Изменение аминокислотного состава природных углеродистых веществ и некоторых синтетических аналогов в ряду карбонизации

Твердые битумы широко распространены в природе и отличаются разнообразием химического состава и свойств. При этом их классификации в основном опираются на эмпирические вещественно-геолого-генетические характеристики, поскольку их структурные исследования затруднены атомарной и молекулярной разупорядоченностью [7, 21]. На сегодня исследователями активно используются несколько классификаций природных битумов [10, 27, 31, 33, 34]. Для диагностики углеродистого вещества в рамках этих классификаций используется совокупность признаков, включающих химические и физические свойства. Ключевую роль играет химический состав, прежде всего атомные соотношения С/О и С/Н, характеризующие карбонизацию и дегидрогенизацию углеводородного вещества в ходе преобразования. Однако битумы с разными условиями залегания часто имеют сходные признаки, что затрудняет установление их генетического типа, а при средних и высоких стадиях преобразования генетические следы зачастую вообще стираются [12]. В связи с этим поиски дополнительных параметров, которые могут быть использованы как для понимания процессов образования битумов, так и для их диагностики, остаются актуальными.

В элементном составе природных твердых битумов постоянно присутствует азот, причем его содержания в подобных объектах иногда достигают нескольких процентов. Одними из важнейших азотсодержащих компонентов живого вещества и природных объ-

ектов являются аминокислоты (АК). Присутствие аминокислот установлено в органическом веществе многих осадочных отложений и горных пород. Их сохранение в подобных объектах связано со способностью АК входить в структуру органических веществ и образовывать устойчивые связи с минеральными компонентами. Исследования показывают, что некоторые аминокислоты могут сохраняться даже при температурах выше 300 °С [35], особенно если они входят в состав полимерных компонентов органического вещества или образуют устойчивые органоминеральные комплексы [22]. При этом термальное воздействие способствует не только распаду аминокислот (прежде всего имеющих сложное строение), но и их образованию за счет реакций вторичного синтеза [1, 17].

Ранее для твердых битумов не проводились детальные сравнительные исследования изменения аминокислотного состава в последовательности карбонизации (дегидрогенизации). Работы по этой тематике сводились к изучению высокоуглеродистых пород докембрийского возраста (шунгитов и графитов), а основной целью этих исследований являлось установление источника происхождения идентифицированных АК [22, 32]. В ходе изучения аминокислотного состава в геологических объектах нами накоплен аналитический материал для различных твердых углеродистых веществ (УВ) — от асфальтитов до шунгитов [1, 16, 17, 23]. Изучение аминокислотного состава асфальтитов, керитов [16] и шунгитов [17] показало, что аминокислоты в органических минералоидах могут быть как наследованы от исходного органического вещества, так и синтезированы в процессах разрушения и новообразования аминокислот.

Основными задачами данного исследования являлись:

– определение качественного и количественного состава аминокислот в природных твердых битумах и их синтетических аналогах и выделение в них доминирующих аминокислот;

– выявление возможного изменения аминокислотного состава с ростом степени преобразованности в ряду карбонизации и температур формирования твердых битумов, а также в зависимости от исходного источника органического вещества;

– проверка статистической значимости различий аминокислотного состава разных типов природных УВ с помощью критерия Манна — Уитни, метода «деревья классификации» и обобщенного дискриминантного анализа.

Объекты исследования

Объекты исследований — образцы из ряда карбонизации (дегидрогенизации) природных твердых битумов — асфальтиты, кериты, антраксолиты и шунгиты I разновидности, природные графиты, а также стеклоуглерод и технический углерод (сажа), кото- рые являются структурными аналогами шунгитов и антраксолитов [29].

Образцы были разделены на группы в соответствии с их физико-химической диагностикой по классификации В. А. Успенского [10] и происхождением (табл. 1). В первую группу вошли жильные и вкрапленные асфальтиты Тимано-Печорской провинции (ТПП); во вторую — кериты ТПП; в третью — высшие антраксолиты Новой Земли и Казахстана; в четвертую — шунгиты I разновидности из Карелии; в пятую — угольные графиты Таймыра и Кольского полуострова, в шестую — образцы технического углерода (сажа) Сосногорского ГПЗ и в седьмую — синтезированный стеклоуглерод марки «СУ-2000».

Все рассмотренные асфальтиты и кериты генетически связаны с нефтями. Битумы Тимано-Печорского бассейна локализованы в эродированных сводовых поднятиях и образуют погребенные залежи под поверхностями размывов (Ижемское, Бадъельское, Войское месторождения) либо естественные выходы некрупных скоплений и проявлений битумов (Акимъельское и Нижнеомринское проявления). Данные по структуре, химическому и минералогическому составу асфальтитов и керитов ТПП приведены в работах [9, 17]. Температуры образования керитов более высокие, чем асфальтитов, и составляют 200—300 ºС [5, 7, 15].

Проявления антраксолитов Новой Земли, сопряженные с сульфидным оруденением в доломитолитах и известняках среднего девона, связаны с различными типами высокотемпературной гидротермальной минерализации. Детальное описание строения и минерализации этих объектов приведено в работе [9]. Новоземельские антраксолиты относят к нафтидо-на-фтоидам, в качестве источника их образования рассматриваются нефтяные углеводороды, которые находились в отложениях на пути мигрирующих гидротермальных растворов. Температуры образования антраксолитов оцениваются от ~300 ºС для Павловского рудопроявления до ~350 ºС за его пределами1.

