![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Проект направлен на познание процессов стабилизации органического вещества в почвах как важнейшей составляющей глобального цикла углерода и возможного изменения его параметров в условиях потепления климата при увеличивающихся антропогенных нагрузках. На основании полученных новых данных о биохимической устойчивости водорастворимого органического вещества, сезонной динамике линейных алканов, устойчивости к биохимической деструкции органо-минеральных комплексов в почвах южно-таежных природных и антропогенно измененных ландшафтов будет разработана концепция органо-минеральных взаимодействий как основа для понимания механизмов стабилизации органического углерода в почвах. Особое внимание в проекте будет уделено изучению времени жизни линейных алканов в почве и выявлению закономерностей и механизмов сорбции водорастворимого органического на различных почвенных компонентах, включая подфракции ила и влиянию на эти закономерности температурного фактора.
The Project is directed at the cognition of soil organic matter stabilization process as the prime constituent of the global carbon cycle and at the prediction of probable changes in this cycle parameters under conditions of the climate warming at the increased anthropogenic loading. On the basis of the new experimental data obtained on the biochemical stability of dissolved organic matter and organo-mineral complexes and on seasonal dynamics of normal alkanes a conception of organo-mineral interactions in soils of native and disturbed southern-taiga landscapes will be developed. A special consideration will be given to the revealing of mechanisms of dissolved organic matter and its individual components sorption by clay minerals, soil samples and samples of isolated clay fractions and subfractions, to the temperature effect on the sorption, and to the assessment of the alkanes residence time in soils.
На первом этапе реализации проекта будут получены следующие результаты. 1. Будут изучены свойства водорастворимого органического вещества (амфифильность, молекулярно-массовые распределения, кислотно-основные свойства, содержание С и N, содержание фенолов, углеводов, изучен состав) и установлены закономерности сорбции гидрофобных и гидрофильных фракций водорастворимого органического вещества подзолистых почв ненарушенных южно-таежных ландшафтов на каолините, иллите и гетите. Будет проведен рентгендифрактометрический анализ иллита, каолинита и синтезированного в лаборатории гетита. 2. Будет изучено влияние температуры, процессов оттаивания-промерзания на устойчивость, количество и качественный состав ВОВ, образующихся в подстилках подзолистых почв. Будут рассчитаны параметры скорости минерализации ВОВ. 3. Будет дан анализ существующей литературы по составу алифатических и ароматических НМОК в почвах и процессам их сорбции почвами и отдельными компонентами твердой фазы почв. Будет определено содержание щавелевой и бензойной кислот в образцах почв. Будут получены изотермы адсорбции щавелевой и бензойной кислот на каолините, иллите и монтмориллоните. 4. Будет изучен состав и определено содержание н-алканов и н-метил-кетонов в наземном и корневом опаде и в дерново-подзолистой почве под липняком волосисто-осоковым, расположенным на территории Малинского лесничества (Новая Москва). Будет изучено сезонное изменение состава гидрофобных биомаркеров в почвенных фракциях, выделенных из верхних горизонтов дерново-подзолистой почвы.
В результате исследований, проведенных для подзолистых почв и подзолов ненарушенных ландшафтов южной тайги выявлено повышение устойчивости к минерализации водорастворимых органических веществ, экстрагируемых из подстилки подзола, при их взаимодействии с минеральными горизонтами. Исследованы особенности минерализации водорастворимых органических веществ лесных подстилок, образованных в разных фитоценозах (ельники, сосняки) в условиях техногенного загрязнения. Показано, что биохимическая устойчивость ВОВ зависит от состава растительных остатков и загрязнения участка тяжелыми металлами. Исследованы сезонные изменения в составе и содержании н-алканов и н-метил-кетонов в дерново-подзолистых типичных почвах (Albic Retisols (Ochric)) под липняками.
