С.Н.Чуков Санкт-Петербургский государственный университет Санкт-Петербургский государственный университет Цифровой образ гуминовыхвеществ. - презентация

1 С.Н.Чуков Санкт-Петербургский государственный университет Санкт-Петербургский государственный университет Цифровой образ гуминовыхвеществ

2 Кононова Мария Михайловна 110 лет со дня рождения [ , г. Оренбург , Москва].

3 Окончила биологическое отделение физико- математического факультета Среднеазиатского университета. Окончила биологическое отделение физико- математического факультета Среднеазиатского университета. Специалист-микробиолог на Ак-Кавакской опытной станции ( ), с 1932 г. и все последующее время работала в Почвенном институте им. В.В. Докучаева, заведующая лабораторией биохимии почв ( ), Специалист-микробиолог на Ак-Кавакской опытной станции ( ), с 1932 г. и все последующее время работала в Почвенном институте им. В.В. Докучаева, заведующая лабораторией биохимии почв ( ), Круг вопросов, разрабатывавшихся под руководством М.М. Кононовой, чрезвычайно широк, и включал много направлений: Круг вопросов, разрабатывавшихся под руководством М.М. Кононовой, чрезвычайно широк, и включал много направлений: - органическое вещество почвы, состав и природа входящих в него компонентов; - органическое вещество почвы, состав и природа входящих в него компонентов; - процессы трансформации растительного материала, формирование гуминовых веществ, роль в этих процессах микроорганизмов и животных; - процессы трансформации растительного материала, формирование гуминовых веществ, роль в этих процессах микроорганизмов и животных; - географические закономерности гумусообразования в типах почв; - географические закономерности гумусообразования в типах почв; - роль органического вещества в почвообразовании, выветривании минералов, питании растений, создании почвенного плодородия; - роль органического вещества в почвообразовании, выветривании минералов, питании растений, создании почвенного плодородия; - изменение органического вещества пахотных почв. - изменение органического вещества пахотных почв.

4 Лауреат премии им. В.В. Докучаева (1952), Государственной премии СССР (1968), награждена орденом Трудового Красного Знамени (1953), медалями. Лауреат премии им. В.В. Докучаева (1952), Государственной премии СССР (1968), награждена орденом Трудового Красного Знамени (1953), медалями. Почетный доктор Академии сельскохозяйственных наук в Берлине (ГДР, 1967), почетный член Международного общества почвоведов (1974). Член редколлегии журнала «Почвоведение», международного журнала «Geoderma» (1976), Центрального совета ВОП, научного совета по теоретическим проблемам почвоведения. Почетный доктор Академии сельскохозяйственных наук в Берлине (ГДР, 1967), почетный член Международного общества почвоведов (1974). Член редколлегии журнала «Почвоведение», международного журнала «Geoderma» (1976), Центрального совета ВОП, научного совета по теоретическим проблемам почвоведения. Под руководством М.М. Кононовой защищен ряд кандидатских и докторских диссертаций российскими и зарубежными исследователями. Под руководством М.М. Кононовой защищен ряд кандидатских и докторских диссертаций российскими и зарубежными исследователями. Опубликовала более 150 работ, в том числе монографии, переведенные, изданные и переизданные в ряде зарубежных стран. Опубликовала более 150 работ, в том числе монографии, переведенные, изданные и переизданные в ряде зарубежных стран. Основные труды: Основные труды: Проблема почвенного гумуса и современные задачи его изучения, (1951). Проблема почвенного гумуса и современные задачи его изучения, (1951). Органическое вещество почвы. Его природа, свойства и методы изучения. (1963). Органическое вещество почвы. Его природа, свойства и методы изучения. (1963). Гумус естественных и освоенных почв. (1975). Гумус естественных и освоенных почв. (1975).

5

6 Гуминовые вещества - уникальный природный аккумулятор энергии, созданной зелеными растениями при усвоении Солнечной радиации в процессе фотосинтеза, Гуминовые вещества - уникальный природный аккумулятор энергии, созданной зелеными растениями при усвоении Солнечной радиации в процессе фотосинтеза, Они обладают огромным биологическим потенциалом, что делает их своего рода АТФ биосферы. Они обладают огромным биологическим потенциалом, что делает их своего рода АТФ биосферы. Гумусовые вещества почвы являются своеобразным биохимическим медиатором, через который в почвенном профиле происходит контакт живого и косного материала, био и литосферы. Гумусовые вещества почвы являются своеобразным биохимическим медиатором, через который в почвенном профиле происходит контакт живого и косного материала, био и литосферы. Проблема оценки состава и свойств гуминовых веществ важна не только для почвоведения, но и для целого ряда смежных дисциплин: биологии, климатологии, геологии, географии, охраны окружающей среды и т.п. Проблема оценки состава и свойств гуминовых веществ важна не только для почвоведения, но и для целого ряда смежных дисциплин: биологии, климатологии, геологии, географии, охраны окружающей среды и т.п.

