Органическое вещество почв

1. Органическое вещество почв

А. И. Попов
Санкт-Петербургский государственный университет

2. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВЫ

совокупность
всех
органических
веществ,
находящихся в форме гумуса и остатков
животных и растений (ГОСТ 27593-88 (СТ СЭВ
5298-85));
сложный комплекс, состоящий из специфических
(гуминовых)
веществ
и
индивидуальных
органических соединений, а также из продуктов
их взаимодействия между собой и с минеральной
частью почвы

3. Классификация органического вещества почв (по Д. С. Орлову и др., 1996)

ПОЧВА
Неорганическая
часть почвы
Органическая часть почвы
Живые организмы
(органическое вещество почвы)
(население почвы, эдафон)
Органо-минеральные
соединения
Остатки, не утратившие
анатомического строения
Гумус
Промежуточные
продукты распада
и гумификации
Прогуминовые вещества
Гуминовые кислоты
(ГК)
Черные
ГК
(ЧГК)
Бурые
ГК
(БГК)
Неспецифические
соединения
(негуминовые вещества)
Гуминовые вещества
Гумусовые
(перегнойные)
кислоты
Гиматомелановые
кислоты (ГМК)
Гумин
Фульвокислоты
(ФК)
???

4. Особое место в составе органического вещества почв по своей биогеоценотической важности занимают гуминовые вещества.

5. Гуминовые вещества (ГВ) – особый класс природных высокомолекулярных гетерогенных азотсодержащих органических соединений

Гуминовые
вещества
(ГВ)
–
природных
высокомолекулярных
особый
класс
гетерогенных
азотсодержащих органических соединений тёмно-
коричневого
или
характеризующиеся
отсутствием
состава.
тёмно-бурого
аморфным
строгого
цвета,
состоянием
постоянства
и
химического

6. В минеральных почвах на долю ГВ приходится до 8090 % – суммарного содержания органической составляющей; в сапропелях доля ГВ

В минеральных почвах на долю ГВ приходится до
80 90 % – суммарного содержания органической
составляющей;
в сапропелях доля ГВ составляет 9-60 %,
в торфах – до 50,
в землистых бурых углях – до 60,
в выветрившихся бурых и каменных
углях – от нуля до 100,
в морской воде – до 20, а в воде рек и озер –
60-85 %
Гуминовые вещества – наиболее естественная и
устойчивая форма сохранения органических веществ
в биосфере

7. В природе ГВ образуются в результате гумификации, они – конечные продукты этого процесса – представляют собой разнообразные

полимеры,
имеющие тот или иной химический состав и
строение.
Гуминовые вещества – такие вещества, которые
состоят из набора «сходных частей», отражающих
характерное поведение полимера, включая свойства,
зависимые от третичной и четверичной структуры.

8. Сравнительный элементный состав гуминовых веществ и биологических макромолекул (по: М. М. Кононова, 1963)

Объект
Содержание элементов,
% на абсолютно сухое беззольное
вещество
C
H
O
N
Гуминовые вещества
40–60
3 7
30 50
1 5
Гуминовые кислоты
52 62
3,0 5,5
30 33
3,5 5,0
Фульвокислоты
44 49
3,5 5,0
44 49
2,0 4,0
Белки
50 55
6,5 7,3
19 24
15 19
44,4
6,2
49,4
Нет
62 69
5,0 6,5
26 33
Нет
Целлюлоза
Лигнин

9. Гуминовые вещества  полифункциональные полиамфолиты

Гуминовые вещества полифункциональные
полиамфолиты
Основные отрицательно
заряженные группы:
Основные положительно
заряженные группы:
Карбоксилы ( COOH)
Амины ( NH2, NH , >N )
Спиртовые и фенольные
Амиды ( CO NH2)
гидрокслы ( OH)
Пептидные ( CO NH )
Карбонилы (>C=O)
Имины (>C=NH)
Метоксилы ( O CH3)
Азогруппы ( N=N )
и прочие
и прочие

10. Совокупность функциональных групп обусловливает:

• амфотерные свойства,
• межмолекулярные и внутримолекулярные связи,
причем внутримолекулярные связи определяют
хелатообразующую способность ГВ,
• участие в окислительно-восстановительных
реакциях

11. Амфотерные свойства гуминовых веществ

Катионные свойства
H3N+R(CH2)nCOOН
Подкисление
Подщелачивание
H2NR(CH2)nCOOН
Подщелачивание
Изоэлектрическая точка
Подкисление
H2NR (CH2)nCOO
Анионные свойства

12. Комплексообразование гуминовых веществ

Данное явление проявляется, когда в молекулах рядом
с карбоксигруппой находятся электронодонорные группы:
–NH2, –OH, >C=O, –COOH, –SH, >NH,
Хелатные соединения
характеризуются
R1–C–O
замкнутыми пяти- или
шестичленными циклами,
включающими ион металла, O=C–O
донорный атом и
гидроксильный кислород
карбоксигруппы
N
H
O–C=O
2+
Me
O–C–R2
H

13. Гуминовые вещества  окислительно-восстановительные полимеры

Гуминовые вещества окислительновосстановительные полимеры
OH
O
+ 2H+ + 2ē
OH
(гидрохинон хинон)
O
H
A– + 2H+ + 2ē
+ HA
+
N
N
R
R
+ 2H+ + 2ē
+
SH
(гидропиридин пиридин)
SH
S
(тиол дисульфид)
S
Органические окислительно-восстановительные системы

