Исследования в области трансформации

14.09.2012

Проблема органического вещества в почвах и наземных экосистемах всегда оставалась в центре внимания почвоведов, агрономов, экологов, так как процессы, происходящие с ним, лежат в основе функционирования экосистем.
Можно выделить несколько наиболее важных и одновременно недостаточно исследованных аспектов, при изучении которых метод изотопных индикаторов открывает принципиально новые возможности. Рассмотрим основные из них.
Включение углерода органических остатков в состав гумусовых веществ почвы, соотношение между минерализацией и гумификацией. Данные вопросы невозможно корректно решить без использования изотопно-индикаторного метода, поскольку в эксперименте необходимо отличать углерод органических остатков, поступивший в почву в определенный период (например, в составе годового растительного опада или заданной нормы органических удобрений), от углерода, накопившегося в почве в составе гумусовых веществ. Причем количество «почвенного» углерода на 1-2 порядка превосходит количество углерода, ежегодно поступающего в почву в составе растительных Остатков или органических удобрений. В связи с этим в качестве традиционных подходов изучения первичных продуктов гумификации и масштабов включения углерода растительных остатков в состав гумусовых веществ использовались или лабораторные опыты с гумификацией органических остатков вне почвы, на безгумусном субстрате, или опыты на почвах с «ударными» дозами органических остатков, в десятки раз превосходящими реально возможные дозы.
Эти подходы позволили получить некоторую полезную информацию направленности процессов в зависимости от внешних условий: влажности, кислотности, состава минерального субстрата и др. Однако их количественная сторона, в частности соотношение между минерализацией и гумификацией, оставалась нераскрытой, поскольку микробиологические условия в опытах без почвы или с экстремально высокими дозами органических остатков существенно отличались от реально существующих как в природных, так и в сельскохозяйственных экосистемах.
Для решения этих задач в первую очередь необходимо получить изотопно-меченые растительные остатки или органические удобрения. Чаще всего для этой цели используют фитомассу, выращенную в специальных камерах в газовой среде, содержащей 14СО2.
Мечение биомассы происходит в процессе фотосинтетической ассимиляции. При этом важно, чтобы на продолжении всей экспозиции в камере поддерживалась определения удельная активность углерода, т.е. стабильное соотношение 14C : 12C. В этом случае удается получить тотально меченную растительную массу, в которой 14С будет содержаться во всех органических соединениях растительных остатков - клетчатке, белках, лигнине, низкомолекулярных органических соединениях, причем удельная активность всех перечисленных соединений будет одинакова. Так могут быть получены растительные остатки, как корней, так и надземных органов культурных и дикорастущих растений.
При введении стабильного азота через корни в составе какой-либо формы минерального удобрения были получены растительные остатки с двойной меткой - 14С и 15N. Они могут быть использованы для изучения потоков углерода И азота в процессах их разложения в почвах.
Меченые органические удобрения были получены зачастую путем скармливания сельскохозяйственным животным кормов, содержащих в своем составе углеродную или азотную метку.
Полученные изотопно-меченые органические остатки или удобрения вносят в почву и изучают временную динамику минерализации и включения углерода в состав гумусовых веществ. Наиболее просто можно оценить минерализационные потери углерода по уменьшению удельной активности образца почвы. Для оценки включения 14С в состав гумусовых веществ необходимо препаративное выделение собственно гумусовых веществ и отделение их от соединений негумусовой природы, что представляет собой непростую задачу, пути решения которой в данном учебнике не рассматриваются.
В случае работы с органическими остатками, содержащими меченный 15N азот, изучают распределение метки по различным пулам минерального и почвенного органического азота, включая пул азота в составе гумусовых веществ.
В качестве примера на рис. 9.5 показаны кривые минерализации и включения продуктов разложения меченных 14С растительных остатков в состав гумуса в условиях естественных лесных экосистем. В этом случае были использованы растительные остатки, поступающие на поверхность в составе наземного опада (хвоя и листья), а также корневые растительные остатки, внесенные локально на разную глубину.

Из рис. 9.5 видно, что минерализация тотально меченных растительных остатков в первом приближении подчиняется экспоненциальному закону

