Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы 9
1.1. Биосинтез лигнина 9
1.2. Структура лигнина 14
1.3. Источники лигнина 23
1.4. Разложение лигнина 29
1.5. Роль лигнина в формировании гумуса почв (разложение, скорость трансформации лигнина в почве и его роль в гумусообразовании) 36
Глава 2. Объект и методы исследования 66
2.1. Характеристика объектов исследования 66
2.1.0 Экосистемы горизонтальной зональности 66
2.1.1. Хвойные леса Красноярского края на серых лесных почвах 67
2.1.2. Экосистемы южной тайги (березово-осиновые) на светло-серых лесных и агросерых почвах Московской области
2.1.3. Дубово-липовые широколиственные леса на серых лесных почвах «Тульских засек» 93
2.1.4. Березовые колки лесостепи и агроэкосистемы Брянского ополья на агросерых почвах 108
2.1.5. Агроэкосистемы луговых степей на черноземах Ставрополья 134
2.1.6. Тропические леса Амазонии на красноземах 136
2.1.7. Экосистемы вертикальной зональности
2.1.7.1. Почвы вертикального ряда аридных ландшафтов Тянь-Шаня 137
2.1.7.2. Почвы вертикального ряда гумидных ландшафтов Северного Кавказа 139
2.2. Методы исследования 141
2.2.1. Методы определения лигнина (продуктов окисления лигнина) 141
2.2.1.1. Метод мягкого щелочного окисления лигнина в тканях растений, подстилках, почвах 142
2.2.1.2. Определение продуктов окисления лигнина в гранулометрических фракциях 149
2.2.1.3. Определение продуктов окисления лигнина на поверхности и внутри агрегата 150
2.2.1.4. Изучение лигниновых фенолов в гуминовых кислотах методом 13С-ЯМР-спектроскопии 152
2.2.2. Химические методы исследования почв 154
2.2.3. Методы определения биохимической активности почв 158
2.2.4. Физические и водно-физические методы исследования почв 160
2.2.5. Дополнительные методы и подходы 161
Глава 3. Биогеохимия лигнина в почвах 165
3.1. Лигнин (лигниновые фенолы, VSC) в тканях растений 165
3.2. Лигнин (VSC) в подстилках, ветоши 169 3.3. Лигнин (VSC) в корнях растений 171
3.4. Лигнин (VSC) в почве 1 3.4.1. Условия разложения лигнина в почве 176
3.4.2. Лигнин (VSC) в почвах горизонтального и вертикального ряда 177
3.4.2.1. Степень измененности боковых цепочек лигнина в почвах по отношению к исходным растительным тканям 186
3.4.3. Лигнин (VSC) в почвах геохимически сопряженных катен 190
3.4.4. Влияние антропогенного воздействия (осушения и распашки) на деструкцию лигнина (VSC) 208
3.4.5. Типы биотрансформации лигнина (VSC) 218
3.4.6. Пул лигниновых фенолов разных уровней структурной организации почв 219
3.4.6.1. Распределение продуктов трансформации лигнина в почвенном профиле, горизонте, агрегатах 219
3.4.6.2. Распределение продуктов окисления лигнина (VSC) в гранулометрических фракциях 223
3.4.6.3. Лигниновые фенолы как структурные фрагменты гуминовых кислот 229
3.4.6.3.1. Продукты окисления лигнина в гуминовых кислотах 229
3.4.6.3.2. Лигниновые фенолы в гуминовых кислотах дневных и погребенных почв по данным 13С-ЯМР-спектроскопии 232
3.4.5. Запасы лигнина в экосистеме 256
Глава 4. Механизмы стабилизации лигнина (VSC) в почве 259
4.1. Стабилизация лигнина (VSC) в восстановительных условиях 259
4.2. Биоминералогия в почвах 259
4.2.1. Органоминеральные взаимодействия лигнина (VSC) в почвах 259
4.3. Комплексообразование
4.3.1. Хелатообразование 288
4.3.2. Органоминеральные фосфат-металл-гумусовые комплексные соединения 310
4.4. Стабилизация лигниновых фенолов в Fe-Mn ортштейнах 318
4.5. Стабилизация лигниновых фенолов в погребенных почвах 349
Глава 5. Лигнин в почвах как молекулярный индикатор (биомаркеры) палеорастительности 369
Заключение 382
Выводы 383
Список литературы
- Структура лигнина
- Экосистемы южной тайги (березово-осиновые) на светло-серых лесных и агросерых почвах Московской области
- Лигнин (VSC) в почвах горизонтального и вертикального ряда
- Органоминеральные взаимодействия лигнина (VSC) в почвах
Введение к работе
Актуальность. Неуклонное развитие методов тонкой биохимии почв и
использование нанотехнологий в почвенных исследованиях дают возможность
взглянуть по-новому на устоявшиеся научные парадигмы, в том числе на теорию гумусообразования. Нарастает количество работ, в которых ставится под сомнение конденсационно-полимеризационная модель образования гуминовых кислот (Тюрин, 1937; Кононова, 1963; Flaig, 1964, 1988; Орлов, 1974, 1994; Stevenson, 1982, 1994; Гришина, 1986; Schulten, Schnitzer, 1993, 1997; Перминова, 2000; Чуков, 2001 и др.), гипотеза окислительно-гидролитической трансформации органических остатков, прежде всего, лигнина в гумус (Александрова, 1980; Комаров, 1988, 2004 и др.). Выдвигается концепция физического закрепления продуктов метаболизма биоты (органических соединений индивидуальной природы) в почвенной матрице (Schmidt et al., 2011). Научное пространство занимает новая концепция молекулярной организации гуминовых веществ, основанная на базовых представлениях супрамолекулярной химии. Но, как и существующая парадигма И.В. Тюрина, М.М. Кононовой, Д.С. Орлова и др. о формировании гуминовых кислот и фульвокислот, так и новая супрамолекулярная концепция об образовании ассоциатов, оставляют без должного внимания вопрос о происхождении основных ароматических фрагментов гуминовых веществ и механизмах их дальнейшей трансформации в почвах. В результате, недостаточно изученным остается один из самых распространенных в биосфере биополимер, поступающий в почву с надземной и подземной биомассой растений, уникальный феномен природы – лигнин. На наш взгляд, именно поэтому, современные взгляды на пути гумусообразования и механизмы стабилизации органического вещества столь противоречивы.
