Введение 3
1. Литературный обзор 4
1.1. Общие положения о почвенном органическом веществе 4
1.2. Современная классификация гуминовых веществ 5
1.3. Недостатки метода щелочного извлечения гуминовых веществ 6
1.4. Компонентный состав почвенного органического вещества 8
2. Объекты и методы исследования 14
2.1 Объекты исследования 14
2.2. Методы исследования 21
3. Результаты и обсуждение 24
4. Выводы 35
Список литературных источников 36
Приложение 45
Почвенное органическое вещество (ПОВ) — многокомпонентный, гетерогенный и полифункциональный континуум отдельных частиц и ансамблей биомолекул частично и полностью трансформировавшихся остатков биоты, которые отличаются по размеру, массе, химической структуре, возрасту, питательной ценности и доступности микроорганизмам, имеют разную природу и прочность внутренних и внешних химических связей, характеризуются объемной конфигурацией и пространственной неравномерностью расположения в конгломерате минеральных частиц (Семёнов, Когут, 2015).
Несмотря на столь долгую историю исследований и технологические достижения, многие вопросы, связанные с генезисом и химическим составом органических соединений в почве, остаются актуальными до сих пор (Орлов и др., 1996). Как справедливо заметила М.М. Кононова, исследователи ПОВ неоднократно пересматривают даже основные положения, касающиеся гумусовых веществ, а именно самого факта их существования и путей образования (Кононова, 1963).
Традиционно гуминовые вещества (ГВ) извлекаются из почвы с использованием щелочных растворов. Проблема заключается в том, что повсеместно распространенный метод щелочного выделения ГВ не позволяет отделить специфические и неспецифические органические вещества друг от друга (Kleber, Lehmann, 2019). В связи с этим выбранная тема является как никогда актуальной.
Для совершенствования метода извлечения ГВ в рамках данного исследования предлагается новый подход, позволяющий извлекать часть индивидуальных органических соединений из почв, а также специфические соединения, в том числе и ГВ, с помощью органических растворителей.
Цель исследования — охарактеризовать качественный состав органического вещества почв, которые сформировались в различных биотопах.
Для осуществления данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Разработать и опробовать методологию извлечения неспецифических и специфических органических соединений из почв, описать возможный компонентный состав ПОВ.
2. Выделить и определить в составе почвенного органического вещества содержание фотосинтетических пигментов, гломалинов, гуминовых веществ, липидов.
3. Сравнить качественный состав ПОВ почв различных биотопов.
1. Из почвенного органического вещества последовательно были выделены фотосинтетические пигменты (хлорофиллы а, Ъ, с1+с2, феофитин а, каротиноиды), белки (предположительно, гломалины), гуминовые вещества (предположительно, связанные с несиликатными полуторными оксидами и кальцием) и липиды.
2. Наибольшее количество всех фотосинтетических пигментов было обнаружено в горизонте AY бурозема.
3. Показано, что при выделении гуминовых веществ в соответствии с новым способом, их содержание в ПОВ составляло менее 10 %.
4. Липиды и гломалины суммарно могут составлять более половины ПОВ. Причем содержание как липидов, так и гуминовых веществ возрастало с увеличением уровня влагообеспеченности территории.
5. Выявлено, что содержание гуминовых веществ было наибольшим в перегнойно-темногумусовой почве, испытывающей переувлажнение в результате воздействия на нее комплекса почвообразующих факторов.
1. Агроклиматический справочник по Крымской области. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1959, 135 с.
2. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для вузов. СПб.: СПбЛТА, 1999, 628 с.
3. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л.: Наука, 1980, 287 с.
