Изучение органического вещества самопроизвольно выделяющихся из почв гелевых пленок

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

направлении со стороны зародыша, причем и здесь можно выделить определенные пути перемещения водного раствора зонда, по-видимому, связанные с капиллярной системой.

Из изложенного следует, что при взаимодействии семян с водой последняя распределяется в них пространственно и физико-химически неравномерно, заполняя на начальном этапе сосудистый пучок и перемещаясь по нему к зародышу.

Эти данные позволяют объяснить полученные нами результаты. Очевидно, что объем сосудистого пучка достаточно мал. Поэтому любые используемые нами количества растворов БАВ при лабораторной обработке или при обработке семян в протравителе обеспечивают заполнение доступного объема сосудистого пучка, а избыточный раствор БАВ не попадает в сосудистый пучок и не оказывает никакого действия на семена.

Таким образом, при обработке семян растворами БАВ мы имеем дело с многостадийным процессом, включающим доставку БАВ к объектам-мишеням внутри семени и взаимодействии БАВ с ними. Причем, эффективность стимуляции будет определяться суммарной результативностью всего процесса.

Библиографический список

1. Сечняк, Л.К. Экология семян пшеницы / Л.К. Сечняк, Н.А. Киндрук, О.К. Слюсаренко, В.Г. Иващенко и др.- М.: Колос, 1983. - 350 с.

2. Зарецкий, А.Ф. Посевные и урожайные качества семян ярового ячменя / А.Ф. Зарецкий. - Мн.: Ураджай, 1979. - 88 с.

3. Вардапетян, Р.Р. Биохимические механизмы действия гиббереллина на прорастание изолированных зародышей пшеницы: дисс. ... д-ра биол. наук / Р.Р. Вардапетян. - Ереван, 1970. - 47 с.

4. Джонс, Р.Л. Гиббереллины и прорастание семян. В

кн. : Физиология и биохимия покоя и прорастания семян / Р.Л. Джонс, Дж.Л. Стоддарт. - М.: Колос, 1982. - С. 99-132.

5. Майса, Махамед Мнезель Влияние гиббереллина на активность а-амилазы в проростках злаковых культур / Майса Махамед Мнезель, М.К. Манаков // Физиология и биохимия культурных растений, 1991. - Т. 23. - № 4. - С. 340-343.

6. Васько, В.Т. Основы семеноведения полевых культур: учеб. пос. / В.Т. Васько. - С-Пб.: Лань, 2012. - 304 с.

7. Рябчинская, Т.А. Полифункциональное действие препарата Альбит при предпосевной обработке семян яровой пшеницы / Т.А. Рябчинская, Г.Л. Харченко, Н.А. Саранцева, И.Ю. Бобрешова и др. // Агрохимия, 2009. - № 10. - С. 39-47.

8. Аксенов, С.И. Изучение состояния воды в семенах разного качественного состава и его изменения при температурных воздействиях / С.И. Аксенов, Н.А. Аскоченская, Е.А. Головина // Физиология растений, 1977. - Т. 24. - Вып. 6. - С. 1251.

9. Аксенов, С.И. Исследование начальных этапов набухания семян пшеницы методом спинового эха ЯМР / С.И. Аксенов, Н.А. Аскоченская, Е.А. Головина // Докл. АН СССР, 1982. - Т. 264. - № 3. - С. 725.

10. Аксенов, С.И. Спектроскопия спинового эха для исследования состояния воды в растительных и животных тканях / С.И. Аксенов, Л.Е. Воронков, Г.М. Николаев и др. // Научн. докл. высш. школы. Биол. науки, 1971. - № 12. - С. 109.

11. Якимченко, О.Е. ЭПР-томография / О.Е. Якимчен-

ко, Я.С. Лебедев // Химическая физика. - 1983. - Т. 2. - № 4. - С. 445.

