиологической активности почв начальных стадий заболачивания. По характеру аккумуляции в гумусовых горизонтах гексозамины располагаются в ряд: глюкозамин > галактозамин > маннозамин. Дальнейшее нарастание увлажнения в ряду почв: глубокооглеенная («автоморфная») → глееватая → «экстремально выраженная» глееватая (глеевая) – приводит к снижению в несколько (8) раз содержания мурамина (мг/г N), имеющего исключительно бактериальное происхождение (грамм-положительные бактерии). Нарастание увлажнения в почвах периодического переувлажнения способствует активизации микробиологической деятельности, которая не только прямо регистрируется по увеличению длины грибного мицелия и общей биомассы микроорганизмов (Ковалев, Ковалева, 2012), но и косвенно – по увеличению относительного количества диэфиров микробного происхождения. Так, по мере усиления степени гидроморфизма в 31Р ЯМР-спектрах гуминовых кислот почв периодического переувлажнения наблюдается и четкое увеличение площадей пиков диэфиров, в том числе и микробного происхождения, как для ДНК – с 6,7 до 11,3%, так и для фосфолипидов и полисахарофосфатов – с 9.1 до 12.1% (Ковалев И.В., Ковалева Н.О., 2011). С биологической активностью почвы, а, следовательно, и с содержанием аминосахаров могут хорошо согласоваться и данные по содержанию и продуктам трансформации лигнина (сумма продуктов окисления лигнина, VSC) в почвах начальных стадий заболачивания. Для разделения тяжело- и легко-разрушаемых растительных остатков используют отношение «лигнин к азоту» (VSC : N). Широкое отношение VSC : N характерно для ароматического структурного углерода, а узкое – для метаболического. Обнаружено, что наибольшему содержанию грибной и бактериальной биомасс, а также аминосахаров в глееватой почве соответствует и узкое отношение лигнин/ к азоту (VSC : N) – 83,5 для автоморфных почв и 66,5 для гидроморфных почв. Осушение вызывает глубокую трансформацию не только свойств, водного режима, резкую смену окислительно-восстановительных условий агросерых гидроморфных почв (Ковалев, 1994, 2009), но и усиливает микробиологическую деятельность в них, которая прямо регистрируется по увеличению длины грибного мицелия и общей биомассы микроорганизмов (Ковалев, Ковалева, 2012) и косвенно – по увеличению относительного количества диэфиров микробного происхождения, с 6 до 11 % и с 9 до 12 % от площади спектра. Под влиянием осушения в пахотных горизонтах почв увеличивается общее содержание аминосахаров и мурамина – с 92 до 97 мг/г N, а в элювиальных – с 50 до 80 мг/г N. В условиях антропогенного воздействия (при распашке и осушении) можно ожидать интенсивную минерализацию органического вещества и, следовательно, лигнина. Произошло увеличение соотношения Сгк:Сфк по всему профилю осушаемых глееватых почв, причем максимальные его значения наблюдаются в пахотном слое (1,63-1,98), значительное повышение значений Е-величин ФК-2. Усиленная микробиологическая деятельность вызывает и деструкцию лигнина. Сумма продуктов окисления лигнина падает с 12,0 мг г-1 Сорг. до 9,6 мг г-1 Сорг. Возрастает (в среднем) степень окисленности (отношение сиреневые кислоты/к сиреневым альдегидам) и степень измененности боковых цепочек лигнина (VSC) по отношению к исходным растительным тканям: с 5,8 до 8,6. Широкое отношение VSC:N характерно для ароматического структурного углерода, а узкое - для метаболического. Действительно, в неосушенных глееватых почвах оно составляет 66.5, в осушенных почвах – 50.3, что также косвенно подтверждает микробиологическую активность. В результате количество продуктов окисления лигнина снижается в серых лесных осушенных почвах при одновременном увеличении степени окисленности биополимера и степени измененности боковых цепочек лигнина по отношению к исходным растительным тканям. Изменение перечисленных показателей в осушенных почвах в конечном итоге свидетельствует об аэрации почв, интенсификации окислительных процессов (Ковалев, 2010) и мобилизации органического вещества в них, улучшении агроэкологических условий для роста и развитии растений (Ковалев, 2014). Таким образом, сведения о продуктах окисления лигнина, пуле аминосахаров в почве позволяют оценить 1) интенсивность микробиологической деятельности в гумусовых и минеральных горизонтах почв, и, тем самым, агроэкологические условия в целом; 2) изменение биологической активности почв в ландшафте и во времени; 3) вклад отдельных азотсодержащих соединений в гумификацию и гумусообразование. 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 Н.О. Пул аминосахаров в почвах периодического переувлажнения // Роль почв в биосфере. Тр. Ин-та экологического почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. – Вып. 12. –М.: МАКС Пресс, 2012. С. 136–147. 3. 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. 4. 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. 5. 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