Исследование физико-химических параметров органического вещества почв : По данным ЭПР и 13 С-ЯМР Чуков, Серафим Николаевич

Введение к работе

Цель работы.

Изучение состояния и трансформации структуріллх и функциональных физико-химических параметров органического вещества почв Русской равнины под влиянием антропогеїшого воздействия (на примере черноземов, серых лесных и дерново-подзолистых почв) на разных уровнях организации - от органического вещества в ненарушенном состоянии па уровне почвенного горизонта до молекулярного уровня в препаратах гумусовых веществ и оценка ряда их экологических функций.

Задачи исследований.

1. Разработать новые методологические подходы к изучеишо физико-
химических параметров оргашгческого вещества почв с помощью современных
радиофизических методов резонансной спектроскопии (ЭПР, ¹³С-ЯМР).

1. Изучить трансформацию углеродного скелета и других структурных параметров гумусовых веществ в условиях антропогенного воздействия.

2. Установить взаимосвязь свободных радикалов с важнейшими футпсциональ-ными параметрами гумусовых веществ, состоянием и процессам! трансформации органического вещества почв в целом.

3. Исследовать физиологическую и биопротекторную активность гуминовых кислот и оценить их изменение при антропогенном воздействии на почвы.

4. Предложить показатели ряда экологических функций гуминовых кислот и органического вещества для системы комплексной параметрической оценки экологического потенциала органического вещества почв.

Защищаемые положения.

1. Свободные радикалы и их концентрация являются важнейшим параметром гуминовых кислот, тесно связанным с общим уровнем их биохимической активности и проявлением важных экологических функций - физиологической и биопротекторной активности.

2. В условиях антропогенного воздействия при недостаточном поступлении органических остатков в гумусовый горизонт в углеродном скелете гуминовых кислот относительно возрастает доля ароматических и поликонденсированных структур, стяжается уровень ряда функциональных параметров.

3. Биопротекторная активность гуминовых кислот в условиях загрязнения среды тяжелыми металлами частично связано с прямой инактивацией последних, однако наиболее сильное влияние оказывает прямая физиологическая стимуляция защитных реакций растений и их устойчивости к токсическому воздействию.

4. В систему параметрической оценки экологического потенциала гуминовых кислот целесообразно включить ряд связанных с их экологическими функциями физико-химических параметров.

Научная новизна.

На основе теоретического обобщения разработана схема, отражающая основные методологические подходы к изучению органического вещества почв.

С использованием современных радиофизических методов резонансной спектроскопии разработаны новые методологические подходы к изучеігию структурных и функциональных параметров органического вещества почв.

По результатам анализа литературных и собственных экспериментальных данных показано, что парамагнитная активность гумусовых кислот (концентрация свободных радикалов с g-фактором 2,003) является величиной обратной их биотермодинамической устойчивости и глубине гумификации.

Впервые непосредственно в растворе изучено влияние различных катионов на парамагнитную активность гуминовых кислот и обнаружена гетерогенность их свободных радикалов (СР) с g-фактором 2,003. Разработан метод количественной оценки двух типов СР принадлежащих периферической и ядерной части макромолекул гуминовых кислот (Авторское свидетельство № 1392472).

Предложен принципиально новый метод оценки качественного состава органического вещества почвы по спектру ЭПР образца почвы, основанный на впервые обнаруженном факте присутствия в почве не одного, как было известно ранее, а двух различных типов СР, один из которых, с g-фактором 2,003, хорошо известен и локализован в молекулах гумусовых кислот, а второй, с g-фактором 2,002, находится в структуре инертных, прочно связанных с минеральной частью фракций органического вещества. Разработанный метод позволяет изучать органическое вещество в его нативном состоянии непосредственно в почвенных образцах, не прибегая к предварительным экстрактивным процедурам (Авторское свидетельство № 1193549 и патент РФ № 1791776).

Впервые в спектрах ¹³С-ЯМР гуминовых кислот чернозема и темно-серой лесной почвы при компьютерной Фурье-трансформации в области сигнала ароматического углерода разделены и количественно определены два сигнала: широкий сигнал высококонденсированных полисопряженных структур и более узкий сигнал менее конденсированных, "рассеянных" ароматических ядер.

Показано, что при распашке черноземов в гуминовых кислотах относительное накопление ароматических структур идет за счет высококонденсированных структур, а при распашке темно-серых лесных почв в большей степени накапливаются "рассеянные" ароматические фрагменты. Погребение сильнее влияет на молекулярную структуру гуминовых кислот, чем распашка.