В результате комплексных исследований получены новые сведения о составе водорастворимого органического вещества почв южно-таежных ландшафтов, определены скорости минерализации различных по устойчивости групп соединений, оценено влияние процессов промерзания и оттаивания на изменение количества и качественного состава ВОВ. Показано, что в процессе сорбции на минеральных поверхностях ВОВ почвы фракционируется по амфифильности. Преимущественно сорбируются гидрофобные компоненты водорастворимых низко- и высокомолекулярных органических соединений, что приводит к неоднородности состава органических соединений на разном расстоянии от минеральной поверхности и различиях в термо- и биохимической устойчивости сорбированного органического вещества. В целом, адсорбированное на поверхности минералов органическое вещество становится более устойчивым к минерализации. Установлено присутствие в верхних почвенных горизонтах трех групп алифатических неразветвленных углеводородов, различающихся по составу и способности к минерализации. Самыми устойчивыми являются углеводороды, сорбированные на минеральных поверхностях в слое 5 – 8 нм.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 9 июля 2019 г.-26 июня 2020 г. | Органо-минеральные взаимодействия как основа стабилизации органического вещества в почвах |
Результаты этапа: Составлен обзор литературы, в котором рассмотрены основные источники алифатических и ароматических низкомолекулярных органических кислот (НМОК) в почвах, описаны состав и концентрации под разными типами растительности и профильное распределение. Рассмотрены основные закономерности и механизмы сорбции алифатических и ароматических НМОК почвой и ее отдельными компонентами и глинистыми минералами. Оценены скорости биодеградации НМОК в почвах и их роль в глобальном цикле углерода. Проведены исследования состава водорастворимого органического вещества (ВОВ) лесных подстилок разного состава. Установлено, что сфагновая подстилка содержит меньше растворимого азота и углерода, но больше углеводов, по сравнению с хвойно-лиственной и хвойной. ВОВ хвойно-лиственной подстилки, с преобладанием опада березы, содержит максимальное количество азота, а ВОВ подстилки из хвои сосны максимальное количество растворимых фенольных соединений (РФС). ВОВ всех видов подстилок полидисперсно. Во всех образцах преобладает среднемолекулярная фракция 7000-10000 Да. Увеличение в составе подстилки лиственных остатков приводит к повышению доли компонентов с молекулярными массами (ММ) ≥20000 Да. Проведены эксперименты по изучению влияния температуры и циклов промерзания/оттаивания подстилки из листьев березы и хвои ели на состав и свойства ВОВ. При минерализации ВОВ из натиных подстилок повышение температуры с 11 до 25 0С влияет на скорость разложения лабильной части ВОВ и некоторые части РФС, скорость минерализации стабильной фракции и доля минерализуемых соединений не меняется. Инкубирование подстилок меняет устойчивость, находящегося в них ВОВ. Установлено, что циклы промерзания/оттаивания приводят к увеличению общей концентрации углерода ВОВ, увеличивают в их составе долю углеводов, уменьшают содержание азота и не влияют на долю РФС. Цикличное промораживание приводит к увеличению доли гидрофобных соединений и низкомолекулярной фракций ВОВ. Проведены эксперименты по биодеструкции РОВ почвенных растворов, выделенных их горизонтов торфянисто-подзолисто-глееватой почвы. Показано, что более устойчивы к биодеструкции РОВ из горизонта Eih, в составе которых содержится максимальное количество гидрофобной фракции. РОВ из нижележащих горизонтов менее устойчиво к биодеструкции и в условиях проведенных экспериментов минерализуется на 76 % и более. Устойчивость к минерализации прямо коррелирует с содержанием РФС. В экспериментах по сорбции ВОВ почвенными горизонтами установлено, что минеральные горизонты подзолов избирательно сорбируют ВОВ, а способность к минерализации оставшихся в растворе ВОВ значительно уменьшается. Проведены эксперименты по сорбции ВОВ из лесных подстилок на каолините, иллите и гетите. Показано, что каолинит и иллит извлекают из водных вытяжек преимущественно гидрофильные соединения, вещества с меньшими Е254-величинами и с относительно низкими молекулярными массами (менее 7 кДа (иллит) и 7–19 кДа (каолинит)). Гетит преимущественно поглощает компоненты гидрофобной фракции, ароматические соединения как из гидрофобной, так и из гидрофильной фракции, РФС, вещества с молекулярными массами менее 7 кДа. После сорбционного взаимодействия с минералами уменьшается или исчезает более длинноволновая флуоресценция, обусловленная присутствием гумусовых веществ с длинной цепью сопряжения, появляются новые флуорофоры, содержащие фенольные и/или протеиновые фрагменты. Установлены закономерности и предложены механизмы сорбции бензойной кислоты монтмориллонитом при рН <5. Наиболее вероятными механизмами сорбции являются мостиковые связи через ион Cа2+ или через воду гидратной оболочки Са на внешних базальных гранях минерала и электростатическое взаимодействие бензоата с положительно заряженными функциональными группами на боковых сколах кристаллитов. Установлены закономерности профильного и сезонного распределения н-алканов и н-метил-кетонов в профиле дерново-подзолистой почвы. Вниз по профилю вклад н-алканов в состав органического вещества почвы увеличивается в 2 раза, достигая максимума в горизонте EL. н-метил-кетоны в горизонтах EL и BT не обнаружены, что может свидетельствовать о низкой скорости окисления углеводородов в этом горизонте. В нижней части профиля дерново-подзолистой почвы увеличивается доля коротких гомологов н-алканов, что указывает на повышенный вклад в состав липидной фракции компонентов микробной плазмы. Установлено что, в июне фракция н-алканов на 90% была представлена нечетными длинноцепочечными гомологами. В осенний период доля нечетных длинноцепочечных н-алканов снижается. В ноябре после окончания листопада верхние горизонты обогащаются н-алканами свежего корневого отпада. Более глубокий гумусовый горизонт AYel относительно обогащается липидной фракцией в весенний период. Наиболее низкое содержание кетонов за период наблюдений было зафиксировано в июле. В сентябре содержание кетонов начинало нарастать и достоверно увеличивалось в ноябре в 3-4 раза по сравнению с летним периодом. В гомологическом составе н-метил-кетонов, выделенных из почвы, во все сезоны доминировали нечетные кетоны с длиной С-цепи 25-33. | ||
