Направление – 021900.62 «Почвоведение». Квалификация (степень) – «бакалавр»

Школа естественных наук

«СОГЛАСОВАНО»	«УТВЕРЖДАЮ»
Школа естественных наук Руководитель ОП «Почвоведение»	Заведующий Кафедрой Почвоведения
___________________ Нестерова О.В. (подпись)                     (Ф.И.О. рук. ОП)	___________________ Нестерова О.В. (подпись)                   (Ф.И.О. зав. каф.)
«_____»____________________20___г.	«______»_________________20____г.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ

«ХИМИЯ ПОЧВ почв»

Направление – 021900.62 «Почвоведение».     Квалификация (степень) – «бакалавр»

Форма подготовки – очная

Школа естественных наук ДВФУ

Кафедра почвоведения

курс ___3____ семестр _6___

лекции __________________24 часа.

практические занятия ______ часа.

семинарские занятия ____-___ час.

лабораторные работы ____48___ час.

консультации ____________ час.

всего часов аудиторной нагрузки_ 72 часа.

самостоятельная работа ________36 час.

общая трудоемкость__________ 108 часа. (3 зачетные единицы)

реферативные работы (количество) - нет

контрольные работы 5

зачет ______-_____ семестр

экзамен____6_____семестр

Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (Приказ Минобрнауки РФ № 126 ЕН/СП от 10.03.2012.

Учебно-методический комплекс обсужден на заседании Кафедры почвоведения ШЕН Протокол от «__» _. № ____

Заведующий кафедрой – доцент О.В.Нестерова __________________ «_____» _____________20____г.

Составитель (ли): доцент Трегубова В.Г.

 

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДИСЦИПЛИНЫ (УМКД)  «ХИМИЯ ПОЧВ»

                                                                                                                                           Стр.

1. Аннотация УМКД «Химия почв ……………..………………………..3

2. Рабочая программа учебной дисциплины (РПУД)…………………….4-18

3. Полный конспект лекций …………………………………………….19 -114

4. Материалы для лабораторных занятий (темы и задания к лабораторным работам) …. ………………………………………………………… 115-137

5. Материалы для организации самостоятельной работы студентов … 138-150

6. Контрольно-измерительные материалы …………………………….151-170

7. Список литературы и интернет ресурсов ……………………………171-172

8. Глоссарий ……………………………………………………… ……173-177

9. Дополнительные материалы: Презентация к лекциям.

 

 

АННОТАЦИЯ

  Учебно-методический комплекс дисциплины «Химия почв» разработан для студентов 3-го курса бакалавриата по направлению 021900.62 «Почвоведение» в соответствие с требованиями ФГОС ВПО по данному направлению, и положением об учебно-методических комплексах дисциплин образовательных программ высшего профессионального образования (утверждено приказом и.о. ректора ДВФУ от 17.04.2012 № 12-13-87).

Дисциплина «Химия почв» входит в базовую (общепрофессиональную) часть профессионального цикла.

Общая трудоемкость освоения дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов. Учебным планом предусмотрены лекционные занятия (24 часа), лабораторные работы (48 часов), самостоятельная работа студентов (36 часов). Дисциплина реализуется на 3-м курсе в 6-м семестре. В лекционной части учебного методического комплекса изложены основные понятия о химических свойствах почвы как четырехфазной системы, хотя акцент делается на изучении двух фаз почвы, твердой и жидкой. Уделяется достаточно времени изучению генетических особенностей почв и процессов почвообразования.

Материалы лабораторных занятий позволяют студентам лучше усвоить теоретический материал. Требования к «входным» знаниям, умениям и готовностям обучающегося, необходимым при освоении данной дисциплины – ориентироваться в вопросах химии основных компонентов почв, химических свойств почв и их трансформации, которые рассматривались в рамках дисциплин " Почвоведение", " Агрохимия", " Минералогия".

Дисциплина направлена на формирование общепрофессиональных компетенций выпускника.

