Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

SPECTRAL CHARACTERISTICS OF THE WATER-SOLUBLE ORGANIC MATTER OF ORGANO-MINERAL SUBSTRATES OF VARIOUS COMPOSITION

Maltseva A.N. 1 Pinskiy D.L. 1
1 Institute of Physico-Chemical and Biological Problems of Soil Science
Dissolved organic compounds are the most mobile and reactive fraction of the organic matter of the soil. Water-soluble organic matter (WSOM) is considered a transition link of the labile pool to the stable pool. Selective stabilization of water-soluble decomposition products on the surface of soil minerals leads to their specific transformation. At the same time, the formation of the WSOM is an obligatory stage of transformation of plant residues (PR). An incubation experiment was carried out on the effect of the mineral environment on the features of WSOM formed in the process of biodegradation of PR. The objects of the study were artificial organomineral substrates obtained by adding to loam, a mixture of loam with kaolinite (30 %) or bentonite (15 %) of the above-ground part of clover or maize. UV-visible and fluorescence spectroscopy was used to characterize WSOM. The specific absorption index SUVA254 and the humification index are higher for WSOM in the composition of organo-mineral substrates compared to fresh residues and PR incubated without a mineral medium. The hypsochromic shift of the intensity maxima in the emission spectra with increasing excitation length and the character of the synchronous fluorescence spectra indicate a complex heterogeneous composition of the WSOM of the substrates studied. The significant place is occupied by compounds of microbial origin in the composition of the WSOM. The WSOM is enriched with aromatic components in comparison with the original plant material in the process of transformation of PR. The greatest aromaticity is characteristic of WSOM from substrates containing bentonite. In accordance with the «red» shift, the aromaticity and hydrophobicity of WSOM increases in the series: loam → loam + kaolinite clay → loam + bentonite clay. It was established that regardless of the type of decomposing residues, the mineral medium determines the trends, composition and size of the OM molecules passing into the solution.
water-soluble organic matter
plant residues
humification
clay minerals
uv-visible spectroscopy
fluorescence spectra
1. Semenov V.M., Kogut B.M. Pochvennoe organicheskoe veshchestvo [Soil organic substance]. M.: GEOS, 2015, 233.
2. Kalbitz K., Kaiser K. Contribution of dissolved organic matter to carbon storage in forest mineral soils. J. Plant Nutr. Soil Sci., 2008, no. 171, pp. 52–60.
3. Fellman J.B., Hood E., Spencer R.G.M. Fluorescence spectroscopy opens new windows into dissolved organic matter dynamics in freshwater ecosystems. Limnol. Oceanogr., 2010, no. 55, pp. 2452–2462.
4. Gao J., Liang C., Shen G., Lv J., Wu H. Spectral characteristics of dissolved organic matter in various agricultural soils throughout China. Chemosphere., 2017, no. 176, pp. 108–116.
5. Senesi N., Miano T.M., Provenzano M.R., Brunetti G. Characterization, differentiation, and classification of humic substances by fluorescence spectroscopy. Soil Science, 1991, no. 152, pp. 259–271.
6. Weishaar J.L., Aiken G.R., Bergamaschi B.A., Fram M.S., Fujii R., Mopper K. Evaluation of specific ultraviolet absorbance as an indicator of the chemical composition and reactivity of dissolved organic carbon. Environ. Sci. Technol., 2003, no. 37, pp. 4702–4708.
7. Gabor R.S., Baker A., McKnight D.M., Miller M.P. Fluorescence indices and their interpretation. Aquatic Organic Matter Fluorescence. N.Y.: Cambridge University Press, 2014, pp. 303–338.
8. McKnight D.M., Boyer E.W., Westerhoff P., Doran P., Kulbe T., Andersen D. Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity. Limnology And Oceanography, 2001, vol. 46, no. 1, pp. 38–48.
9. Kholodov V.A., Ivanov V.A., Farkhodov Iu.R., Safronova N.A., Artem'eva Z.S., Iaroslavtseva N.V. The Optical Characteristics of Aggregates Organic Matter Fractions in Typical Chernozems [Opticheskie kharakteristiki fraktsii organicheskogo veshchestva agregatov tipichnykh chernozemov]. Biulleten' Pochvennogo instituta im. V.V. Dokuchaeva – Bulletin of Soil institute, 2017, no. 90, pp. 56–72. doi: 10.19047/0136-1694-2017-90-56-72.

