научная статья по теме ВНУТРИГОРИЗОНТНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ЧЕРНОЗЕМА ТИПИЧНОГО Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ВНУТРИГОРИЗОНТНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ЧЕРНОЗЕМА ТИПИЧНОГО»

ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2010, № 11, с. 1353-1361

УДК 631.461

ХИМИЯ ПОЧВ

ВНУТРИГОРИЗОНТНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ

ЧЕРНОЗЕМА ТИПИЧНОГО*

© 2010 г. С. Н. Чуков1, М. С. Голубков2, А. Г. Рюмин1

1С.-Петербургский государственный университет, 199034, С.-Петербург, В.О., 16-я линия, 29

e-mail: www.soil.pu.ru 2Зоологический институт РАН, 199034, С.-Петербург, Университетская наб., 1

e-mail: www.zin.ru; e-mail: S_chukov@mail.ru, golubkov_ms@mail.ru Поступила в редакцию 15.05.2010 г.

Выявлен ряд особенностей отдельных структурно-функциональных параметров ГК поверхностного (0—5 см) слоя чернозема типичного, которые отличают свойства ГК этого слоя от свойств ГК нижележащей части профиля: существенно более низкое соотношение С гк/С фк (в 1.7 раза), почти на порядок более низкая концентрация свободных радикалов по сравнению с их содержанием в слое 5—20 см.

ГК из слоя 0—5 см отличает резко пониженное стимулирующее действие на процессы фотосинтеза и более сильная стимуляция дыхания хлореллы. ГК более глубоких слоев чернозема типичного значительно сильнее стимулируют фотосинтез и почти не стимулируют дыхание. Установлена тесная корреляционная связь между концентрацией свободных радикалов в составе ГК и физиологическими процессами фотосинтеза в водоросли Chlorella vulgaris.

ВВЕДЕНИЕ

Гуминовые вещества (ГВ) имеют большое значение в круговороте веществ как в почве, так и в биосфере в целом. Их профильное распределение всегда являлось важнейшей диагностической характеристикой почвы, однако классические исследования велись в основном путем отбора образцов по генетическим горизонтам, что не обеспечивало непрерывности в исследовании гумусового профиля. В географии почв изучали в основном профильное распределение общего содержания углерода, а оценку качественных параметров гумуса проводили путем определения его группового и фракционного состава. Почвоведы — "гумусники" чаще исследовали только верхние горизонты почв, оставляя без внимания нижележащую часть гумусового профиля. В связи с этим процесс эволюции структурно-функциональных параметров ГВ во всей полноте его профильной организации оставался во многом нераскрытым. Особое значение эволюция пространственной организации органического вещества почв имеет для антропогенно-измененных почв.

Вполне очевидно, что на сегодняшний день для дальнейшего познания процессов трансформации органического вещества, как в естественных, так и в антропогенно-измененных условиях

* Работа выполнена при финансовой поддержке: РФФИ (проект № 07-04-01459) и гранта Президента Российской Федерации (НШ-5577.2006.4).

требуется переход от изучения индивидуальных механизмов на "горизонтном" уровне к исследованию более сложных комбинаций процессов уже на уровне почвенного профиля в целом.

Структурно-функциональные параметры ГВ достаточно многообразны, но мы в своей работе, помимо традиционных, остановились на нескольких сравнительно менее изученных. Больший интерес с экологической точки зрения представляет влияние ГВ на живые организмы или их физиологическая активность (ФА). Благодаря этому свойству, ГВ играют особую роль в обеспечении высокой биологической продуктивности системы "почва—растение" [22]. Пока нет единого мнения о механизмах ФА ГВ, несмотря на то, что влияние ГВ на биоту исследовалось и неоднократно обсуждалось многими авторами [2, 5, 6, 8, 11—13, 18, 19, 30, 35]. До сих пор нет удовлетворительной доказательной базы, объясняющей наблюдаемые эффекты, а результаты многих экспериментов часто противоречивы [29]. Это может быть связано не только с методическими недостатками, но и с полифункциональным влиянием ГВ на живые организмы. Выявить отдельные составные части и механизмы этого влияния очень затруднительно, особенно в работе со сложными многоклеточными живыми организмами.

Другим аспектом, осложняющим изучение механизма ФА, является высокая гетерогенность

ГВ. Как показали наши исследования, препараты гуминовых кислот (ГК), выделенные из разных по глубине слоев одного гумусово-аккумулятив-ного горизонта, могут оказывать различное физиологическое воздействие на живые организмы. В связи с этим для более детального понимания эффекта ФА ГВ, на современном этапе исследований, по нашему мнению, более целесообразно работать с менее сложными одноклеточными организмами.

В настоящей работе мы попытались исследовать влияние ГВ на процессы метаболизма одноклеточных водорослей с помощью методик, принятых в физиологии и гидробиологии для определения скорости фотосинтеза водорослей в воде.

