Biotransformatsiya_lignina_v_lesnyih_ekosistemah

УДК 631.114.2.
БИОТРАНСФОРМАЦИЯ ЛИГНИНА В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ
Ковалев И.В.(1), Ковалева Н.О.(1)
МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, [email protected], [email protected]
Экосистемы лесной зоны - главные элемент биосферы, где идет активный сток
углекислого газа в почву. И это несмотря на то, что тропические леса занимают 1,7 млрд.
га (FAO, 2005). Комплексная ароматическая структура и гидрофобные свойства лигнина, а
также его высокая биохимическая стабильность предопределяют уникальную роль этого
биополимера в процессах гумификации и планетарном круговороте углерода. Учитывая,
что лигнин содержит на 50 % больше углерода на единицу веса, чем составляющая 57-77
% опада целлюлоза, можно утверждать, что устойчивое к биохимическому разложению
обсуждаемое соединение тем самым выводит углерод из кругооборота на значительные
периоды времени. Так ли это?
Цель работы - выявление закономерностей поступления, состава и трансформации
лигнина и его производных в тканях растений – подстилках - почвах некоторых лесных
экосистем. Объекты исследования: евразийские леса из сосны, лиственницы, кедра, ели,
пихты (50 км от г. Красноярска); южнотаежные березо-осиновые леса Коломенского
ополья Московской области; дубово-липовые широколиственные леса («Тульские
засеки») на серых почвах; березовые колки лесостепи Брянской области на агросерых
почвах; тропический лес Амазонии на красноземах (Бразилия); аридные экосистемы
вертикальных природных зон Тянь-Шаня; гумидные экосистемы Северного Кавказа.
Основные методы - апробированная методика мягкого щелочного окисления
органического вещества оксидом меди в азотной среде с последующим использованием
хроматографии тонкого слоя является наиболее перспективной для анализа содержания и
состава лигнина в объектах наземных экосистем: не только в тканях растений, но и в
дневных и погребенных почвах, включая минеральные малогумусные горизонты, в
конкреционных новообразованиях, препаратах гуминовых кислот, гранулометрических
фракциях почв [1, 2]. Щелочное окисление исследуемых образцов оксидом меди дало 11
фенолов, которые сгруппированы по их химической природе в 4 структурных семейства:
ванилиновые (V), сирингиловые или сиреневые (S), п-кумаровые (С) и феруловые фенолы
(F). Сумма продуктов окисления (VSC) отражает общее содержание лигнина в образце.
Результаты.
Разные типы растительных тканей (голосеменные и покрытосеменные,
древесные и недревесные, надземные и подземные) имеют контрастные «лигниновые
параметры». Мы подтвердили существующие закономерности и обнаружили в наших
образцах 3 известных типа лигнина. Во-первых, лигнин хвойных растений (мягкий
древесный лигнин) содержит ванилиновые (гваяциловые) фенолы в качестве основной
структурной единицы – до 60 мг г-1 Сорг можжевельника и до 80 мг г-1 Сорг – в опаде
пихты. Сиреневые и цинамиловые кислоты и альдегиды в хвое практически отсутствуют
и отношение S/V = 0. Впервые установлен химический состав лигнина из тканей
можжевельника. Соотношение VSC в нем составил - 41:1:2. Во-вторых, лигнин
лиственных деревьев (тяжелый древесный лигнин), преимущественно состоит из
примерно равного количества ванилиновых (гваяциловых) и сирингиловых структур. При
этом лигнин тканей лиственных пород горных лесов Кавказа (бук, каштан), почти не
отличается от лигнина листвы пород умеренного пояса и орехово-плодового горного леса
Тянь-Шаня и содержит действительно близкие количества ванилиновых и сирингиловых
фенолов. Содержание циннамиловых фенолов близко к 0. В мелколиственных породах
умеренного пояса
композиционные соотношения – 4:4:1
2:1:1, а
в тканях
широколиственных растений 8:2:1. Минимум кумаровых и феруловых фенолов и
нехарактерные для широколиственных пород следовые количества сиреневого альдегида
обнаруживает опад тропических древесных растений Амазонии. П-кумаровые кислоты
отсутствуют и в древесине хвойных растений – сосны и можжевельника. Третий тип
лигнина – это лигнин травянистых растений, которым присуще наибольшее количество
циннамиловых структурных единиц: их содержание в степных и луговых злаках и
разнотравья возрастает до 20-30 мг/г углерода, что в 4-6 раз больше, чем у древесных
растений.