4. Багрова С.М., Бронникова М.А., Власов О.П., Глазунов Г.П., Голеусов П.В.,
Григорьева Т.М., Гунова В.Н., Золотухин Н.И., Коркка М.А., Лукин С.В., Л.В. Непочатых, Пономаренко Е.В., Пушкина П.Р., Русаков А.В., Рыжков О.В., Рыжкова Г.А., Седов С.Н., Симакова А.Н., Соловиченко В.Д., Сычева С.А., Филатова Т.Д., Хитров Н.Б., Хохлова О.С., Чевердин Ю.И., Чендев Ю.Г., Шеремецкая Е.Д. Путеводитель научных полевых экскурсий VII съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева и Всероссийской с зарубежным участием научной конференции
«Почвоведение - продовольственной и экологической безопасности страны»
(Белгород, 15-22 августа 2016 г.). Под ред. Ю.Г. Чендева. Москва-Белгород: ИД «Белгород» НИУ «БелГУ», 2016, 122 с.
5. Белозерская Т.А. Гидрофобины грибов: структура и функции // Микология и фитопатология, 2001. Т. 35. № 1. С. 3-11.
6. Берёзов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия: Учебник / 3-е изд., перераб. и доп. М.: Медицина, 1998, 704 с.
7. Бирюкова О.Н., Орлов Д.С. О содержании хлорофилла в современных и погребенных почвах в ископаемых почвах и ископаемых осадках // Известия АН СССР. Биол. науки, 1978. № 6. С. 119-122.
8. Богородская Л.И., Конторович А.Э., Ларичев А.И. Кероген: методы изучения, геохимическая интерпретация. Новосибирск, Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2005, 254 с.
9. Бриттон Г. Биохимия природных пигментов / Пер. с англ. М.: Мир, 1986, 422 с.
10. Бушнев Д.А., Бурдельная Н.С. Химическая структура керогена // Вестник института геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, 2010. № 9. Т. 189. С. 36-37.
11. Вильямс В.Р. Рецензия на диссертацию П.Р. Слёзкина «Этюды о гумусе» // Собрание сочинений. В двух томах. Т. 1. М.: Сельхозгиз, 1949. С. 238-253.
12. Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении. Учебник. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1972, 320 с.
13. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований): Учебник для студентов / Изд-е 5-е, перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1985, 351 с.
14. Завгородняя Ю.А. Сравнительная характеристика гуминовых кислот и грибных меланинов. Автореф. дисс. канд. биол. наук. М.: МГУ, 2000, 22 с.
15. Звягинцев Д.Г., Мирчинк Т.Г. О природе гуминовых кислот почв // Почвоведение, 1986. № 5. С. 68-75.
16. Ковалев И.В. Биохимия лигнина в почвах. Автореф. дис. д. с.-х. наук. М., 2015, 50 с.
17. Козырев Ф.Н. Почвенный хлорофилл как индикатор переувлажнения почвы // Доклады ВАСХНИЛ, 1991. № 5. С. 30-33.
18. Колесников Б.А., Ларионов И.В., Шамцян М.М. Получение поверхностно-активных белков из глубинной культуры гриба Trichoderma viride // Известия С.-Петерб. гос. технологич. ин-та (технич. ун-та), 2014. № 25. С. 47-50.
19. Кононова М.М. Органическое вещество почвы, его природа, свойства и методы изучения. М.: Изд-во АН СССР, 1963, 314 с.
20. Лактионов Н.И. Гумус как природное коллоидное поверхностно-активное вещество. Харьков, 1978, 25 с.
21. Лиштван И.И., Круглицкий Н.Н., Третинник В.Ю. Физико-химическая механика гуминовых веществ. Минск: Наука и техника, 1976, 262 с.
22. Лях С.П., Рубан Е.Л. Микробные меланины. М.: Наука, 1972, 185 с.
23. Макарычев С.В. Теплофизические свойства каштановых почв Кулундинской степи // Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 2016. № 3. С. 54-58.
24. Милановский Е.Ю. Амфифильные компоненты гумусовых веществ почвы // Почвоведение, 2000. № 6. С. 706-715.
25. Милановский Е.Ю., Шеин Е.В., Степанов А.А. Лиофильно-лиофобные свойства органического вещества и структуры почвы // Почвоведение, 1993. № 6. С. 122-126.
