Молекулярно-массовый состав гуминовых кислот городских почв (на примере САО г. Москвы)

При изучении органического вещества почвы широкое применение получил метод гель-хроматографии, зарекомендовавший себя как надежный и быстрый способ фракционирования и определения молекулярных масс гумусовых веществ при изучении процессов их формирования, миграции и трансформации. С его помощью получен значительный объем ценной научной информации об особенностях органического вещества различных почв. В частности, надежно установлена полидисперсность гумусовых кислот, т.е. присутствие среди них молекул с разными молекулярными массами (Khan, Friesen, 1972; Goh, Williams, 1979; Алексан дрова, 1980; Орлов, 1990; Piccolo, Conte, 2000) , причем молекулярные массы (ММ) гуминовых кислот (ГК) варьируют в весьма широких пределах (Tan, Giddens, 1972; Колесников, 1978; Орлов, 1990; Попов, 2004) , а сами фракции различаются между собой составом и свойствами.

Показано, что с уменьшением ММ в ГК снижается содержание Н и N, возрастают количество О, карбоксильных групп, степень окисленности и доля циклических структур в их составе (Swift, Posner, 1972; Tan, Giddens, 1972; Александрова, 1980; Goh, Williams, 1982; Лиштван и др., 2012) . Уменьшение молекулярной массы ГК сопровождается увеличением их возраста (Чичагова, Тарасова, 1992) и концентрации парамагнитных центров (Стригуцкий и др., 1992) . Высокомолекулярные фракции ГК обогащены жирными кислотами, полисахаридами и полипептидами, в них значительно ниже концентрация фотосенсибилизирующих хромофоров в связи с чем меньше интенсивность поглощения в УФ и видимой частях спектра (Ришар и др., 2008) .

Эти и другие материалы (Околелова, Барановская, 1987; Мамонтов и др., 2009; Карпухин и др., 2010) позволили значительно расширить представления о формировании и функционировании органической части почв и особенностях ее трансформации под влиянием природных и антропогенных факторов. Однако получены они при изучении целинных почв и почв агроценозов, в то время как сведения об особенностях молекулярно-массового состава ГК городских почв практически отсутствуют. В то же время такая информация, безусловно, необходима для получения объективных и целостных представлений об особенностях органического вещества урбаноземов как важнейшего фактора, обусловливающего их стабильное состояние и эффективное функционирование.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами наших исследований служили почвы городских ценозов Северного административного округа г. Москвы: дерново-подзолистая почва Лесной опытной дачи (ЛОД), урбаноземы парка Дубки, газонов Тимирязевской улицы, междомовой территории по Тимирязевской улице (МДТ), Коптевского бульвара, сквера на Большой Академической улице.

Ранее было установлено, что урбаноземы заметно отличаются от зональной дерново-подзолистой почвы не только лабильными, динамичными свойствами, но и фундаментальными, относительно стабильными показателями. В отличие от кислой, ненасыщенной основаниями дерново-подзолистой почвы урбаноземы характеризуются нейтральной или слабощелочной реакцией среды, более высоким содержанием гумуса, обменных Са и Mg и более широким отношением Са : Mg в гумусовом слое, наличием свободных карбонатов, их профиль может быть не дифференцирован по гранулометрическому и валовому составу. По сравнению с зональной дерново-подзолистой почвой урбаноземы содержат меньше валовых SiO 2 , TiO 2 и часто Na 2 O, больше Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MgO, CaO (Мамонтов и др., 2016) .

Для получения препаратов гуминовые кислоты экстрагировали 0.1 н. раствором NaOH до предельного извлечения после предварительного декальцинирования почвы по общепринятой методике (Орлов, Гришина, 1981) . Для фракционирования ГК использовали сефадекс G-50. Концентрация ГК, наносимых на колонку, составляла 4 мг/мл, растворителем служил 0.1 н. раствор NaOH, элюентом – 0.015 М фосфатный буфер с рН 7.5, отбор проб проводили через 2 мл, оптическую плотность измеряли на КФК-3-

01 при длине волны 315 нм. Для определения свободного объема использовали голубой декстран, ММ фракций ГК находили по эмпирической формуле (Остерман, 1985) .