Учебно-методический комплекс, включает в себя:

· рабочую учебную программу дисциплины;

· полные конспекты лекций с интерактивным методом обучения: лекции-визуализации с использованием презентации к лекциям в формате ppt);  

· материалы для лабораторных занятий (активный метод обучения в виде индивидуального практикума). Студенты выполняют лабораторную работу, используя индивидуальные почвенные образцы,  отобранные во время летней полевой практики по почвоведению.

· материалы для организации самостоятельной работы студентов;

· контрольно-измерительные материалы;

· список литературы (в том числе интернет-ресурсов);

· глоссарий;

 

Автор-составитель учебно-методического комплекса: к.б.н., доцент, кафедры почвоведения В.Г. Трегубова. 

Зав. кафедрой почвоведения, доцент О.В. Нестерова.

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

(ДВФУ)

ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК ДВФУ

«СОГЛАСОВАНО»	«УТВЕРЖДАЮ»
	Заведующая (ий) кафедрой _____ПОЧВОВЕДЕНИЯ__________
Руководитель ОП «Почвоведение»
_____________ __Нестерова О.В._	______________ __Нестерова О.В.__
«_____»___________________20 г.	«______»_________________20 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (РПУД)

ХИМИЯ ПОЧВ

Почвоведение»

Направление подготовки «почвоведение»

специализация

1. Экология почв 2. Земельный кадастр и сертификация почв

Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр

                                                                     Форма подготовки очная

Школа естественных наук ДВФУ

Кафедра почвоведения

курс __3_____ семестр ____6____

лекции _24__ (час.)

практические занятия час. 

семинарские занятия________час.

лабораторные работы__48_____час. 

консультации час.

всего часов аудиторной нагрузки__72_____ (час.)

самостоятельная работа ___36____ (час.)

реферативные работы

контрольные работы 5

зачет ___________ семестр

экзамен 6 семестр

Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования, утвержденного приказом министерства образования и науки РФ от 17.12.2011 № 31 / образовательного стандарта ДВФУ

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры_______________________«________» Заведующая (ий) кафедрой_________________________________________    200____г.

Составитель: Трегубова В.Г. к.б.н., доцент

Аннотация

 

Изложены теоретические основы основных свойств почв, обусловленных химическими и геохимическими процессами. Рассмотрены гипотезы образования и строения специфических гумусовых веществ (гумуса почв), а так же основы строения и трансформации первичных и вторичных алюмосиликатов (твердой фазы почв). Рассмотрены фундаментальные законы ионообменной способности почв в системе твердая фаза почв – почвенный раствор: формирование кислотности и щелочности почв, окислительно-восстановительных режимов.

Дисциплина «Химия почв» занимает одно из значимых мест среди таких дисциплин образовательной программы как «Почвоведение», «Агрохимия», «Минералогия».

 

 

 Цель освоения дисциплины

 Целью освоения дисциплины является – освоение студентами теоретических основ свойств почв, обусловленных химическими, геохимическими и биогеохимическими процессами.

Задачи

В задачи освоения дисциплины входит:

1. Знание строения, состава и свойств минеральных и органических почвенных компонентов твердой фазы.

2. Умение объяснить механизм межфазового взаимодействия между почвенными растворами и твердой фазой почв.

3. Знание основных свойств почв; кислотно-основных свойств, окислительно-восстановительных свойств и буферной способности почв.

4. Владение теоретическими основами мероприятий, направленных на управление почвенными процессами и почвенным плодородием.

.

В результате освоения дисциплины, в соответствии с ФГОС должны быть сформированы следующие компетенции: (ОК- 1) - владение современной культурой мышления, способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения.

(ОК-2) - умение логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь.

(ОК-3) - готовность к кооперации с коллегами, работе в коллективе.

 (ОК-4) - способность находить организационно-управленческие решения в нестандартных ситуациях и готовность нести за них ответственность.

(ОК-6) - способность использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области математики и естественных наук, гуманитарных и экономических наук.

 (ОК-8) - умение критически оценивать свои достоинства и недостатки, наметить пути и выбрать средства развития достоинств и устранения недостатков.

 ОК-10 - способностью анализировать социально-значимые проблемы и процессы.