Антраксолиты золотосульфидного месторождения Бакырчик (Кызыловская зона, Восточный Казахстан) были сформированы в результате высокотемпературных гидротермальных процессов при температуре около 350 ºС. Месторождение расположено в центральной части Зайсанской складчатой системы и приурочено к черносланцевой толще, в пределах которой углеродсодержащие осадочные и вулканогенно-осадочные породы подверглись динамическому и гидротермальному воздействию. Источником антраксолита послужило метаморфизованное органическое вещество сапропелевой природы [3, 8].

Условия образования шунгитов I разновидности разных проявлений Карелии существенно отличаются [11]. Шунгиты проявлений Шуньга и Чеболакша образовались в результате выжимания битумов при динамометаморфизме с заполнением межпластовых трещин. На проявлениях Максово и Зажогино образова-

• ¹    Ильченко В. О. Минералого-геохимические особенности и условия формирования полиметаллических руд Павловского месторождения: Арх. Новая Земля: Дис. … канд. геол.-мин. наук. СПб., 2004. 163 с.

Таблица 1. Характеристика образцов углеродистых веществ Table 1. Brief characteristics of the samples

№ группы Group No.	№ обр. Sample No.	Название УВ HC Description	Местоположение и тип залегания УВ HC location and type of occurrence
	1	асфальтит asphaltite	ТПП, Ижемское месторождение; обр. И-1, жильный TPP, Izhma deposit; sample I-1, veined
	2	«	ТПП, Ижемское месторождение; обр. Ш-19; жильный TPP, Izhma deposit; sample Sh-19; veined
	3	«	ТПП, Акимъельская площадь; обр. Ш-21; вкрапленный TPP, Akimyelskaya area; sample Sh-21; interspersed
	4	«	ТПП, р. Нижняя Омра; обр.СШ-33; вкрапленный TPP, r. Lower Omra; sample Sh-33; interspersed
1	5	«	ТПП, р. Нижняя Омра; обр. СШ-61; вкрапленный TPP, r. Lower Omra; sample Sh-61; interspersed
	6	«	ТПП, р. Нижняя Омра; обр. СШ-6; вкрапленный TPP, r. Lower Omra; sample Sh-6; interspersed
	7	«	ТПП, р. Нижняя Омра; обр. СШ-34; вкрапленный TPP, r. Lower Omra; sample Sh-34; interspersed
	8	«	ТПП, р. Нижняя Омра; обр. СШ-46; вкрапленный TPP, r. Lower Omra; sample Sh-46; interspersed
	9	«	ТПП, р. Нижняя Омра; обр. СШ-53; вкрапленный TPP, r. Lower Omra; sample Sh-53; interspersed
	10	керит kerite	ТПП, скв. Бадъель, обр. Ю-6; жильный TPP, well Badyel, sample Yu-6; veined
2	11	тиокерит tiokerite	ТПП, скв. Бадъель, обр. Ю-7; жильный TPP, well Badyel, sample Yu-7; veined
	12	керит высший higher kerite	ТПП, Войское месторождение; обр. Г-28; жильныйа TPP, Voyskoye deposit; sample G-28; residentialа
	13	антраксолит высший higher anthraxolite	Новая Земля, Павлово, доломитолиты за пределами рудопроявления; обр. А-9232; вкрапленныйb Novaya Zemlya, Pavlovo, dolomitolites beyond the ore occurrence; sample A-9232; interspersedb
	14	«	Новая Земля, рудопроявление Перья; обр. ПР-1; вкрапленныйb Novaya Zemlya, Perya ore occurrence; sample PR-1; interspersedb
3	15	«	Новая Земля, рудопроявление Павлово; обр. А-5/1; вкрапленныйb Novaya Zemlya, Pavlovo ore occurrence; sample A-5/1; interspersedb
	16	«	Новая Земля, рудопроявление Павлово, известняки за пределами рудопроявления; обр. А-5/2; вкрапленныйb Novaya Zemlya, Pavlovo ore occurrence, limestones outside the ore occurrence; sample A-5/2; interspersedb
	17	«	Казахстан, месторождение Бакырчик; обр. ГС-1/1; вкрапленный Kazakhstan, Bakyrchik deposit; sample GS-1/1; interspersed
	18	шунгит I shungite I	Карелия, месторождение Шуньга; обр. Г-6; жильный; на границе с вмещающей породой Karelia, Shunga deposit; sample G-6; veined; on the border with the host rock
	19	«	Карелия, месторождение Шуньга; обр. Г-27; жильный Karelia, Shunga deposit; sample G-27; veined
	20	«	Карелия, месторождение Нигозеро; обр. Г-2; вкрапленный Karelia, Nigozero deposit; sample G-2; interspersed
4	21	«	Карелия, месторождение Максово; обр. Г-7; жильный Karelia, Maksovo deposit; sample G-7; veined
	22	«	Карелия, месторождение Зажогино; обр. Г-21; вкрапленный Karelia, the Zazhogino deposit; sample G-21; interspersed
	23	«	Карелия, месторождение Чеболакша (берег); обр. Г-18; жильный Karelia, Chebolaksha deposit (shore); sample G-18; veined
	24	«	Карелия, месторождение Чеболакша (из под воды); обр. Г-20; — жильный Karelia, Chebolaksha deposit (under water); sample G-20; veined