Отсутствует единая методика и не разработана методология изучения лигнина в
почвах, что обусловлено трудностью его биохимической диагностики в почвенных
объектах. Нуждаются в исследовании пути и механизмы трансформации лигнина в
системе «растение – почва» в разных биоклиматических зонах и ландшафтах
(автоморфных, гидроморфных, равнинных, горных и т.д.). Отдельного рассмотрения требуют пути биотрансформации лигнина, распределения и стабилизации продуктов его окисления на всех уровнях структурной организации почвенной массы: в геохимически сопряженных катенах, по профилю почв, в почвенных агрегатах и конкреционных новообразованиях, в гранулометрических фракциях, на уровне молекулярных взаимодействий.
Лигнин, обладая высокой биохимической стабильностью, а также склонностью к конденсации за счет образования устойчивых С–С связей, что выделяет его из всех биополимеров, должен по праву занять свое место и в качестве надежного биомаркера при реконструкции палеосреды и индикатора биопротекторных функций гуминовых
веществ, сыграть достойную роль в описании механизмов и процессов
гумусообразования и в прогнозных моделях планетарного круговорота углерода.
Цель работы - выявить закономерности поступления, изучить состав и пути трансформации «лигнина» и его производных в почвах разных природных зон, а также пути и механизмы стабилизации ароматических структур лигнина в почве, его роль в процессах гумусообразования. Задачи работы
Разработать методологию изучения «лигнина» в почвах и апробировать методику «мягкого» щелочного окисления для выделения составляющих лигнин фенолов из растительных тканей, дневных и погребенных почв и гранулометрических фракций из них, конкреционных новообразований, препаратов гуминовых кислот.
Дать характеристику источников лигнина на примере изучения надземной и подземной биомассы различных экосистем зонального ряда равнинных и горных территорий, агро-антропогенных ландшафтов.
Изучить композиционный состав лигнина в почвах различных горизонтальных и вертикальных природных зон.
Оценить характер распределения продуктов окисления лигнина в почвах геохимически сопряженных ландшафтов.
Исследовать пути трансформации биополимера лигнина в ряду «растительные ткани – опад – подстилка – почвы – гумусовые кислоты дневных почв – погребенные гумусовые кислоты» и его роли в гумусообразовании.
Выявить условия стабилизации лигниновых фенолов в почвах.
Оценить устойчивость лигнина в почвах к антропогенному воздействию.
Защищаемые положения:
-
Главным источником ароматических фенольных соединений в почвах является лигнин надземной и подземной биомассы высших растений. При этом доминирующая роль принадлежит подземным органам растений.
-
Независимо от географической приуроченности экосистемы, тип поступающих в почву продуктов окисления лигнина определяется разными типами растительных ассоциаций: в хвойных лесах доминируют гваяциловые (ванилиновые) фенолы, широколиственным и мелколиственным лесам свойственны равные пропорции ванилинов и сирингилов, в степных экосистемах доминируют феруловые фенолы, а в разнотравно-луговых сообществах – циннамиловые структуры.
3. Существуют разные ландшафтно-зональные типы трансформации лигнина в почвах:
лесной, степной, луговый, тропический, агро-антропогенный и др. Для их
характеристики могут быть использованы «лигниновые параметры»: (VSC (общее
количество продуктов окисления лигнина) С/V (циннамилы/ванилины), S/V
(сирингилы/ванилины), К/F (кумарилы/ферулы), кислоты/альдегиды, степень
трансформации боковых цепочек лигнина по отношению к исходным растительным тканям (Т, %)).
4. Гетерогенность генезиса лигнина обуславливает возможность возникновения
большого числа разнообразных продуктов его разложения (ароматических кислот и
альдегидов), сохраняющих композиционный состав биополимера в ряду: «ткани
растений – подстилка – почва – гуминовые кислоты – погребенные гуминовые
кислоты».
5. Биохимический состав растений разных экосистем оказывает решающее влияние на
характер гумификации, определяя механизмы гумусообразования и структуру
гуминовых кислот.
6. Вероятные пути трансформации лигнина в почвах в зависимости от
термодинамических условий среды: 1) стабилизация и консервация лигниновых
полимеров в виде высококонденсированных многоядерных ароматических структур в
восстановительных условиях, в аккумулятивных позициях ландшафта, внутри агрегатов,
в глеевых горизонтах почв; 2) незначительная трансформация биополимера вследствие
увеличения его растворимости в контрастной окислительно-восстановительной
обстановке при сохранении неизменными главных лигниновых структур (ортштейны,
металл-органические комплексы, гуминовые кислоты); 3) деградация лигнинов в
окислительной среде до более простых фенольных кислот – агентов
почвообразовательных процессов и биохимических превращений; 4) вторичная
конденсация при погребении.