Выпускник должен обладать следующими профессиональными компетенциями:

ПК-1 – знание теории формирования и рационального использования почв; способность эксплуатировать современную аппаратуру и оборудование для выполнения научно-исследовательских полевых и лабораторных исследований в области почвоведения, мелиорации физики, химии, географии, биологии, экологии, эрозии почв, агрохимии и агрофизики, почвенно-ландшафтного проектирования, радиологии почв, охраны и рационального использования почв.

 ПК-5 – способностью понимать, излагать и критически анализировать получаемую информацию и представлять результаты исследований почвенного покрова.

 ПК-7 – применением специализированных знаний фундаментальных разделов физики, химии, экологии для освоения физических, химических и экологических основ почвоведения.

 ПК-8- использованием информационных средств на уровне пользователя, способностью осваивать и использовать информационные технологии для решения задач в области почвоведения, мелиорации, физики, химии, географии, биологии, экологии, эрозии почв, агрохимии и агрофизики, почвенно-ландшафтного проектирования, радиологии почв, охраны и рационального использования почв.

ПК-9- владением теоретическими основами организации и планирования работ по изучению почв.

 ПК-11- умением составлять научно-технические отчеты, обзоры, аналитические карты и пояснительные записки.

ПК-13- умение работы с людьми, разъяснять и самостоятельно выполнять порученные задания.

 ПК-14- знание принципов составления проектов производственных работ по исследованию почв.

 ПК-15- умение пользоваться нормативными документами, определяющими стоимость проведения полевых, лабораторных, вычислительных и интерпретационных работ в области почвоведения, мелиорации, физики, химии, географии, биологии, экологии, эрозии почв, агрохимии и агрофизики, почвенно-ландшафтного проектирования, радиологии почв, охраны и рационального использования почв. 

 

I. Структура и содержание теоретической части курса

Контрольные работы

Тема5. Почвенные растворы

1. Что такое почвенные растворы?

2. В каких единицах выражают концентрацию и что такое активность?

3. Уравнение материального баланса

4. Понятие о буферности почв

5. Что такое доминирующая буферная система. Какие системы будут работать при подкислении почв?

6. Окислительно-восстановительный потенциал, уравнение Нерста.

7. Обратимость-необратимость окислительно-восстановительных процессов

 

Вопросы к экзамену:

1.Первичные силикаты почв; структура, состав, изоморфные замещения.

2.Выветривание первичных силикатов; гидратация, гидролиз, окислительно-восстановительные реакции.

3.Минералы – простые соли. Закономерности распределения в почвах.

4.Минералы окислы и гидроокислы кремния и алюминия.

5.Окислы и гидроокислы железа.

6.Алюмосиликаты; группа каолинита – структура, состав, свойства.

7.Алюмосиликаты; группа монтмориллонита – структура, состав, свойства.

8.Алюмосиликаты; гидрослюды, хлориты, вермикулиты, смешаннослойные минералы – структура, состав, свойства.

9.Каталитическая роль глинистых минералов.

10. Химический элементный состав почв.

11. Геохимия кремния.

12. Геохимия алюминия.

13. Геохимия железа.

14. Марганец в почвах с переменным окислительно-восстановительным режимом.

15. Геохимия щелочных и щелочноземельных элементов (калий и натрий, кальций и магний).

16. Соединения серы в почвах.

17. Соединения азота в почвах, круговорот азота.

18. Минеральные соединения углерода, их роль в актуальной кислотности.

19. Экология почв. Тяжелые металлы как загрязнители почв.

20. Экология почв. Радиоактивное загрязнение почв.

21. Микроэлементы (медь, цинк, молибден, кобальт) их роль в жизнедеятельности растений.

22. Органическое вещество неспецифической природы, углеводы.

23. Органическое вещество неспецифической природы, ароматические соединения (лигнин).

24. Органическое вещество почв специфической природы, гуминовые кислоты, строение, состав, свойства.

25. Органическое вещество почв специфической природы, фульвокислоты, гумин – строение, состав, свойства.

26. Гумусное состояние почв.