12. Ohno, К. ERS imaging and its applications // Applied Spectroscopy Rev. 1986. V 22. № 1 P. 1.

ИЗУЧЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА САМОПРОИЗВОЛЬНО ВЫДЕЛЯЮЩИХСЯ ИЗ ПОЧВ ГЕЛЕВЫХ ПЛЕНОК

ГН. ФЕДОТОВ, ст. научн. сотр. института экологического почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, д-р биол. наук,

Т.Ф. РУДОМЕТКИНА, ст. научн. сотр., канд. хим. наук,

В.С. ШАЛАЕВ, проф., директор ИСИЛ, д-р техн. наук

В настоящее время общепринято, что почвенные коллоиды в виде гелей покрывают и связывают почвенные частицы между собой, обеспечивая существование почвы как

gennadiy.fedotov@gmail.com системы с определенным набором свойств [1-3].

В течение длительного времени проводили исследование почвенных гелей, выделяя

74

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

их из почв при помощи различных воздействий [3-7]. Однако это не позволяло сохранять почвенные гели в нативном состоянии и изучать их наноструктурную организацию.

Ранее было показано [14], что при помещении предварительно высушенных капиллярно увлажненных агрегатов в воду на ее поверхности появляется гелевая пленка. Эти пленки было легко выделять из почв, наносить на атомно гладкие подложки и исследовать их наноструктурную организацию.

Однако возникали сомнения, что выделяющиеся таким образом из почв гелевые пленки позволяют получать представления о реально существующих в почвах гелях, а не являются неким артефактом, связанным с выделениями почвенных микроорганизмов.

Целью нашей работы было выяснение состава и уточнение природы самопроизвольно выделяющихся из воздушно-сухих почв гелевых пленок.

Основным критерием правомерности отождествления самопроизвольно выделяющихся из почв гелевых пленок с почвенными гелями является состав их органической части, наличие в ее основе гумусовых веществ (ГВ).

В работе приведены признаки отнесения органических веществ к ГВ [8]. Для этого необходимо:

1. Содержание углерода для ГВ - 3661 % (Для гуминовых кислот (ГК) в пределах 46-61 % и для фульвокислот (ФК) - 3644 %);

2. Наличие определенных электронных спектров поглощения, чтобы величина поглощения при 0,001 % ГК при длине волны 465 нм в кювете 1 см составляла порядка 0,01-02 (гуминовые кислоты и фульвокис-лоты отличаются отсутствием четко выраженных максимумов поглощения в области 220-750 нм, их спектры выглядят как пологие кривые с постепенным уменьшением оптической плотности от 220 до 750 нм).

3. Наличие определенных инфракрасных (ИК) спектров поглощения.

Для установления природы органического вещества в самопроизвольно выделяющихся из почв гелевых пленках было

необходимо их выделить в количестве, достаточном для проведения аналитических исследований.

В работе использовали образец суглинистой дерново-подзолистой почвы, отобранный из пахотного горизонта в окрестностях поймы р. Яхрома.

Гели выделяли из почв, помещая воздушно-сухие почвенные агрегаты размером несколько миллиметров в чашки Петри, капиллярно их увлажняя, а затем поднимая уровень воды. Это приводило к отделению от почвенных агрегатов и подъему на поверхность воды гелевых пленок, которые собирали и сушили.

Проводили фракционирование гумусовых веществ в исходной дерново-подзолистой почве и в почвенных гелях, используя воздушно-сухие образцы. Пробы растирали до состояния пудры и отбирали навески, позволяющие выделить гуминовые кислоты в достаточном для последующих исследований количествах по схеме И.В. Тюрина в модификации Пономаревой-Плотниковой [8].

Гелевые пленки содержат большое количество неорганических частиц. Поэтому для определения содержания углерода в органическом веществе (ОВ) гелевых пленок сначала определяли прокаливанием при температуре 525 °С [9] содержание ОВ в образце гелевых пленок, а затем на элементном анализаторе - содержание углерода в гелевых пленках. В связи с тем, что ранее было показано сходство минералогических составов в почвах и гелевых пленках [10], подобный подход можно считать правомерным.

