БИОХИМИЯ ЛИГНИНА В ПОЧВАХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПЕРЕУВЛАЖНЕНИЯ

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.

Объект исследования: Коломенское ополье (Московская обл.)

Брянское ополье

Брянское ополье

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‘‘‘ (95-125 cm) – BCg‘‘‘(125-140 cm).
Профиль этих почв имеет мраморовидную окраску иллювиальных горизонтов (особенно гор B2g’’), большое количество ортштейнов в гор.
Ар и ЕВ и серо-голубые кутаны.

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).

Интеграция пиков

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

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“).

*------- VSC – суммарное количество продуктов окисления лигнина
Б р я н с к о е о п о л ь е

*---- VSC – суммарное количество продуктов окисления лигнина
Т у л ь с к и е З а с е к и

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

Деструкция лигнина,
Haider, 1998

Продукты окисления лигнина в серых почвах

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

«Лигниновые параметры»
(КОЛОМЕНСКОЕ ОПОЛЬЕ)
Примечание. V – ванилиновые фенолы;
S – сирингиловые фенолы;
C – коричные фенолы

Т у л ь с к и е З а с е к и

Брянское ополье

Ковалева, Ковалев, 2004

*--- VSC – суммарное количество продуктов окисления лигнина
Показатели трансформации лигнина в серых лесных почвах,
мг/г Собщ., (Брянское ополье)

*----------- 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

Показатели трансформации лигнина, мг/г Собщ
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).

** ----------- конкреции фракции >3 мм в почве единичны

“Лигниновые” параметры

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

Показатели трансформации лигнина в ортштейнах серых лесных почв, мг/г Собщ.
*---- VSC – суммарное количество продуктов окисления лигнина

* --- коэффициент концентрирования элемента или соединения в конкрециях;

Распределение углерода в молекулах гумусовых кислот серых лесных почв и конкреций (по данным ЯМР- спектроскопии), % от площади спектра

Трансформация гидрологического режима под влиянием осушения

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

Динамика распределения C и N (%) в ортштейнах (слой 0-10 см) серых лесных оглеенных почв.
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 (1989-1992 гг.) последействия дренажа при p< 0,95

* ---- коэффициент концентрирования элемента или соединения в конкрециях;

Квантильное распределение показателей трансформации лигнина
в ортштейнах серых почв.
Глееватые почвы: а –осушенная в 1989-92 гг.; b –осушенная в 1999-2000 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),

Почвы: а –осушенная в 1989-92 гг.; b –осушенная в 1999-2000 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

Почвы: а –осушенная в 1989-92 гг.; b –осушенная в 1999-2000 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

Показатели трансформации лигнина в ортштейнах серых оглеенных почв

Распределение углерода в молекулах гумусовых кислот конкреций серых лесных почв (по данным ЯМР- спектроскопии), % от площади спектра

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.

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 04-04-49727) и DAAD (в Байройтском университете ФРГ)