14. Буферные свойства гуминовых веществ

Гуминовые вещества — кислотно-основный комплекс
Обратимые
прием и отдача
электронов (ē)
Обратимые
прием и отдача
протонов (H+)
Обратимые
прием и отдача
катионов (Me+)
Участие в редоксреакциях
Амфотерность
Образование солей, ионный обмен
Окислительновосстановительная
буферность
Кислотнощелочная
буферность
Изотоническая
буферность
Обратимые
прием и отдача
анионов (A )

15. Коллоидные свойства гуминовых веществ

Диаметр диспергированных частиц ГВ находится в
интервале от 102 до 103 нм, т. е. они коллоиды.
У веществ в коллоидном состоянии,
во-первых, значительная доля всех молекул
находится на поверхности раздела фаз;
во-вторых, молекулы коллоидных дисперсий
обладают избыточной свободной энергией.
Поэтому ГВ как коллоидные дисперсные системы
обладают
поверхностно-активными
и
электроповерхностными свойствами.

16. Гуминовые вещества  поверхностно-активные коллоидные дисперсии

Гуминовые вещества поверхностноактивные коллоидные дисперсии
Внешний вид гуминовых
веществ сапропеля

17. Основные свойства коллоидных поверхностно-активных веществ:

высокая поверхностная активность
самопроизвольное мицеллообразование
солюбилизация
резкое
увеличение
растворимости
веществ
в
растворах
поверхностно-активных веществ вследствие их
«внедрения»
внутрь
структурированной
мицеллы
стабилизация различных дисперсных систем

18.

Поскольку гуминовые вещества – коллоиды,
то
они, как коллоидные дисперсные системы, могут
образовывать
не
только
четвертичную структуру
третичную,
но
и

19.

Гуминовые вещества, обладая достаточно высокой
поверхностной активностью, способны к
самопроизвольной ассоциации молекул с
образованием таких трёхмерных
супрамолекулярных ансамблей, как мицеллы, или
«псевдомицеллы», в которых молекулы отделены
друг от друга гидратными оболочками

20.

Сфероидные структуры ГВ, в свою очередь способны
образовывать четвертичные структуры, которые,
как предполагала М. М. Кононова, напоминают по
форме гроздья винограда.

21.

Пространственные молекулярные комплексы ГВ
относятся к эластичным студням.
Внутри ассоциатов молекул ГВ может происходить
солюбилизация гидрофобных соединений.
Солюбилизация – самопроизвольный и обратимый
процесс внедрения лиофобных веществ в мицеллы
поверхностно-активных веществ

22. Электроповерхностные свойства гуминовых веществ

Проявляются в их сорбционной и ионообменной
способностях и объясняются появлением на
поверхности
дисперсной
фазы
двойного
электрического слоя (ДЭС).
Этот слой образуется спонтанно, и его появление
обусловлено
диссоциацией
кислотных
функциональных групп ГВ в водных средах.
Электроповерхностные явления играют важную
роль в конформационных изменениях и агрегации
макроионов ГВ

23. Схематическое изображение строения ДЭС-мицеллы гуминовых веществ (по Н. И. Лактионову, 1982):

Схематическое изображение строения ДЭСмицеллы гуминовых веществ
(по Н. И. Лактионову, 1982):
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H
H+
+ H+
H+ H
C
+ H 3N C
OO C
O
H+
2 NC
OOC
R
OOC
NC
2
2
+
H
Ca2 + Mg
Ca2 +
Na +
Ca2 +
Ca2 +
H+
Mg2 +
Ca2 +
H+
H+
H+
H+
H+
H+
+
H
O
COO
H+
C O H+
O
C
COO
C
Na + Ca2 +
COO
O
Mg2 + K +
Ca2 +
Ca2 +
2
+
Ca
H2
N
C OO
C
COH
COO
O
OO C
+H N C
3 C
Ca2 +
H+
COO
COH
C
C OO
N
H
H+
H+
2
H+
K+
Mg2 +
H+
NH4+
R гидрофобный органический радикал (гидрофобная часть ГВ)

24. Гуминовые вещества  арилгликопротеидные гетерополимеры

Гуминовые вещества
арилгликопротеидные гетерополимеры
Alk
Сn(H2O)m
(“глико”)
R3
R1
R2
(“арил”)
a
H2N-CH-COOH
R
(“протеиды”)
b
c
Ar-Alk — бензол-алкильный структурный фрагмент,
где R1, R2, R3 — заместители;
a, b, c — коэффициенты пропорции гетерогенных
мономеров

25. Классификация гуминовых веществ

Гуминовые
вещества
Гумусовые
(перегнойные)
кислоты
Меланиновые
(темноокрашенные)
вещества
Гумин
(негидролизуемый
остаток)

26. ГУМИН (негидролизуемый остаток) – органическое вещество, входящее в состав почвы, не растворимое в кислотах, щелочах,

органических растворителях (ГОСТ 27593-88
(СТ СЭВ 5298-85))

27. Гумины представляют собой высокоустойчивые агрегатные отдельности, где структурная перегруппировка алифатических

биогенетических
макромолекул
может
иметь
место
одновременно с уплотнением пассивного
макромолекулярного материала, адгезионно
связанного
с
активированными
минеральными поверхностями

28. Cуществуют два основных направления, касающихся формирования и состава гуминов. Согласно одному направлению гумины  – то, что

Cуществуют два основных направления, касающихся
формирования и состава гуминов.
Согласно одному направлению гумины – то, что
остается от гумусовых кислот после их извлечения
щелочью, и поэтому состав гуминов зависит от
процедуры извлечения, тем более что методы,
которыми пользуются разные исследователи, не
всегда одинаковы.
В соответствии со вторым направлением одним из
основных компонентов, входящих в состав гуминов,
являются отмершие остатки растений,
в этом случае состав гуминов в большей мере зависит
от биохимического состава отмерших остатков

29. В состав гуминов входят две генетически разнородные группы органических соединений: одна – наиболее устойчивая к кислотному и

щелочному гидролизу – представлена
неспецифическим материалом (например,
лигнином,
целлюлозой
и
проч.),
другая – наиболее прочно закрепленные
минеральной частью почвы специфические
(гуминовые) вещества.