26. Мишустин Е.Н., Драгунов С.С., Путинская О.И. Роль микроорганизмов в синтезе перегнойных соединений // Известия АН СССР, 1956. № 6. С. 83-94.
27. Никифоров А. Р., Костенко И. В. Почва и растительность карстовой воронки западного отрога плато Ай-Петри в Горном Крыму // Экосистемы, 2019. № 19. С. 54-60.
28. Олешко В.П., Гаркуша А.А., Пургин Д.В., Кравченко В.И. Продуктивность и экономическая эффективность зернопарового севооборота в Кулундинской степи в зависимости от агротехнологий // Земледелие, 2016. № 7. С. 27-30.
29. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990, 325 с.
30. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: Изд-во МГУ, 1985, 376 с.
31. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. М.: Наука, 1996, 254 с.
32. Орлова О.В., Фомичева Т.Н. Технология лаков и красок: Учебник для техникумов. М.: Химия, 1990, 384 с.
33. Паников Н.С., Садовникова Л.К., Фридланд Е.Н. Неспецифические соединения почвенного гумуса. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984, 144 с.
34. Попов А.И. Гуминовые вещества: свойства, строение, образование. Под ред. Е.И. Ермакова. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2004, 248 с.
35. Попов А.И., Сун Гэ Гломалин — новая характеристика состояния агропочв? // Агроэкологический вестник. Вып. 8: Междунар. сб. науч. трудов. В двух частях Ч. 2. Воронеж: ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ, 2018. С. 51-56.
36. Попов А.И., Чертов О.Г. Биогеоценотическая роль органического вещества почв // Вестник С.-Петерб. ун-та, 1996. № 2. С. 88-97.
37. Попов А.И., Сазанова Е.В., Холостов Г.Д., Бирилко Д.А. Поправки к некоторым показателям гумусового состояния почв // Гуминовые вещества в биосфере / Материалы 7-й Всерос. науч. конф. с междунар. участием, посвящённой 90-летию со дня рождения профессора Д.С. Орлова, и 3-й Междунар. науч. школы «Методы оценки биологической активности гуминовых продуктов (Москва, 4-8 декабря 2018 г.). М.: МАКС ПРЕСС, 2018. С. 27-28.
38. Попов А.И., Коноплина Л.Ю., Комолкина Н.А., Прилепа С.В., Сазанова Е.В., Холостов Г.Д. Компонентный состав почвенного органического вещества // The Scientific Heritage, 2021. № 65. С. 11-19.
39. Розенцвет О.А., Федосеева Е.В, Терехова В.А. Липидные биомаркеры в экологической оценке почвенной биоты: анализ жирных кислот // Успехи современной биологии, 2019. Т. 139. № 2. С. 1-17.
40. Саиз-Гименез С., Мартин Ф. Химическая структура гумусоподобного пигмента // Известия АН СССР, 1979. № 1. С. 59-64.
41. Семёнов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015, 233 с.
42. Семёнов В.М., Лебедева Т.Н., Паутова Н.Б. Дисперсное органическое вещество в необрабатываемых и пахотных почвах // Почвоведение, 2019. № 4. С. 440-450.
43. Слесарев В.И. Химия: Основы химии живого: Учебник для вузов / 2-е изд., испр. и доп. СПб: Химиздат, 2001, 784 с.
44. Трусов А.Г. Материалы к изучению почвенного гумуса / Часть 1-я. Процессы образования «гуминовой кислоты». Экспериментальное исследование. Петроград: Типография М.М. Стасюлевича, 1917, 210 с.
45. Туев Н.В. Микробиологические процессы гумусообразования. М.: Агропромиздат, 1989, 239 с.
46. Хьюз Р. Гликопротеины / Пер. с англ. М.: Мир, 1985, 140 c.
47. Чендев Ю.Г., Соэр Т.Д., Геннадиев А.Н., Новых Л.Л., Петин А.Н., Петина В.И., Заздравных Е.А., Буррас С.Л. Накопление органического углерода в черноземах (моллисолях) под полезащитными лесными насаждениями в России и США // Почвоведение, 2015. № 1. С. 49-60.