27. Гумификация растительных остатков по Дюшафуру (биологическая, абиологическая) – на примере лигнина и целлюлозы.

28. Схема процесса гумификации по Кононовой и Александровой.

29. Органо – минеральные соединения в почвах, их роль в процессах почвообразования.

30. Поглотительная способность почв. Электрохимические свойства почвенных коллоидов.

31. Поглотительная способность почв, адсорбционные свойства почвенных коллоидов.

32. Адсорбция физико-химическая, поглощение катионов.

33. Адсорбция физико-химическая, поглощение анионов.

34. Почвенная кислотность, актуальная кислотность.

35. Обменная кислотность почв, гипотезы ее возникновения.

36. Гидролитическая кислотность почв, методы ее устранения.

37. Щелочность почв, методы ее устранения.

38. Почвенные растворы, энергетические характеристики реальных растворов.

39. Буферная способность почв, кислотно-основные буферные системы почв.

40. Буферная способность почв по отношению к загрязняющим веществам.

41. Окислительно-восстановительный потенциал и режимы почв.

 

V. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а) основная литература:                                           

1.Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Суханова Н.И. Химия почв. Изд-во Высшая школа. Москва, 2005, 561 с. http: //www.pochva.com/? content=3& book_id=02!

2. Соколова Т.А., Толпешта И.И., Трофимов С.Я. Почвенная кислотность. Кислотно-основная буферность почв. Соединения алюминия в твердой фазе почвы и в почвенном растворе. Изд-во МГУ, 2007, 95 с. http: //www.pochva.com/? content=3& book_id=10!

3. Трофимов С.Я., Соколова Т.А., Дронова Т.Я., Толпешта И.И. Минеральные компоненты почв. Изд-во МГУ, 2007, 103 с. http: //www.pochva.com/? content=3& book_id=04!

4. Соколова Т.А., Трофимов С.Я. Сорбционные свойства почв. Адсорбция. Катионный обмен. учебное пособие по некоторым главам химии почв. Издательство: Гриф и К, 2009 г. 174. http: //www.pochva.com/? content=3& book_id=04!

5.Ионный обмен и адсорбция в почвах. Учебное пособие. Изд-во МГУ, 2008, 97 с.

                                          

б) дополнительная литература:

1. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л., 1980.

2. Геохимия тяжелых металлов в природных и техногенных ландшафтах. М., 1983.

3. Горбунов Н.И. Поглотительная способность почв и ее природа. М., 1948.

4. Зонн С.В. Железо в почвах. М., 1982.

5. Каурычев И.С., Орлов Д.С. Окислительно-восстановительные процессы и их роль в генезисе и плодородии почв. М., 1982.

6.. Кононова М.М. Органическое вещество почвы. М., 1963.

7. Ремезов Н.П. Почвенные коллоиды и поглотительная способность почв. М., 1983.

8. Чернов В.А. О природе почвенной кислотности. М., 1947.

 

 

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

(ДВФУ)

Школа естественных наук

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Химия почв»

Г. Владивосток

2014

Неспецифические соединения

Поступают в почву из разлагающихся растительных и животных остатков, с корневыми выделениями, с продуктами обмена веществ микроорганизмов, а так же это соединения, которые образуются при разложении (распада) специфических гумусовых веществ.

АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Важнейшими неспецифическими азотсодержащими веществами, которые обнаруживаются в почвах в свободном состоянии, являются белки, полипептиды, аминокислоты, аминосахара, нуклеиновые кислоты и их производные, хлорофилл, амины и некоторые другие вещества.

Белки сложены полипептидными цепями, состоящими из остатков аминокислот. Простые белки — протеины — содержат только аминокислоты. Сложные белки — протеиды — содержат протеины и простетическую группу, в роли которой выступают углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и др.