30. Mеланиновые (прогуминовые) вещества – собирательное название группы высокомолекулярных темных (как правило, коричневых, бурых

или черных) пигментов
биогенного происхождения, образующихся
при окислительной полимеризации как
фенольных,
так
и
азотсодержащих
соединений.

31. Меланиновые вещества (или меланины) широко распространены в природе. Это продукты жизнедеятельности чаще всего бактерий и

грибов, а также наиболее часто
встречающиеся
зоохромы
(пигменты
животных), которые входят в состав
хитиновых и кожных покровов, перьев,
шерсти, волос, сетчатки глаз, внутренних
органов и прочих тканей и органов
многоклеточных организмов.

32. Отложение меланинового пигмента в клетках живых организмов может рассматриваться как эволюционная морфологическая адаптация.

Отложение меланинового пигмента в клетках живых
организмов
может
эволюционная
Считается,
рассматриваться
морфологическая
что
меланиногенез
как
адаптация.
(образование
меланина) возник на начальных стадиях эволюции,
когда организмы должны были иметь защитные
механизмы
от
ультрафиолетового
ионизирующего
излучения,
и
и/или
эволюционно
закрепился, проявляясь в стабилизации и упрочении
поверхностных структур, в частности, клеточной
стенки микроорганизмов.

33. Гумусовые кислоты – класс высокомолекулярных органических азотсодержащих оксикислот с бензоидным ядром, входящих в состав

гумуса и
образующихся в процессе гумификации
(ГОСТ 27593-88 (СТ СЭВ 5298-85))

34. Гумусовые кислоты природных объектов

Гумусовые (перегнойные) кислоты
(растворяются в щелочах)
Гуминовые кислоты
Фульвокислоты
(нерастворимы
в минеральных
кислотах)
(растворимы
в минеральных
кислотах)
Гиматомелановые кислоты
(нерастворимы
в минеральных кислотах и
растворимы в этаноле)

35. Гуминовые кислоты (ГК) – группа тёмноокрашенных гумусовых кислот, растворимых в щелочах и не растворимых в кислотах (ГОСТ

27593-88 (СТ СЭВ 5298-85))

36. Принцип разделения гуминовых кислот на черную и бурую фракции

Гуминовые
кислоты
Свежеосажденный гель в кислой (pH 1 2) среде
Нерастворимый в воде
Растворимый в воде
Бурые гуминовые
кислоты
Черные гуминовые
кислоты

37. Фульвокислоты (ФК) — группа гумусовых кислот, растворимых в воде, щелочах и кислотах (ГОСТ 27593-88 (СТ СЭВ 5298-85))

38. Гиматомелановые кислоты (ГМК)  группа гумусовых кислот, растворимых в эталоне (ГОСТ 27593-88 (СТ СЭВ 5298-85))

Гиматомелановые кислоты (ГМК) группа
гумусовых кислот, растворимых в эталоне
(ГОСТ 27593-88 (СТ СЭВ 5298-85))

39. Роль почвенного органического вещества :

физическая, состоящая в изменении цвета,
текстуры и структуры почвы, её влагоёмкости и
аэрации
химическая, выражающаяся во влиянии на
растворимость некоторых почвенных минералов,
в образовании с некоторыми элементами
соединений, доступных для питания растений, и
в повышении буферности почв

40. Роль почвенного органического вещества :

биологическая,
органический
энергии
для
проявляющаяся
материал
развития
служит
в
том,
что
источником
микроорганизмов,
содействует превращению почвы в питательную
среду, пригодную для роста высших растений,
доставляя, хотя и медленно, но постоянно
питательные вещества растениям

41. Выделяют следующие основные направления трансформации органического вещества почв: 1) минерализация, 2) гумификация, 3)

закрепление новообразованных
гуминовых соединений и
4) частичная миграция гуминовых веществ и
продуктов их разложения за пределы места
их образования

42. ГУМУСОНАКОПЛЕНИЕ — процесс увеличения содержания или запасов гумуса в почве, происходящий как в отдельных почвенных горизонтах,

так и во всём почвенном
профиле
ГУМУСООБРАЗОВАНИЕ —
формирование системы гуминовых веществ почв,
проходящее ряд стадий и состоящее из ряда
элементарных гумусообразовательных процессов

43. ГУМИФИКАЦИЯ — сложный и многостадийный биологический, физико-химический динамический процесс преобразования отмерших остатков и

ГУМИФИКАЦИЯ — сложный и
многостадийный биологический, физикохимический динамический процесс
преобразования отмерших остатков и
экскретов живых организмов в кинетически
устойчивые природные органические
соединения гуминовые вещества,
происходящий при обязательном участии
сапротрофной биоты.