7 - гетерогенность и гетерополидисперсность гуминовых веществ; - высокая вариабельность (стохастический характер) структурных параметров и свойств; - диалектическая противоположность ряда свойств и функций.

8 -переход с "фракционно-группового" на "молекуляр- но-фрагментарный" или нанофазовый уровень; - исследование нанофазового уровня структурной организации гумусовых веществ почв in situ; - оценка параметров ароматической части, как основы молекулярного «скелета», и свободных радикалов, как основы биохимической активности гуминовых веществ; -разработка и совершенствование методов оценки важнейших экологических функций гуминовых веществ.

9 Расширилось использование современных спектроскопических методов -ЯМР и ЭПР стали использовать в несколько раз чаще. Расширилось использование современных спектроскопических методов -ЯМР и ЭПР стали использовать в несколько раз чаще. Совершенствуются методы фракционирования ГВ (амфифильность, методы дробной коагуляции и др.) Совершенствуются методы фракционирования ГВ (амфифильность, методы дробной коагуляции и др.) Развиваются и совершенствуются современные физико-химические методы (высокоэффективная жидкостная хроматографи, метод флуоресценции, конфокальная микроскопия, я и др.) Развиваются и совершенствуются современные физико-химические методы (высокоэффективная жидкостная хроматографи, метод флуоресценции, конфокальная микроскопия, я и др.)

10 Все это ставит на повестку дня необходимость развития новых методологических и методических подходов, имеющих целью создание цифрового образа ГВ и органического вещества почв в целом. Все это ставит на повестку дня необходимость развития новых методологических и методических подходов, имеющих целью создание цифрового образа ГВ и органического вещества почв в целом. В нем будет максимально стандартизованная информация о молекулярном строении и свойствах ГВ. В нем будет максимально стандартизованная информация о молекулярном строении и свойствах ГВ. Разработана унифицированая система стандартных методов, состоящая из двух основных блоков – изучения органического вещества непосредственно в почвенном образце, экстрактивно-гидролизных методов и блока оценки функциональных параметров ГВ. Разработана унифицированая система стандартных методов, состоящая из двух основных блоков – изучения органического вещества непосредственно в почвенном образце, экстрактивно-гидролизных методов и блока оценки функциональных параметров ГВ.

11

12 Цифровой образ почвы Цифровой образ органического вещества почвы Цифровой образ гумусовых веществ

13 Определение элементного состава; Определение элементного состава; Оценка структуры на основе 13 С ЯМР; Оценка структуры на основе 13 С ЯМР; Оценка молекулярных масс методом ВЭЖХ; Оценка молекулярных масс методом ВЭЖХ; Оценка биохимической активности (СР, ФГ); Оценка биохимической активности (СР, ФГ); Оценка физиологической активности (стандартный тест пока отсутствует); Оценка физиологической активности (стандартный тест пока отсутствует); ??? ???

14 Для адекватного отражения роли гуминовых веществ в глобальном цикле углерод; для корректного представления в современных имитационных моделях Должны рассматриваться все стадии эволюции соединений органического углерода: Должны рассматриваться все стадии эволюции соединений органического углерода: – от органических остатков растительности и почвенной биоты - через процесс гумификации - до максимально устойчивых гуминовых веществ с антраценовыми структурами полисопряженного типа (процесс «дальнейшей гумификации»).

15 Исследованиями на основе метода 13 С ЯМР и радиоизотопных методов показано присутствие в гуминовых кислотах т. наз. антраценовых и более крупных полисопряженных структур ( Чуков, 1995, Schulten H.R., Schnizer M. 1997; и др.). Исследованиями на основе метода 13 С ЯМР и радиоизотопных методов показано присутствие в гуминовых кислотах т. наз. антраценовых и более крупных полисопряженных структур ( Чуков, 1995, Schulten H.R., Schnizer M. 1997; и др.). В процессах окислительной полимеризации и формирования полисопряженных структур важнейшую роль играют свободные радикалы. В процессах окислительной полимеризации и формирования полисопряженных структур важнейшую роль играют свободные радикалы.

16 Участие свободных радикалов в процессах гумификации (Д.А.Князев, А.Д.Фокин, А.В.Очкин ) Модель ГК Шультена и Шнитцера (1997) 2D- структура не мыслится её авторами как индивидуальное вещество. Это всего лишь условный тип макромолекулы с нестрого определённой массой и составом. Модель ГК Шультена и Шнитцера (1997) 2D- структура не мыслится её авторами как индивидуальное вещество. Это всего лишь условный тип макромолекулы с нестрого определённой массой и составом. Это только конкретный пример класса ГК, задающий достаточно определённый спектр химических и физических свойств. Это только конкретный пример класса ГК, задающий достаточно определённый спектр химических и физических свойств.