Аминокислоты содержат одновременно кислотные — СООН и основные — NH2 группы, благодаря чему они обладают как кислотными, так и основными свойствами. В твердом состоянии аминокислоты находятся в форме диполярных ионов или цвиттер-ионов:

Они возникают вследствие того, что а-аминогруппа связывает водородный ион карбоксильной группы. В растворах характер молекулы зависит от кислотности среды. В кислой среде цвиттер-ион протонируется, и молекула в целом приобретает положительный заряд, становится катионом. В щелочной среде молекула теряет протон и становится анионом:

 

 

Другой важной группой азотсодержащих веществ являются нуклеиновые кислоты и продукты их распада. Рибонуклеиновая кислота РНК содержит остатки фосфорной кислоты, D-рибозы и четырех гетероциклических аминов (оснований): аденина, гуанина, цитозина и урацила. В состав дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) входят фосфорная кислота, D-2-дезоксирибоза, аденин, гуанин, тимин и цитозин. Эти гетероциклические амины (основания) являются производными пиримидина и пурина:

 

Производными пиримидина являются урацил (I), тимин (II) и цитозин (III):

К производным пурина относятся аденин (IV) и гуанин (V):

Нуклеиновые кислоты найдены в почвах. По данным X. Кортеца и М. Шнитцера, около 8 % всего почвенного азота представлено пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, а в фульвокислотах на их долю может приходиться до 19 % азота. Однако, по другим данным, доля оснований не превышает 1 % от общего содержания азота. Различная оценка вклада пуриновых и пиримидиновых оснований в формирование запасов азотсодержащих соединений почв вызвана как природным варьированием свойств почв, так и методическими трудностями определения малых количеств оснований в сложной смеси гумусовых веществ. Тем не менее, пуриновые и пиримидиновые основания представляют особый интерес для химии гумуса, поскольку они постоянно поступают в почву с бактериальными и растительными остатками и могут служить прямым источником гетероциклических соединений азота при формировании специфических гумусовых кислот.

Значительная часть почвенного азота представлена аминосахаридами. Прямыми методами после гидролиза почвы были идентифицированы D-глюкозамин, D-галактозамин и ряд других соединений:

 

Аминосахариды входят в состав сложного комплекса полисахаридов, образующих клеточные стенки, мембраны, капсулы бактерий и грибного мицелия, и выполняют роль, аналогичную роли целлюлозы в высших растениях.

Хитин — полисахарид, состоящий из остатков N-ацетил-глюкозамина, — образует наружный скелет насекомых, ракообразных и с их остатками попадает в почву. Поскольку хитин нерастворим в щелочах, его компоненты могут входить в состав почвенного гумина, или негидролизуемого остатка.

УГЛЕВОДЫ

Общее содержание углеводных компонентов в почвах колеблется от 5—7 до 25—30 % от Собщ., но их преобладающая часть находится в связанной форме, входя в состав гумусовых кислот и нерастворимого остатка («гумина»). По расчетам Л.К. Садовниковой, с растительными остатками в почвы ежегодно поступает от 2 до 14 т/га углеводов, значительная часть которых минерализуется или участвует как структурные фрагменты в формировании вновь образованных гумусовых кислот.

Содержание и состав углеводов в почвах обычно определяют после кислотного гидролиза почв или их фракций. В гидролизатах в наибольших количествах обнаруживают гексозы, пентозы, аминосахара, уроновые кислоты.

Свободные углеводы (не связанные с гумусовыми кислотами) активно участвуют в почвенно-химических реакциях. Они образуют комплексные соединения с ионами металлов, вступают в химическое  или адсорбционное взаимодействие с глинистыми минералами, способствуя созданию почвенной структуры. При минерализации аминосахаров высвобождается необходимый растениям азот.

Углеводы — один из важнейших источников углерода и энергии для почвенных микроорганизмов. Кроме того, некоторые сахара стимулируют развитие корневых систем.

В почвах встречаются представители всех классов углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Свободные моносахариды обнаруживаются в почвенном растворе в микроколичествах и быстро утилизируются микроорганизмами. Медленнее трансформируются олигосахариды (от греч. oligos — малый), состоящие из 2—10 моносахаридных остатков. К олигосахаридам относятся сахароза, целлобиоза, лактоза и др.