Продолжение таблицы 1

Table 1 continued

№ группы Group No.	№ обр. Sample No.	Описание УВ HC Description	Местоположение и тип залегания УВ HC location and type of occurrence
	25	графит graphite	полуостров Таймыр, месторождение Сэрэген; обр. СР-2с Taimyr Peninsula, Seregen deposit; sample SR-2c
5	26	«	полуостров Таймыр, месторождение Сэрэген; обр. СР-4с Taimyr Peninsula, Seregen deposit; sample SR-4c
	27	«	Кольский полуостров, проявление Петспакша; обр. М-1/2с Kola Peninsula, Petspaksha occurrence; sample M-1/2c
6	28	сажа soot	Сосногорский ГПЗ, обр. Ю-3; канальная Sosnogorsk GPP, sample Yu-3; canal
	29	«	Сосногорский ГПЗ, обр. Ю-4; печная Sosnogorsk GPP, sample Yu-4; oven
7	30	стеклоуглерод glass carbon	Новочеркасский ЭЗ, марка «СУ-2000», обр. Ст-1 Novocherkassk EP, brand SU-2000, sample St-1

Примечание. ТПП — Тимано-Печорская провинция; ГПЗ — газоперерабатывающий завод; ЭЗ — электродный завод. Образцы предоставлены: а — О. В. Мартиросян, b — В. О. Ильченко, c — Т. Г. Шумиловой.

Note. TPP — Timan-Pechora province; GPP — gas processing plant; EP — electrode plant. Samples provided by: a — O. V. Martirosyan, b — V. O. Ilchenko, c — T. G. Shumilova.

ние шунгитов связано с термальным возгоном на контакте с вулканической интрузией, причем шунгиты Зажогино были затем переотложены в кварц-хлорит-альбитовой жиле. Высокоуглеродистый шунгит проявления Нигозеро сформировался в результате высвобождения миграционного органического вещества из ловушек (трещин, полостей), вскрывавшихся после разрушения шунгитоносных пород, и его переотложения в составе терригенного материала [11]. В качестве исходного вещества шунгитового углерода Карелии чаще всего рассматриваются метаморфизованные сапропелевые водоросли [12]. Температуры формирования высокоуглеродистых шунгитов — от 330 ºС для Шуньги до 550—600 ºС для Максово и Зажогино [4, 11]. Причинами отсутствия полноценной графитизации шунгитов при довольно высоких температурах их образования являются недостаточное давление и влияние примесей [11]. В частности, полноценный рост графитовых кристаллитов мог быть остановлен на стадии нанораз-мерных стопок оксидированием краев графеновых сеток, что блокировало краевые углеродные атомы и препятствовало формированию больших по размеру фрагментов графеновых стопок и в дальнейшем графита [18]. Подтверждением этой гипотезы является относительно высокое содержание кислорода в шунгитах.

Изученные асфальтиты из гипергенной последовательности карбонизации (дегидрогенизации) образуются из нефти при гидротермальном нагреве и представляют собой нафтиды. Кериты и антраксолиты — представители метаморфической последовательности карбонизации (дегидрогенизации) с повышенным содержанием углерода в сравнении с асфальтитами. Изученные кериты являются нафтидами, а источник высших антраксолитов либо преобразованное нефтяное вещество (нафтидо-нафтоид), либо са- пропелевое органическое вещество. При этом образование новоземельских высших антраксолитов происходило при сравнительно более низких температурах гидротерм, а карельских — при более высоких температурах зеленосланцевого метаморфизма и вулканических интрузий.

Графиты полуострова Таймыр образовались из углей в результате контактового метаморфизма, минимальная температура формирования графитовой фазы — 550 °С2 [19]. Графит проявления Петспакша (Кольский п-ов, Лапландский пояс) сформирован на стадии раннепротерозойского метаморфизма и имеет метасоматический генезис [2]. Предполагается, что источником углерода в метасоматитах частично являлось первичное органическое вещество пород, при решающем вкладе глубинного высококислотного флюида. Температуры формирования пород в Лапландском поясе составляют около 600 °С при давлении 450— 550 МПа.

Методика получения технического углерода на Сосногорском ГПЗ и его структурно-вещественные характеристики подробно описаны [6]. При канальном методе получения технического углерода термическое разложение природного газа происходит при температуре около 800—900 °С, при печном методе газовоздушная смесь разогревается до 1200—1250 °С.

Стеклоуглерод марки СУ-2000 получен путем карбонизации сетчатых полимеров — отверждения, пиролиза и высокотемпературной обработки при температуре 2000 ºС [14]. Сетчатые полимеры представляют собой термореактивные смолы на основе фурилового спирта, который является производным фурфурола, получаемого при кислотно-термической обработке различных сельскохозяйственных отходов и древесины.