Научная новизна работы.
Разработана системная методология исследования биохимии лигнина в наземных экосистемах различных природных зон.
Получены новые экспериментальные данные о полимолекулярном составе лигнина в разных типах растительных тканей: в древесине можжевельника (впервые), а также в хвое сосны, в степных злаках, луговом разнотравье.
Дана количественная характеристика контрастных типов биохимических превращений лигниновых фенолов в почвах зонального ряда: лесной, степной, луговый, тропический, агро-антропогенный.
Впервые прослежен путь трансформации молекулы биополимера в ряду «растительные ткани – опад – подстилка – почвы – гумусовые кислоты дневных почв – погребенные гумусовые кислоты».
На основе анализа 13С ЯМР-спектров гуминовых кислот доказано участие лигниновых фенолов в формировании гумуса почв. Установлено, что структура молекулы гуминовой кислоты во многом определяется филогенетическим происхождением лигнина.
Установлено участие лигниновых фенолов в агрегатообразовании, в формировании конкреций и гранулометрических фракций почв.
Показано, что агро-антропогенное использование (распашка, осушение, производственное лесоразведение) вызывает ускоренную деструкцию макромолекулы лигнина.
Практическая значимость.
-
Апробированная методика «мягкого» щелочного окисления органического вещества может быть использована для анализа содержания и состава лигнина в различных объектах: в тканях растений, в дневных и погребенных почвах, включая минеральные малогумусные горизонты, в конкреционных новообразованиях, гранулометрических фракциях почв, гуминовых кислотах.
-
Полученные данные о химической структуре лигнина в растениях, почвах, гуминовых кислотах могут быть использованы при разработке технологий применения органических удобрений, производства гуминовых препаратов, использования отходов целлюлозно-бумажной промышленности в сельском хозяйстве, в построении прогнозных моделей планетарного круговорота углерода.
3. Композиционные соотношения лигниновых фенолов, лигниновые параметры могут
быть использованы в качестве биомаркеров: степени гидроморфизма, для диагностики
палеорастительности в дневных и погребенных почвах, степени антропогенного
воздействия и т.д.
Конкурсная поддержка работы.
Премия Европейской академии (Europaea Academia). Тема: «Трансформация твердой фазы почв в условиях периодического переувлажнения».
DAAD (Немецкое Академическое Общество) - 1998-2000 гг. Тема: «Механизмы формирования биосферных резервуаров органических соединений в почвах южной тайги и лесостепи.
Лауреат конкурса молодых ученых МГУ имени М.В. Ломоносова, диплом II степени. Тема: «Диагностика гидроморфных почв»
Гранты РФФИ (Руководитель):
04-04-49727-а - Биоминералогия серых лесных почв (2004-2005 гг.).
08-04-00809-а - Теория биоминералогии почв (2008-2010 гг.).
11-04-00453-а - Роль лигнина в формировании гумуса почв (теоретические и методические аспекты) (2011 - 2013 гг.).
04-04-63055-к - Организация и проведение экспедиционных исследований биоминералогии серых
лесных почв (2009 г.).
Международный договор о сотрудничестве между МГУ им. М.В. Ломоносова и Берлинским
университетом им. Гумбольдта по теме: “Методы оценки функций почв” (2003-2005 гг.) - руковод.
Гранты РФФИ (исполнитель)
01-04-97408-р98цчр – Закономерности естественной и антропогенной эволюции почв Брянского
ополья (2001-2003 гг.).
03-04-48916-а – Роль гидроморфных почв в иммобилизации органического углерода и формировании резервуаров парниковых газов (2003 - 2005 гг.).
05-04-63105-к – Организация и проведение экспедиционных работ по изучению параметров круговорота углерода в экологических рядах почв: геоморфологических (по степени увлажнения) и литологических (по гранулометрическому составу) (2005-2005гг.) - руководитель.
09-04-00747-а – Теоретические основы и методология использования почвенных нанотехнологий в диагностике изменений климата голоцена (2009 – 2011 гг.).
Комплексный междисциплинарный проект (госконтракт № 14.740.11.0206 от 15.09.10) «Естественно-исторические проблемы российского аграрного социума»
11-06-00143-а Разработка теоретических основ и методологии прогнозирования взаимодействия природы и общества РФ в 2011-2030 гг. (2011-2013 гг.).
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, были доложены автором на международных
и всероссийских конференциях и симпозиумах: Всероссийские съезды общества почвоведов им. В.В.
