ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 9, с. 1073-1086
К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ Г.В. ДОБРОВОЛЬСКОГО
УДК 631.417.2
ЛИГНИНОВЫЕ ФЕНОЛЫ В ПОЧВАХ КАК БИОМАРКЕРЫ ПАЛЕОРАСТИТЕЛЬНОСТИ*
© 2015 г. Н. О. Ковалева1, И. В. Ковалев2
Институт экологического почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: natalia_kovaleva@mail.ru 2Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: kovalevMSU@mail.ru Поступила в редакцию 16.02.2015 г.
С помощью методов тонкой биохимии, ядерного магнитного резонанса и изотопной геохимии показано, что пропорции лигниновых фенолов благодаря их биохимической и физиологической специфичности и высокой устойчивости к разложению могут быть использованы в качестве молекулярных следов палеорастительности. Лигниновые структуры обнаружены в железисто-марганцевых конкрециях. Сравнение 13С-ЯМР -спектров нативных препаратов лигнина, выделенных из разных пород древесных и травянистых растений, со спектрами молекул гуминовых кислот почв позволило идентифицировать широкий набор характерных сдвигов лигниновой природы в последних при 56, 102, 115, 119, 131, 147, 151-152, 160, 166 ррт. Информационная роль биомаркера была апробирована при реконструкции палеорастительности ополий Русской равнины; она позволила зафиксировать повышение границы леса на Северном Кавказе, подтвердить гипотезу о степном периоде формирования ландшафтов горных долин Тянь-Шаня в среднем голоцене и обнаружить молекулярные следы тропической флоры в погребенных почвах плейстоцена. С помощью изотопного анализа 813С увеличена репрезентативность полученной информации; впервые в существующую систему биомаркеров введен новый показатель — композиционный состав лигниновых фенолов.
Ключевые слова: лигниновые фенолы, биомаркеры, гуминовые кислоты, ЯМР-спектры, изотопы 813С, вторые гумусовые горизонты, голоцен, плейстоцен.
DOI: 10.7868/S0032180X15090063
ВВЕДЕНИЕ
Научно-технический прогресс и бурное развитие новых высокоразрешающих инструментальных технологий исследования органического вещества почв, таких, например, как растровая (сканирующая) электронная микроскопия с рентгеновским микроанализатором, высокоэффективная жидкостная хроматография, сочетание газовой хроматографии и изотопной масс-спектрометрии позволяют диагностировать в почвах молекулярные следы настоящих и реликтовых биохимических процессов. Интересно заметить, что современная палеонтология идею по-
* Исследования выполнены при финансовой поддержке грантов РФФИ № 01-04-97408-р98цчр "Закономерности естественной и антропогенной эволюции почв Брянского ополья", 03-04-48916 "Роль гидроморфных почв в иммобилизации органического углерода", 09-04-00747 "Теоретические основы и методология использования почвенных нанотехнологий в диагностике изменений климата голоцена" (руководитель — Г.В. Добровольский), 04-04-49727, 11-04-00453 "Роль лигинина в форировании гумуса почв" (руководитель — И.В. Ковалев); Германского фонда академических обменов (DAAD) (руководитель — В. Цех).
иска биомаркеров — молекулярных следов жизни на планете — считает самой перспективной в текущем столетии [24, 35].
Одним из первых исследователей, обратившихся к нано- и молекулярному (субмикромор-фологическому) уровню изучения почв и утвердившим это направление в отечественной науке, стал академик Г.В. Добровольский. Будучи одним из первых авторов, использовавших для изучения палеопочв методы субмикроморфологического анализа [6, 9] и радиоуглеродного датирования почвенного гумуса [3], Г.В. Добровольский стал инициатором работ по использованию современных почвенных нанотехнологий в палеоэкологических исследованиях [4, 14].
Как было показано в наших предыдущих работах [5, 8, 14], репрезентативность информации, записанной на нано- и микроуровнях организации почвенной массы оказалась значительно лучше и полнее, чем на более крупных хуже отражающихся в диагенезе иерархических рангах.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Биомаркеры — это органические молекулы известного строения и происхождения. В отличие от гуминовых кислот, формулы и химическое строение которых до сих пор остаются неизвестными, отдельные молекулы фенолов, аминокислот, ами-носахаров, липидов могут быть достоверно обнаружены в живых организмах, в их останках и опа-де, в почве, в сложных ассоциатах гуминовых веществ [13, 16]. Многие биомаркеры в силу своего специфического строения и биохимических функций при определенных условиях среды оказываются устойчивыми к деградации и минерализации в почвах и поэтому служат молекулярными следами палеобиоты и наземной растительности, а также индикатором интенсивности биохимических процессов, протекающих в биосфере не только в настоящем, но и в прошлом. При этом индивидуальные органические соединения хорошо сохраняются не только в "нормальных" профилях постлитогенных почв, но и в продуктах их переотложения, в почвенно-коллювиальных и почвенно-аллювиальных комплексах, в педоседиментах, пе-долитах, дериватах отдельных горизонтов, в донных отложениях водоемов и т. п. Информационная роль биомаркеров важна, когда пул молекулярных продуктов разложения органических веществ в почвах не тождественен сумме индивидуальных компонентов опада вследствие маскирующего воздействия минеральной матрицы. Органо-ми-неральные частицы почв или почвенные новообразования способствуют сохранению индивидуальных органических молекул во времени [7, 12], маркируя условия сформировавшей их палеосре-ды. Информационная роль биомаркеров, экстрагированных из почв, может быть усилена за счет определения в них структурно-специфических изотопов [32].