2 | 15 ноября 2020 г.-28 октября 2021 г. | Сорбция ВОВ различными почвенными горизонтами |
Результаты этапа: Проведены исследования закономерностей сорбции высоко- и низкомолекулярных органических соединений на глинистых минералах, почвах и илистых фракциях почв. Установлено, что сорбция фульвокислот (ФК) и водноэкстрагируемого из почвы органического вещества (WEOM) на каолините, мусковите и илистых фракциях почв сопровождается уменьшением гидрофобности органического вещества и снижением гетерогенности его амфифильных свойств в равновесном растворе. Показано, что основным механизмом закрепления FA на обоих минералах являются гидрофобные взаимодействия, которые происходят на силоксановых поверхностях. На единицу площади поверхности каолинит сорбирует больше Сорг., по сравнению с мусковитом, так как большой отрицательный заряд мусковита препятствует гидрофобным взаимодействиям на силоксановых поверхностях. Сорбция WEOM осуществляется в результате гидрофобных и электростатических взаимодействий и зависит от рН. Установлено, что в процессе сорбции на глинистых минералах происходит фракционирование гуминовой кислоты (ГК). Сорбированная на глинистых минералах ГК становится более термически устойчива, по сравнению со «свободной». Термическая устойчивость сорбированной ГК уменьшается в ряду монтмориллонит>каолинит >мусковит. Основным компонентом, сорбирующим органическое вещество в илистой фракции горизонта EL подзолистой почвы, являются глинистые минералы, в горизонте Ecng – несиликатные соединения железа и глинистые минералы. Установлены параметры скорости разложения органического вещества в лесных подстилках разного состава. Показано, что стабильная и лабильная фракции ВОВ из разных подстилок различается по скорости минерализации Органические вещества из сфагнума, разлагаются медленнее и в меньшем относительном количестве по сравнению с другими ВОВ. В елово-березовой подстилке стабильная фракция в 2 раза менее устойчива, чем у других ВОВ, Установлены закономерности распределения низкомолекулярных органических кислот в порах разного размера гумусового горизонта перегнойно-гумусовой почвы и горизонта ЕLВТg подзолистой почвы. Показано, что концентрация фенолкарбоновых кислот в растворах крупных пор в 4-8 раз выше, чем в более мелких. В крупных порах доминируют салициловая, бензойная и коричная кислоты, а в мелких - р-гидроксибензойная и бензойная. В подзолистой почве вещества из пор диаметром более 14,7 мкм содержат больше С, N, фенольных соединений, имеют большую молекулярную массу и степень ароматичности. Вещества растворов из мелких пор более гидрофобны, характеризуются более широким отношением C:N и потенциально более устойчивы к разложению. Преимущественная приуроченность фенольных соединений подзолистой почвы к растворам крупных пор, в природных условиях способствует их переносу с потоками влаги в нижние горизонты, где условия для сорбции и биохимической стабилизации наиболее благоприятны. Установлены закономерности распределения гидрофобных компонентов липидного комплекса, обладающих высоким сорбционным потенциалом к минеральной фазе почвы (н-алканов) между денсиметрическими фракциями почв, развитых под разными растительными сообществами, их сезонное варьирование. Для широколиственных растительных сообществ сезонный характер распределения в верхних слоях почв липидных компонентов между органоминеральной матрицей и органической матрицей растительных остатков в значительной степени определяется двумя факторами: 1) динамикой поступления растительных остатков в почву; 2) степенью активности микробиоты. От весеннего периода к летнему происходит два процесса: 1) физическое и биологическое измельчение растительных остатков и перемешивание их в верхних горизонтах; 2) деградация наиболее лабильных и легкодоступных органических соединений и за счет этого увеличение численности микробного сообщества на субстрате - легком фрагментированном материале детрита, который не связан с минеральной матрицей. В конце вегетационного сезона формируется индивидуальный для каждого листопадного сообщества молекулярный углеводородный «отпечаток» наземного лиственного опада. | ||
3 | 9 февраля 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Сорбция ВОВ илистыми фракциями почв |
Результаты этапа: Проведены эксперименты по сорбции водорастворимого органического вещества на подфракциях ила, выделенных из горизонтов EL и ELcn . Оценена биохимической устойчивости исходного и сорбированного водорастворимого органического вещества подстилок по скорости и степени его минерализации (для горизонтов ВFe (Bt) и IIBD подзолистых почв и подзолов). Определен состав и содержание н-алканов и н-метил-кетонов в наземном и корневом опаде, в почве и в почвенных фракциях из верхних горизонтов урбанозема из природного заказника Воробьёвы горы (Москва). Получены изотермы сорбции бензойной кислоты на образцах горизонтов AOEL и AEL подзолистых почв и выделенных из них илистых фракций после обработки Н2О2 (в трехкратной повторности). Обобщены полученные данные в рамках всего проекта. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".