Процессы минерализации и стабилизации почвенного органического вещества (ОВ) играют важнейшую роль в гумусообразовании и его сохранении. Переход в раствор наиболее подвижной части поступающих в почву растительных остатков (РО) является первым и наиболее важным этапом трансформации ОВ почв. Растворенное органическое вещество (РОВ) представляет собой незначительную, но наиболее активную часть ОВ и в то же время наиболее доступную для минерализации. Часть РОВ полностью минерализуется в течение часов или суток [1]. Вместе с тем в ходе трансформации РО происходит селективная стабилизация растворенных ОВ минеральными матрицами почв за счет процессов избирательной адсорбции. Причем этот процесс происходит гораздо быстрее процессов биодеградации [2]. Для характеристики РОВ в природных водах и почвах широко используются методы оптической спектроскопии, вследствие их простоты и высокой чувствительности [3, 4]. Целью данной работы является исследование влияния минеральной среды на химический состав водорастворимого органического вещества (ВОВ), формирующегося в процессе гумификации РО в модельном эксперименте, методами ультрафиолетовой, видимой и флуоресцентной спектроскопии.

Материалы и методы исследования

В лабораторных условиях проведен эксперимент по инкубации органо-минеральных смесей разного состава при постоянных температуре (20 °С) и влажности (60 % от ПВ) в течение 6 месяцев. Органо-минеральные субстраты представляли собой смеси покровного суглинка, суглинка с бентонитовой (15 %) или каолинитовой глиной (30 %) с измельченным растительным материалом (в соотношении 1:10), инокулированные микроорганизмами. В эксперименте использовали надземную часть растений с различным биохимическим составом – кукурузы и клевера. Контролем служили варианты с РО, разлагающимися без минеральной среды. ВОВ извлекали из субстратов при соотношении твердая фаза: вода равном 1:2. Суспензии встряхивали на шейкере в течение 1 часа, после чего центрифугировали и фильтровали под вакуумом через мембранные фильтры с размерами пор 0,45 микрон (Merck Millipore). Фильтрат разделяли на кислотонерастворимую (КНФ) и кислоторастворимую (КРФ) фракции подкислением 0,1 М HCl до pH 1. Концентрацию углерода водных экстрактов (СВОВ) и углерод КРФ (СКРФ) определяли методом мокрого сжигания по Тюрину.

Спектральные исследования растворов проводили с помощью спектрофлуориметра Флюорат-02-Панорама фирмы Люмэкс. Измерения проводили при комнатной температуре 20 °±2 °, рН экстрактов доводили до значений 6,5–7,0. Спектры поглощения снимали в интервале длин волн 200–700 нм с шагом 5 нм. Регистрация спектров испускания флуоресценции проводилась в диапазоне 300–600 нм с шагом 5 нм при нескольких длинах волн возбуждения. Синхронные спектры флуоресценции снимали в интервале длин волн 250–550 нм при Δλ = 18 нм с шагом 5 нм [5].

По данным спектроскопии рассчитывали следующие характеристики:

1) удельный показатель поглощения SUVA254 при фиксированной длине волны по формуле

SUVA254 = A254/Сорг·l,

где А254 – оптическая плотность экстракта при 254 нм; Сорг – массовая концентрация растворенного органического углерода, мг/л; l – толщина поглощающего слоя, см [6];

2) индекс гумификации (HIX) по формуле

HIX = Σ I435>480 / Σ I300>345,

где I – интегральная интенсивность флуоресценции при соответствующих длинах волн в спектре испускания [7];

3) индекс флуоресценции (FI), определяемый как отношение интенсивностей флуоресценции I470 / I520 в спектре эмиссии при длине возбуждения λвозб = 370 нм [8].

Результаты исследования и их обсуждение

В зависимости от варианта эксперимента водные экстракты имели концентрацию 40–100 мгСорг/л. К концу инкубации доля водорастворимых соединений в суглинистых субстратах составила 1–3 % от общего содержания углерода (табл. 1). В групповом составе ВОВ суглинистых субстратов без внесения глинистых минералов преобладает кислоторастворимая фракция (СКНФ/СКРФ < 1). В присутствии бентонита и каолинита происходит увеличение содержания фракции осаждаемой кислотой.