Определение продуктов окисления лигнина в подстилках разных типов растительных
ассоциаций показало, что различия лигниновых параметров в них менее контрастны, а
содержание лигнина значительно ниже по сравнению с живыми растительными тканями.
Хотя композиционно подстилки повторяют характерные для живых тканей
закономерности: подстилки хвойных пород характеризуются накоплением ванилиновых
(гваяциловых) фенолов – до 33 мг г-1 Сорг. под кроной можжевельника, - и сохраняют
тенденцию к меньшему содержанию сирингиловых и кумариловых структур. Подстилки
лиственных пород имеют примерно равные соотношения ванилиновых (гваяциловых) и
сирингиловых фенолов и меньшее по сравнению с кумаровыми количество феруловых
кислот (V:S:C - 4:4:1; 2:1:1). Значительное уменьшение продуктов окисления лигнина
(VSC) характерно для буково-грабаво-каштанового опада с 10, 4 до 2,2 мг/г углерода;
опада в берёзовой роще с 24,5 до 10,9 мг/г углерода; в осиновой роще – с 9,3 до 1,6 мг/г
углерода.
Типичные структурные фрагменты лигнина еще долго узнаваемы в почвах
[3]. Например, в серых лесных почвах Коломенского ополья величина отношения
сирингилов к ванилинам S/V отношения около 1. Эти цифры соответствуют значениям,
типичным для свежих тканей березы, характеризующихся эквивалентным вкладом
сирингиловых и ванилиновых единиц. Почвы «Тульских засек» характеризуются
отношением сирингиловых фенолов к ванилинам S/V около 0,8 в верхней части профиля,
что типично для древесных широколиственных пород.
Установлено, что наибольшее
суммарное (VSC) количество продуктов окисления лигнина в рассматриваемых
горизонтальных рядах почв приурочено к почвам естественных биогеоценозов с
наивысшей биопродуктивностью: серая лесная почва Тульских засек, черноземы Курского
заповедника, красноземы тропического леса Амазонии. При этом, показана линейная
зависимость увеличения степени измененности боковых цепочек лигниновых структур.
Так в почвах южной тайги она составляет 5-8 %, в лесостепи – 9-10 %, в черноземах –
10-12% и, достигая максимальных значений в красноземах тропического леса до 30-50 %,
то есть фактически следует за величиной периода биологической активности. В почвах
вертикального ряда наблюдается параболический характер распределения лигнина в ряду:
от подножия к вершинам с максимумом содержания лигнина в субальпийских
черноземовидных почвах (Тебердинский заповедник Кавказа и заказник Чон-Курчак
Тянь-Шаня). В условиях антропогенного использовании (пашня Русской равнины,
плантация производственной древесины Бразилии,
вторичные леса Красноярска)
количество лигнина в почвах уменьшается по сравнению с естественными аналогами.
1. Ковалев И.В., Ковалева Н.О.
Биохимия лигнина в почвах периодического переувлажнения
(на примере агросерых почв ополий Русской равнины) // Почвоведение, 2008, № 10 с. 1205-1216.
2. Ковалева Н.О., Ковалев И.В. Биотрансформация лигнина в дневных и погребенных почвах
разных экосистем // Почвоведение, 2009. № 11. С. 84-96.
3. Ковалев И.В., Ковалева.
Лигнин в почвах как молекулярный индикатор
палеорастительности //Электронный журнал «Доклады по экологическому почвоведению», 2013,
выпуск 18, № 1, с. 235-262. http://soilinst.msu.ru