48. Черников В.А., Кончиц В.А. Сравнение показателей цветности (Q4/6 и А) растворов гуминовых веществ дерново-подзолистых почв и краснозёма // Доклады Моск. с.-х. акад. им. К.Д. Тимирязева, 1972. № 176. С. 45-49.
49. Чернов Д.В., Федорос Е.И., Попов А.И. Содержание хлорофиллоподобных соединений в профилях почв различной степени гидроморфизма // Гумус и почвообразование / Сб. научн. трудов С.-Петерб. гос. аграрн. ун-та. СПб., 2000. С. 56¬63.
50. Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедев И.И., Герасимова М.И. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004, 342 с.
51. Beale S.I. Enzymes of chlorophyll biosynthesis // Photosynth Res., 1999. V. 60. Is 1. P. 43- УЗ.
52. Bedini S., Pellegrino E., Avio L., Pellegrini S., Bazzoffi P., Argese E., Giovannetti M. Changes in soil aggregation and glomalin-related soil protein content as affected by the arbuscular mycorrhizal fungal species Glomus mosseae and Glomus intraradices //SoilBiology and Biochemistry, 2009. V. 41. Is. 7. P. 1491-1496.
53. Boguta P., Sokolowska Z. Influence of phosphate ions on buffer capacity of soil humic acids // International Agrophysics, 2012. V. 26. No. 1. P. 7-14.
54. Castle S.C., Morrison C.D., Barger N.N. Extraction of chlorophyll a from biological soil crusts: A comparison of solvents for spectrophotometric determination // Soil Biology & Biochemistry, 2011. V. 43. P. 853-856.
55. Coelho R.R.R., Sacramento D.R., Linhares L.F. Amino sugars in fungal melanins and soil humic acids // European J. Soil Sci, 1997. V. 48. P. 425-429.
56. de Smith M.J. Statistical Analysis Handbook. A Comprehensive Handbook of Statistical Concepts, Techniques and Software Tools. Edinburgh: The Winchelsea Press, Drumlin Security Ltd., 2018, 638 p.
57. Engebretson R.R., Von Wandruszka R. The effect of molecular size on humic acid associations // Organic Geochemistry, 1997. V. 26. Is. 11-12. P. 759-767.
58. Epstein E.A., Chapman M.R. Polymerizing the fi bre between bacteria and host cells: the biogenesis of functional amyloid fi bres // Cellular Microbiology, 2008. V. 10. P. 1413-1420.
59. Fasurova N., Pospisilova L. Spectroscopic Characteristics of Humates Isolated from Different Soils // Soil & Water Res, 2011. V. 6. Is. 3. P. 147-152.
60. Flaig W. Organic compounds in soil // Soil. Sci.,1971. V. 111. Is. 1. P. 19-33.
61. Haile-Mariam S., Collins H.P., Wright S., Paul E.A. Fractionation and long-term laboratory incubation to measure soil organic matter dynamics // Soil Sci. Soc. Am. J., 2008. V. 72. P. 370-378.
62. Hayes M.H.B. Solvent systems for the isolation of organic components from soils // Soil Sci. Soc. Am. J., 2006. V. 70. P. 986-994.
63. Hayes M.H.B., Clapp C.E. Humic substances: considerations of compositions, aspects of structure, and environmental influences // Soil Sci., 2001. V. 166 P. 723-737.
64. Hoyt P.B. Chlorophyll-type compounds in soil. II. Their decomposition // Plant and Soil, 1966. V. 25. P. 313-328.
65. Hoyt P. Fate of chlorophyll in soil // Soil Science, 1971. V. 111. Is. 1. Р. 49-53.
66. Kleber M., Lehmann J. Humic Substances Extracted by Alkali Are Invalid Proxies for the Dynamics and Functions of Organic Matter in Terrestrial and Aquatic Ecosystems // Journal of Environmental Quality, 2019. V. 48. Is. 2. P. 207-216.