44. Гумификация растительных, животных остатков и продуктов синтетической деятельности микроорганизмов является одним из глобальных

процессов
трансформации органических веществ на
Земле,
а
гуминовые
вещества
–
обязательный продукт этих процессов
(Александрова, Назарова, 1981)

45. Использование меченного органического материала позволило А. Д. Фокину (1986) установить, что полный цикл гумификации от

Использование
материала
меченного
позволило
А.
Д.
органического
Фокину
(1986)
установить, что полный цикл гумификации от
исходного органического материала до системы
гуминовых веществ осуществляется на начальных
стадиях
формирования
почвы,
при
этом
сформированные гуминовые вещества как бы
регулируют качественный состав формируемых
гуминовых веществ, действуя, как своеобразная
матрица.

46. Скорость и характер гумификации органических остатков зависит от трёх групп факторов:

количества и качественного состава остатков
биоты (в особенности, растений)
интенсивности деятельности и видового
разнообразия сапротрофной биоты
условий среды (режимов влажности и аэрации,
кислотности и направленности окислительновосстановительных процессов)

47. ГИПОТЕЗЫ ГУМИФИКАЦИИ

гипотезы
образования
ГВ
в
результате
трансформации растительного материала
гипотезы химической полимеризации ГВ из
низкомолекулярных органических соединений
гипотезы клеточного автолиза
гипотезы биосинтеза гуминовых веществ

48. В соответствии с гипотезами образования гуминовых веществ в результате трансформации растительного материала, допускается, что

некоторые составляющие
растительных тканей, такие как лигнофицированные
компоненты, будучи относительно устойчивы к
действию микроорганизмов, накапливаются в почве,
изменяясь только внешне, и в совокупности
представляют собой её органическую часть.
Подчёркивается, что состав и свойства гуминовых
веществ определяется природой исходного
растительного материала.
В течение первой стадии гумификации образуются
высокомолекулярные гуминовые кислоты и гумины.
Затем они трансформируются в фульвокислоты и, в
конечном счете, разрушаются до углекислого газа.

49. Схематическое изображение механизма образования гумуса при разложении в почве растительных остатков (по: С. А. Ваксман, 1937)

Растительный
материал
Целлюлоза,
гемицеллюлозы,
сахар, масла,
жиры и т.д.
Протеины,
аминокислоты,
амиды
CO2
Почва
Лигнин
Неразложившиеся
остатки
Растворимые
азотистые
соединения
Основания
NH3
Промежуточные
соединения
(органические
кислоты, спирты)
CO2, H2O
NO3
Клеточное
вещество
микроорганизмов
Ядро гумуса
Протеины
Жиры, воска,
гемицеллюлозы и т. д.
Гумус
Схематическое изображение механизма образования гумуса
при разложении в почве растительных остатков
(по: С. А. Ваксман, 1937)

50. Схема гумификации и дальнейшей трансформации гумусовых веществ в почве (по: Л. Н. Александрова, 1980)

Кислотообразование N
Система N-содержащих
гумусовых кислот
Высокомолекулярные
продукты разложения
Уменьшение ММ
усиление ароматизации
ГК
ГК
ГК
ГК
Окисление
разрыв кольца
Солеобразование, осаждение, сорбция
окислительное расщепление ГК
ФК
ФК
ФК
ФК
ФК
Окисление
разрыв кольца
Окисление, расщепление
уменьшение ММ
Быстрая
Этап I новообразование
минерализация
гумусовых кислот
Этап II их дальнейшая
гумификация и консервация
Продукты медленной минерализации
Использование
организмами
Разложение
Этап III постепенное
медленное разрушение
Схема гумификации и дальнейшей трансформации
гумусовых веществ в почве
(по: Л. Н. Александрова, 1980)

51. Деградационный путь образования гуминовых веществ (по: P. G. Hatcher, E. C. Spiker, 1988)

Микроорганизмы и
несосудистые растения
Сосудистые растения
Целлюлоза
Гемицеллюлозы
Лигнин
Кутин
Суберин
Неизвестные соединения
Лабильные молекулы
Белки
Меланины
Углеводы
Липиды
Парафиновые молекулы
Микробиологически
устойчивые вещества
Полная минерализация
Лабильные молекулы
Полная минерализация
Гумин
Лигнин
Кутин
Суберин
Парафиновые молекулы
Меланины
Неизвестные соединения
Окислительная деградация
Гуминовые кислоты
Окислительная деградация
Фульвокислоты
Деградационный путь образования гуминовых веществ
(по: P. G. Hatcher, E. C. Spiker, 1988)

52. Согласно гипотезам химической полимеризации сначала растительный материал под воздействием микроорганизмов преобразуется в

фенолы и
аминокислоты, а затем низкомолекулярные
органические соединения окисляются и
полимеризуются в гуминовые вещества.
В соответствии с этой точкой зрения состав
исходного растительного материала не влияет на
природу гуминовых веществ.
Эти гипотезы включают в себя и конденсационную,
гипотезу самопроизвольной (абиотической)
полимеризации или же конденсационнополимеризационную.

