СТАТЬИ
Состав и структура липидной фракции гумуса подзолистых
и болотно-подзолистых почв
Научные интересы: строение гумусовых веществ, свободные радикалы, ПК-спектрометрия Среди неспецифических соединений, входящих в состав почвенного гумуса, значительную долю составляют вещества, растворимые в спиртобензольной смеси. Эту группу веществ обозначают несколькими терминами. Ранее было принято называть их битумами, воско-смолами. Иногда используют сложное групповое обозначение: жиры, воска, смолы — по главным компонентам, входящим в их состав [8, 9]. В последние годы широко распространился термин «липиды», перенесенный из биохимии, где им обозначают группу веществ, извлекаемых органическими растворителями. Поскольку в спиртобензольный экстракт из почвы могут переходить частично гиматомелановые кислоты, а также свободные аминокислоты, моносахариды, то и "липиды" — термин не идеальный, однако, он точнее других характеризует выделяемую группу веществ, и довольно прочно вошел в отечественную и зарубежную литературу [1, 3]. В литературе имеются сведения о важной роли липидов в формировании почвенной структуры, а также почвенного плодородия. Они быстро реагируют на изменение внешних условий, являются источником энергии для микробиоты и представляют активное начало для почвенного гумуса [4, 10]. Для исследования молекулярной структуры почвенных липидов и оценки влияния на нее степени гидроморфизма были исследованы спирто-бензольные фракции генетических горизонтов почв микрокатены (типичная подзолистая, подзолистая поверхностно-глееватая и торфянисто-подзолисто-глееватая) почв, сформированных на покровных суглинках средней тайги Республики Коми. Морфологическая и физико-химическая характеристика исследованных почв опубликована ранее [9]. Общее содержание липидов в почвенных образцах определяли экстракцией азеотропной смесью спирт–бензол в отношении 1:2 в течение 12 часов, используя аппарат Сокслета [16]. Затем большую часть растворителя отгоняли на роторном испарителе и высушивали до воздушно-сухого состояния. Концентрацию хлорофилла и/или хлорофиллоподобных пигментов определяли фотометрически на спектрофотометре СФ-26 по интенсивности полосы поглощения при 660-670 нм. Спектры 13С-ЯМР препаратов липидов регистрировали на импульсном ЯМР спектрометре Bruker CXP-100 с рабочей частотой 25.18 МГц в твердофазной CPMAS — технике с вращением образца под "магическим" углом и в растворе CD13C. Для расшифровки и количественной обработки полученных ЯМР спектров использовали метод компьютерной Фурье-трансформации спектров. Для регистрации ЭПР спектров исследованных препаратов применялся спектрометр SE/X2547 Radiopan при СВЧ мощности в резонаторе 20-40 мВт и частоте СВЧ 9.372 ГГц. В качестве эталона использовали дифенилпикрилгидразил (ДФПГ) с известным содержанием радикалов. Концентрацию парамагнитных центров в образцах определяли методом сравнения относительных интенсивностей сигналов образца и эталона по значениям формулы (DН)2ґY, где DН — ширина, а Y — амплитуда линии [2]. Абсолютная ошибка определения концентрации свободных радикалов методом ЭПР составляет 10-20 % [5]. В результате проведенных исследований установлено, что основное количество липидов находится в органогенных горизонтах, и их содержание резко снижается по профилю всех изученных почв: в подзолистой от 13.3 г/кг (А0), подзолистой поверхностно-глееватой от 25.0 г/кг (А0) и торфянисто-подзолисто-глееватой почве от 47.4 г/кг (О1) до следовых количеств (менее 0.5 г/кг) в минеральных горизонтах (А2'' и А2''g) (рис. 1). Максимумы поглощения спирто-бензольных экстрактов при 666 нм присутствуют в образцах, выделенных из оторфованных горизонтов О1 и О2 торфянисто-подзолисто-глееватой почвы, что свидетельствует о наличии в липидной фракции почвенного гумуса хлорофилла и/или хлорофиллоподобных пигментов в количестве 20.8±1.8 мг/кг. В минеральных горизонтах торфянисто-подзолисто-глееватой почвы хлорофилл и/или хлорофиллоподобные пигменты содержатся в незначительном количестве (0-1.7 мг/кг). Анализ липидов, выделенных из подзолистой и подзолистой поверхностно-глееватой почв показал, что хлорофилл и/или хлорофиллоподобные пигменты содержатся только в подстилке (рис. 2). Накопление хлорофилла и/или хлорофиллоподобных пигментов в органогенных горизонтах торфянисто-подзолисто-глееватой почвы обусловлено избыточным увлажнением, низкими процессами окислительной деструкции и микробиологической деятельности. Для подзолистых почв содержание хлорофилла и/или хлорофиллоподобных пигментов полностью исчезает в минеральных горизонтах, что еще раз подтверждает более высокую биологическую активность автоморфных почв [12]. Анализ 13С-ЯМР спектров липидов показал, что все спектры имеют сходный набор характеристических полос, отличающихся лишь по интенсивности. Были выделены следующие диапазоны химических сдвигов, характерные атомам углерода различных функциональных групп и молекулярных фрагментов: – интенсивный сигнал около 14 ppm относится к концевым –СН3 группам алифатических цепочек; – группа сигналов в диапазоне 15-40 ppm обусловлена атомами углерода алифатических цепочек; два сигнала при 63 ppm и 64.5 ppm характерны –CH2 группам, сложноэфирных фрагментов (R-CH2-OOC-Rў); – интенсивные сигналы 76-77 ppm обусловлены растворителем CD13C (в 13С-ЯМР CPMAS спектрах отсутствуют); – сигналы в диапазоне 128-130 ppm отнесены к непредельным атомам углерода, в том числе ароматическим; – два сигнала при 170 ppm и 174 ppm характерны для атомов углерода сложноэфирных (R-COO-Rў) фрагментов; – сигнал при 179 ppm обусловлен карбоксильными (R-COOH) группами. Следует отметить, что в твердофазных 13С-ЯМР спектрах сигналы сложноэфирных фрагментов и карбоксильных групп сливаются в один пик в диапазоне 172-173 ppm. Таким образом, при расчетах относительного содержания молекулярных фрагментов этот сигнал был соотнесен с –СOO– группами. Сравнение полученных 13С-ЯМР спектров липидов с теоретическими 13С-ЯМР спектрами жирных кислот и их эфиров позволяет предположить, что основная часть почвенных липидов представлена жирными кислотами и их эфирами, причем как предельными (СnH2n+1COOR), так и непредельными (СnH2n-xCOOR). Это объясняет тот факт, что подавляющая часть атомов углерода (свыше 90 %), формирующих молекулярную структуру липидов, представлена алифатическими цепочками. Методом ЭПР спектроскопии получены сведения о парамагнитной активности липидов. Установлено, что свободные радикалы содержатся в липидной фракции органогенных горизонтов. Концентрация парамагнитных центров в органогенных горизонтах уменьшается от 1.97ґ1015 спин/г в торфянисто-подзолисто-глееватой до 0.59ґ1015 спин/г в подзолистой почве (рис. 3). В молекулярной структуре липидов минеральных горизонтов почв свободные радикалы практически отсутствуют. Это позволяет сделать предположение, что неспаренные электроны локализованы на порфириновых кольцах молекул хлорофилла и/или хлорофиллоподобных пигментов. Таким образом, анализ липидной фракции почвенного гумуса показал, что их структура представлена в основном алифатическими цепочками жирных кислот и их эфиров. Установлено, что кроме жирных кислот, в состав липидной фракции входят хлорофилл и/или хлорофиллоподобные пигменты. 13С-ЯМР анализ не выявил существенных изменений в качественном и количественном составе липидной фракции в пределах одной почвы. Однако усиление степени гидроморфизма приводит к увеличению доли непредельных компонентов (–С=С–; –Ar). Подобная тенденция обусловлена слабым процессом разложения растительных остатков, обогащенных ароматическими структурами лигнина, в гидроморфных почвах. Оценка парамагнитной активности липидов показала, что неспаренные электроны присутствуют только в структуре липидной фракции органогенных горизонтов. Липиды минеральных горизонтов исследованных почв не содержат парамагнитных центров, поскольку их структура не способствует локализации неспаренных электронов. ЛИТЕРАТУРА 1. Аммосова Я.М., Орлов Д.С., Садовникова Л.К. Почвенные липиды в системе гумусовых веществ // Сб. Гуминовые удобр. Теория и практика их применения. Т. 4. Днепропетровск, 1973. С. 39-49. 2. Вертс Дж., Болтон Дж. Теория и практическое применение метода ЭПР. М.: Мир, 1975. 548 с. 3. Зайдельман Ф.Р. Процесс глееобразования и его роль в формировании почв. М.: Изд-во МГУ, 1998. 316 с. 4. Зайдельман Ф.Р., Данилова Г.А. Влияние глееобразования на содержание липидов, хлорофилла, зеленого пигмента и углеводов в дерново-подзолистых почвах // Науч. докл. высш. школы: Биол. науки, 1989. № 3. С. 101-105. 5. О природе линий в спектрах ЭПР гумусовых кислот / В.Ф. Бабанин, Н.П. Ильин, Д.С. Орлов и др. // Почвоведение, 1977. № 1. С. 65-72. 6. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. М.: Наука, 1996. 256 с. 7. Панников Н.С., Садовникова Л.К., Фридланд Е.В. Неспецифические соединения почвенного гумуса. М.: Изд-во МГУ, 1984. 144 с. 8. Просянников Е.В. О значении некоторых неспецифических соединений гумуса в плодородии почвы // Науч. тр. Укр. СХА, 1975. Вып. 146. С. 127-130. 9. Путеводитель почвенной экскурсии. Лесная зона (сезонно-промерзающие почвы). Сыктывкар, 1997. 72 с. 10. Розанова И.М., Семенова О.С. Битуминозная фракция органического вещества почв при затоплении в условиях Можайского водохранилища // Взаимодействие поверхностного и подземного стоков. М.: Изд-во МГУ, 1974. Вып. 2. С. 159-162. 11. Фридланд Е.В. Методика изучения липидной (растворимой в спиртобензоле) фракции почвенного гумуса // Биол. науки, 1978. № 5. С. 127-133. 12. Хабибуллина Ф.М. Видовой состав и структура микромицетов болотно-подзолистых почв // Болота и заболоченные леса в свете задач устойчивого природопользования: Матер. совещания. М., 1999. С. 154-156.
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 3905 посещений с 08.04.2002 |