Методы исследования

Идентификация и определение содержания аминокислот в образцах выполнены на газовом хроматографе GC-17A (Shimadzu, капиллярная колонка Chirasil-L-Val). Для извлечения аминокислот из образцов применяли кислотный гидролиз в 6М HCl при 105 °С в течение 12 часов. Выделенные из гидролизата аминокислоты очищали от примесей и переводили в N-пентафторпропионовые изопропиловые эфиры соответствующих аминокислот. Определялись содержания D- и L-форм 14 аминокислот (аланин — Ala, валин — Val, глицин — Gly, изолейцин — Ile, лейцин — Leu, аспарагиновая кислота — Asp, глутаминовая кислота — Glu, треонин — Thr, серин — Ser, фенилаланин — Phe, тирозин — Tyr, пролин — Pro, лизин — Lys, метионин — Met). Подробно методика изложена в работе [17].

Статистическая обработка данных проведена с использованием программы Statistica 6.0. Статистический анализ проводился по абсолютным содержаниям 14 аминокислот. Использовался заданный уровень значимости 0.05. Критериями Краскела — Уоллиса и Манна — Уитни показаны различия природных углеродистых веществ по аминокислотному составу. Для выявления информативных аминокислот и построения по ним модели классификации природных углеродистых веществ были использованы непараметрические методы — обобщенный дискриминантный анализ (ОДА) и деревья классификации. Использование непараметрических статистических критериев и методов анализа данных обусловлено малыми объёмами выборок образцов разных групп природных углеродистых веществ. Статистический анализ был применен только для пяти природных групп углеродистых веществ. Стеклоуглерод и технический углерод были исключены из анализа ввиду недостаточного количества образцов.

Результаты и их обсуждение

Качественный и количественный состав аминокислот

Наибольший разброс в содержании аминокислот установлен для асфальтитов (табл. 2). Причем в асфальтитах, вкрапленных в известняках, содержания аминокислот на порядок выше (0.21—0.88 мг/г образца), чем в образцах, заполняющих пустоты и трещины (0.04—0.06 мг/г). В керитах и антраксолитах содержания аминокислот меняются в пределах от 0.02 до 0.10 мг/г; в шунгитах I разновидности, графитах и стеклоуглероде они чуть меньше и составляют 0.02— 0.07 мг/г. Наиболее низкие содержания аминокислот установлены в техническом углероде (менее 0.01 мг/г).

Ранее на примере шунгитов I разновидности было показано, что с ростом температуры формирования шунгитового вещества происходит снижение содержания аминокислот, что свидетельствует о разрушении АК под действием высоких температур [17]. Так, для образцов месторождений Максово и Чеболакша, на углеродное вещество которых температурное воздействие достигало 500—600 °С, характерны самые низкие содержания аминокислот среди всех изученных шунгитов I разновидности.

В асфальтитах среди индивидуальных аминокислот повышенные содержания установлены для сери- на, глицина, глутаминовой кислоты и аланина. В керитах доминируют серин, глицин, глутаминовая кислота и фенилаланин. Образец тиокерита отличается появлением метионина — аминокислоты, содержащей серу.

В высших антраксолитах и шунгитах I разновидности более половины аминокислотного состава приходится на аминокислоты с алифатическими группами (глицин, аланин и лейцин), причем основная доля этих АК — новообразованные [17]. Также повышенные содержания АК характерны для серина и глутаминовой кислоты. Среди шунгитов I разновидности наиболее «специфический» состав АК установлен для переотложенного антраксолита месторождения Нигозеро, где преобладают аминокислоты с алифатическими и кислыми группами, резко увеличивается содержание пролина (до 10 %).

Ранее было показано, что основная часть АК в шунгитах образована при трансформации исходных аминокислот, а также за счет синтеза из газообразных продуктов в условиях повышенных температур формирования пород. В меньшей степени на аминокислотный состав повлияла контаминация шунгитового вещества с современными микроорганизмами. И только несколько аминокислот преимущественно простого строения, вероятно, унаследованы от исходного органического вещества шунгитовых пород [17].

В угольных графитах, как и в стеклоуглероде, доля алифатических аминокислот продолжает расти. От природных твердых битумов графиты и стеклоуглерод отличаются отсутствием или крайне низкими содержаниями АК с кислыми группами (аспарагиновая, глутаминовая кислоты) и высокой долей гидроксильных аминокислот (серин). Среди аминокислот доминируют глицин, аланин, лейцин и серин. Скорее всего, такой состав АК связан не только с высокими температурами образования этих соединений, но и с отличным от природных битумов первичным источником ОВ, основную долю которого составляло гумусовое вещество. Несмотря на то, что стеклоуглерод был получен в ходе химического синтеза, исходным материалом для него также служило растительное вещество, что, возможно, и объясняет присутствие в нем большого спектра аминокислот.

В техническом углероде было обнаружено только три аминокислоты: глицин, аланин и лейцин. Все они относятся к самым простым алифатическим аминокислотам и, вероятно, являются побочными продуктами, образующимися при термическом разложении природного газа.