53. Схема гумификации (по: М. М. Кононова, 1976)

Растительные остатки
Целлюлоза и
прочие углеводы
Белки
Лигнины, танины
и др.
Микроорганизмы
CO2, H2O и др.
CO2, H2O и др.
Фенольные соединения
(продукты распада)
Аминокислоты, пептиды
(продукты распада и ресинтеза)
Окисление
Окисление
Фенольные соединения
(продукты метаболизма)
NH2
H C COOH
R
OH
2ē
OH
2H+
O
O
Конденсация
O
O
2ē
HO
2H+
HO
Схема гумификации (по: М. М. Кононова, 1976)

54. Схема гумификации (по: W. Flaig, 1988)

Гуминовые
кислоты
Лигнин
COOH
OCH
C
+O
+N
Анионные сферические
гетерополимеры
N-содержащие
полимеры
3
COOH
OCH 3
C
+O
COOH
+N
OH
Белки, аминокислоты, NH
Продукты
окислительного
присоединения
3
OH
Хиноны
OH
HO
(R1)
OH
ли
и
т
ме ание R
е
Д ов
OH
OCH3 р
Расщепление
бензольного
кольца
R
HO
R1
OH
OH HO
OH
OH
OH
R1
HO
OH
OH
OH
HO
OH
CO2
Безазотистые
полимеры
Алифатические
соединения
CO2 H2O
Метилированные 3,5 дигидрокси - бензол карбоновые кислоты
Фенолы,
синтезированные
микробами

55. Схема трансформации органических веществ (по: И. Д. Комиссаров, 1978): 1, 2, 57 — гидролиз, окисление; 3 — гумификация

Растительные
остатки
Продукты первичной
деструкции
1
(лигнин, белки,
углеводы,
липиды и др.)
3
Гумусовые
кислоты
5
(дериваты лигнина,
полифенолы, пептиды,
аминокислоты,
олигосахара, моносахара,
карбоновые кислоты,
дериваты липидов и др.)
2
Продукты
тотальной
минерализации
(NH3, CO2, H2O)
Продукты вторичной
деструкции
(аминокислоты,
карбоновые кислоты,
гексозы, пентозы,
полифенолы
и др.)
4
6
Соли гумусовых кислот
Комплексные соединения
Адсорбционные «комплексы»
с глинистыми минералами
7
Продукты
тотальной
минерализации
(NH3, CO2, H2O)
Схема трансформации органических веществ
(по: И. Д. Комиссаров, 1978):
1, 2, 5 7 — гидролиз, окисление; 3 — гумификация
(конденсация, сополимеризация, молекулярное
комплексообразование); 4 — солеобразование, молекулярное
комплексообразование)

56. С позиций гипотез клеточного автолиза гуминовые вещества представляют собой продукт саморастворения растительных клеток и тел

микроорганизмов после их отмирания под
влиянием ферментов, содержащихся в клетках
этих же организмов.
Продукты разрушения этих клеток (сахара,
аминокислоты и некоторые ароматические
соединения — фенолы и хиноны)
конденсируются и полимеризуются
посредством свободных радикалов.

57. Схематическое изображение синтеза гуминовых кислот в почве (по: J. P. Martin, K. Haider, 1971)

Лигнин и другие растительные
полифенольные соединения
Микробное
Органические остатки
Микробное
разрушение
Метоксифенолы
Деметилирование
Микробный
синтез
разрушение
Кислоты, сахара и другие простые
органические соединения
Микробные клетки
Промежуточные фенолы
Окисление альдегидных групп
Микробный
синтез
?-Окисление боковых цепочек
Гидроксилирование бензольного кольца
Декарбоксилирование
Окисление метильных групп
Многочисленные моно-, дии тригидроксифенолы, бензойные
кислоты и другие ароматические
соединения
Микробное
разложение
CO2, H2O, NH3
Расщепление
и окисление
бензольного кольца
и другие простые
неорганические
соединения
Ферментативное
и автоокисление
Фенольные радикалы
и гидроксибензохиноны
Полимеризация
Гуминовые кислоты
Белки и аминокислоты из
разложившихся органических
остатков и продуктов автолиза
микробных клеток
Схематическое
изображение
синтеза
гуминовых
кислот в почве
(по: J. P. Martin,
K. Haider, 1971)

58. В соответствие с гипотезами биосинтеза предполагается, что в клетках микроорганизмов при использовании ими растительных тканей

в качестве источников
углерода и энергии синтезируется
высокомолекулярный материал, подобный
гуминовым веществам, — меланин, который
после отмирания микроорганизмов поступает
в биокосные тела.

59. Биосинтез гуминовых веществ

Конечные продукты
минерализации
(CO2, CH4, H2O, NH3,
NOX и проч.)
Дыхание
Бактерии, протисты и грибы
Зимогенные
Окисление
Меланиногенез
Меланиновые соединения
(внутриклеточные
арилгликопротеидные
полимеры)
Высвобождение,
трансформация
Автохтонные
Потребление
Воздействие
ВысвоАрилгликопротеидные
олигомеры
бождение,
(внеклеточные
трансвещества)
формация
Синтез
Биохимическая
деструкция
Гуминовые вещества
(внеклеточные арилгликопротеидные полимеры)
Биосинтез гуминовых веществ

60. Обобщающие гипотезы гумификации

Существуют такие гипотезы гумификации, в которых для
объяснения процесса используется несколько механизмов
образования ГВ.
Например, Дж. И. Хедгес считает, что на первом этапе
гумификации в результате ферментной деградации
биополимеров сначала образуются ГК,
а затем ФК. Полимеризация происходит в пределах
клеток в результате вторичного метаболизма.
На втором этапе гумификации происходит абиотическая
конденсация или «реполимеризация»
реакционноспособных небольших молекул с
формированием ФК, потом ГК и керогена.
При этом оба пути гумификации являются не
взаимоисключающими, а взаимодополняющими.

61. Схематическое представление деградации биополимеров абиотической конденсации при образовании гуминовых веществ (по: J. I.

Кероген
Гуминовые кислоты
Фульвокислоты
Деградация
биополимеров
Увеличение
молекулярной массы
Биополимеры
Гуминовые кислоты
Фульвокислоты
Маленькие лабильные молекулы
Абиотическая
конденсация
Реминерализация
CO2, H2O, NH4+
Схематическое представление деградации биополимеров
абиотической конденсации при образовании гуминовых
веществ
(по: J. I. Hedges, 1988)

62. По мнению В. Зихмана наиболее важными реакциями при образовании ГВ являются: разложение углеводов и других природных

неароматических продуктов, а
также синтез ароматических веществ, подобных
фенолам, и продуктов разложения лигнинов и других
ароматических соединений (продуктов).

63. Начальная фаза гумификации — преобразование органического материала в устойчивые ГВ — определяется деятельностью почвенной

биоты.
После разложения органических остатков (1.1)
происходит образование предшественников и
истинных ГВ (1.2).
Формирование тёмно-окрашенных продуктов (3) на
этой стадии процесса гумификации может также
объясняться протеканием реакции Майера.
На второй стадии (2) исходным материалом являются
кислоты ароматического ряда, фенолы и другие
низкомолекулярные соединения.

64. Схема образования гуминовых веществ (по: W. Ziechmann, 1988): М — меланины; ГВ — гуминовые вещества; М. р. — реакция Майера

Лигнины
Углеводы
Декомпозиция
1
Синтез
М
1.1
2
ГВ
Лигнины
1.2
OH
Тёмно-окрашенные
продукты реакции
hv
CH 4
NH 3
H 2O
H2
Ароматические
аминокислоты
< М. р. >
H
C=O
H
HCN
3
Рибоза, глюкоза
Глицин
Фенолы и др.
OH
Аденин
Схема образования гуминовых веществ
(по: W. Ziechmann, 1988): М — меланины;
ГВ — гуминовые вещества; М. р. — реакция Майера

65. Как считает В. Зихман, при образовании ГВ из исходных ароматических соединений можно выделить пять стадий: 1) биогенез

Как считает В. Зихман, при образовании ГВ из
исходных ароматических соединений можно
выделить пять стадий:
1) биогенез ароматических или неароматических
компонентов;
2) микробиологическое разложение ароматических
веществ;
3) образование свободных радикалов;
4) фаза конформации;
5) образование системы ГВ.

66. Один из химических способов получения гуминовоподобных веществ — так называемая реакция Майера, суть которой состоит в

полимеризации сахаров и
аминокислот с образованием тёмноокрашенных органических соединений
(меланоидов или меланоидинов)

67. Превращение органических веществ в природных процессах (по: С. М. Манская, Т. В. Дроздова, 1962)

Fe, Al, Cu и др.
Микроорганизмы
Растения
Животные
Биокатализаторы
Продукты распада
R CHO, R COOH
Углеводы,
уроновые кислоты,
аскорбиновая кислота
Биокатализаторы
H2N R
Белки, аминокислоты,
аминосахара,
аммиак
Ароматические
соединения,
лигнин,
альдегиды, кислоты
Меланоидиновая реакция
Меланоидины
Гуминовые кислоты, нерастворимые меланоиды
CO2, H2O,
NH3, H2S
и др.

68. Согласно меланоидиновой гипотезе образования ГВ С. М. Манской и Т. В. Дроздовой основное звено гумификации состоит в

Согласно меланоидиновой гипотезе образования ГВ
С. М. Манской и Т. В. Дроздовой основное звено
гумификации состоит в конденсации хинонов с
аминосоединениями типа меланоидов — продуктов
взаимодействия хинонов с сахарами, пептидами,
аминокислотами, аминами и аммиаком.
В меланоидиновой реакции могут участвовать белки
и продукты их распада, уроновые кислоты, продукты
распада полисахаридов — целлюлозы, гемицеллюлоз,
а также хитина и др.

69. Другим способом получения искусственных гуминовоподобных веществ (например, так называемых лигногуминовых) является

Другим
способом
гуминовоподобных
называемых
получения
веществ
искусственных
(например,
лигногуминовых)
так
является
высокотемпературный (выше 100 C) гидролиз
лигнинсодержащего
материала
в
кислой
или
щелочной среде.
Считается,
что
гуминовоподобные
вещества
образуются из дериватов лигнина и продуктов
разложения углеводов.

70. Почвенное органическое вещество

Почвенное
органическое
вещество (ПОВ) –
сложный комплекс
индивидуальных
соединений и
гуминовых веществ
(ГВ), а также продуктов
взаимодействия между
собой и с минеральной
частью почвы.

71. Почвенное органическое вещество

В составе ПОВ кроме гуминовых веществ
выявлены:
липиды (жиры, воски, смолы и др.);
пигменты (хлорофиллоподобные соединения,
каротины и др.);
кероген (полимерные органические материалы,
одна из форм нетрадиционной нефти);
гидрофобины;
гломалин.

72. Липиды

Липиды — органические вещества, основным
компонентом которых являются остатки жирных
кислот.
Физические свойства липидов: гидрофобность,
способность
растворяться
в
органических
растворителях.
Функции липидов многообразны.
Липиды являются резервным веществом животных
(кроме того, у животных, обитающих в пустыне,
липиды являются источником воды), некоторым
растениям для развития семян также необходимы
липиды.

73. Липиды

Липиды участвуют в процессах терморегуляции за
счет малой теплопроводности.
При
отсутствии
липидов
невозможно
функционирование жирорастворимых витаминов.
Энергетическая функция заключается в том, что при
полном расщеплении 1 г липидов образуется
38,9 кДж энергии.

74. Липиды

Простые липиды — вещества, состоящие из остатков
жирных кислот и спиртов. К этой группе липидов
относятся жиры и воски.
Сложные липиды — вещества, состоящие из
остатков жирных кислот, спиртов и дополнительных
компонентов (остатка фосфорной кислоты у
фосфолипидов или углеводного остатка у
гликолипидов).
Значение фосфолипидов и гликолипидов — участие в
образовании клеточных мембран.