По результатам исследования физиологической активности гумшювых кислот различных почв как на уровне растительных тканей, так и на уровне целого растительного организма показано, что она тесно связана со свободными радикалами и установлены количественные параметры этой взаимосвязи. Показано также, что механизм проявления физиологической активности в гуминовых кислотах дерново-подзолистых почв несколько иной, чем в гуминовых кислотах черноземов и серых лесных почв.

Установлено, что проявлеіше биопротекторной активности гуминовых кислот в условиях загрязнения среды тяжелыми металлами частично связано с прямой инактивацией последних, однако наиболее сильное влияние оказывает прямая физиологическая стимуляция защитных реакций растений и повышения их устойчивости к токсическому воздействию.

Предложено использовать в числе показателей системы комплексной параметрической оценки экологического потенциала гуминовых кислот и органического вещества почв в целом ряд тесно связанных с их экологическими функциями физико-химических параметров, определяемых методами ЭПР и ¹³С-ЯМР (концентрация СР и ароматичность гуминовых кислот, а также концентрация активных фракций органического вещества почв).

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Полученные результаты доведены до пшрокого круга специалистов путем публикаций и докладов на конференциях, а также широко используются в учебном процессе на Почвенном отделении СПбТУ в бакалаврских и магистерских курсах лекций "Химия почв", "Биохимия органического вещества", "Физико-химические методы исследования почв", "Структурно-функциональные параметры гумусовых веществ", "Экологические функции органического вещества почв", "Нормирование техногенной нагрузки на лочвы" и др. На основе материалов диссертации была выпущена часть 1 Методических указаний по курсу "Физико-химические методы исследования почв. (Спектроскопические методы.)".

Предложен новый способ оценки качественного состава органического вещества почв, простота и надежность которого позволяют рекомендовать его к внедрению как в практике научных наследований, так и производственных условиях, при агрохимическом обследовании почв.

Использование в системе экологических оценок гумусовых веществ и органического вещества почв в целом предлагаемых физико-химических параметров может быть полезным при оценке состояния и трансформации органического вещества почв, как в естественных, так и в антропогенных экосистемах и применяться не только в фундаментальных исследованиях, но и при мониторинге

антропогенно нарушенных почв, нормировании техногенных нагрузок и экологической экспертизе.

Апробация полученных материалов.

Основные материалы работы доложены на Всероссийских (Всесоюзных) и международных научных конференциях «Нечерноземные почвы и пути их рационального использования» (Ленинград, 1979, 1980, 1982, 1983, 1985 г.г.); «Докучаевское почвоведение 100 лет на службе сельского хозяйства» (Ленинград, 1983); «Современные методы физико-химических исследований и химико-аналитического контроля в сельском хозяйстве» (Тюмень, 1984); "Агрошчвоведе-ние и плодородие почв", (Ленинград, 1986); "Плодородие почвы в интенсивном земледелии" (Волгоград, 1988); Делегатские съезды общества почвоведов (Минск, 1977; Ташкеїгг, 1985; С. Петербург, 1996); "Humus et Pianta", (Prague, 1991); Регуляторы роста и развития растений, (Москва, 1995); 7-th European Ecological Congress (Budapest, 1995) Ш М-нар. конф. "Освоение Севера и проблемы рекультивации" (С.-Петербург, 1996); "Резервы повышения плодородия почв и эффективности удобрений" (Горки, Белоруссия, 1996); 8-th Meeting of the International Humic Substances Society (Wroclav, Poland, 1996); "Проблемы антропогенного почвообразования" (Москва, 1997); "Аіггропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждеїшя", (Москва, 1998); 9-th International Meeting of the International Humic Substances Society (Adelaide, Australia, 1998).

Публикации: Результаты исследований отражены в 64 публикациях. Список основных из них приводится в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 309 страницах, содержит 45 таблиц и 40 рисунков. Она состоит из введения, 6 глав, заключения, вьшодов, приложений и списка литературы, состоящего из 511 названий, в том числе 145 на иностранных языках.

В диссертационной работе использованы результаты личных исследований автора и совместных работ с сотрудниками кафедры почвоведения и географии почв СПбТУ и Биологического НИИ СПбГУ проф. В.П.Цьшленковьш, В.К.Пестряковым, И.А.Терешенковой, Н.Н.Федоровой, Н.В.Ковш, М.А.Надпо-рожской, А.И.Поповым, В.Д.Талашкиной, И.Н.Лапшиной, Т.А.Рычковой, которым автор выражает искреннюю благодарность.

Автор благодарен за помощь в работе и ценные замечания научному консультанту работы, заведующему кафедрой почвоведения и географии почв Санкт-Петербургского государственного университета, профессору Б.Ф.Апарину, а также доценту О.Г.Растворовой, профессору О.Г.Чертову, и сотрудникам кафедры почвоведения и экологии почв СПбГУ за неоценимую помощь в работе.