Наиболее устойчивы в почвах полисахариды (более восьми мономерных единиц), образующие при разложении олиго- и моносахариды. К числу главнейших полисахаридов относятся целлюлоза, крахмал, хитин и ряд других.

Целлюлоза была выделена из почвы раствором основной соли меди в водном аммиаке. Образующиеся в таком растворе медно-аммиачные ионы [Cu(NH3)w] ²⁺ в присутствии избытка ОН^- активно взаимодействуют с гидроксильными группами целлюлозы, ослабляя межмолекулярные связи в целлюлозе, что приводит к ее переходу в раствор.

Молекула целлюлозы построена из повторяющихся звеньев ангидро-Э-глюкозы, соединенных гликозидной связью:

 

 

Целлюлоза построена из повторяющихся одинаковых звеньев; многие другие полисахариды при гидролизе дают смесь моносахаридов. Сложными полисахаридами являются гемицеллюлозы, образующие при деструкции глюкозу, маннозу, галактозу и др. Гемицеллюлозы отличаются от целлюлозы более легкой растворимостью в щелочных растворах; они легче гидролизуются разбавленными кислотами.

В настоящее время можно считать доказанным относительно высокое содержание углеводов в почвах, несмотря на сравнительно легкое и быстрое разложение микроорганизмами их отдельных групп (Садовникова, 1976).

ЛИПИДЫ

В группу липидов включают все вещества, извлекаемые из почвы органическими растворителями. Таким образом, это аналитическая группа веществ, объединяемых по характеру растворимости, а не по общему типу строения. Главными компонентами этой группы являются воска и смолы, поэтому в литературе часто употребляют термин «воскосмолы» для обозначения веществ, входящих в состав спиртобензольного экстракта из почв. Органические растворители извлекают из почв также углеводороды, в том числе полициклические, стероиды, глицериды, фосфолипиды, различные органические кислоты, включая феноксикислоты, а также пигменты и соединения других классов.

Воска образованы сложными эфирами высших жирных кислот и высокомолекулярных одноатомных (иногда двухатомных) спиртов. Кроме того, в составе восков всегда присутствуют свободные спирты и кислоты, а также углеводороды и различные примеси. Входящие в состав восков кислоты и спирты обычно представлены насыщенными соединениями с неразветвленной углеродной цепочкой и числом углеродных атомов от 12 до 34. В наибольших количествах присутствуют кислоты с числом углеродных атомов от 16 до 26, причем преобладают кислоты с четным числом углеродных атомов: пальмитиновая — С₁₅Н₃₁СООН, стеариновая — С₁₇Н₃₅СООН, арахиновая — С₁₉Н₃₉СООН, бегеновая — С₂₁Н₄₃СООН, лигноцериновая — С₂₃Н₄₇СООН, церотиновая — С₅₂Н₅₁СООН и др. 

Обнаружены в почвах и непредельные жирные кислоты, например олеиновая - СНз(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СООН.

Аналогичный характер имеют и высшие спирты, например цетиловый спирт СНз(СН₂)₁₄СН₂ОН. В торфяных восках были найдены спирты с длиной углеродной цепи С₂₀, С₂₂, С₂₄, С₂₅, С₂₆, С₂₈, С₃₀. Такой состав восков указывает на их родство с восками растительных и животных остатков, в которых преимущественно содержатся соединения, образованные насыщенными неразветвленными кислотами и спиртами с четным числом атомов углерода в молекуле.

В составе липидов встречаются вещества, стимулирующие рост растений, а также ингибиторы и токсины, как, например, диоксистеариновая кислота СН₃(СН₂)₇СНОНСНОН(СН₂)₇СООН и масляная кислота СН₃(СН₂)₂СООН.

Доля липидов в составе органического вещества минеральных оризонтов почв колеблется от 2—4 до 10—12 % от Собщ. В органогенных горизонтах Н и торфах липиды накапливаются в значительно больших размерах —до 15—20 %. Высокое содержание восков в торфах позволяет использовать их в целях промышленного получения воска.