Для дальнейших исследований выделяли и использовали фракцию ГК, переходящую в 0,1 н раствор щелочи после дека-льцирования образца 0,1 н серной кислотой (ГК-1), и фракцию ГК, переходящую из остатка в 0,02 н раствор щелочи при кипячении в течение 6 часов (ГК-2). Для сравнительных исследований ГК-1 и ГК-2 были выделены из исходной почвы.

Элементный состав почвенных гелей и ГК определяли на элементном анализаторе «Vario EL lll» (фирма Elementar, Германия) (авторы выражают благодарность Ю.А. За-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 9/2012

75

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

Таблица 1

Содержание углерода, азота и серы в дерново-подзолистой почве, в гелевых пленках, выделенных из почвы, и в ГК-1 и ГК-2, выделенных из гелевых пленок и из почвы

Образцы Содержание С, % Содержание N, % Содержание S, %

Почва 2,08 0,21 C/N = 9,9 0,10 C/S = 20,8

ГК-1 из почвы 26,05 4,4 C/N = 8,9 1,65 C/S = 15,8

ГК-2 из почвы 24,12 2,95 C/N = 8,2 1,29 C/S = 18,8

Гелевые пленки 8,19 1,31 C/N = 6,3 0,40 C/S = 20,5

ГК-1 из гелевых пленок 26,00 3,06 C/N = 8,5 0,92 C/S = 28,3

ГК-2 из гелевых пленок 10,37 1,73 C/N = 6,0 0,77 C/S = 13,5

Рис. 1. Спектр 0,001 % раствора гумусовых веществ гелевой пленки в 1 см кювете

Рис. 3. Спектр 0,001 % раствора ГК-1, выделенных из почвы (1) и гелевой пленки (2) в 1 см кювете

' 3500 3000 2500 2000 1500 1000 см'1

Рис. 2. Инфракрасные спектры гелевой пленки (1), ГК-1 (2) и ГК-2 (3), выделенных из гелевой пленки

Рис. 4. Спектр 0,001 % раствора ГК-2, выделенных из почвы (1) и гелевой пленки (2) в 1 см кювете

76

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

Таблица 2

Максимумы полос поглощения и характеристика пиков на ИК-спектрах гелевых пленок из дерново-подзолистой почвы и ГК, выделенных из гелевых пленок

Образец Максимумы полос поглощения (см-1) и характеристика пиков

Гелевые пленки 3697

ГК-1 из гелевых пленок 3697

ГК-2 из гелевых пленок 3698

вгородней за помощь в определении элементного состава образцов).

Электронные спектры поглощения изучали на фотоколориметре КФК-3 (Россия).

ИК-спектры были получены на ИК-спектрометре «FTIR Tenzor-27» (фирма Bruker, Германия) с применением KBr-техники (авторы выражают благодарность В.В. Демину за помощь в проведении исследований методом ИК-спектроскопии).

Проведенные исследования показали, гелевые пленки содержат 8,19 % углерода (табл. 1) и 20,99 % ОВ. Это позволило вычислить содержание углерода в ОВ почвенных гелей, которое составило более 39 %, что в соответствии с 1 критерием позволяет отнести ОВ почвенных гелей к ГВ.

Характер электронных спектров поглощения органического вещества гелевых пленок (рис. 1) соответствует таковому для гумусовых веществ, а величина поглощения при 0,001 % ГК при длине волны 465 нм в кювете 1 см составляет 0,017. Таким образом, и второй критерий отнесения ОВ почвенных гелей к ГВ выполняется.

При сравнительном изучении спектров гумусовых кислот было четко выявлено, что ГК, выделяемые из различных типов почв, имеют однотипные ИК-спектры [11].

Для повышения информативности полученных методом ИК-спектроскопии данных исследовали не только сами гелевые пленки, но и выделенные из них ГК-1 и ГК-2 (рис. 2, табл. 2). Следует отметить, что

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012

77

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

при фракционировании ОВ почвенных гелей 53 % попадает в ГК-1, 21 % в ГК-2 и 26 % в растворимую фракцию.

