СИНТЕЗ ГУМИНОПОДОБНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ПОВЕРХНОСТЯХ МИНЕРАЛОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ФЕРМЕНТОВ А.Г.Заварзина, Т.А.Семенова, А.М.Кузнецова, Погожев Е.Ю. - презентация

1 СИНТЕЗ ГУМИНОПОДОБНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ПОВЕРХНОСТЯХ МИНЕРАЛОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ ФЕРМЕНТОВ А.Г.Заварзина, Т.А.Семенова, А.М.Кузнецова, Погожев Е.Ю. ф-т почвоведения, МГУ им. М.В.Ломоносова

2 Взаимодействию высокомолекулярных ГВ с минералами почв должна препятствовать их низкая растворимость и миграционная способность. Cоединения-предшественники - фенолы, белки, углеводы, липиды Высокомолекулярные гуминовые вещества Адсорбция на минералах Устойчивые органо- минеральные соединения Окислительная трансформация (деградация, реполимеризация) Участие в образовании органо-минеральных комплексов растворимых низкомолекулярных соединений не объясняет высокой молекулярной массы гуминовых веществ, экстрагируемых из минеральных горизонтов почв.

3 Органическое вещество в B hf имеет значительно большую молекулярную массу, чем водорастворимые соединения, вымываемые из подстилки. Молекулярно-массовые распределения органического вещества, выделенного из горизонтов Aо и B hf подзолов

4 Образование высокомолекулярных органо-минеральных комплексов в почвах холодного гумидного климата происходит путем полимеризации растворимых органических соединений на каталитически активной поверхности почвенных минералов. Предполагается, что адсорбционная стабилизация гуминовых веществ осуществляется непосредственно в процессе их синтеза.

5 Окислительная трансформация на каталитически активной минеральной поверхности Растворимые фенольные соединения, белки, углеводы, липиды Адсорбция на минералах Устойчивые органо- минеральные соединения Органо-минеральные комплексы При адсорбции фенольных соединений на поверхности минералов происходит их концентрирование. Синтез ГВ на каталитически активной поверхности минералов термодинамически выгоден. Высокая миграционная способность водорастворимых предшественников ГВ способствует их быстрой доставке из различных объемов почвенного раствора к месту взаимодействия.

6 Задачи работы: II. Показать, что в гумусовых горизонтах почв таежной и тундровой зон Европейской части России создаются необходимые и достаточные условия для синтеза высокомолекулярного органического вещества in situ. I. В лабораторном эксперименте доказать возможность окислительной полимеризации гуминовых веществ на минеральных поверхностях.

7 Методика лабораторного эксперимента 1. Иммобилизация лакказы на минеральном носителе 3. Удаление супернатанта и замена его ацетатным буфером (рН 4.5) 4.Инкубация реакционной смеси при 30ºС в темноте (24 ч). 6. Анализ продуктов реакции методами гель- фильтрации и спектроскопии. 5.Экстракция продуктов реакции 0,05 М NaOH в N 2 атмосфере 2. Адсорбция соединений- предшественников

8 Молекулярно-массовые распределения продуктов окислительной полимеризации низкомолекулярных предшественников на поверхности глинистых минералов >75 0 0,005 0, V, ml A Al(OH)x-каолинит 0 0,005 0, V, ml A >75 Каолинит 46 >75 0 0,005 0, V, ml A Монтмориллонит 0 0,005 0, V, m l A >75 Иллит

9 Высокомолекулярная (ММ > 75 кДа) фракция не образовывалась: 1.В контроле с инактивированным ферментом (абиогенный катализ) 2. При взаимодействии фенольных и азотсодержащих соединений с лакказой в растворе в отсутствие минеральной матрицы

10 Спектры в УФ и видимой области исходной смеси фенольных соединений и продуктов их конденсации на Al(OH)x-каолините под воздействием лакказы 350 нм 290 нм 0 0,5 1 1, Длина волны, нм Оптическая плотность исходная смесь 5 часов инкубации 24 часа инкубации

11 Спектры в инфракрасной области гуминовой кислоты дерново-подзолистой почвы модельных гуминоподобных соединений

12 Данные лабораторного эксперимента подтвердили возможность полимеризации фенольных соединений на обладающей ферментативной активностью поверхности твердой фазы. Этому процессу способствуют: 1) быстрая сорбция фенольных и азотистых мономеров почвенными минералами; 2) адсорбционное концентрирование низкомолекулярных предшественников на поверхности минералов; 3) наличие иммобилизованных оксидаз. 4) наличие аморфных гидроксидов на поверхности минералов.

13 Этими условиями являются: 1)наличие растительности, служащей источником растворимых предшественников. 2) наличие твердой фазы, способной сорбировать и ферменты и органические соединения; 3)наличие продуцентов окислительных экзоферментов и высокая активность иммобилизованных оксидаз. 4)аэробные условия 5)промывной водный режим Показать, что в автоморфных почвах таежной и тундровой зон Европейской части России создаются необходимые и достаточные условия для синтеза высокомолекулярного органического вещества in situ.

14 Объекты исследования Подзол иллювиально-гумусово- железистый песчаный на водно- ледниковых песках. Сосняк-черничник (Ленинградская обл.) E (5-7) АО (0-5) Bhf (7-10) Bf (10-37) ВС (37-70) Подзол иллювиально-гумусово- железистый супесчаный на нефелиновых сиенитах.Кустарничково- лишайниковая тундра (Хибины) АО (0-9) E (9-12) Bf (12-14) Bhf (14-22) ВСf (22-42) ВС (42-50)

15 Органическое вещество в B hf имеет значительно большую молекулярную массу, чем водорастворимые соединения, вымываемые из подстилки. Молекулярно-массовые распределения органического вещества, выделенного из горизонтов Aо и B hf подзолов

16 E (5-7) Bhf (7-10) АО (0-5) Bf (10-37) ВС (37-70) Подзол (Ленинградская обл.) Физико-химические свойства почв Подзол (Хибины) АО (0-9) E (9-12) Bhf (14-22) BСf (22-42) BС (42-50)

17 Мезо- и субмикроморфологические исследования поверхности минералов в подзоле (Хибины) B hf BfBf Е

18 Оксидазная активность почв. Методы изучения. Численность микромицетов продуцентов оксидаз (тыс.КОЕ/г) – посев на агаризованные среды с АБТС. АБТС АБТС + Активность иммобилизованных оксидаз ( А 436 /мин/г) – добавление субстрата к пробам почв.

19 АО (0-5) E (5-7) Bhf (7-10) Bf (10-37) АО (0-9) E (9-12) Bhf (14-22) BСf (22-42) Подзол (Ленинградская обл.)Подзол (Хибины) Изменения численности микромицетов и оксидазной активности по профилю почв ПО – продуценты оксидаз; ФО – фенолоксидазы; ПЕР – пероксидазы.

20 Показано, что в иллювиально-железисто-гумусовых подзолах создаются условия, достаточные для реализации предложенного механизма синтеза гуминовых веществ почв. Установлено, что в горизонте B hf этих почв органическое вещество имеет молекулярные массы свыше 75 кДа, связано с аморфными соединениями Fe и Al и находится в виде пленок на поверхности невыветрелых минеральных зерен; в горизонте B hf наблюдается второй после подстилок максимум оксидазной активности. ВЫВОДЫ В модельном эксперименте доказана возможность полимеризации фенольных соединений на обладающей ферментативной активностью поверхности твердой фазы. Этому процессу способствуют: 1) адсорбционное концентрирование низкомолекулярных предшественников; 2) наличие иммобилизованных оксидаз; 3) наличие пленок аморфных гидроокислов на поверхности минералов.