67. Liang C., Cheng G., Wixon D.L., Balser T.C. An absorbing Markov Chain approach to understanding the microbial role in soil carbon stabilization // Biogeochemistry, 2011. V. 106. P. 303-309.
68. MacCarthy P. The principles of humic substances // Soil Science, 2001. V. 166. Is.11. P. 738-751.
69. Miller R.M., Reinhardt, D.R., Jastrow J.D. External hyphal production of vesicular- arbuscular mycorrhizal fungi in pasture and tallgrass prairie communities // Oecologia, 1995. V. 103. P. 17-23.
70. Milori D.M.B.P., Martin-Neto L., Bayer C., Mielniczuk J., Bagnato V.S. Humification degree of soil humic acid determined by fluorescence spectroscopy // Soil Science, 2002. V. 167. P. 739-749.
71. Nichols K.A. Characterization of glomalin, a glycoprotein produced by arbuscular mycorrhizal fungi / Dissertation ... for the degree of Doctor of Philosophy, 2003, 285 c.
72. Nichols K.A., Wright S.F. Comparison of gloialin and humic acid in eight native U.S. soils // Soil Science, 2005. V. 170. Is. 12. P. 985-997.
73. Olk D.C., Gregorich E.G. Overview of the symposium proceedings. Meaningful pools in determining soil carbon and nitrogen dynamics. // Soil Sci. Soc. Am. J., 2006. V. 70. P. 967-974.
74. Peacock A.D., Mullen M.D., Ringelberg D.B. Soil microbial community responses to dairy manure or ammonium nitrate applications // Soil Biol. & Biochem, 2001. №33. P. 1011-1019.
75. Pennanen T Microbial communities in boreal coniferous forest humus exposed to heavy metals and changes in soil pH — a summary of the use of phospholipid fatty acids. Biolog (R) and Н-3-thymidine incorporation methods in field studies // Geoderma, 2001. № 100. P. 91-126.
76. Piccolo A. The Supramolecular structure of humic substances. A novel understanding of humus chemistry and implications in soil science // Advances in Agronomy, 2002. V. 75. P. 57-134.
77. Piccolo A., Conte P., Cozzolino A. Chromatographic and Spectrophotometric Properties of Dissolved HS Compared with Macromolecular Polymers // Soil Sci, 2001. V. 166. No. 3. P. 174-185.
78. Rillig M.C. Arbuscular mycorrhizae, glomalin and soil quality // Canadian Journal of Soil Science, 2004. V. 84. P. 355-363.
79. Rillig M.C., Caldwell B.A., Wosten H.A.B., Sollins P. Role of proteins in soil carbon and nitrogen storage: controls on persistence // Biogeochemistry, 2007. V. 85. P. 25-44.
80. Ritchie R. Consistent sets of spectrophotometric chlorophyll equations for acetone, methanol and ethanol solvents // Photosynthesis Research, 2006. V. 89. P. 27-41.
81. Roca M, Chen K, Pdrez-Galvez A. Chapter 6: Chlorophylls // Handbook on Natural Pigments in Food and Beverages: Industrial Applications for Improving Food Color. Eds: R. Carle, R. Schweiggert. Woodhead Publishing (Elsevier), 2016. P. 125-158.
82. Sanger J.E. Identification and quantitative determination of plant pigment in soil humus // Ecology, 1971. V. 52. Is. 6. P. 959-963.
83. Schnitzer M. Humus Substances: Chemistry and Reactions // Soil Organic Matter. Eds. M. Schnitzer and S.U. Khan. Development of Soil Sci. Ottawa, 1978. No. 8. P. 1-64.
84. Simonart P., Mayaudon, J., Batistic, L. Etude de la ddcomposition de la matiere organique dans le sol au moyen de carbone radioactif. IV. Ddcomposition des pigments foliaires // Plant and soil, 1959. V. 11. P. 176-80.