Для ИК-спектров ГВ [11] характерна широкая полоса поглощения в интервале 3600-3300 см-1, которая обнаруживается во всех трех исследованных нами препаратах. Полоса 3030 см-1, характерная для -С-Н-группы ароматических соединений [11], очень слабо проявляется только в спектре ГК-1 (рис. 2, табл. 2), в котором все полосы имеют большую интенсивность. В спектрах препаратов ГК обнаруживается одна полоса (2900) или две полосы с максимумами 2920 и 2860-2850 см-1 [11].

Эти полосы, имеющие очень слабую интенсивность, обнаруживаются в образце гелевой пленки и полосы высокой интенсивности наблюдаются в образцах ГК-1 и ГК-2 (рис. 2, табл. 2). В области 2800-1750 см-1 ГВ поглощают сравнительно слабо [11], что соответствует ИК-спектрам и наших образцов (хотя для ГК-2 и гелевой пленки наблюдаются слабые пики в области 23802300 см-1). Для ГВ характерны пики поглощения в интервале 1710-1610 см-1 [11], которые сливаются в наших образцах, давая один сложный пик (рис. 2, табл. 2). Пики в области 1540 см-1 могут относиться как к ионизированной карбоксильной группе, так и к амидной группе [11]. В области 14701370 см-1 спектры всех ГВ имеют несколько полос [11]. Именно такая картина характерна и для наших образцов. В области 11001000 см-1 начинают интенсивно поглощать минералы, присутствующие в ГВ и ГК [11], что наблюдается и в наших образцах (рис. 2, табл. 2).

Проведенный анализ ИК-спектров гелевых пленок и ГК-1 и ГК-2, выделенных из гелевых пленок, позволяет сделать вывод, что их ИК-спектры подобны ИК-спектрам ранее изученных гумусовых веществ. Следовательно, выполняется и третий критерий отнесения ОВ гелевых пленок к ГВ.

Для уточнения наших представлений о гелевых пленках, самопроизвольно выделяющихся из почв, было проведено сравнительное изучение электронных спектров и эле-

ментного состава ГК-1 и ГК-2, выделенных из гелевых пленок и из почвы.

Из полученных данных (рис. 3-4) видно, что ГК из гелевых пленок имеют меньшую оптическую плотность. Можно предположить, что они содержат меньшее количество ароматических соединений [11]. Это коррелирует с наличием в ИК-спектрах ГК из гелевых пленок сильных полос в районе 2920 и 2860-2850 см-1 характерных для СН3 и СН2 групп (рис. 2, табл. 2).

Обращает на себя внимание наличие у выделяемых из почв ГК пика поглощения в области 420-430 нм, который в значительно меньшей степени характерен и для ОВ гелевой пленки (рис. 1) (речь идет об изломе на кривой поглощения в этой области), но отсутствует у выделенных из нее ГК. Из литературных данных можно заключить [11], что этот максимум поглощения характеризует наличие в ГВ зеленого пигмента, который при фракционировании не переходит из ОВ гелевых пленок в ГК-1 и ГК-2. Наличие данного пигмента характерно для почв, испытывающих хотя бы некоторое избыточное увлажнение [11]. В связи с тем, что для внутренних областей почвенных агрегатов избыточное увлажнение характерно в значительно большей степени, чем для их поверхностных слоев [12], снижение количества зеленого пигмента в гелевых пленках позволяет предположить, что они выделяются преимущественно из поверхностных областей почвенных агрегатов. В этих областях микробиологические процессы протекают иначе, что и приводит к возникновению ГВ несколько иной природы. Косвенно об этом свидетельствуют данные о закреплении в почвах Zn и Cu. Было показано [12], что в гелевых пленках меди содержится в 10-150 раз больше, чем в почвах, а цинка примерно в 40-400 раз меньше.

Изучение элементного состава ГК-1 и ГК-2 показало (табл. 1), что содержание минеральных компонентов и отношение С/ N в ГК-1, выделенных из гелевых пленок и из почв, практически совпадают. При этом в ГК-2, выделенных из гелевых пленок, почти в 2 раза больше минеральных частиц и в 1,5

78

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012