Таблица 1

Содержание водорастворимого органического вещества экстрактов, отношение углерода осаждаемой кислотой фракции к кислоторастворимой фракции, удельный показатель поглощения по данным абсорбционной спектрометрии

вариант

СВОВ, % от Собщ

СКНФ/СКРФ

SUVA254

клевер

суглинок

1

0,10

0,040

суглинок + каолинит

2

0,52

0,037

суглинок + бентонит

2

1,11

0,048

РО свежие

20

0,06

0,003

РО без минеральной среды

11

0,28

0,017

кукуруза

суглинок

1

0,50

0,047

суглинок + каолинит

3

1,4

0,041

суглинок + бентонит

3

2,6

0,055

РО свежие

11

0,06

0,001

РО без минеральной среды

8

0,12

0,003

В целом величина SUVA254 характеризует содержание ароматических фрагментов в составе ВОВ. Чем выше значения этого показателя, тем больше ароматических компонентов [6]. Значения SUVA254 ВОВ органо-минеральных субстратов составляет 0,037–0,050 л·мгС-1орг·см-1, что характерно для растворенного ОВ естественных почв [9]. Более низкие значения SUVA254 для экстрактов из РО указывают на преобладание в составе их ВОВ низкомолекулярных алифатических соединений, не поглощающих при 254 нм. Наибольшие значения SUVA254 соответствуют вариантам с внесением бентонитовой глины (табл. 1). Установлена положительная корреляция между показателем СКНФ/СКРФ и удельным поглощением. Подобная взаимосвязь указывает на увеличение доли КНФ в составе ВОВ, сопровождающееся повышением его ароматичности.

ВОВ является гетерогенной смесью водорастворимых компонентов растительного материала, продуктов его трансформации, микробной жизнедеятельности и микробной мортмассы. Спектры флуоресценции ВОВ исследуемых субстратов представляют собой широкие полосы с максимумами интенсивности в интервале 430–460 нм в зависимости от варианта (рис. 1). Интенсивности полос в целом уменьшаются при увеличении λвозб.

mal1.wmf

Рис. 1. Спектры флуоресценции ВОВ при различных длинах волн возбуждения (λвозб) через 6 месяцев инкубации РО клевера (варианты 1–3) и кукурузы (варианты 4–6). Варианты эксперимента: 1, 4 – суглинок + РО; 2, 5 – суглинок + каолинит + РО; 3, 6 – суглинок + бентонит + РО

Форма спектров свидетельствует о наличии в ВОВ флуорофоров различной природы, что соответствует составу ВОВ. Положение максимума в спектрах испускания зависит от природы ОВ. Вещества с простой структурой флуоресцируют в синей области спектра, в то время как более конденсированные соединения – в длинноволновой его части. Максимумы интенсивности в спектрах экстрактов из свежих РО находятся в области 340–355 нм, где проявляется флуоресценция низкомолекулярных веществ фенольной природы и ароматических аминокислот (рис. 2). Максимум флуоресценции в интервале 400–500 нм, характерный для ВОВ субстратов, обусловлен гуминоподобными ароматическими флуорофорами [5].

mal2.wmf

Рис. 2. Спектры флуоресценции ВОВ свежих остатков (А) и остатков инкубируемых без твердой фазы (Б). Условные обозначения: 1 – РО клевера; 2 – РО кукурузы

mal3a.wmf mal3b.wmf

В спектрах флуоресценции ВОВ наблюдается смещение максимумов в красную область в ряду: ВОВ свежих остатков > ВОВ гумифицированных остатков без твердой фазы > ВОВ органо-минеральных субстратов. В зависимости от состава субстрата сдвиг максимума в длинноволновую область усиливается в следующем порядке: суглинок > суглинок + каолинитовая глина > суглинок + бентонитовая глина. Причем данная закономерность выявляется при инкубации обоих видов РО. Таким образом, присутствие каолинита и бентонита усиливает образование конденсированных структур в составе ВОВ. Следует отметить, что при увеличении длины волны возбуждения от 270 до 355 нм происходит смещение максимумов флуоресценции в область коротких длин. Подобное поведение спектров эмиссии является признаком высокой гетерогенности ВОВ.