85. Simpson A.J., Simpson M.J., Smith E., Kelleher B.P. Microbially derived inputs to soil organic matter: Are current estimates too low? // Environmental Science and Technol, 2007. V. 41. P. 8070-8076.
86. Stahl W., Sies H. Antioxidant activity of carotenoids // Molecular Aspects of Medicine, 2003. V. 24. P. 345-351.
87. Steinberg P.D., Rillig M.C. Differential decomposition of arbuscular mycorrhizal fungal hyphae and glomalins // Soil Biol. Biochem, 2003.V. 35. P. 191-94.
88. Sumanta N., Haque C.I., Nishika J., Suprakash R. Spectrophotometric Analysis of Chlorophylls and Carotenoids from Commonly Grown Fern Species by Using Various Extracting Solvents // Research Journal of Chemical Sciences. 2014. V. 4. Is. 9. P. 63-69.
89. Sun T., Tadmor Y., Li L. Pathways for Carotenoid Biosynthesis, Degradation, and Storage // Plant and Food Carotenoids. Methods in Molecular Biology. Eds M. Rodriguez-Concepcion and R. Welsch. New York, NY: Humana, 2020. V. 2083 P. 3-23.
90. Sutton R., Sposito G. Molecular structure in soil humic substances: the new view // Environmental Science and Technol, 2005. V. 39. P. 9009-9015.
91. Tombacz E., Rice J.A. Changes of Colloidal State in Aqueous Systems of Humic Acids // Understanding HS. Advanced Methods, Properties and Applications. Edited by E.A. Ghabbour and G. Davies. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 1999. P. 69-78.
92. Vallentyne J.R. Sedimentary chlorophyll determination as a paleobotanical method // Can. J. Bot, 1955. V. 33. P. 304-313.
93. von Wandruszka R. The Micellar Model of Humic Acid: Evidence From Pyrene Fluorescence Measurements // Soil Sci, 1998. V. 163. No. 12. P. 921-930.
94. von Wandruszka R. Humic acids: Their detergent qualities and potential uses in pollution remediation // Geochem Trans, 2000. V. 1. 10 p.
95. von Wandruszka R. Schimpf M., Hill M., Engebretson R. Characterization of humic acid size fractions by SEC and MALS // Org. Geochem, 1999. V. 30. No. 4. P. 229-235.
96. Walter M.H., Stauder R., Tissier A. Evolution of root-specific carotenoid precursor pathways for apocarotenoid signal biogenesis // Plant Sci, 2015. V. 233. P. 1-10.
97. White D.C., Ringelberg D.B. Signature lipid biomarker analysis // Techniques in microbial ecology / Eds R.S. Bur- lagc, R. Atlas, D. Stahl, G. Geesey, G. Sayler. N.Y.: Oxford Univ. Press, 1998. P. 255-272.
98. Wright S.F., Franke-Snyder M., Morton J.B., Upadhyaya A. Time-course study and partial characterization of a protein on hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi during active colonization of roots // Plant Soil, 1996. V. 181. Is. 2. P. 193-203.
99. Wright S.F., Upadhyaya A. A survey of soils for aggregate stability and glomalin, a glycoprotein produced by hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi // Plant and soil, 1998. V. 198. No. 1. P. 97-107.
100. Xiao W., Feng S., Liu Z., Su Y., Zhang Y., He X. Interactions of soil particulate organic matter chemistry and microbial community composition mediating carbon mineralization in karst soils // Soil Biol. Biochem, 2017. V. 107. P. 85-93.
101. Yilmaz C., Gokmen V. Chlorophyll // Encyclopedia of Food and Health, 2016. V. 2. P. 37-41.
102. Zapata M., Garrido J.L., Jeffrey S.W. Chlorophyll c Pigments: Current Status. In: Grimm B., Porra R.J., Rudiger W., Scheer H. (eds) Chlorophylls and Bacteriochlorophylls. Advances in Photosynthesis and Respiration. Dordrecht: Springer, 2006. V. 25.