где аt - удельная активность почвы через заданный промежуток времени t; аo - удельная активность образца почвы в начале эксперимента: β - постоянная минерализации, характеризующая долю минерализовавшегося вещества за один год.
Следует заметить, что представленная закономерность проявляется при шаге опробования в один год. Каждый год Отличается своими закономерностями, связанными с сезонной динамикой условий разложения.
По значениям β было рассчитано время минерализации в конкретных условиях растительных остатков на 95%, т. е. время практически полного их разложения, которое составило в зависимости от качественных характеристик растительных остатков и условий разложения период от 5-6 лет (листья и корни травянистых растений в лесной подстилке) до 15 лет (корни травянистых растений на глубине 40 см).
Величина включения углерода в состав гумусовых веществ за четырехлетний период наблюдения (коэффициент гумификации) колебалась в зависимости от условий от 7-10% (в лесной подстилке) до 50% на глубине 20-40 см в условиях повышенного увлажнения в подзолистой тяжелосуглинистой почве.
С помощью изотопно-индикаторного метода было установлено, что углерод из продуктов разложения органических остатков включается одновременно во все фракции и группы гумусовых веществ, и прежде всего - в две главные группы - фульвокислоты и гуминовые кислоты. При этом метку обнаруживали на первых этапах взаимодействия только в составе алифатических периферических фрагментов гумусовых молекул, и лишь спустя годы от начала взаимодействия метка включалась в состав ядерных конденсированных ароматических фрагментов гумуса. Данная информация привела к развитию идеи «фрагментарного обновления» углерода в составе гумусовых молекул.
Было установлено также, что средние скорости обновления углерода и азота в составе гумусовых молекул различаются приблизительно на порядок. Характерные временные промежутки обновления для углерода в условиях пахотной дерново-подзолистой почвы составляли около 100 лет, для азота - около 10 лет.
В отдельных экспериментах изучена также скорость минерализации меченных по углероду гумусоподобных веществ, сорбированных на глинистых минералах, которая оказалась как минимум на два порядка меньше скорости минерализации растительных остатков.
Исследование биохимических аспектов гумусообразования. Несмотря на определенные усилия, предпринимаемые в данном направлении в течение более 100 лет, проблема продолжает оставаться нерешенной. Современное видение задачи предполагает изучение последовательных микробиологических и физико-химических превращений основных компонентов растительных остатков: лигнина, клетчатки, белков, Сахаров, низкомолекулярных гетероциклических азотсодержащих продуктов и других групп биоорганических соединений, приводящих к первичному включению продуктов трансформации в состав гумусовых молекул, а также исследование внутримолекулярных превращений отдельных фрагментов в гумусовых молекулах.
В принципе, данная задача аналогична исследованию биохимических циклов отдельных соединений в живых организмах, но намного сложнее по выполнению. Во-первых, для этой цели необходимо проведение исследований не с тотально меченной растительной массой, а с селективно меченной, в составе которой метка будет исходно находиться только в виде одного конкретного соединения. Получение такого материала возможно разными способами, например за счет изотопного обмена в случае низкомолекулярных растворимых соединений.
Во-вторых, существенные затруднения вызваны необходимостью работы с очень сложной многокомпонентной системой органических веществ, содержащей множество органических продуктов растительного и микробного происхождения, связанных различными взаимодействиями.
Реально решаемая задача на сегодняшний день может быть сведена к оценке минерализационной и гумификационной составляющих для отдельных конкретных соединений. Такай оценка была сделана для глюкозы, глицина, урацила. α-кетоглутаровоЙ кислоты, лигнина в дерново-подзолистой почве и черноземе. Она показала существование принципиальных различий в поведении и гумификации данных веществ в условиях двух названных почв. В частности, в дерново-подзолистых почвах обнаружилась явная тенденция к микробиологической деструкции полимерных соединений типа лигнина, поступающих в лесную подстилку, с последующим включением образующихся низкомолекулярных миграционноспособных продуктов в состав гумусовых веществ по всему почвенному профилю. В черноземах происходит очень быстрая и практически полная минерализация низкомолекулярных соединений, а в состав гумуса включаются полимерные структуры органических остатков in situ, т. е. без существенных миграционных перемещений по почвенному профилю.
Минерально-гумусовые взаимодействия и миграция образующихся соединений в почвенном профиле составляют основу формирования любой почвы. Они приводят к формированию двух диаметрально противоположных типов веществ, составляющих основу почвенной массы, включая почвенные растворы.
Устойчивые продукты взаимодействия более стабильны, чем составляющие их компоненты до взаимодействия. Это различные глиногумусовые соединения. Гумусовые вещества, сорбированные глинистыми минералами, предохраняют последние от химического и биологического выветривания. В свою очередь, в сорбированном состоянии они значительно медленнее подвергаются микробиологической минерализации. Последнее положение, рассматриваемое ранее в качестве гипотезы, было доказано с использованием изотопно-меченых гумусоподобных веществ.
Мобильные продукты взаимодействия, способствующие переходу как минерального, так и органического компонентов в фазу почвенного раствора. это разнообразная группа соединений поливалентных катионов (Fe2+, Fe3+, Аl3+, Сu2+, Мn3+ и др.) комплексной и внутри комплексной природы с фульвокислотной фракцией гумуса. Особо важное значение эта группа веществ имеет для функционирования почв таежных экосистем.
Использование изотопно-индикаторного метода дало возможность проведения экспериментов по изучению поведения Данной группы веществ непосредственно в почве, поскольку позволяло прослеживать за конкретным соединением на фоне запаса аналогичных соединений в составе почвы. В ряде случаев использовали соединения с двойной меткой: 14С для органической части соединения и 59Fe (40Ca, 65Zn и др.) для закомплексованного катиона.
Основной интерес в исследовании данной группы сомнений представляет оценка их термодинамической и микробиологической устойчивости. сорбционных взаимодействий растворимых форм с твердой фазой почвы и миграционной способности.
Некоторые результаты, полученные с использованием изотопно-индикаторного метода, представлены на рис. 9.6 и 9.7.

Кинетические кривые на рис. 9.6 показывают, что под влиянием микроорганизмов происходит довольно интенсивное освобождение как железа, так и фосфора из состава органоминеральных соединений, особенно в условиях с достаточной аэрацией.
Изотермы сорбции на рис. 9.7 свидетельствуют о резком снижении сорбируемости железа и фосфора в составе фульватных соединений. В той же серии экспериментов показано, что значения миграционной способности Rt для фосфат- и железофульватных соединений по крайней мере на порядок выше, чем для ионных форм железа и фосфора. Полученные данные позволяют внести важные детали в общую картину биогеохимии железа и фосфора в таежных экосистемах.