75. Липиды

Воски — соединения, образованные высшими
карбоновыми кислотами и высокомолекулярными
одноатомными спиртами различного строения.
В состав восков входят около 300 различных
веществ, среди которых преобладают сложные
эфиры, углеводороды, свободные жирные кислоты,
ароматические
вещества,
минеральные и другие вещества.
вода,
красящие,

76. Липиды

Жиры — простые липиды, по химическому строению
представляют собой сложные эфиры жирных кислот
и глицерина.
Все жирные кислоты в своем составе содержат
карбоксильную группу (или как ее еще называют,
головку жирной кислоты) и радикал (или хвост,
который является гидрофобным).
Различия между жирными кислотами связаны с
различным строением их радикала.

77. Липиды

Насыщенные жирные кислоты — жирные кислоты,
радикал которых не содержит двойных связей.
Если в составе жира большее количество
насыщенных кислот, он будет иметь твердую
консистенцию.
Ненасыщенные жирные кислоты характеризуются
наличием двойных связей в радикале.
Если в составе жира преобладают ненасыщенные
жирные кислоты, он будет иметь жидкую
консистенцию.

78. Гидрофобины

Гидрофобины
–
амфифильные
белки,
встречающиеся исключительно в мицелиальных
грибах
и
состоящие
из
примерно
100±25
аминокислотных остатков, в том числе из восьми
остатков
мостики,
цистеина,
содержат
образующих
дисульфидные
типичную
N-концевую
последовательность сигнала секреции.
Степень
гомологии
аминокислотных
между гидрофобинами невелика.
остатков

79. Гидрофобины

Гидрофобины
классом
оказались
белков,
совершенно
обладающих
новым
своеобразными
физико-химическими свойствами.
Для их выделения потребовалось применение
методов, нетипичных для экстракции белков.
Обилие гидрофобных аминокислотных остатков и
связь их с клеточной стенкой гиф и привели к мысли
о названии «гидрофобины».

80. Гидрофобины

Гидрофобины разделяют на 2 класса: гидрофобины
класса I собираются в агрегаты, которые стабильны
к действию детергентов и этанола, а гидрофобины
класса II могут диссоциировать до мономеров под
действием этих реагентов.
Однако следует оговориться, что это разделение
отнюдь
не
окончательное,
так
как
многие
гидрофобины все ещё не выделены и их физикохимические свойства не охарактеризованы.

81. Гидрофобины

Структура гидрофобинов I класса
А - Ленточная схема
растворенной структуры
EAS. Цистеиновые
боковые цепи показаны
как желтые палочки.
Положительно и
отрицательно
заряженные остатки
показаны в виде синих и
красных палочек,
соответственно,
Б - характерная
конформация модели
SC3, дисульфидный
мостик показан красным
цветом.

82. Гидрофобины

Структура
гидрофобинов II класса
A - Изображение основной структуры
белка
показывает
в-цилиндр,
образованный
двумя
в-шпильками
(зеленый) и связывающейся б-спиралью
(красный).
Дисульфидные
связи
цистеиновых остатков показаны желтым
цветом.
B - Поверхностное представление HFBII, в
котором боковые цепи сохранненного
гидрофобного патча показаны и окрашены
зеленым цветом. N-и C-концы окрашены в
синий и красный, соответственно.
C -- Две конформации наблюдались в
рентгеновской кристаллической структуре
HFBI. Наложение двух различных молекул
HFBI (показано оранжевым и голубым) в
асимметричный блок с гибкой петлей,
указанной черной стрелкой

83. Кероген

Кероген (от греч. keros — воск + -qenes —
рождающий, рождённый) — часть рассеянного
органического вещества осадочных пород (низких
стадий преобразования), нерастворимая в
органических растворителях.
Кероген — ассоциация разнородных детритных и
тонкодисперсных органических остатков,
преобразованных большей частью в анаэробных
условиях.

84. Кероген

Элементный состав керогена в зоне катагенеза (%):
сапропелевого типа — С 64–93; Н 6–10; О 0–25; N 0,1–
4,0; S 0,1–8,0; гумусово-сапропелевого типа — С 64–
96; Н 1–5; О 3–25; N 0,1–2,0; S 0,1–3,0.
При метаморфизме увеличивается доля С и падает
доля Н и гетероэлементов.

85. Кероген

Структуру
керогена
представляют
в
виде
макромолекулы,
составленной
конденсированными
карбоциклическими
ядрами, соединёнными
гетероатомными связями
или
алифатическими
цепочками.

86. Кероген

Кероген
в
нерастворимое
первоначальном
органическое
значении
вещество
—
горючих
сланцев, из которого при деструктивной перегонке
образуются нефтеподобные продукты (сланцевое
масло, дёготь, смола).
Термин предложен в 1912 году шотландским учёным
Александером Крам Брауном в применении к
шотландским горючим сланцам.

87. Кероген

Современная
трактовка
этого
термина
не
однозначна.
Некоторые исследователи относят к керогену всё
сингенетичное вмещающим породам рассеянное
органическое вещество любого генетического типа;
другие — лишь нерастворимую в органических
растворителях часть.