Докучаева (С.-Петербург, 1996; Ростов-на-Дону, 2008; Петрозаводск: Карельский научный центр РАН,
2012); 10th International Working Meeting on Soil Micromorphology (Moscow, 1996); International conference
“Problems of antropogenic soil formation” (Moscow, 1997); I-ая Всероссийская конференция
«Лизиметрические исследования почв» (Москва, 1998); Четвертая Всероссийская конференция
«Проблемы эволюции почв» (Пущино, 2001); Международный симпозиум «Functions of soils in the
geosphere-biosphere systems» (M., Russia, 2001); Международная конференция «Устойчивость почв к
естественным и антропогенным воздействиям» (Москва, 2002); II Международная конференция
«Гуминовые вещества в биосфере» (Москва-С.Петербург, 2003); Европейский конгресс почвоведов
"Eurosoil 2004; 2008" (Soil - Society-Envaironment) (Eurosoil-2004. Germany, Freiburg, 2004); (EUROSOIL-
2008, Austria, Vienna, 2008); IV Всероссийская конференция «Гуминовые вещества в биосфере»
(Москва, 2007); 15 школа Экология и почвы «Круговорот элементов в экосистемах и почвах»
(Пущино, 2007); 14th International Meeting of the International Humic Substances Society (M. 2008); I
Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Фундаментальные
достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» (Москва-2008); XVII,
XVIII, XIX, XX, XXI, XXII, XXIII международные конференции «Человек и природа» (Украина, Крым,
Судак, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013); Теоретический семинар по фундаментальным
проблемам почвоведения (Москва, 2010); V международная конференция «Эволюция почвенного
покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы» (Пущино, 2009); Конференция
«География продуктивности и биогеохимического круговорота наземных ландшафтов: к 100-летию
профессора Н.И. Базилевич» (Пущино, 2010); Всероссийская научная конференция – М.: Почв. ин-т им.
В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 2010; Доклад на кафедре физики и мелиорации почв факультета
почвоведения, 2011; Международная научно-практ. конференция, посвящ. 80-летию основания
института почвоведения и агрохимии, (Минск: Ин-т почвоведения и агрохимии, 2011); XVII
Всероссийская Школа «Экология и почвы» (Пущино, 2011); Всероссийская научная конференция «Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А. Глазовской)» (Москва, Географический факультет МГУ, 2012); Second International Conference of CIS IHSS on Humic Innovative Technologies «Natural and engineered nanoparticles in clean water and soil technologies»/ 2012, MSU, Moscow, 2012; Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием к 85-летию Почвенного института им. В.В. Докучаева (Почвоведение в России: вызовы современности, основные направления развития, 2012); Оf the International Conference “Biondication in the Ecological Assesment of Soils and Related Habitats”, Moscow, 4-6 February 2013; Доклад на совместном заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения и Института экологического почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, 2013; Международная научная конференция «Наследие И.В. Тюрина в современных исследованиях в почвоведении», Казань, 2013; Оf the XIIth international symposium and field workshop on paleopedology (ISFWP) Kursk, Russia, 2013; Всероссийская научная конференция по археологическому почвоведению. Пущино, 2014; Всероссийская научная конференция «Научные основы устойчивого управления лесами», Москва. ЦЭПЛ РАН, 2014; «Ломоносовские чтения», МГУ имени М.В. Ломоносова, 2014.; Всероссийская научная конференция «Лесное почвоведение», Сыктывкар, 2015; Международная научная конференция «Роль почв в биосфере и жизни человека», Москва, МГУ, 2015; Всероссийская конференция с международным участием «Современные методы исследований почв и почвенного покрова», Москва, Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 2015.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 150 научных работ, в том числе 18 работ в изданиях, соответствующих списку ВАК, 37 статей в журналах и сборниках; 4 в коллективных монографиях; 13 статей в электронных журналах; 78 статей и тезисов в материалах конференций.
Личный вклад автора в работу. Диссертационная работа является результатом многолетних (1988–1998 гг. – 1-й этап; 1998-2015 гг. – 2-й этап) исследований автора. Автору принадлежит теоретическое обоснование и постановка проблемы, автором сформулированы цели работы, поставлены задачи исследования, сделаны итоговые выводы. Автор принимал личное участие в экспедиционных исследованиях и в получении лабораторного материала, в обобщении и интерпретации полученных результатов, в подготовке всех научных публикаций, многократно выступал с научными докладами. Экспериментальный материал получен автором на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ, в Байройтском университете (Германия), в институте экологического почвоведения (ИЭП) МГУ. Работа представляет собой полностью самостоятельное исследование.
Благодарности. Автор глубоко благодарен своим многочисленным учителям и коллегам, определившим формирование его научного мировоззрения, проф. W. Zech (Байройтский университет, Германия), привившему интерес и оказавшему всестороннюю помощь в проведении экспериментальных исследований по изучению лигнина; своему учителю проф. Л.О. Карпачевскому за поддержку на протяжение всего научного пути; вице-директору ИЭП МГУ, д.б.н. Н.О. Ковалевой.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, изложена на 452 страницах компьютерного текста, включает список литературы из 456 наименований, в том числе 240 на иностранных языках, 76 рисунков, 101 таблицы и XXXXII приложения.
Структура лигнина
Лигнин - аморфное вещество от светло-кремового до темно-коричневого цвета (в зависимости от способа выделения); молекулярная масса от 1 до 150 тыс., плотн. 1,25-1,45 г/см3 (Лигнины, под ред. К. В. Сарканена и К. Х. Людвига, пер. с англ., М., 1975 (1971).