Диагностика структурных фрагментов индивидуальных соединений неспецифической природы в составе ассоциатов гуминовых веществ, например, методом ЯМР-спектроскопии, в сочетании с радиоуглеродным датированием почвенного гумуса еще больше увеличивает репрезентативность получаемой информации.
В последнее время в зарубежной литературе в качестве подобных биомаркеров широко используют Н-алканы из воска растений, лево- и право-вращательные формы аминокислот (Ъ-, и Э-энан-тиомеры), глицерол-диалкил-глицерол-тетраэфи-ры [34].
Несмотря на то, что современная база данных о содержании в почвах подобных индивидуальных соединений пока крайне скудна, в отечественном почвоведении существует значительный объем информации о содержании в почвах групп неспецифических органических соединений, таких как липиды, хлорофилл, аминокисло-
ты, лигнин, инозитолфосфаты, грибные меланины и т. д. А уникальной методологической базой для расшифровки почвенных архивов биохимической информации являются исследования органического вещества погребенных почв [21], пе-догумусовый метод и система индикаторных признаков органического вещества, разработанные Дергачевой [2], установленные Гришиной [22] закономерности трансформации растительных остатков, анализ спектров ЯМР погребенных гуминовых кислот Чукова [27], описанные нами типы лигниновых фенолов в почвах [12, 15, 16] и другие работы [20, 23]. Перспективными биомаркерами могут служить лигниновые фенолы растительного происхождения, пропорции которых в почве должны соответствовать господствующим типам палеорастительности и коррелировать с палинологическими спектрами изотопного состава углерода.
Действительно, лигнин — это наиболее распространенное в природе фенольное соединение растительного происхождения. Лигноцеллюлозы составляют от 70 до 90% сухого веса растительных тканей (лигнин заполняет промежутки между рядами целлюлозы, и, в свою очередь, пропитан ге-мицеллюлозой). При этом наибольшие количества лигнина содержат древесные растения: 18— 25% биомассы древесины составляет лигнин лиственных пород, 25—33% — лигнин хвойных, в то время как травы содержат около 4—9% лигнина [20]. Химически он представляет собой нерегулярный трехзамещенный биополимер большого молекулярного веса, построенный из разветвленных фенилпропановых звеньев и обладающий коллоидными свойствами [25]. Относительные пропорции составляющих лигнин фенолов определяются филогенетическим происхождением растений и, таким образом, обусловливают возможность возникновения большого числа разнообразных низко- и высокомолекулярных продуктов разложения лигнина в почвах разных экосистем. Разные типы растений и растительных сообществ продуцируют филогенетически специфический строго индивидуальный набор фе-нольных соединений. При этом не существует (или они неизвестны) микроорганизмов, способных полностью разлагать лигнин. Их окислительные энзимы типа пероксидаз лишь катализируют расщепление связей в молекуле лигнина в условиях хорошей аэрации среды и при невысоких концентрациях фенолов: 0.025—0.050% — для бактерий, до 1% — для плесневых грибов бурой и белой гнили [18]. Высокая устойчивость лигнино-вых фенолов в погребенных почвах объясняется тем, что в результате карбоксилирования и фрагментарных реакций конденсации, в которые вступают фенилпропановые звенья после погребения, их структурные единицы очень ограниченно способны к биохимическим реакциям,
особенно в условиях пониженной биологической активности.
Цель данного исследования — оценить информационную роль индивидуальных органических соединений лигнинового происхождения и возможность их использования в качестве молекулярных следов палеорастительности, особенно в почвах разного возраста и сложного генезиса.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
В качестве объектов исследования выбраны различные датированные палеопочвы, обнаруженные в полигенетичных профилях дневных почв и детально исследованные комплексом физико-химических методов: 1 — агросерые почвы со вторым гумусовым горизонтом Брянского ополья, агросерые почвы Коломенского ополья (Московская обл.); 2 — горные черноземы, черноземовид-ные, горно-луговые почвы межгорных долин и коричневые почвы Тянь-Шаня; 3 — бурые лесные и горно-луговые почвы Кавказа. Для сравнения во всех случаях привлекались зональные почвенные разности, не содержащие погребенных горизонтов.
Лигниновые фенолы выделяли в трехкратной повторности как из живых растительных тканей (древесина, корни, хвоя), так и из опада, почвы и препаратов гуминов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.