В образцах установлено преобладание L-форм аминокислот (табл. 2), что подтверждает данные ранее проведенных исследований [17, 22, 32]. При этом показано, что преобладание L-форм аминокислот в высокопреобразованных природных объектах не является доказательством загрязнения образца современными микроорганизмами и что степень рацемизации аминокислот в природных объектах в значительной степени зависит от окружающей обстановки, в которой сохранялись аминокислоты [22]. Существуют экспериментальные работы, которые подтверждают отсутствие процессов рацемизации аминокислот при их взаимодействии с минеральной поверхностью [24, 25]. Кроме того, L-аминокислоты более склонны к по- 29

CQ О M 00 СУ и CU С Ю су О -М X JS 3 х х X 75 сп 5 X ио СУ О ^5 s « CU 75 О ‘П Б 05 ей с су -X х S су СУ X о s У S 5 S g s Я х ° о <и . ^ oi eq s -5 ХО —1 5	м = м S		tninThm-riOMOThcM OOLnLnrqLnOMt^-rq ddddddddd	CO tn xO CM CM ^ ООО ООО	CM tn CM co tn co tn Ln rq О О О О О о о о о о	t- MO Th tn О OM Ln Th tn rq rq rq О О О О О О О о о о о о о о	tn rq tn CM ▻ ■ tn ООО ООО	!>. OM О о о о о о	Ln Th о о
	СУ о и СУ СУ g СУ и	2	000^00000 a a a ^ a a a a a	X ° X	о ^ У ^ °° я О я*	о о о о о о о НН   НН   НН   НН   НН   НН   НН нм   нм   нм   нм   нм   нм   нм	odd X X X	о о X X	о X
		4?	а к -t x 'л 1л -t Я 6 о d - -^ c: i/ d ^ д	-ri 00 О О О in	rq tn tn rq 'sf О О О —4" О	d d in ri d о о а а — о а а а	-ri, xq LQ О -4 rq*	о о X X	rq О
		о	HNHH^oqcqqq aariKHoioioid L' L' № xf ^ xf № xf -H	-н tn O rq -4 Th	ri ri in tn ex ri ri’ ri tn ri	МО Ln Th Ln rq Th OM —ri ^H \O О Ln rq* —ri	Th rq ом odd	о о X X	tn
			rq rq tn OM OM ^ ^ A Q	00 tn 00 О -4 -4	6 oq О rq in X o -ri’ ^4 O	О О мо rq о О О а а о о я я я	d d ex a a о	о о X X	Ln О
			° S	LO CM tn rq’ tn xd	O tn    -ri ^ ^н ^н o rq* -4	tn Г* \О хО 00 Ом \D -ri’ О О О -ri’ О О	^ 'Th ^4 in rq*	о о X X	^
		сл	O0 1/5                       O	оо оо tn ri ^	Cx *M O xO о d 2d d Щ	^ г-, ri rq Р ri tn 2 хо К об 2 ^ ri	ox M a oo	о о X X	tn LT)
		н	d 6 3   ° ° d Я Я a a' S н' к а о К ^	-ri, ^1 о о О Я	О eq rq rq tn я* О О О О	Ln do d   tn Th -ri’ щ tn я* eq O --4	Th OM Ln odd	о о X X	Ом О
		5 О	\o ox         — ri r q M	м tn Я хо ГП Он	ш ''Я О хо rq ri ^ ri ri tn	tn -ri XD Ln О XD LQ rq‘ tn co -ri’ xd Th tn	° О я a a	о о X X	о X
		И	h# ^ tn rq ^ч tn t>. t^ ex d d d d d d ^^xOxO^OxOx^rq	1—4 tn tn ON ^н D<	LQ        LQ MO rq* ом rq* rq*	rq tn о oq oq lq ом rq* rq* xd о tn -^ о	rq tn d о C> я	о о X X	rq О
		X	m •-ZOMOOOMOOOOOLH ”	LT) 00 ON ^н tn	oq       ^ -^ tn 2	xq !>; -ri xq о Ln о Ln —ri Ln —ri l< tn rq’	^ ^ tn tn Th	хо 00 о о	о xd
		о	^нб’Пббоо'П^П о Я ^ Я Я Я к 2 ^	o tn o a о a	у у у у у НИ W W W W	xq  о ^ xq tn lq --4 -ri’  щ -ri о rq о О	Ln tn todd	о о X X	о
		о	^ tq оо |>- о rq    oo rq d    d d  d u HCO»^»rt»n	O ex 'Я ri tn 2	rq Ln i>; rq 00 3	'Th о. ^ oo ^ 00 XD xd Ln 2ч	O ^ rq Ln 2 ^	\q о Th xd	tn 00
			ThOO^.^.P^^^rq •   ‘ CO     Ом     CO rq CM Ln          Ln ”	00 ^h \q ^н ^h ON	Th 00 -ri oq -ri -ri rq О -ri О	rq -ri OM     -ri ^H О rq* —ri rq* —ri rq*       ^4	ом o Th -4 tn -4	о о X X	rq*
		СУ	^o ri ri P riPP L' O O   О ri J J ri ю    о о о rq	О tn OM ON ^h 00	tn ом Th Th rq tn tn tn r*’ Th	oq     xq Th Th rq ом tn tn od tn od tn rq‘	rq" 2h mi	!>• rq rq* xd	LQ rq*
	Q		O I ^^CM^CM^LnCM 1 oooooooo oooooooo	ri »■ о о 1 о о	МОООШШГ-о O -ri -ri о о о о о о о о о о о	о 1 1 о 1 1 1 1 о	rq Ln XO  I О О I О о
	5? g^ си С О о §и и	Z	ОмОООШСОтЬШхОтЬ ooooooooo	|>. LT) ON О О ON	-ri Ом хо tn Г* rq’       rq* rq* rq*	oo „ xo !>■ rq P rq’ о P P P	Ln Ln Th odd	си ей о о X X	rq О
		о	tnorqOMt^xor^tno xd 1-4 1-4 1-4 О Th [> CO CO O Ln Ln O O l>	^н tn ^н ^н Ln \d Ln 00	Ln г* tn rq tn rq’ tn ом --4* in Ом Ом 00 Ом 00	Ln tn tn Th Ln rq Ln o' о ом xd -ri’ Th tn 0м 0м 00 Ом Ом Ом Ом	rq xq tn od od Ом Ом Ом	rq Ln Th tn ОМ ом	Ом Ом
	Z gSz		м CM LO   О О l> CO	О ^ rq	tn Th Ln MO t^- 1—1 1—1 1—1 1—1 1—1	oo Ом о -ri rq tn Th —ri 1— । rq rq rq rq rq	LT) О l> CM CM CM	00 ОМ rq rq	О tn
	ПУ			rq	tn		Ln	О