В более ранних работах [23] нами было проведено сравнительное исследование ФА препаратов ГВ, выделенных из верхних слоев гумусово-акку-мулятивного горизонта различных типов почв. Полученные данные позволили предположить наличие различных механизмов проявления ФА ГК, что подтверждалось разнокачественной стимуляцией показателей метаболизма одноклеточной водоросли Chlorella vulgaris при воздействии ГК различных почв. Кроме этого было показано, что наилучшим стимулирующим эффектом с точки зрения прироста биомассы Chlorella vulgaris обладали препараты ГК залежной и погребенной дерново-подзолистой почвы (Ленинградская обл.). Наименьшим же стимулирующим эффектом из проанализированных гумусовых кислот обладали фульвокислоты (ФК) дерново-подзолистой почвы и, как это ни странно, ГК чернозема. Этот несколько неожиданный результат противоречит общепринятой в научной литературе точке зрения о более высокой ФА ГК черноземов по сравнению c ГК дерново-подзолистых почв. Разумеется, ФА зависит от многих параметров ГК, но, учитывая многочисленные литературные данные [7, 19, 27] о взаимосвязи физиологической активности с содержанием конденсированных ароматических структур, следовало бы ожидать, что влияние ГК чернозема на продуктивность ("урожай") Chlorella vulgaris будет выше, чем ГК дерново-подзолистой почвы. Однако полученные нами данные показали обратный эффект. Кроме этого нами была установлена взаимосвязь физиологического влияния препаратов ГВ на различные аспекты метаболизма Chlorella vulgaris с концентрацией свободных радикалов в препаратах ГВ [22, 23].

Таким образом, в задачи настоящей работы входит изучение особенностей структурно-функциональной организации ГВ из различных 5-сантиметровых слоев в верхней части профиля чернозема типичного и исследование влияния этих ГВ на процессы метаболизма одноклеточных водорослей с помощью методик, принятых в физиологии

и гидробиологии для определения скорости фотосинтеза водорослей в воде.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Физико-химические характеристики почвенных образцов определяли общепринятыми методами (С орг по методу Тюрина, С гк/С фк по Ко-ноновой-Бельчиковой).

Экстракция препаратов гуминовых и фульво-кислот из почв проводилась по описанной ранее "мягкой" методике [21, 22]. Сравнительное исследование структурно-функциональных параметров (ФА и концентрации свободных радикалов) проводили для препаратов ГК, выделенных из послойных образцов верхней части гумусово-аккумулятивного горизонта целинного чернозема типичного с участка "Острасьевы яры" заповедника "Белогорье" (Белгородская обл.), а также целинного, пахотного и залежного чернозема типичного из Центрально-Черноземного заповедника им. В.В. Алехина (Курская обл.). Подробная физико-химическая характеристика послойных 5-сантиметровых образцов из этих разрезов опубликована нами ранее [25].

В опытах использовали диапазон концентраций гумусовых кислот от 0.0005 до 0.01%, который применялся нами в ходе ранее проведенных исследований [22—24]. Навеску препарата ГВ растворяли в 0.02 н NaOH и доводили до 100 мл минеральной средой, на которой выращивалась хлорелла. Таким образом получали рабочий 0.1%-й раствор гумата, из которого брали аликвоты для получения заданных концентраций в опытных растворах.

В качестве модельного объекта одноклеточной водоросли была использована культура Chlorella vulgaris co. 157 из коллекции лаборатории микробиологии БиНИИ СПбГУ. Культура этой водоросли была выбрана в связи с ее хорошей изученностью и широким распространением не только в почвах, но и в других средах. Культура водоросли выращивалась нами в водной среде, являющейся модификацией раствора Кнопа: — на 1 литр дистиллированной воды: Ca(NO3)2 - 0.25 г; MgSO4 - 0.06 г; KH2PO4 -0.06 г; KCl - 0.03 г

В качестве меры ФА препаратов ГВ в данной работе использовалось несколько параметров метаболизма водорослей и, прежде всего, величина валового фотосинтеза, под которой обычно понимают количество органического вещества, синтезированное автотрофными организмами за определенный промежуток времени. Другими словами, это скорость процесса продуцирования клетками водоросли органического вещества, которая выражается в единицах, пропорциональных его массе, синтезированной за единицу времени.

Валовой фотосинтез (А) за время экспозиции склянок с водорослями измеряли по разности содержания кислорода в светлой и затемненной (помещенной в непрозрачную емкость) склянках к концу их экспозиции. Определение скорости деструкции органического вещества, эквивалентно связанной с потреблением водорослями кислорода — дыханием ф), проводилось по убыли содержания растворенного кислорода в затемненной склянке по сравнению с исходной его концентрацией. Величина прироста биомассы (РР) — видимый фотосинтез ("урожай водоросли"), измерялась по разнице между валовым фотосинтезом и расходом на дыхание.

Для определения валового фотосинтеза применялся метод измерения скорости фотосинтеза в воде, в кислородной модификации [3, 28]. Количество кислорода в склянке рассчитывалось по формуле:

мг 02/мг 02/л =

0 . 16 Гн х 100 0 3 0 ,

определяли содержание хлорофилла "а". Из рабочей культуры брали три пробы по 100 мл, кроме того, брали одну такую же пробу из среды, которая пошла на приготовление рабочей культуры. Относительно нее производилось определение содержание хлорофилла "а" в первых трех склянках. Для расчета использовали уравнение [32]:

Конц. хл. мкг/л =

(Ебб5 - Е750 ) х 11 .02 V

V ,

где п — количество 0.01 н №^203, в мл, пошедшего на титрование;

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.

Показать целиком