ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 3, с. 295-303
ХИМИЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^ ПОЧВ
УДК 631.417.2
ВЛИЯНИЕ РАЗНООБРАЗИЯ БИОТЫ НА СОСТАВ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПОЧВ ЮЖНОЙ ТУНДРЫ* © 2014 г. Е. В. Шамрикова, О. С. Кубик, В. В. Пунегов, И. В. Груздев
Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, 167982, Сыктывкар, Коммунистическая, 28 Поступила в редакцию 04.04.2013 г.
Проведен анализ водных вытяжек из органогенных горизонтов суглинистых почв южной тундры (тундровой поверхностно-глеевой, тундровой дерновой поверхностно-глеевой (НарИс 81а§по8о1 (ОеИс)) и тундровой торфянисто-глеевой мерзлотной (Ш81ю Сгуо8о1 (Кеёийадшс))) и их очесов. Общая массовая концентрация катионов (Са , М^2+, К+ и №+), определенных методом атомной абсорбции, в органогенных горизонтах почв достигает 20, очесов — 40—90 мг/дм3. Преобладающими ионами всех органогенных горизонтов являются К+ и Са2+ (80—90% от общей массы), очесов — ионы калия (около 70%). Массовая концентрация углерода водорастворимых органических соединений органогенных горизонтов составляет 0.04—0.07, очесов — 0.20—0.40 г/дм3. Содержание низкомолекулярных органических соединений (спиртов, углеводов и кислот), идентифицированных методами газовой хроматографии и хромато-масс-спектрометрии, в органогенных горизонтах почв равно 1—30, в очесах — 80—180 мг/дм3, что не превышает 26% от общего органического углерода вытяжек. Показано, что закономерности образования водорастворимых органических соединений вообще и низкомолекулярных в частности определяются различием состава биоты.
Ключевые слова: водорастворимые органические соединения почв, газовая хроматография, состав биоты.
DOI: 10.7868/S0032180X14030101
ВВЕДЕНИЕ
Особенностью биогеоценозов Европейского Севера является образование значительных количеств низкомолекулярных водорастворимых органических соединений (НВОС). К настоящему времени особенности образования индивидуальных НВОС изучены в условиях таежного почвообразования [2, 19, 29—32, 36], однако для почв тундровых ландшафтов подобные исследования отсутствуют. Важнейшими источниками лабильных органических соединений почв являются компоненты состава и продукты жизнедеятельности растений, почвенных микроорганизмов и представителей почвенной фауны. Взаимодействие этих групп столь тесно, что раздельно оценить роль каждой чрезвычайно сложно [1, 22, 23]. В структуре распределения почвенных животных выделяют три среды обитания: живые части растений (очес), органогенные (опад, подстилка, торф) и минеральные горизонты почв. Законо-
* Работа выполнена при финансовой поддержке программы Уральского отделения РАН "Биогеохимические основы кислотности почв криолитозоны: анализ научного наследия 1950—2010 гг., применение современных инструментальных методов", № 12-У-4-1013; РФФИ, проект № 1304-01693.
мерности расселения организмов по указанным местообитаниям отражают адаптацию сообществ к условиям среды [12, 16, 28].
В растительном мире среди органических соединений наиболее широко распространены углеводы, поскольку оболочка клеток состоит преимущественно из полисахарида — целлюлозы, кроме того, в клубнях, корнях и семенах эти соединения откладываются в виде запаса. В тканях растений Крайнего Севера отмечено повышенное содержание углеводов, и в первую очередь растворимых — полимеров различных сахаров, пентоз и гексоз. Этот факт связан с адаптацией растений к экстремальным условиям за счет относительно большой интенсивности фотосинтеза при пониженных температурах и невысокой освещенности [5, 13, 26]. В животных организмах содержание углеводов существенно меньше — около 2% массы тела. Различные моносахариды, дисахариды (такие как, сахароза, лактоза, трега-лаза) содержатся в выделениях и кишечнике почвенных животных [16].
Многоатомные спирты также широко распространены в природе: глюцитол и ксилитол входят в состав растений и грибов; глицерин, являясь одним из продуктов распада жиров, накапливается
в тканях живых организмов. И углеводы, и спирты не проявляют кислотных свойств, но способ-
ны активно участвовать в окислительно-восстановительных реакциях:
восстановление (2) окисление (2)
многоатомные спирты --моносахариды-»- кислоты.
(глюцитол)
Исключительный интерес в изучении низкомолекулярных органических соединений представляют кислоты, как агенты, наиболее активно разрушающие минеральную часть почвы. Ярко выраженной способностью к кислотообразова-нию отличаются микроскопические грибы, особенно представители родов Penicilium, в меньшей степени Trichoderma, обнаруженные в тундровых почвах [27]. К числу наиболее часто образуемых кислот относят щавелевую, лимонную, глюконо-вую; выделение лимонной кислоты и ее изомеров — наиболее распространенный у грибов биохимический процесс [1]. Бактерии и другие организмы также продуцируют низкомолекулярные органические кислоты. В частности, Clostridium pasteur-ianum, также обнаруженная в почвах тундры, образует масляную, молочную и уксусную кислоты [11]. Слизи, состоящие из внеклеточных полисахаридов, способны иметь в том числе и кислую реакцию среды [1, 21]. Представители микро- и мезофауны влияют на кислотно-основные равновесия субстратов через регулирование численности и видового состава микрофлоры, а соответственно — через соотношение процессов минерализации и гумификации. Так, присутствие даже одного вида коллембол может увеличивать скорость разложения остатков, при этом реакция среды смещается в нейтральную область [16]. Существует мнение, что микроартроподы противодействуют отрицательному влиянию "кислотных дождей", оказывая буферное действие против подкисления (Wolters, цит. по [16]). Кислоты образуются в почве также в процессе функционирования растений за счет преимущественного поглощения катионов по сравнению с анионами [21], в значительном количестве содержатся в клетках животных и особенно растений, образуются в процессе минерализации опада [36]. В химическом составе лишайников особое место занимают "лишайниковые кислоты" — в основном моно- и полиядерные ароматические оксикисло-ты, способные легко взаимопревращаться в процессе окислительно-восстановительных реакций [1, 20, 33]. Подобные кислоты входят и в химический состав сфагновых мхов, клеточные стенки которых содержат сфагнол (гликозид с феноль-ной основой, химическая формула которого до сих пор точно не известна). Данное вещество мхи выделяют в почвенный раствор наряду с различными органическими кислотами (например, яблочной, лимонной, уксусной, муравьиной) [24]. Лимонная кислота и ее изомеры участвуют в цикле Кребса — системе биохимических реакций в
(глюкоза)
(глюконовая)
митохондриях, в результате которых высвобождается энергия.
Главный метод определения водорастворимых органических соединений — высокоэффективная жидкостная хроматография, позволяющая идентифицировать углеводы, спирты, а также алифатические и, как правило, незамещенные кислоты. В результате за пределами исследований остались широко представленные в природе оксикислоты — более сильные соединения по сравнению с карбо-новыми кислотами, соединения с высокой реакционной способностью, анионы которых — это полидентантные лиганды, способные образовывать устойчивые комплексные соединения с катионами многих металлов. Провести количественный анализ этой группы соединений возможно методами газовой хроматографии и хромато-масс-спектрометрии (ГХ/МС).
Цель работы — выявить особенности образования низкомолекулярных водорастворимых органических соединений в живых частях растений (очес) и в органогенных горизонтах (растительном материале разных стадий разложения) целинных и освоенных тундровых почв в связи с составом и функционированием биоты.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили в Большеземельской тундре в Воркутинском р-не Республики Коми. Территория представляет полого-увалистую равнину, покрытую чехлом покровных пылеватых суглинков мощностью около 10 м. Объекты исследований: немерзлотные тундровая поверхностно-глеевая (ТПг) и тундровая дерновая поверхностно-глеевая освоенная почвы сеяного мятликово-лисо-хвостного луга (ТДпг) (ИарИс 81а§по8ок (ОеИс)), а также тундровая торфянисто-глеевая мерзлотная почва (ТТг) (ШзИс Сгуо8о1 (Яеёис1адшс)) [8].
Целинные тундровая поверхностно-глеевая и тундровая торфянисто-глеевая мерзлотная почвы существенно различаются по гидротермическому режиму в связи с разной мощностью органогенного горизонта (табл. 1), разным местоположением (вершина и склон увала соответственно) и наличием многолетнемерзлотной толщи в почвенном профиле — в первой почве уровень залегания мерзлоты составляет 140—150, во второй — 40—60 см. Таким образом, в мерзлотной почве все факторы препятствуют ее прогреванию в летнее время и способствуют сильному выхолаживанию зимой [15, 17]. Указанные обстоятельства определяют
Таблица 1. Характеристика водных вытяжек исследуемых образцов
Горизонт, см р(С общ), г/дм3 рН водной вытяжки р, мг/дм3 ®(С нвос), %
Са2+ мб2+ К+ кислоты спирты углеводы кислоты спирты углеводы сумма
Тундровая поверхностно-глеевая почва
Очес 0.182 5.6 7.3 1.4 1.2 26.9 25.7 16.4 39.3 5.6 3.6 7.5 16.7
О1, 0-6 0.068 5.8 3.9 0.7 0.5 8.6 7.7 12.7 11.0 4.7 7.4 5.2 17.3
О2, 6-8 0.063 5.9 5.1 0.8 0.5 2.9 1.8 0.6 3.6 1.3 0.4 2.0 3.7
Очес
А дер, 0—5
0.256 0.061
Тундровая дерновая поверхностно-глеевая почва
5.9 5.8
18.0 6.6
4.4 1.7
2.0 1.8
67.8 5.3
42.5 2.4
33.8 1.6
89.7 5.3
Тундровая торфянисто-глеевая мерзлотная почва
6.7 1.7
5.2 1.0
13.9 1.2
25.8 3.9
Очес 0.397 5.9 14.8 2.0 2.0 38.2 39.0 10.3 72.1 3.8 1.0 7.2 12.0
О1, 0-5(7) 0.063 6.6 11.5 1.3 0.9 6.4 0.5 0.2 1.2 0.3 0.1 0.8 1.2
О2, 5(7)—10(11) 0.039 6.7 9.8 0.8 0.4 1.2 0.2 0.1 0.8 0.2 0.1 0.9 1.2
Примечание: р(С общ) — общая массовая концентрация углерода водорастворимых органических соединений объектов исследований, р — массовая концентрация компонентов вытяжек, ю(С НВОС) — массовая доля углерода низкомолекулярных водорастворимых органических соединений.
особенности распределения биоты. Тундровая поверхностно-глеевая почва развивается в ивня-ково-ерниковой мелкобугрис
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.