Примечание. «н. о.» — аминокислота не обнаружена, ∑АК — общее содержание аминокислот, D — формы отсутствуют, «не опр.» — не определялось. Note. «н. о.» — amino acid not found, ∑AA — total content of amino acids, D — forms absent, «не опр.» — not defined.

лимеризации на поверхности минералов, в том числе на силикатах, чем D-формы [26, 36].

Таким образом, результаты исследования аминокислотного состава ожидаемо показали резкое отличие природных битумов и графита от технического углерода. С ростом температуры формирования углеродистых веществ растет содержание алифатических аминокислот, в основном за счет глицина, аланина и лейцина. Различия в составе аминокислот рассмотренных углеродистых веществ зависят прежде всего от соотношения в образцах углеродистого вещества и минеральной составляющей. Хорошо заметно, что в УВ с высокой долей углерода, образованных при температурах около 350 °С и выше, уменьшаются содержания кислых аминокислот при росте количества гидроксильных. Можно предположить, что на состав АК углеродистых веществ оказывает влияние и исходный состав органического вещества. Так, в шунгитах I разновидности, сформированных за счет сапропелевого ОВ, доля кислых аминокислот значительно выше, чем в веществах с гумусовым исходным материалом (угольные графиты).

Однако только по доминирующим аминокислотам невозможно наглядно отличить асфальтиты от керитов, высшие антраксолиты от шунгитов, а природные графиты от синтетического стеклоуглерода. В связи с этим нами была проведена оценка различий аминокислотного состава углеродистых веществ методами статистического анализа.

Статистический анализ аминокислотного состава

Критерии Краскела — Уоллиса и Манна — Уитни

Критерием Краскела — Уоллиса выявлены статистически значимые (p < 0.05) различия между пятью группами природных углеродистых веществ по содержаниям аминокислот Ala (H = 13.61, p = 0.009), Val (H = 13.62, p = 0.009), Gly (H = 13.19, p = 0.010), Leu (H = 10.63, p = 0.031), Asp (15.78, p = 0.003), Glu (H = 15.66, p = 0.004), Ser (H = 11.92, p = 0.018), Phe (H = 17.67, p = 0.001), Tyr (H = 16.52, p = 0.002), Pro (H = 16.95, p = 0.002), Lys (H = 9.64, p = 0.047). Попарные сравнения пяти групп критерием Манна — Уитни с новым, пересчитанным критическим уровнем значимости 0.0051 показали, что ни одна аминокислота не различает попарно все исследуемые группы природных углеродистых веществ (табл. 3). Однако статистически значимые различия (p < 0.0051) выявлены между асфальтитами и антраксолитами — по Ala, Val, Gly; между асфальтитами и шунгитами — по Ala, Val, Gly, Glu, Phe, Tyr, Pro. Попарное сравнение, выполненное для каждой группы природных углеродистых веществ с остальными четырьмя группами с новым, пересчитанным критическим уровнем значимости 0.0127, выявило следующие различия в содержаниях аминокислот. Асфальтиты статистически значимо отличаются от антраксолитов (по Ala, Val, Gly, Ser, Phe, Tyr, Pro), шунгитов (по Ala, Val, Gly, Asp, Glu, Ser, Phe, Tyr, Pro, Lys), угольных графитов (по Asp, Glu, Pro) и не имеют значимых отличий от керитов при попарном сравнении. Кериты не отличаются статистически значимо от других групп природных углеродистых веществ по аминокислотному составу на основании результатов их попарного сравнения с другими группами. Антрак- солиты, шунгиты, угольные графиты имеют различия с асфальтитами, каждый по своему набору аминокислот (перечислены выше), при этом антраксолиты и шунгиты отличаются между собой по содержанию изолейцина. Тем не менее при парном сравнении все группы, за исключением пары «кериты — угольные графиты», имеют статистически значимые различия (для уровня значимости 0.05). Согласно достигнутым значениям двухстороннего уровня значимости эти две группы не имеют различий ни по одной аминокислоте, хотя для одностороннего p значимые различия есть по содержаниям нескольких аминокислот. Возможно, это связано с малым количеством образцов в выборках этих групп.

