ЛИГНИНОПОДОБНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В СОСТАВЕ ГУМУСА И ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ПОЧВ *

Н.Г. Каршкова ¹, Ю.А. Завгородняя ¹, В.В. Демин ²

1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва
2 Институт Почвоведения МГУ-РАН, Москва

Стандартные приемы выделения препаратов гуминовых кислот (ГК), существующие в настоящее время, предполагают использование экстракции ГК из почвы щелочными вытяжками и последующее осаждение ГК минеральными кислотами. Известно, однако, что в почве одновременно с собственно гуминовыми кислотами существует исходные и в разной степени измененные высоко- и низкомолекулярные органические соединения, источниками которых является мертвая и живая биомасса. Эти соединения также экстрагируются из почвы щелочами и осаждаются минеральными кислотами (рис. 1). Следовательно, стандартные приемы выделения ГК являются неселективными. Получаемые препараты ГК могут быть в разной степени загрязнены полисахаридами, пептидами, лигниноподобными соединениями, прогуминовыми веществами, липидами.

Возможность загрязнения образцов гуминовых кислот органическими соединениями иной природы признается всеми исследователями. Тем не менее, после того как гуминовые кислоты были выделены из почвы и очищены в соответствие с той или иной стандартной методикой, дальнейший анализ препаратов и, соответственно, интерпретация полученных результатов проводится так, как если бы полученные препаратами были чистыми гуминовыми кислотами. Чрезвычайно существенная информация о качественном составе и количественном содержании примесей при этом отсутствует.

Среди соединений негуминовой природы, присутствующих в составе гумуса, выделяются лигнины и их производные - лигниноподобные соединения, очень близкие по многим свойствам к ГК, что очень хорошо было показано в 20-30-х годах ХХ века С. Ваксманом. Именно эти соединения могут в первую очередь присутствовать в препаратах ГК в виде нековалентно связанных с ними примесей. Целью нашей работы являлось исследование свойств лигниноподобных соединений в почвах и оценка их возможного влияния на экспериментально определяемые свойства гуминовых кислот.

Из горизонтов лесной подстилки ( L , F , FH ) и верхнего минерального горизонта A 2 h подзолистой почвы южной тайги после удаления ГК были выделены диоксаном лигниноподобные соединения (диоксан-лигнины). Из тех же образцов щелочной экстракцией были выделены гуминовые кислоты (рис. 2).

Содержание лигниноподобных соединений в подстилке и почве составляло 2-3%. По элементному составу, молекулярно-массовому распределению, содержанию кислых функциональных групп и оптическим свойствам эти соединения были более близки к лигнинам высших растений, чем к гуминовым кислотам. Параметрами, по которым наблюдались наиболее существенные различия (их даже можно считать диагностическими), являются: 1) содержание азота (рис. 3), полностью отсутствующего в диоксан-лигнинах из подстилки и почвы и в выделенных нами лигнинах из компонентов свежего опада ели и березы (листья, хвоя, древесина); 2) молекулярно-массовое распределение, контрастно различающееся для диоксан-лигнинов и ГК (рис. 4).

На основе полученных данных мы провели эксперимент, в ходе которого попытались обнаружить в составе ГК, выделенных из почвы щелочной экстракцией, фракцию слабоизмененных лигнинов и их производных (лигниноподобных соединений).

Из минерального горизонта A2h по стандартной методике экстракции и очистки (Орлов, Гришина, 1981) был выделен препарат гуминовой кислоты, который затем был обработан диоксаном. Выход диоксанового экстракта составил 30%. По элементному составу, молекулярно-массовому распределению фракция, экстрагированная диоксаном, отличалась от свойств исходного препарата, приближаясь по своим характеристикам к лигниноподобным соединениям, выделенным из подстилки и почвы, и была фактически идентична лигнинам из высших растений. В ней практически отсутствовал азот, было низкое содержание кислорода и высокое водорода (рис. 5).

Особенно, на наш взгляд, интересен тот факт, что в диоксановый экстракт полностью переходила фракция с молекулярной массой 50 000 - 70 000 Да (рис. 6), содержание которой особенно велико как в диоксан-лигнинах из подстилки и почвы, так и в лигнинах высших растений.

Таким образом, можно говорить о том, что ряд свойств, приписываемых ГК, определяется наличием в их составе примесей биополимеров иной природы, нековалентно связанных с молекулами ГК. Содержание этих примесей может быть очень велико - до 30% и более.

Из полученных результатов вытекает ряд выводов:

1. современные гипотетические структурные формулы гуминовых кислот, предложенные Д.С. Орловым (1977), F . Stevenson (1982) H .- R . Schulten & M . Schnitzer (1997), и разработанные авторами на основе анализа свойств образцов гуминовых кислот, выделенных стандартными методами, т.е. без селективного отделения неспецифических соединений, несут на себе 'отпечаток' строения молекул лигнина K. Freudenberg (K. Freudenberg & A.C. Neish, 1968). Например, фенилпропановые структуры, обнаруживаемые в ГК, частично могут находиться в составе молекул лигнинов и их дериватов. Появление артефактов может быть вызвано, хотя и в меньшей степени, присутствием в ГК примесей белков, полисахаридов, липидов;
2. полисахариды, пептиды и лигниноподобные соединения обладают, как известно, пониженной устойчивостью к биодеградации и, следовательно, оценки устойчивости ГК в почве могут оказаться сильно заниженными, что напрямую связано с результатами моделирования циклов углерода в биосфере;
3. неоднозначность в оценках биологической активности гуминовых веществ может быть связана с наличием в них примесей активных соединений иной природы.

Следовательно, в настоящее время прогресс в области исследования гуминовых кислот во многом может быть достигнут не столько на пути использования современных физических методов, сколько в ходе разработки новых селективных приемов выделения и очистки гуминовых кислот.

* Доклад был сделан на комиссии II 'Химия почв' IV съезда Докучаевского общества почвоведов (Каршкова Н.Г., Завгородняя Ю.А., Демин В.В. Лигниноподобные соединения в составе гумуса и гуминовых кислот. Материалы IV съезда Докучаевского общества почвоведов. Новосибирск, 9-13 августа 2004г. - Новосибирск, Изд-во Наука-центр, 2004. - С. 510.)