Лигнин расположен в клеточных стенках и межклеточном пространстве растений и скрепляет целлюлозные волокна. Основной структурный компонент оболочки клеточной стенки растительных клеток – целлюлоза представлена длинными неразветвленными полимерными молекулами, состоящими из 1000 11000 остатков b -D глюкозы, соединённых между собой гликозидными связями. Наличие гликозидных связей создаёт возможность образования поперечных стивок. Вместе с гемицеллюлозами лигнин определяет механическую прочность стволов и стеблей. Лигнифицированные клеточные стенки можно сравнить с железобетоном, где лигнин – это бетон, а фибриллы целлюлозы выполняют роль арматурных прутьев (Хелдт Г.-В., 2011). Кроме того, лигнин снижает проницаемость клеточных стенок для воды и питательных веществ. Таким образом, лигнин (от лат. lignum - дерево, древесина), природный полимер; входит в состав почти всех наземных растений и по распространенности среди природных высокомолекулярных соединений уступает только полисахаридам. Название «лигнин» предложил в 1857 г. Шульце Ф., наряду с французским химиком Пайеном (Schulze F., 1857). Точный механизм биосинтеза лигнина до сих пор не выяснен. Еще совсем недавно считалось, что формирование аморфной полимерной структуры происходит за счет случайного взаимодействия радикалов мономеров, димеров и олигомеров лигнолов. В настоящее время есть некоторые данные о том, что синтез лигнина регулируется внеклеточными гликопротеинами, которые получили название «дирижирующих белков», которые способствуют образованию различных полимерных структур, откладывающихся в строго определенных участках клеточной стенки (Хелдт Г.-В., 2011).
Еще в начале 30-х годов Эрдман Х. (Erdman H., 1950) предположил, что природные лигнины образуются при дегидрогенной полимеризации трех первичных спиртов: кониферилового, синапового и п-кумарового, как структурные единицы лигнина. Первые работы К. Фрейденберга (Freudenberg K., 1939) привели его к взгляду, что лигнин состоит из структурных единиц, определенным образом связанных друг с другом. Принцип полимеризации, как основной механизм образования лигнина, получил дальнейшее развитие в работах К. Фрейденберга, К. Кратцл (Freudenberg К., 1968) и других, которые внесли большой вклад в изучение структуры полимера и типов связи между мономерами (Стадников Г.Л.. 1937; Манская С.М., 1948; Fischer F., 1961; Браунс Ф.Э., 1964; Freidenberg К., 1968, 2003). В 50-60-е годы был получен новый экспериментальный материал о биосинтезе мономерных предшественников лигнина по шикиматному пути (Davis B.D., 1958; Sprinson D.B., 1961; Gibson F., Gibson M.J, 1964). В этом механизме биосинтезе ароматических соединений основными веществами служат промежуточные продукты метаболизма сахаров. Роль сахаров в процессе лигнификации подтвердили исследования (Hasegawa M., Higuchi T., 1960; Kratzl K., Feigle H., 1960). С меченой глюкозой древесины сосны Pinus strobes, Eucaluptus nitens был подтвержден механизм образования лигнина через шикимовую кислоту. К этому времени существовало экспериментально обоснованное представление о синтезе лигнина древесными растениями, центральное место в котором отводилось коричной кислоте и ее окси- и метоксипроизводным. Наиболее приемлемая в настоящее время гипотеза образования лигнина в высших растениях может быть представлена следующей схемой по Freudenberg К., Neish A.C., (1968): СО2 сахара шикимовая кислота префеновая кислота фенилаланин производные коричной кислоты фенилпрапоноидные спирты лигнин (Блажей А., Шутый Л., 1973).
К настоящему времени есть положение, что лигнин синтезируется из монолигнолов – пара-кумарового, синапового (сиреневого) и кониферилового спиртов.
Схема биосинтеза монолигнолов за счет восстановления соответствующих гидроксикоричных кислот (Хелдт Г.-В., 2011). Образование монолигнолов происходит за счет восстановления карбоксильных групп соответствующих кислот до спиртов. Восстановление карбоксильной группы пара-кумаровой кислоты НАДФН (глицеральдегидфосфатдегидрогеназа) (см. рис.1) происходит через промежуточную стадию образования тиоэфира с КоА. Выделяющаяся при расщеплении тиоэфирной связи энергия активирует процесс восстановления карбоксильной группы альдегида. Дальнейшее восстановление спирта также протекает с участием НАДФН в качестве восстановителя. Ферменты, катализирующие процесс образования пара-кумарового спирта, могут участвовать в биосинтезе синапового и кониферилового спиртов из синаповой и феруловой кислот. Синаповый и конифериловый спирты также можно получить из пара-кумарового спирта при помощи последовательных реакций гидроксилирования и метилирования (Хелдт Г.-В., 2011).
Есть мнение, что свободные монолигнины полимеризуются по свободнорадикальному механизму, инициируемому окислением монолигнинов оксидазами, содержащими в клеточных стенках растений, о чем еще писала СМ. Манская в 1948 г.
На синтез 1 структурного фрагмента лигнина, например, такого простого, как коричная кислота, необходимо 105 АТР или примерно столько же энергии, сколько образуется при окислении 3-х молекул глюкозы: 3 глюкозы —» 114 АТР (глюкоза - СО2 + НО + 38 АТР). Для синтеза коричной кислоты через путь шикимовой и префеновой кислот вещественно необходимо ещё 2 молекулы глюкозы (Норд Ф., Шуберт В., 1965). Итого, на синтез 1 структурного фрагмента лигнина (в частности коричной кислоты: С6Н5–СН2=СН–СООН) минимально необходимо 5 молекул глюкозы. На синтез же 5 молекул глюкозы необходимо 330 АТР. Таким образом, на синтез одного структурного фрагмента лигнина требуется не меньше пяти молекул глюкозы (без учета расходов на их транспорт). При ассимиляции же растениями аллохтонных фрагментов лигнина (например, в виде арилгликопротеидных фрагментов ГВ) растение «экономит» часть молекулы глюкозы (Попов А.И., Чертов О.Г., 1997; Попов А.И., 2004).