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Фракционирование ГК исследуемых почв на сефадексе G-50 позволило выявить неоднородность их молекулярно массового состава (рис. 1).

Рис. 1. Гель-хроматограммы ГК городских почв.

Fig. 1. Gel-filtration chromatograms of humic acids in urban soils.

На гель-хроматограмме ГК дерново-подзолистой почвы отчетливо выделяются четыре фракции, расположенные в областях разных ММ, на гель-хроматограмме ГК урбанозема Коптевского бульвара присутствует шесть фракций. На гель-хроматограммах ГК остальных урбаноземов более или менее ясно обособились 1-я и последняя фракции в областях высоких и низких ММ, а между ними располагается обширная область, отнесенная к фракции 2, где отчетливого разделения на фракции не произошло. Элюенты, относящиеся к этой области гель-хроматограмм, были собраны, упарены, каждый до объема 2 мл, и заново пропущены через колонку с гелем. В результате этого ГК некоторых урбаноземов удалось разделить еще на ряд фракций (рис. 2).

Рис. 2. Гель-хроматограммы 2-й фракции ГК урбаноземов.

Fig. 2. Gel-filtration chromatograms of the 2^nd fraction of humic acids in urban soils.

В составе ГК урбаноземов парка Дубки и газона Тимирязевской улицы обнаружилось по три фракции, а в составе ГК урбано-зема сквера на Большой Академической улице – четыре фракции, тогда как ГК урбанозема МДТ на фракции не разделились.

Результаты по оценке молекулярно-массового состава ГК исследуемых почв представлены в таблице 1.

Таблица 1. Молекулярно-массовый состав гуминовых кислот городских почв

Table 1 . Molecular weight composition of humic acids in urban soils

« 2 О c	s a s © д S M © я щ a * -e-	s s и я s a © ■S1 я S S	CD 5 ® в н и 5 У   ± О	и Л S S 5 « s я ^ M © « c 8-5	§ ISs 5 gag о ® ч
ЛОД, дерновоподзолистая почва	1	≥ 23 440	30	17 530	9 960
	2	13 340	24
	3	5 500	38
	4	2 460	8
МДТ по Тимирязевской улице, урбанозем	1	≥ 23 440	40	18 500	11 200
	2	11 350	55
	3	2 090	5
Парк Дубки, урбанозем	1	≥ 23 440	50	19 980	13 650
	2	16 980	14
	3	13 340	17
	4	9 660	18
	5	2 880	1
Тимирязевская улица, урбанозем	1	≥ 23 440	47	19 560	12 890
	2	14 450	18
	3	12 300	29
	4	4 320	2
	5	3 390	4
Коптевский бульвар, урбанозем	1	≥ 23 440	31	17 680	10 990
	2	14 450	19
	3	10 470	10
	4	8 220	25
	5	3 130	10
	6	1 780	5

Сквер на Большой Академической улице, урбанозем	1	≥ 23 440	37	18 150	10 680
	2	13 340	18
	3	10 470	12
	4	8 910	24
	5	4 320	5
	6	3 390	4

В большинстве случаев ГК почв каждого из изученных объектов характеризуются своими особенностями молекулярномассового состава, проявляющимися в разной степени дисперсности, величинах ММ отдельных фракций и их относительном содержании.

Согласно полученным данным ГК зональной дерновоподзолистой почвы Лесной опытной дачи, сформировавшейся под смешанным древостоем, состоят из четырех фракций, различающихся между собой ММ и их относительным содержанием. Преобладает в составе ГК фракция 3 с ММ 5 500 а.е.м., относительное содержание которой составило 38 %. Следующей по значимости вклада в общую массу ГК является выходящая со свободным объемом фракция 1 с ММ ≥ 23 440 а.е.м. при относительном содержании 30 %. В количественном отношении к ней близка фракция 2, имеющая ММ 13 330 а.е.м., на долю которой приходится 24 %. В очень незначительном количестве – 8 % в составе ГК дерновоподзолистой почвы обнаруживается фракция 4 с ММ 2 460 а.е.м.