88. Гломалин

Впервые открыла и назвала
гломалин
американская
почвовед Сара Райт в 1996
году,
a
выделения
необходимость
из
почв
этих
соединений была обоснована
микробиологом
Анной Николс.
Кристиной

89. Гломалин

Гломалин – продукт
жизнедеятельности
арбускулярных
микоризных грибов
(АМГ), поэтому это
вещество и было
названо «гломалин»
в честь порядка АМГ
– Glomales
(Glomerales).
Вещество, покрывающее
микроскопический гриб,
растущий на корне кукурузы,
– гломалин.
Фото Dr. Sara Wright.

90. Распространенность микориз среди растений (по Wang, Qiu, 2006)

Факультативномикоризные
Количество
изученных
видов
Облигатномикоризные
Мхи
143
42
4
54
Споровые
426
43
9
47
Голосеменные
84
99
1
0
Цветковые
2964
72
3
14
ВСЕГО
3617
68
12
20
Группа растений
Немикоризные
Доля, %

91. Эктомикориза и арбускулярная эндомикориза

Сравнение эктомикоризы
(наружной) и
арбускулярной
эндомикоризы.
Эндомикориза образует
арбускулы внутри корней
растений, в которых и
происходит обмен
углеводов на питательные
вещества.

92. Арбускулярная эндомикориза

Арбускулы эндомикоризы внутри корня растения.

93. Гломалин

Гломалин – гликопротеин, представляющий собой
сложное органическое гидрофобное соединение
красного цвета, которое способно связывать железо.
Гломалин имеет много общих черт с другими
биомолекулами, такими как гидрофобины и ГВ.
Гломалин характеризуется иммунореакционными
свойствами.

94. Гломалин

С позиции биохимии, гликопротеины, или более
корректно, гликоконъюгаты – белки, содержащие
углеводный компонент (гликан), ковалентно связанный
с полипептидной основой.
Углеводы, как правило, присоединены к белку либо Nгликозидной связью к амидному азоту аспарагина, либо
О-гликозидной связью к гидроксигруппе остатка серина,
треонина, гидроксилизина.
Доля углеводов в них варьирует от 15 до 20 % по массе,
не содержат уроновых кислот, углеводные цепи
содержат не более 15 звеньев, при этом углеводы имеет
нерегулярное строение.

95. Свойства гломалина

Гломалин, образующий макромолекулы, входят в состав
ПОВ и важен для оструктуривания почв.
Корни, гифы грибов и полисахариды стабилизируют
макроагрегаты и оструктуривают почвы.
Фото Dr. João de Moraes Sá.

96. Свойства гломалина

Корень растения, сильно
Mакроагрегаты почвы,
инфицированный
склеенные гломалином.
микоризными грибами,
выделившими гломалин.
Фото Dr. Sara Wright.

97. Свойства гломалина

оказывает
благоприятное
влияние
большинство сельскохозяйственных культур,
на
обнаружен во всех почвах,
образуется в больших количествах (от 2-15 до 60
мг/г почвы и больше),
нерастворим в воде,
устойчив к разложению (скорость деструкции от 7
до 42 и даже 100 лет).

98. Функции гломалина

сохраняет углерод и/или азот в почве,
удерживает влагу вблизи корней,
улучшает круговорот питательных веществ,
увеличивает просачивание влаги в почве,
улучшает проникновение корней за счёт снижения
сопротивления пенитрации,
защищает гифы от потери питательных веществ,
склеивает и стабилизирует агрегаты почвы,
снижает воздействие эрозии и дефляции на почвы.

99. Гломалин

Следует заметить, что анализ гломалина обычно
выполняется только на образцах, извлеченных при
высокой температуре (121° C) буферным раствором
(как правило, содержащим хелатор – чаще всего
цитрат-ион).
При таких условиях гломалин, весьма вероятно,
изменяется химически, т. к. возможны гидролиз и
реакции окисления.
Кроме того, при извлечении
выделяться другие вещества.
гломалина
могут

100. Гломалин

В настоящее время не доказано, что весь материал,
который упоминается как гломалин, на самом деле
таковым является.
К тому же между синтезом эндогликопротеинов и
меланинов была выявлена общая закономерность:
с увеличением в мицелии пигмента растёт и количество
эндогликопротеинов.

101. Гломалин

Таким образом, существует ряд проблем, связанных с
изучением гломалина.
Во-первых, современными
получен «чистый» гломалин.
методами
пока
не
Во-вторых, точный химический состав и наличие
функциональных групп этих соединений ещё не
выяснен.
В-третьих, иммунореакционные свойства гломалина,
проявляются невсегда.

102. Гломалин

По нашему мнению, единственным решением изучения
почвенных гликополимеров, является относительно
простое и адекватное их извлечение.
Кроме того, необходим метод позволяющий отделить
гуминовые вещества и меланины от гломалина и
гидрофобинов.
Таковым, очевидно, будет являться способ, основанный
на сродстве компонентов ПОВ к тем или иным
органическим растворителям.
И самое главное, надо пересмотреть методологию
извлечения ГВ и других компонентов ПОВ.

103. Щелочное извлечение гумусовых кислот

Кероген
Гуминовые
вещества
Липиды
Пигменты
Гломалин
Гидрофобины
Переход в жидкую фазу
Щелочной коллоидный раствор
Щ е л о ч н о й
Детрит
г и д р о л и з
Постмортальные остатки и экскреты
Г у м у с о в ы е
к и с л о т ы

104. Щелочное извлечение гумусовых кислот

Г у м у с о в ы е
Р а з д е л е н и е
Фульвокислоты
Гуминовые
кислоты
Гиматомелановые
кислоты
к и с л о т ы
н а
г р у п п ы
Низкомолекулярные
органические
соединения

105. Благодарю за внимание!