На рис. 3 представлены спектральные показатели ВОВ по данным флуоресцентной спектрометрии. Индекс гумификации (HIX) является индикатором ароматического характера растворенного органического вещества, его зрелости и гидрофобности. Гумифицированный материал является более конденсированным, чем его предшественники, и сопровождается снижением отношения H/C. Увеличение данного индекса связано с увеличением длины волны эмиссии из-за усиления поликонденсации (более низкое отношение H/C) [7]. ВОВ негумифицированного растительного материала характеризуется величиной HIX 0,4–0,7. Значение индекса гумификации экстрактов, выделенных из органо-минеральных субстратов, составило 2,2–3,1. Таким образом, в присутствии минеральной среды степень гумификации РО существенно увеличивается.

Рис. 3. Индекс гумификации и индекс флуоресценции исследуемых экстрактов. Варианты эксперимента: 1 – суглинок + РО; 2 – суглинок + каолинит + РО; 3 – суглинок + бентонит + РО; 4 – свежие РО; 5 – РО, инкубируемые без минеральной среды

Индекс флуоресценции (FI) используется не только для оценки ароматичности ВОВ, но и в качестве индикатора его происхождения [8]. Высокие значения индекса флуоресценции (FI~1,7–2,0) свидетельствуют о преобладании продуктов микробного происхождения, а более низкие (FI~1,2–1,4) – о преобладании растительных компонентов в составе ОВ [7, 8]. Величина индекса флуоресценции ВОВ из субстратов варьировала в образцах от 1,7 до 2,3. Такие значения индекса характерны для ВОВ, в составе которых много белковых производных микробного происхождения [8]. Наибольшие значения FI отмечены для суглинистых субстратов без внесения глинистых минералов, свидетельствуя об их более низкой ароматичности. Наименьшие величины FI характерны для РО, инкубируемых в контакте с минеральными компонентами бентонитовой глины (рис. 3).

Синхронные спектры флуоресценции (ССФ) исследуемых ВОВ изображены на рис. 4. Видно, что при трансформации РО набор характеристических пиков в ССФ во многом определяется присутствующими минеральными компонентами. Так, для субстратов с бентонитом ССФ обладают интенсивной флуоресценцией в области 250–310 нм. Очевидно, это результат перекрывания трех полос с максимумами около 270, 285 и 300 нм. В данной области флуоресцируют в основном соединения белковой природы [5]. Как в случае с клевером, так и с кукурузой для синхронных спектров ВОВ в вариантах с каолинитом характерен более узкий пик с максимумом около 290–300 нм. Общий характер ССФ свидетельствует о том, что исследуемые ВОВ имеют близкий набор флуорофоров, но в разных соотношениях. Добавление бентонита и каолинита к суглинку существенным образом изменяет характер ВОВ, что связано, по-видимому, с процессами, происходящими на поверхности твердой фазы.

mal4.wmf

Рис. 4. Синхронные спектры флуоресценции ВОВ, экстрагируемого из суглинка (А), суглинка с внесением каолинита (Б) или бентонита (В) при трансформации РО клевера (1) и кукурузы (2)

Заключение

В ходе эксперимента установлено, что из исследуемых суглинистых субстратов извлекается до 3 % водорастворимых органических соединений от общего содержания углерода, что соответствует количеству ВОВ большинства нейтральных почв. Гипсохромный сдвиг максимумов интенсивности в спектрах эмиссии при увеличении длины возбуждения и характер синхронных спектров флуоресценции указывают на сложную гетерогенную систему ВОВ исследуемых субстратов. В составе ВОВ значительное место занимают соединения микробного происхождения. В процессе трансформации растительного материала происходит обогащение ВОВ ароматическими компонентами по сравнению с исходным растительным материалом. Наибольшая ароматичность характерна для связанного ОВ в составе органо-минеральных комплексов. В соответствии с «красным» сдвигом ароматичность и гидрофобность ВОВ возрастает в ряду: суглинок > суглинок + каолинитовая глина > суглинок + бентонитовая глина. Установлено, что независимо от вида разлагающихся остатков минеральная среда определяет тенденции, состав и размеры молекул ОВ переходящих в раствор.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ проекты № 16-34-01172 мол_а, № 16-04-00924.