Экосистемы южной тайги (березово-осиновые) на светло-серых лесных и агросерых почвах Московской области
Почвы вертикального ряда аридных ландшафтов Тянь-Шаня Схематично экосистемы вертикальных природных зон Тянь-Шаня: степь на горных черноземах, можжевеловое редколесье на горных коричневых почвах, орехово-плодовый лес на горных черно-коричневых почвах, сосновый лес и субальпийский луг на горных черноземовидных и горно-луговых субальпийских почвах и альпийский луг на горно-луговых альпийских почвах (Ковалева Н.О., 2009).
Ат-Джайлау), ледника Кургак-тор (урочище Кургак-Тор) пика Западный Аламедин (4894 м) на хорошо изученном в гляциологическом и геоморфологическом отношении водоразделе рек Аламедин и Ала-Арча северного макросклона Киргизского хребта. Высота над уровнем моря 1400 - 4700 м. От подножия до вершины макросклона в указанных долинах заложено 47 почвенных разрезов, которые позволили выделить следующие вертикальные почвенные зоны. 1. В нижних частях долин ниже морен максимальной стадии оледенения почвенный покров представлен светло- и темнокаштановыми почвами предгорий и низкогорий, сформированными на лессах под полынно-разнотравной степью на высотах 1400-1700 м.
Горные черноземы распространены в интервале высот 1700-2100 м под шиповнико-разнотравно-эстрагоной лугостепью среднегорий на лессах и моренных отложениях максимальной стадии позднеплейстоценового горного оледенения.
Горные луговостепные черноземовидные почвы обнаружены нами на высотах 2100-2300 м под типчаково-разнотравной лугостепью на моренах последней волны оледенения, перекрытых лессовым чехлом.
На моренах голоценовых стадий ледниковых осцилляций и в предморенных понижениях троговых долин сформированы горно-луговые субальпийские черноземовидные почвы под зопниковыми и манжетковыми остепненными субальпийскими лугами на высотах 2300-2600 м. Мощность лессового чехла здесь не более 2 м, подстилается он красноцветным песчаником.
Горные склоны тех же высотных отметок в высокогорье заняты коричневыми почвами лесолугового пояса под низкорослыми можжевеловыми лесами или еловыми лесами на горных черноземовидных почвах, сформированных на маломощных лессах (до 1 м), подстилающихся красноцветным или сиреневоцветным песчаником.
Горно-луговые субальпийские почвы на батолитах зеленокаменных пород, из которых сложены морены верхнего голоцена, описаны нами в высокогорье – 2600-3100 м под гераниево-манжетковым субальпийским лугом.
Завершают высотный ряд альпийские почвы перигляциальной зоны, формирующиеся на моренах малого ледникового периода на высоте 3100-4000 м под кобрезиевыми пустошами.
На Северном Кавказе исследования выполнены в степном поясе горных черноземов, в буково-грабово-каштановых лесах на бурых лесных почвах и субальпийских лугах на горно-луговых субальпийских почвах, на альпийских лугах с горнолуговыми альпийскими почвами (Карачаево-Черкесия) (Ковалева Н.О., 2009). на Северном Кавказе в степном поясе горных черноземов, в буково грабово-каштановых лесах на бурых лесных почвах и субальпийских лугах на горно-луговых субальпийских почвах, на альпийских лугах с горнолуговыми альпийскими почвами (Карачаево-Черкесия). Подробная характеристика объекта - Ковалева, 2009
Подробная характеристика объекта исследований и свойств почв представлена в докторской работе и публикациях д.б.н. Н.О. Ковалевой (2007, 2009; Быковская Т.К., Ковалева Н.О., (2010).
Северный макросклон Большого Кавказского хребта представлен спектром вертикальных почвенных зон суббореального гумидного климата. 1. Горные черноземы (11 разрезов) обнаружены в Кисловодской впадине (Район Кавказских Минеральных вод) и в долинах рек Большой Зеленчук, Аксаут, Маруха, Кардоник Карачаево-Черкесии. Они представлены подтипами черноземов выщелоченных и типичных, формирующихся на лессовых отложениях ниже морен максимальной стадии горного оледенения на высотах от 500 м до 1300 м под лугостепью, а также под сельскохозяйственными угодьями. 2. Горно-луговые черноземовидные почвы с погребенными гумусовыми горизонтами под луговой растительностью на террасах рек Кяфар и Кривая (высота 1100-1300 м над уровнем моря) приурочены к моренам максимальной стадии вюрма (19 разрезов). 3. Горно-луговые субальпийские и горно-луговые альпийские почвы, развитые на моренах и предморенных понижениях позднеголоценового возраста и малого ледникового периода изучались в Тебердинском заповеднике в горных долинах хребта Малая Хатипара (12 разрезов), ледниковой долине Алибек и р. Муху (4 разреза) на высотах от 1500 до 3000 м.
Лигнин (VSC) в почвах горизонтального и вертикального ряда
Лигниновые продукты окисления в гуминовых кислотах почв разных экосистем. В целом, гуминовые кислоты по содержанию продуктов окисления лигнина и лигниновым параметрам (табл. 43, Приложение XX) похожи на образцы почв и наследуют характерные свойства растительных тканей, но демонстрируют большую упорядоченность структурных фрагментов лигнина.
Пропорции ванилиновых, сирингиловых и циннамиловых фенолов в них оказались одинаковыми для разных типов травянистых экосистем: 1:1:1 – от степи до субальпийского луга и характеризуют, как показано выше, ткани травянистых растений. Композиционные отношения 3:4:1 свойственны гуминовым кислотам из горизонтов коричневой почвы можжевелового леса и отражают свойства растительных тканей можжевельника (Приложение XX). Впервые показано, что резкие отличия свойственны гуминовым кислотам, извлеченным из погребенных горизонтов, и связаны с увеличением доли ванилиновых фенолов – до 2:1:1 в горном черноземе В[hh]-горизонте (120-137 см), 3:4:1 в горной коричневой почве А[hh]-горизонте (34-60 см), 5:1:1 в горно-луговой субальпийской почве А[hh]-горизонте (35-57 см).
Полученные данные демонстрируют, что с увеличением степени трансформации лигнина в ряду «ткани растений – подстилка – почва – гуминовые кислоты – погребенные гуминовые кислоты» (рис. 46) увеличивается количество ароматических кислот по отношению к альдегидам во всех типах объектов независимо от общего количества лигнина в них и достигает максимума в препаратах гуминовых кислот из погребенных почв (табл. 44; рис. 46).
Из представленных в таблице 44 и на рис. 46 данных следует также, что гуминовые кислоты по сравнению с почвами дают более кислую фенольную смесь: отношения кислоты/альдегиды максимальны в препаратах гуминовых кислот по сравнению с экстрактами из почв. Тем самым, представленные результаты подтверждают положение о нарастающем карбоксилировании лигниновых остатков как о главном процессе их трансформации в гумус (что доказывали Л.Н.Александрова (1980), А.А.Комаров (1988, 2004) и др). Сопряженно с трансформационными процессами в матрице лигнина протекают реакции деструкции, которые, по-видимому, возникают, прежде всего, в боковых цепочках лигнина. При этом как первые специфические соединения образуются фенилкарбоновые кислоты.
Таким образом, метод окисления и хроматографического разделения биополимеров лигнина позволяет получить информацию о типах растительных тканей в подстилках и почвах, исследовать механизмы трансформации лигнина в гуминовые кислоты. Гетерогенность генезиса лигнина обуславливает возможность возникновения большого числа разнообразных низко- и высокомолекулярных продуктов разложения (ванилиновых, сирингиловых, феруловых и кумариловых семейств), сохраняющих композиционный состав биополимера в ряду: «ткани растений – подстилка – почва – гуминовые кислоты – погребенные гуминовые кислоты». Данный факт подтверждает образование в почвах унифицированных гуминовых веществ специфической природы, в формировании которых наряду с прочими ароматическими соединениями, участвует лигнин высших растений. Благодаря химической и физиологической специфичности фенольных соединений растительного происхождения, наряду с их высокой устойчивостью к разложению, лигнины должны быть использованы как молекулярные следы наземного органического вещества при реконструкции условий палеосреды. Ароматические структуры лигнина в растениях, в подстилках, почве, гуминовых кислотах позволяют оценить генезис органического вещества, влияние его состава на геохимические процессы в почвах и сопредельных средах, прогнозировать их экологическое состояние.
С помощью количественного анализа лигниновых фенолов и 13С-ЯМР-спектроскопии также доказывается, что лигнин высших растений принимает участие в формировании специфических соединений гумуса почв, входя структурными фрагментами в алифатическую часть молекулы (пики при 56 ррm), так и в ароматическую часть молекул гуминовых кислот (пики при 147 ppm). Из табл. 45, видно, что площади пиков лигниновых структур одинаковы в ароматической и алифатической частях молекул горно-луговых альпийских почв. В почвах зональных рядов ароматические фрагменты лигнинового происхождения преобладают в алифатической части спектра светло-серых почв Коломенского ополья и оглеенных почв аккумулятивных позиций ландшафта. Коэффициент корреляции между содержанием лигнина (VSC) в гумусовых горизонтах почв гумидных ландшафтов и площадью пика лигнинового происхождения в алифатической части 13C ЯМР-спектра при 56 ppm – 0,94 (P = 0,95). Данные 13С ЯМР-спектроскопии, полученные для 24 препаратов
Органоминеральные взаимодействия лигнина (VSC) в почвах
Начиная с 2007 по 2013 гг. наблюдается увеличение конкреционных новообразований в связи с выходом дренажных систем из строя по причине заиливания. Конкретная задача не входит в рамки диссертационной темы, хотя она освещена довольно подробно в дипломных работах Беззубиковой М.А., 2008; Толстовой А.П., 2011, руководителем которых, являлся Ковалев И.В. Ранее (Ковалев, 1994; Зайдельман, Ковалев, 1998) в первые 8 лет последействия дренажа было установлено и снижение содержания железа и марганца, величины коэффициента заболоченности (Кз), хотя изменения последнего показателя еще не выходили за рамки интервала Кз (коэффициента заболоченности) серых лесных глееватых почв, присущего им в естественном состоянии.
Значения магнитной воспримчивости в Fe-Mn конкрециях и в мелкоземе почв подтвердили факт трансформации ортштейнов в почвах под влиянием дренажа (табл. 81). Так, значения магнитной восприимчивости в конкрециях фракции 1-2 мм глубокооглеенной почвы составляют 45 10 6 см3/г; глееватой почвы фракции 1-2 мм - 27-33 -10"6 см3/г, фракции 2-3 мм - 22-43 -10"6 см3/г, фракции 3-5 мм - 23-75 10"6 см3/г.