Обобщенный дискриминантный анализ

В данной работе применен обобщенный дискриминантный анализ (ОДА), поскольку исходные требования использования классического дискриминантного анализа, в частности требование нормального распределения [13], для аминокислот не выполняются.

С помощью ОДА установлено, что все изученные нами пять групп УВ различаются по аминокислотному составу. Наилучшая модель дискриминации природных углеродсодержащих материалов была получена методом «пошаговый с исключением», проведенным по абсолютным содержаниям (мг/г) 10 аминокислот Val, Gly, Ile, Leu, Asp, Glu, Ser, Phe, Tyr, Pro и их парным взаимодействиям, взятым в качестве исходных дискриминантных переменных. Во множество предикторов модели дискриминации вошли Gly, Ile, Leu, Phe, Tyr, Pro, Val*Gly, Val*Ile, Gly*Ile, Gly*Leu, Ile*Leu, Val*Asp, Gly*Asp, Leu*Asp, Val*Glu, Leu*Glu, Asp*Glu, Asp*Ser, Phe*Tyr. По ним дискриминация между группами природных углеродсодержащих материалов высоко статистически значима (статистика лямбда Уилкса = 2.45E-7 при уровне значимости p = 6.1E-15). Выявлено, что Gly, Ile, Val*Gly являются самыми сильными идентификаторами принадлежности образцов к асфальтитам. Аминокислота Phe является единственным определяющим признаком отнесения к керитам. Leu, Val*Asp, Val*Glu — наиболее информативные признаки принадлежности к шунгитам. Для угольных графитов определяющее значение имеют взаимодействия пар аминокислот Ile*Leu и Asp*Glu. Первостепенное влияние на принадлежность образцов к асфальтитам, шунгитам и угольным графитам имеет аминокислота Tyr. Взаимодействия пар аминокислот Leu*Glu и Phe*Tyr наиболее информативны для шунгитов и угольных графитов. При этом ни одна из аминокислот и ни одно их парное произведение не являются определяющими признаками в установлении принадлежности образцов к антраксолитам.

Согласно Хи-квадрат-критерию для удалённых корней, первые три канонических корня (дискриминантные функции) статистически значимы. Это позволяет уменьшить размерность пространства исходных данных с 14 определяемых аминокислот до 3 статистически значимых канонических корня с максимальным сохранением информации о различии-сходстве образцов разных типов углеродсодержащих веществ.

На рисунке 1, а фигуративными точками показано геометрическое расположение групп углеродистых 31

s

s

s

s >s

p — two-sided exact level of significance achieved. * — the value of the one-sided achieved significance level p is given.

Рис. 1. Расположение образцов на плоскости, задаваемой — дискриминантными функциями — (каноническими корнями) 1 и 2 (а) и 1 и 3 (b). 1 — асфальтиты, 2 — кериты, 3 — антраксолиты, 4 — шунгиты, 5 — угольные графиты

Fig. 1. Location of the samples on the planes defined by the discriminant functions: 1 and 2 (a) and 1 and 3 (b).

1 — asphaltite, 2 — kerite, 3 — anthraxolite, 4 — shungite, 5 — coal graphite

веществ относительно друг друга на координатной плоскости канонических корней (дискриминантных функций) 1 и 2. Видно, что образцы различных групп четко отделяются друг от друга. Обе дискриминантные функции вносят свой вклад в различение групп углеродсодержащих материалов. ДФ1 в наибольшей степени влияет на классификацию керитов, ДФ2 — асфальтитов. Однако обе эти функции не различают чётко антраксолиты и шунгиты. Их хорошо разделяет дискриминантная функция 3 (рис. 1, b). Наибольший вклад ДФ3 вносит в классификацию угольных графитов. Однако на ДФ 3 приходится всего лишь 2 % всей дискриминирующей мощности, тогда как на ДФ1 и ДФ2 — 71 и 27 % соответственно. И хотя полученная модель дискриминации показала 100 % правильную классификацию образцов и апостериорные вероятности принадлежности образцов своей группе (с равными априорными вероятностями) высоки — от 0.999998 до 1.0, тем не менее оценки квадратов расстояний Маха-ланобиса указали на сходство между антраксолитами и шунгитами: между этими группами самое маленькое расстояние и оно не является статистически значимым (F = 1.45, p = 0.392). Однако, согласно критерию Манна — Уитни, антраксолиты статистически значимо отличаются от шунгитов (при их парном сравнении) по содержаниям двух аминокислот — Tyr и Ile: в антраксолитах содержания Tyr выше и отсутствует Ile. Расстояния Махаланобиса между остальными парами групп образцов заметно больше, и они статистически значимы. Наиболее сильно по ним отличаются кериты от антраксолитов и шунгитов.

Поскольку построенная модель дискриминации недостаточно хорошо разделяет образцы антраксолитов и шунгитов, то для них была построена своя мо- дель дискриминации. Она была получена методом «пошаговый с исключением» с входными данными по 13 аминокислотам (без Met) и их парным взаимодействиям. В результате в модель дискриминации вошли предикторы Gly, Ile, Tyr, Gly*Tyr. По ним дискриминация между шунгитами и антраксолитами статистически значима (статистика лямбда Уилкса = 0.084 при уровне значимости p = 0.0005). Наибольший вклад в единственную дискриминантную функцию вносит произведение пар аминокислот Gly*Tyr. Расстояние Махаланобиса статистически значимо (F = 19.125, p = 0.0007). Апостериорные вероятности (с равными априорными вероятностями) варьируют от 0.9996 до 1.0. На рис. 2 фигуративными точками показано геометрическое расположение образцов антраксолитов и шунгитов относительно друг друга на оси дискриминантной функции. Видно, что образцы этих двух типов четко отделяются друг от друга.

Можно заметить, что не все аминокислоты, имеющие максимальные концентрации, вошли во множество информативных аминокислот, выделенное обобщенным дискриминантным анализом. Таким образом, ОДА позволяет выявлять множество аминокислот, по совокупности которых статистически значимо различаются образцы различных групп УВ.

Деревья классификации

Для выявления информативных аминокислот и построения по ним модели классификации углеродистых веществ был использован ещё один непараметрический метод — деревья классификации [32]. Построенное дерево классификации (рис. 3) показало 100 % правильную классификацию образцов по содер-

• △      △ ддж д               о         O<3> о

I___________________________________I____________________________________I___________________________________I___________________________________I____________________________________I___________________________________I___________________________________I___________________________________I____________________________________I__________________________________I

• -5    -4    -3    -2    -1     0     1     2     3     4     5

Корень / Root

Рис. 2. Расположение образцов антраксолитов и шунгитов относительно друг друга на оси дискриминантной функции (канонического корня). Обозначения см. на рис. 1

Fig. 2. Location of anthraxolites and shungites relative to each other on the axis of the discriminant function. See legend in Fig. 1

жаниям аминокислот. Наиболее информативными аминокислотами, по которым построено дерево классификации, являются Tyr, Phe, Ile, Glu, Leu. Каждая из них статистически значимо (p < 0.05) различает некоторые пары типов углеродистых веществ согласно критерию Манна — Уитни (табл. 3), и все они входят в модель дискриминации, полученную обобщенным дискриминантным анализом.

Возможность использования классификации по аминокислотному составу природных углеродистых веществ была проверена на образце высшего керита (Ижемский район), который не был использован при статистической обработке данных. Обе модели классификации, полученные методами деревья классификации и ОДА, тоже отнесли этот образец к керитам.

Отметим, что полученные результаты демонстрируют возможности статистических методов для использования аминокислот в дискриминационных моделях углеродистых веществ. Однако в связи с малыми объемами выборок групп природных углеродистых веществ полученные числовые оценки классификационных признаков не являются достаточно устойчивыми и не могут рассматриваться как базовые при классификации новых образцов.

Заключение

Физико-химические процессы формирования природных твердых битумов, графитов и их синтетических аналогов не только определяют структурные и вещественные особенности углеродистых веществ, но и оказывают влияние на их аминокислотный состав.

Установлено, что с ростом температуры формирования природных углеродистых веществ происходит снижение содержания аминокислот. Исследования показали значительные отличия аминокислотного со- става природных битумов от технического углерода. С ростом степени преобразованности в ряду карбонизации (дегидрогенизации) происходит постепенное увеличение содержания алифатических аминокислот, в основном за счет глицина, аланина и лейцина. Выявленные изменения аминокислотного состава природных углеродистых веществ связаны с генезисом исходного ОВ, а также с соотношением в них долей углеродистого вещества и минеральной составляющей. В УВ, сформированных за счет сапропелевого ОВ, доля кислых аминокислот значительно выше, чем в веществах с преимущественно гумусовым исходным материалом.

Примененные статистические методы показали, что отдельные типы твердых битумов, выделенные в соответствии с классификацией В. А. Успенского, отличаются также и по содержаниям аминокислот. Критерием Манна — Уитни выявлены различия по составу аминокислот (Ala, Val, Gly, Ile, Asp, Glu, Ser, Phe, Tyr, Pro, Lys) между некоторыми группами природных углеродистых веществ при попарных сравнениях каждой группы с остальными. Применение многомерных методов классификации — деревьев классификации и обобщенного дискриминантного анализа — позволило выявить информативные аминокислоты и построить по ним модели дискриминации. Несмотря на абсолютно разные подходы построения моделей дискриминации этими двумя методами, информативные аминокислоты (Leu, Glu, Phe, Tyr, Ile), выявленные методом деревья классификации, являются частью множества информативных аминокислот (Val, Gly, Ile, Leu, Asp, Glu, Ser, Phe, Tyr, Pro), определенных ОДА, и обе полученные модели чётко разделяют все группы углеродистых веществ. Поэтому анализ аминокислотного состава может быть использован в качестве дополнения к основным физико-химическим методам классифи- кации природных углеродсодержащих материалов, особенно природных битумов, а также для уточнения классификации образцов, которые трудно диагностировать традиционными методами.

Рис. 3. Граф дерева классификации образцов углеродистых веществ по составу 14 аминокислот (априорные вероятности равные)

Fig. 3. The graph of classification tree of carbonaceous substances on composition of 14 amino acids (a priori probabilities equal)