Накопление липидов в гумусных горизонтах зонального ряда почв обычно находится в обратной зависимости от степени гумификации и содержания гуминовых кислот. В серых лесных, черноземных, каштановых почвах с высокой степенью гумификации органического вещества доля липидов минимальна — 2—4 %. В тундровых, подзолистых и полупустынных почвах она повышается в 2—3 раза.

ПИГМЕНТЫ

В составе органического вещества почв постоянно присутствует большая группа разнообразно окрашенных веществ растительного и микробного происхождения, несколько условно объединяемых понятием «пигменты». В их число входят меланины, пигменты группы оксиантрахинонов и родственные им вещества, хлорофиллы.

Меланинами называют высокомолекулярные азотистые или безазотистые вещества, окрашенные в бурые, темно-коричневые или черные цвета. В процессе жизнедеятельности темноокрашенные пигменты образуются многими микроскопическими грибами, актиномицетами, бактериями, встречающимися или даже широко распространенными в почвах.

По многим свойствам такие пигменты сходны с гумусовыми кислотами. Например, меланиновые пигменты выделенные из клеток актиномицетов имеют в своем составе 50-60 % С, 4, 5-6, 5 % Н, 2-10 % N. Элементный состав грибных пигментов колеблется примерно в тех же пределах.

Интенсивность окраски растворов таких пигментов того же порядка, что и окраска растворов гуматов натрия, выделенных из подзолистых и серых лесных почв. Несмотря на это, нельзя ставить знак равенства между пигментами и гуминовыми кислотами прежде всего потому, что далеко не все меланиновые пигменты совпадают по свойствам с гуминовыми веществами.

Кроме того, поступая в почву, эти пигменты, как и другие составные части почвенного гумуса, подвергаются трансформации.

Органическими растворителями (ацетон, эфир, бензол, хлороформ) из почвы можно извлечь ярко окрашенные пигменты, относящиеся к группе оксиантрахинонов. Некоторые из них экстрагируются и раствором щелочи вместе с гуминовыми веществами. Для экстракции используют также смесь водного раствора щелочи и ацетона. После очистки и разделения удается получить серию пигментов, окрашенных в желтые, оранжевые, красные, пурпурные тона. При добавлении концентрированной H₂SO₄ некоторые из пигментов меняют окраску от красной до изумрудно-зеленой.

Пигменты ряда оксиантрахинонов обладают заметной физиологической активностью и способностью к реакциям конденсации, а их конденсированные кольца могут служить непосредственным источником ароматических фрагментов гумусовых кислот. 

Родственные этим пигментам антрахиноны японский исследователь К. Кумада обнаружил в продуктах окисления гуминовых кислот щелочным раствором перманганата калия. Экстрагируемые органическими растворителями свободные пигменты содержатся в почвах в небольших количествах единицы или первые десятки миллиграммов на 1 кг почвы, но они постоянно продуцируются живыми организмами и участвуют в общей цепи превращений гумусовых веществ.

Особый интерес представляет зеленый пигмент, который первоначально был назван даже « зеленой гуминовой кислотой» (англ.: green humic acid).

Этот пигмент экстрагируется из почвы водным раствором щелочи и затем осаждается при подкислении вместе с гуминовой кислотой. В классификации гумусовых веществ, по Кумада, он обозначается символом Pg. Содержание пигмента Pg в почвах иногда бывает столь велико, что щелочная вытяжка имеет ясно выраженный зеленоватый оттенок. При фракционировании компонентов такой вытяжки на колонке с гелем сефадекса фракция Pg формирует хорошо ограниченную зону, окрашенную в ярко-зеленый цвет. Эта фракция движется по колонке наиболее медленно, что указывает на ее низкую молекулярную массу.

Пигмент Pg можно легко обнаружить по характерному спектру поглощения. Если гумусовые кислоты имеют пологие спектры в диапазоне 400—750 нм, то для Pg характерны две пары максимумов при 420—425, 450—460 нм и 570—580, 615—620 нм. Наличие максимумов в спектрах поглощения указывает на присутствие Pg, а по интенсивности максимума в области 620 нм его содержание можноустановить количественно.