17 Важным свойством молекулы ГК является способность сорбироваться на поверхности минеральных частиц почвы и взаимодействовать с себе подобными, образуя супра-структуры и комплексы, которые диффузионно проницаемы для малых молекул воды, и могут «набухать» или терять воду подобно синтетическим ионообменникам. Важным свойством молекулы ГК является способность сорбироваться на поверхности минеральных частиц почвы и взаимодействовать с себе подобными, образуя супра-структуры и комплексы, которые диффузионно проницаемы для малых молекул воды, и могут «набухать» или терять воду подобно синтетическим ионообменникам. Они могут, кроме того, удерживать в своём объёме аминокислотные цвиттер-ионы, полипептиды, сахариды и ряд других продуктов разложения органических остатков. Они могут, кроме того, удерживать в своём объёме аминокислотные цвиттер-ионы, полипептиды, сахариды и ряд других продуктов разложения органических остатков.

18 Трёхмерная структура ГК несовместима с традиционным предположением о чисто биохимическом происхождении ГК и ее отдельных фрагментов. Трёхмерная структура ГК несовместима с традиционным предположением о чисто биохимическом происхождении ГК и ее отдельных фрагментов. Микроорганизмы не способны к внутриклеточному формированию трёх характерных особенностей моделей типа 2D: Микроорганизмы не способны к внутриклеточному формированию трёх характерных особенностей моделей типа 2D: 1.Среди органических веществ биологической клетки нет фенантреновых группировок, а в модельной структуре их почти две: одна полностью достроенная, а вторая почти достроенная. 1.Среди органических веществ биологической клетки нет фенантреновых группировок, а в модельной структуре их почти две: одна полностью достроенная, а вторая почти достроенная. Более того, фенантреновых группировок нет и среди базовых группировок лигнина. Более того, фенантреновых группировок нет и среди базовых группировок лигнина.

19 2.В веществах органического происхождения только лигнин имеет сопряжённые кольцевые структуры со значительным числом звеньев, но кольца лигнина не содержат азота. 2D-модель имеет три сопряженных кольца, и при этом все три содержат азот. 2.В веществах органического происхождения только лигнин имеет сопряжённые кольцевые структуры со значительным числом звеньев, но кольца лигнина не содержат азота. 2D-модель имеет три сопряженных кольца, и при этом все три содержат азот. 3.Среди соединений клетки нет длинных и разветвлённых молекулярных цепей, закреплённых на кольцах, а в модели их девять, причём все они напоминают лигниновые фрагменты фульвокислот. 3.Среди соединений клетки нет длинных и разветвлённых молекулярных цепей, закреплённых на кольцах, а в модели их девять, причём все они напоминают лигниновые фрагменты фульвокислот.

20 Таким образом современные структурные модели гуминовых кислот (Шультен, Шнитцер и др.) необъяснимы с позиций биохимического происхождения ряда фрагментарных группировок молекулы ГК. Таким образом современные структурные модели гуминовых кислот (Шультен, Шнитцер и др.) необъяснимы с позиций биохимического происхождения ряда фрагментарных группировок молекулы ГК. Поэтому вполне правомерна гипотеза, согласно которой в качестве обязательных звеньев природного гумусообразования выступают свободно-радикальные реакции поликонденсации низкомолекулярных органических соединений, источниками которых может служит растительные остатки и почвенная биота, а также фульвокислоты. Поэтому вполне правомерна гипотеза, согласно которой в качестве обязательных звеньев природного гумусообразования выступают свободно-радикальные реакции поликонденсации низкомолекулярных органических соединений, источниками которых может служит растительные остатки и почвенная биота, а также фульвокислоты.

21

22 В присутствии фенолоксидаз пирокатехин (катехол) взаимодействует с аминокислотами так, что атом азота оказывается непосредственно связан с углеродным атомом кольца. Происходит окисление фенола до хинона, дезаминирование и декарбоксилирование второй молекулы аминокислоты : Аминофенолы в присутствии окислителей конденсируются в полимерные структуры или образуют производные феназина. Примером может служить конденсация 4-амино-катехола:

23 Различные природные источники свободных гидроксильных радикалов (образование в тропосфере и выпадение с атмосферными осадками, продуцирование почвенными прокариотами и др.) с избытком в несколько порядков обеспечивают возможность протекания свободно-радикальной конденсации органических веществ с образованием ГК в педосфере Земли. Различные природные источники свободных гидроксильных радикалов (образование в тропосфере и выпадение с атмосферными осадками, продуцирование почвенными прокариотами и др.) с избытком в несколько порядков обеспечивают возможность протекания свободно-радикальной конденсации органических веществ с образованием ГК в педосфере Земли. Таким образом подтверждается изложенная выше общая эволюционная схема трансформации органических остатков биологического происхождения на Земле с образованием устойчивых продуктов (гумусовые вещества, торфа, угли). Таким образом подтверждается изложенная выше общая эволюционная схема трансформации органических остатков биологического происхождения на Земле с образованием устойчивых продуктов (гумусовые вещества, торфа, угли).

24 Орлов Д.С., Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. – М.: Изд-во МГУ, 1990

25 Орлов Д.С., Чуков С.Н. Гуминовые кислоты: функции и особенности строения. // Сб. тезисов IV съезда Докучаевского общества почвоведов, Новосибирск, 2004, т. 1. С. 323.

26 Спасибо за внимание!