Магнитная восприимчивость х (см/г Iff6) ортштейнов в светло-серых оглеенных неосушенных и осушенных почвах почвах. Примечание. М + tp m (при Р=0.95) Глубокоог Глееватая почва Глееватая почва, Глееватая почва, леенная (контроль) осушенная пластмассовым осушенная Почва дренажом гончарным дренажом
В мелкоземе пахотного горизонта 12.7 9.0; 11.0Среднее-10.0 6.9; 7.1; 7.7 Среднее - 7.2 8.0; 8.8Среднее - 8.4 Низкая магнитная восприимчивость в конкрециях свидетельствует об отсутствии или незначительном содержании магнетита (Бабанин В.Ф. с соавт., 1995; Водяницкий Ю.Н., 1992). Под действием осушения в конкрециях осушенных почв произошло увеличение значений магнитной восприимчивости (при 10 % уровне значимости) (табл. 81). Незначительное уменьшение значений магнитной восприимчивости наблюдалось и в мелкоземе пахотного горизонта с 10,0 до 7,6 10-6 см3/г. Наибольшие изменения в трансформации железисто-марганцевых гидроксидов затронуты в крупных ортштейнах (фракция 3-5 мм), что выражается увеличением магнитной восприимчивости в крупных ортштейнах (табл. 81), обусловленной оксидацией железа и марганца наравне с повышенной степенью окисленности лигниновых фенолов, как будет показано ниже. Возможно, лигниновые фенолы являются катализатором ферромагнетизации слабомагнитных железистых соединений.
Осушение вызывает глубокую трансформацию не только свойств и режимов почв, но и усиливает их микробиологическую деятельность, что
Дипломные работы Беззубиковой М.А. (2008), Толстовой А.П. (2011), руководитель -Ковалев И.В. Авторы выражают благодарность д.б.н. Л.М.Полянской за консультации и предоставление приборной базы по определению грибной и бактериальной биомасс в почвах. Статистическую обработку результатов проводили с использованием программ STATGRAPHICS и STATISTICA. Для численности бактерий и длины грибного мицелия доля среднего квадратического отклонения (5п_і) не превышала 5-10%. подтверждается увеличением количества грибной и бактериальной биомассы. Микробиологические исследования показали, что количество бактерий и длина грибного мицелия в осушенных почвах и ортштейнах этих почв также косвенно характеризует водный режим осушенных почв (табл. 82).
При этом в осушенных почвах наблюдается сходный тренд распределения бактериальной и грибной биомассы, установленный выше для почв и ортштейнов с естественным увлажнением в экстремально сухой год, то есть уменьшение длины грибного мицелия и увеличение численности бактерий в связи с иссушением пахотного слоя (табл. 82, рис. в Прилож.).
Усиление микробиологической деятельности подтверждается и нарастанием содержания диэфиров микробного происхождения. Данные табл. 83 обнаруживают, что наибольшее количество инозитфосфатов приходится на долю ортштейнов: до 74%. Известно, что
Формы соединений фосфора в светло-серых лесных почвах периодического переувлажнения, % Робщ в 0,1 М NaOH-экстракте (Коломенское ополье).
Светлосерая глееватая почва/орт штейны Горизо нт,глубина , см Рорг.экстрагируемый,мг/кг Фосфо наты(20,5;19,2рpm) Минеральныйортофосфат(6,0pрm) Фосфорныемоноэфиры(инозитолфосфаты)(5,8-4,3рpm) Фосфолипиды иполисахарофо сфаты типа тейхоевых кислот (диэфиры) (1,7; 2,0 рpm) ДНК:нуклеиновыекислоты(диэфиры)(-0,9 –0,3 ppm) Неидентифицированныесоединения(-1,4ppm) Пирофосфаты(-4,1;-4,7ppm) источником инозитфосфатов (моноэфиров) в почвах служит фитин (двойная кальциево-магнивая соль инозитгексафосфорной кислоты), содержащийся в семенах растений. Можно предположить, что изначальными центрами кристаллизации (адсорбции) могут выступать помимо зерен кварца, фитолитов, лигнина, семена растений, споры, пыльцевые зерна. С другой стороны, известно, что сорбция инозитгексафосфата на минеральной поверхности увеличивает ее отрицательный заряд и, следовательно, емкость катионного обмена (Celi L., Lamacchia S., Marsan F.A., Barberis E., 1999). При этом наибольшей сорбционной способностью обладает гетит, нежели иллит, каолинит. Поскольку в железисто-марганцевых ортштейнах преобладает гетит (Бабанин В.Ф. с соав., 1995; Водяницкий Ю.Н., 2003), то повышенные значения содержания моноэфиров могут быть также обусловлены и их сорбцией на гетите. Надо заметить, что проведенные опыты по изучению влияния парамагнитных ионов (железа, марганца) на интенсивность сигнала в 31Р-ЯМР-спектрах, позволяют пренебречь, данным эффектом (Cade-Menun B.J., Liu C.W., Nunlist R., McColl J.G., 2002; Tate K.R., Newman R.H., 1982, Ковалев, Ковалева, 2011). На долю фосфодиэфирных связей в нуклеиновых кислотах (ДНК) приходится 11,3 % фосфора в гумусовых кислотах агросерой глееватой почвы, всего 0,9 % в гумусовых кислотах ортштейнов этих почв. Площадь пиков фосфолипидов и сахарофосфатов подчиняется такой же закономерности – 12,1 и 2,3 %, соответственно (табл. 83).