Зеленый пигмент продуцируется микроскопическими грибами, и встречается в почвах различных природных зон; количество его может составлять более 10 % от содержания гуминовой кислоты. Фракция Pg обычно приурочена к почвам, испытывающим хотя бы временное повышенное увлажнение; она характерна для дерново-подзолистых и бурых лесных почв, ряда пойменных почв; накопление Pg усиливается при развитии временных процессов оглеения. В лугово-степной и степной зонах фракцию Pg также можно встретить в почвах, испытывающих несколько повышенное увлажнение, например в лугово-черноземных.

Среди других пигментов растительного происхождения определенное значение имеют порфирины, в частности, производные хлорофилла и продукты его деструкции. В основе строения хлорофилла лежит ароматическая гетероциклическая система — порфин:

Производные порфина с углеродными заместителями в пиррольных циклах называются порфиринами:

В различных почвах найдены хлорофилл а, хлорофилл β, феофитины а и β и другие продукты распада хлорофилла. Обнаружены также хлорофиллоподобные пигменты, которые пока не удалось отнести к известным в биохимии растений соединениям. Найдены в почвах каротин и ксантофилл — красящие желтые вещества растительных тканей. По химической классификации хлорофиллы и каротиноиды относятся к разным группам, но они сопутствуют друг другу и совместно встречаются в почвах. В основе каротиноидов лежат остатки изопрена ,

образующих сплошную цепь сопряженных двойных связей; это обусловливает достаточно интенсивную окраску каротиноидов:

 

Пигменты типа хлорофилла и каротиноидов постоянно поступают в почву с растительным опадом и обогащают органическое вещество гетероциклическими формами соединений азота и углеводородными цепочками с развитой цепью сопряженных углерод — углеродных двойных связей. Эти структурные фрагменты существенны для процесса гумификации. Кроме того, пигменты и их производные или продукты частичной деструкции обладают физиологической активностью и способны к реакциям комплексообразования. Это позволяет предполагать их активную роль в почвообразовании, хотя конкретные механизмы взаимодействия и трансформации пигментов изучены недостаточно.

Хлорофилл и его производные могут быть использованы для диагностики и оценки интенсивности почвенных биохимических процессов. Содержание хлорофилла (или его производных) в почвах легко установить спектрофотометрическим методом. Качественно присутствие хлорофилла в спиртобензольных экстрактах из почв устанавливают по максимумам при 660—670 нм в спектрах поглощения (рис. 41).

В почве под действием микроорганизмов хлорофилл быстро трансформируется. При ослабленной или подавленной биологической активности хлорофилл сохраняется долгое время и накапливается в больших количествах. Так, в глинистых отложениях плиоценового возраста (25 млн лет) обнаружено до 200 мг/кг хлорофиллоподобных веществ, столь длительная сохранность которых объясняется высокой степенью изолированности изученных отложений от биологически активной среды (Бирюкова, 1978).

В лесных подстилках количество хлорофилла повышено и может достигать 50—150 мг/кг.

ЛИГНИН

Значение лигнина определяется тем, что это, во-первых, одно из наиболее устойчивых против разложения неспецифических соединений, и, во-вторых, тем, что он содержит бензольные ядра, несущие в качестве заместителей пропановые цепочки, гидроксильные и метоксильные группы. Углеродный скелет такого ядра сходен со скелетом ароматических продуктов деструкции гумусовых кислот.

В основе строения макромолекулы лигнина лежит элементарное звено типа С6Сз, которое называют фенилпропановым звеном:

В качестве заместителей в ароматическом кольце могут быть атомы и группы ОН, СО—, —-ОСН3; в пропановой цепочке —ОН, —О—, =С=0 и др.

Считается, что предшественниками и соответственно структурными звеньями лигнина являются три спирта и их остатки: я-кумаровый (/), конифериловый (II) и синаповый (III):

Соотношение структурных единиц в лигнинах различного происхождения неодинаково. В древесине хвойных растений преобладают конифериловые структуры, в лиственных — синаповые (сиреневые), в травянистых растениях — л-кумаровые.

Фрагмент макромолекулы лигнина Презентация.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: