БИОХИМИЯ ЛИГНИНА В ПОЧВАХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПЕРЕУВЛАЖНЕНИЯ Ковалев И.В., Ковалева Н.О. МГУ им. М.В.Ломоносова, ф-т почвоведения ИЭП МГУ им. М.В.Ломоносова. - презентация

1 БИОХИМИЯ ЛИГНИНА В ПОЧВАХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПЕРЕУВЛАЖНЕНИЯ Ковалев И.В., Ковалева Н.О. МГУ им. М.В.Ломоносова, ф-т почвоведения ИЭП МГУ им. М.В.Ломоносова

2 Располагая знаниями о суммарном содержании и реже о структуре лигнина, либо в автоморфных, либо в болотных почвах, мы ничего не знаем о механизмах биохимических процессов его трансформации, протекающих в значительной части почв – в почвах периодического переувлажнения. Между тем временный или длительный сезонный застой влаги создает анаэробные условия в профилях почв с господством окислительных процессов и контрастным типом окислительно-восстановительного режима и на короткие сроки активизирует восстановительные процессы. Контрастность гидрологического режима должна отражаться и на свойствах органического вещества этих почв.

3 Объект исследования: Коломенское ополье (Московская обл.)

4 Брянское ополье

5

6 Почвы: серые глееватые почвы. Профильный ряд: A p,fs,g (0-25 cm) - EB p,fs,g (25 – 32 cm ) - B1 g (32-50 cm ) - B2 g (50-95 cm ) - B3g ( cm ) – BCg( cm ). Профиль этих почв имеет мраморовидную окраску иллювиальных горизонтов (особенно гор B2g), большое количество ортштейнов в гор. Ар и ЕВ и серо-голубые кутаны.

7 Методы исследования Для определения количественного содержания структурных фрагментов лигнина использовали метод мягкого щелочного гидролиза органического вещества почв оксидом меди в азотной среде с последующим использованием хроматографии тонкого слоя и газового хроматографического разделения (На газовом хроматографе с масс-спектрометром Hewlet-Packard Palo Alto CA USA фенолы разделялись на пламенно- ионизационном детекторе, оборудованном капиллярной колонкой. В качестве основного и маркирующего газа служил азот. Температура инъектора – +2500, детектора – +3000). Индивидуальные продукты реакции: ванилин, сиреневый альдегид, ванилиновая, сиреневая, п-кумаровая и феруловая кислоты - идентифицированы путем сравнения времени удерживания и пиков с известными компонентами и количествами, используемыми в качестве внешних стандартов (Методика Ertel J.R., Hedges J.I, 1984 в приведенной ниже модификации W.Amelung, 1997).

8

9 Интеграция пиков

10 Щелочное окисление дает 11 фенолов, которые сгруппированы по их химической природе в 4 структурных семейства: - ванилиновые (V) - сирингиловые или сиреневые (S) - п-кумаровые (C) - феруловые (F) V, S, C ----альдегиды, кетоны, кислоты; F---кислоты продуктов окисления лигнина (VSC)----- общее содержание лигнина в образце

11

12 Окислительно-восстановительный режим серых оглеенных почв Окислительно-восстановительный режим (ОВП, мВ) светло-серых оглеенных осушенных и неосушенных почв. Почвы: светло-серые лесные: а – глееватая, осушенная гончарным дренажом; б – глееватая, осушенная пластмассовым дренажом; в – глееватая недренированная (контроль); г – глубокооглеенная (автоморфная).

13 Почва Горизонт, глубина, см VSC, мг/г С общ. серая на микроповышении Ар 0–30 5,80 EB 30–551,85 серая (со воторым гумусовым горизонтом) в микрозападине Ар 0–33 9,09 А 33–630,72 серая (глеевая) в ложбине А 0–32 12,49 EB g 32–544,99 * VSC – суммарное количество продуктов окисления лигнина Б р я н с к о е о п о л ь е

14 Почва Горизонт, глубина, см VSC, мг/г С общ. Темно-серая лесная А 0–10 14,60 Bt1 50–602,30 Серая лесная А 0–10 11,90 Bt2 50–60 2,60 Светло-серая лесная А 0–10 12,20 Bt2 50–60 1,20 *---- VSC – суммарное количество продуктов окисления лигнина Т у л ь с к и е З а с е к и

15 Содержание продуктов окисления лигнина (VSC), мг г-1 Сорг. в почвах изучаемых катен.

16 Деструкция лигнина, Haider, 1998

17 Продукты окисления лигнина в серых почвах

18 «Лигниновые параметры» некоторых видов растений (Ковалева, Ковалев, 2006) Примечание. VSC – суммарное количество продуктов окисления лигнина; V – ванилиновые фенолы; S – сирингиловые фенолы; C – коричные фенолы

19 «Лигниновые параметры» (КОЛОМЕНСКОЕ ОПОЛЬЕ) Примечание. V – ванилиновые фенолы; S – сирингиловые фенолы; C – коричные фенолы Светло- серая почва Лигнин, (VSC) мг/г С VSCV:S:CV:S:CS:V глубоко оглеен ная 10, :2:10,95 глееватая 11, :1:11,02

20 Т у л ь с к и е З а с е к и ПочваГоризонт, глубина, см VSC, мг/г С орг. C/V Т, % Темно- серая лесная А 0–1014,60 0,80 10,22 Bt1 50–602,30 0,55 9,20 Серая лесная А 0–1011,90 0, 73 10,72 Bt2 50–602,60 0,33 2,95

21 ПочваГоризонт, глубина, см VSC, мг/г С орг. S/VC/VC/FC/F Серая лесная глеевая А 0–32 12,49 1,500,940,83 ЕВ g׳׳׳ 32–54 4,99 2,461,491,68 Темно-серая лесная Ар 0–20 6,77 2,13 1,410,88 А 30–50 0,79 0,650,00 Серая лесная Ар 0–30 5,80 2,84 1,160,79 EB 30–55 1,85 3,095,432,39 Брянское ополье

22 Ковалева, Ковалев, 2004

23 Почва Горизонт, глубина, см VSC, мг/г С общ. Ванилиновые кислоты / ванилин Сиреневые кислоты / сиреневые альдегиды серая на микроповы шении Ар 0–30 5,80,280,37 серая (глеевая) в ложбине А 0–32 12,50,560,05 *--- VSC – суммарное количество продуктов окисления лигнина Показатели трансформации лигнина в серых лесных почвах, мг/г Собщ., (Брянское ополье)

24 Почва Горизонт, глубина, см VSC, мг/г С общ. Т, % серая на микроповышении Ар 0–305,80 9,2 EB 30–551,85 33,4 серая (со воторым гумусовым горизонтом) в микрозападине Ар 0–33 9,09 11,2 А 33–63 0,72 50,1 серая (глеевая) в ложбине А 0–3212,49 22,1 EBg 32–54 4,99 41,3 * VSC – суммарное количество продуктов окисления лигнина Показатели трансформации лигнина в серых лесных окультуренных почвах, мг/г Собщ. Б р я н с к о е о п о л ь е

25 Показатели трансформации лигнина, мг/г С общ гор. Ар серых оглеенных почв, (Коломенское ополье) * VSC – суммарное количество продуктов окисления лигнина ** Т = 74 – (100 – К)(1 + (Ac/Al)v)-1, ( Hedges J.I, Ertel J.R., 1984) где Т – % измененности боковых цепочек, (Ac/Al)v – отношение количества фенольных кислот к альдегидам в ванилиновых единицах, К – содержание кетонов в исходных растительных тканях (%ketone).

26

27 Почва (серая лесная) Масса конкреций, г/100 г почвы Глубоко оглеенная «автоморфная» 0,3 Глееватая (контроль ) 2,2

28 VSC, мг г -1 С 1-2 мм 2-3 мм 3-5 мм Глубоко оглеенная «автоморфная» 1,3 1,2 -** Глееватая 1,3 1,4 1,1 ** конкреции фракции >3 мм в почве единичны

29 Лигниновые параметры Глее ватая почва Фракция, мм VSC, мг г -1 С общ Ванили новые кислоты / ванилин (Ac/Al)v Сиреневые кислоты / сиреневые альдегиды (Ac/Al)s Измененность боковых цепочек лигнина по отношению к исходным растительны м тканям (Т,%) Мелкозем, n = 5 гор. Ар 11,9 0,190,37 5,8 Орт- штейны, n = ,2 0,651,41 20,8

30 Продукты окисления лигнина в ортштейнах серых почв, мг г -1 С

31 Показатели трансформации лигнина в ортштейнах серых лесных почв, мг/г С общ. *---- VSC – суммарное количество продуктов окисления лигнина Ортштейны серых оглеен- ных почв Фрак ция, мм VSC, мг г -1 С общ ортштейнов Ванили новые кислоты / ванилин (Ac/Al)v Сиреневые кислоты / сиреневые альдегиды (Ac/Al)s Измененность боковых цепочек лигнина по отношению к исходным растительным тканям (Т,%) Глубоко oглеенная, n = ,30 0,2 1,1 8,1 Глееватая, n = ,34 0,71,7 19, ,31 0,61,022, ,81 0,6 1,5 24,6

32 Почва (серая лесная) Масса конк- реций, г/100 г почвы VSC, мг/г С К VSC *( лигнин ) Глееватая (контроль) 2,2 1,3 1,4 1,1 0,11 0,12 0,09 * --- коэффициент концентрирования элемента или соединения в конкрециях;

33

34 Распределение углерода в молекулах гумусовых кислот серых лесных почв и конкреций (по данным ЯМР- спектроскопии), % от площади спектра Препараты гуминовых кислот из: Углерод алифатических структур, C Al Углерод аромати ческих структур, C Ar Углерод карбокси льных структур, С COOH Ароматич ность, % Ar, Ar + Al Сгк Сфк Ar = Ar___ ____ Al Alk+A lk-O С Alk С Alk-O 0-52 ppm ppm ppm ppm Глееватая почва 21,142,817,7 18,4 21,7 1,00,3 Конкреции глееватой почвы 18,116,235,5 30,2 50,9 0,51,0

35 Трансформация гидрологического режима под влиянием осушения

36 Масса ортштейнов на 100 г почвы в гор.Ар, осушенных пластмассовым и гончарным дренажом и неосушенных серых глееватых почв

37 Динамика распределения C и N (%) в ортштейнах (слой 0-10 см) серых лесных оглеенных почв. ПочваЭлемент гг. (n =6) 1996 г. (n = 6) 2007 г. ( n = 6) Ф Р А К Ц И Я, мм _ Среднее (Х) Глееватая неосушенная (контроль) С, % N, % C/N 1,75 0,15 12,0 1,73 0,15 11,7 1,60 0,14 11,5 1,68 0,14 11,9 1,66 0,14 11,7 1,55 0,14 11,3 Глееватая, осушенная гончарным дренажом С, % N, % C/N 1,62* 0,15° 10,8 1,50* 1,40° 10,7 1,43* 1,40° 10,4 1,44 0,12 12,0 1,18 0,11 11,1 1,11 0,10 11,4 1,28** 0,12** 10,2 1,00** 0,11** 10,2 0,94** 0,10** 9,5 Глееватая, осушенная пластмассовы м дренажом С, % N, % C/N 1,65* 0,14° 11,5 1,56* 0,14° 11,2 1,51* 0,14° 10,7 1,41 0,11 12,4 1,26 0,11 11,6 1,19 0,10 11,6 1,31** 0,12** 10,5 1,17** 0,12** 10,0 0,10** 0,11** 9,4 n повторность; * статистически значимое уменьшение содержания углерода к контролю при p< 0,95; ° статистически значимое уменьшение содержания азота к контролю при p< 0,80; ** статистически значимое уменьшение содержания углерода и азота по отношению к первым годам ( гг.) последействия дренажа при p< 0,95

38 Почва (серая лесная) P 2 O 5, % К P * Рподв Кр* подв. Мг/100 г Рорг Кр* орг Мг/100 г Глееватая (контроль) 0,3 0,2 0,2 1,5 1,2 1,5 = 172,4 5,2 = 33 0,7 Глееватая, осушенная дренажом 0,3 0,2 0,2 1,6 1,5 1,4 = 120 3,1 = 25 0,8 * ---- коэффициент концентрирования элемента или соединения в конкрециях;

39 Квантильное распределение показателей трансформации лигнина в ортштейнах серых почв. Глееватые почвы: а –осушенная в гг.; b –осушенная в гг. Фракции ортштейнов: 1-2 мм; 2-3 мм; 3-5 мм *----- Статистически значимое уменьшение (р < 0,01) продуктов окисления лигнина (VSC, мг г -1 С ),

40 Почвы: а –осушенная в гг.; b –осушенная в гг. Фракции ортштейнов: 1-2 мм; 2-3 мм; 3-5 мм **-----Статистически значимое увеличение отношений (р < 0,05) ванилиновые кислоты/ванилин, (ac/al)v

41 Почвы: а –осушенная в гг.; b –осушенная в гг. Фракции ортштейнов: 1-2 мм; 2-3 мм; 3-5 мм Статистически значимое увеличение отношений (р < 0,05) сиреневые кислоты/сиреневыe альдегиды (ac/al)s

42 Показатели трансформации лигнина в ортштейнах серых оглеенных почв Ортштейны серых оглеенных почв n (повтор ность) Фрак ция, мм Лигнин N Измененность боковых цепочек лигнина по отношению к исходным растительным тканям (Т,%) Глееватая, осушенная пластмассовым и гончарным дренажом в гг Глееватая, осушенная пластмассовым и гончарным дренажом в гг

43 Распределение углерода в молекулах гумусовых кислот конкреций серых лесных почв (по данным ЯМР- спектроскопии), % от площади спектра Препараты гуминовых кислот из: Углерод алифатических структур, C Al Углерод аромати ческих структур, C Ar Углерод карбокси льных структур, С COOH Аромати чность, % Ar, Ar + Al Ar = Ar_______ Al Alk+Alk-O С Alk С Alk-O 0-52 ppm ppm ppm ppm Конкреции глееватой почвы 18,116,235,530,2 50,9 1,0 Конкреции глееватой осушенной почвы 19,123,129,328,5 41,0 0,7

44 Заключение Обнаружено, что в формировании гумуса серых лесных почв принимают участие тoлько ткани покрытосеменных (лиственных и травянистых) растений. Причем пропорции лигниновых фенолов не изменились ни под влиянием распашки, ни под влиянием осушения. В пределах изучаемых катен во всех районах исследования максимум накопления фенольных соединений приходится на почвы мезопонижений с длительным господством восстановительных условий во всем профиле и почвы микрозападин, обладающих в весенний период двухъярусной верховодкой. Наиболее дренированные разности почв, приуроченные к водораздельным микроповышениям и склонам, обладают наименьшими количествами фенолов. Минерализация ароматических соединений лигнина в аэробных условиях сопровождается значительным увеличением доли фенольных кислот. Лигниновые параметры вторых гумусовых горизонтов резко отличны от характеристик современного органического вещества. Возможно, это результат их высокой устойчивости в процессах диагенеза.

45 В Fe-Mn ортштейнах серых лесных почв обнаружен лигнин высших растений. Его фракционный состав соответствует типу господствующей растительности. С увеличением размера ортштейнов количество продуктов окисления лигнина в них уменьшается за счет минерализации. Независимо от степени гидроморфизма серых лесных почв количество лигниновых продуктов в ортштейнах в 10 раз меньше, чем в мелкоземе вмещающего горизонта В ортштейнах гидроморфных почв преобладают фенольные кислоты над альдегидами. Осушение (12 лет) вызывает глубокую разрушительную трансформацию и таких, казалось бы, устойчивых соединений как лигнин в ортштейнах, особенно в крупных фракциях. * Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (грант ) и DAAD (в Байройтском университете ФРГ)

46 Спасибо за внимание!