Считается (Орлов, 1990) , что основная масса молекул ГК имеет средние размеры молекул, лежащие в пределах 20 000 – 80 000 а.е.м. Если исходить из этих данных ГК дерновоподзолистой почвы городского лесного ценоза, испытывающего сравнительно незначительную антропогенную нагрузку, характеризуются относительно невысокой степенью дисперсности. Представлены они в основном низкомолекулярными фракциями (< 20 000 а.е.м.), на долю которых приходится 70 % от массы ГК, а примерная средневесовая ММ ГК составила 17 530 а.е.м., тогда как средневесовая ММ низкомолекулярных фракций – 9 960 а.е.м.

ГК урбаноземов различных городских ценозов характеризуются иным молекулярно-массовым составом, нежели распространенные на территории Лесной опытной дачи дерново- подзолистые почвы. Различия касаются как степени дисперсности ГК, так и величин молекулярных масс и относительного содержания отдельных фракций.

ГК МДТ состоят всего из трех фракций. Преобладает среди них фракция 2 с ММ 11 350 а.е.м. и относительным содержанием 55 %. Самое низкое содержание – 5 % присуще фракции 3 с ММ 2 090 а.е.м. Фракция 1 с ММ ≥ 23 440 а.е.м содержится в количестве 40 %.

В целом ГК МДТ заметно отличаются от ГК дерновоподзолистой почвы. Они менее дисперсны, и в их составе доминирует фракция, отсутствующая среди фракций ГК дерновоподзолистой почвы. Кроме того, они содержат на 10 % меньше низкомолекулярных фракций и имеют более высокую примерную средневесовую ММ равную 18 500 а.е.м., выше и средневесовая ММ их низкомолекулярных фракций – 11 200 а.е.м.

ГК урбаноземов парка Дубки и газона Тимирязевской улицы состоят из пяти фракций. Кроме одинаковой степени дисперсности их молекулярно-массовый состав имеет еще ряд сходных черт. В первую очередь следует отметить высокое содержание (47– 50 %) выходящей со свободным объемом фракции 1 с ММ ≥ 23 440 а.е.м. Наряду с этим они включают имеющую довольно близкий размер молекул (2 880–3 390 а.е.м.) низкомолекулярную фракцию 5, содержащуюся в очень маленьком количестве (1–4 %). Наконец, они имеют довольно близкую примерную средневесовую ММ (19 560–19 980 а.е.м.) и одинаковое общее содержание низкомолекулярных фракций (50–53 %).

Различаются между собой ГК урбаноземов парка Дубки и газона Тимирязевской улицы абсолютными значениями ММ фракций 2, 3 и 4. Среди них нет фракций одинакового размера, различен и характер вклада отдельных фракций в общую массу ГК.

Наряду с низкомолекулярной фракцией 5 в состав ГК урба-нозема парка Дубки входят еще три низкомолекулярные фракции с ММ 16 980, 13 340 и 9 660 а.е.м., причем их относительное содержание практически одинаковое и составило 14 %, 17 % и 18 % соответственно. Средневесовая ММ всех низкомолекулярных фракций равна 13 650 а.е.м.

Содержание низкомолекулярных фракций в составе ГК ур-банозема газона Тимирязевской улицы более контрастно. Среди них явно доминирует фракция 3 с ММ 12 300 а.е.м. и относительным содержанием 29 %. В очень небольшом количестве (2 %) присутствует фракция 4 с ММ 4 320 а.е.м., на долю фракции 2 с ММ 14 450 а.е.м. приходится 18 %, средневесовая ММ равна 12 890 а.е.м.

По сравнению с ГК дерново-подзолистой почвы ГК урбано-земов парка Дубки и газона Тимирязевской улицы являются более дисперсными соединениями, что связано с присутствием в них низкомолекулярных фракций, отсутствующих в составе ГК дерново-подзолистой почвы, однако при этом вклад всех низкомолекулярных фракций в общую массу ГК урбаноземов меньше. В связи с этим по сравнению с ГК дерново-подзолистой почвы они имеют более высокую примерную средневесовую ММ и средневесовую ММ низкомолекулярных фракций.

Самыми дисперсными являются ГК урбаноземов Коптевского бульвара и сквера на Большой Академической улице, состоящие из 6 фракций и имеющие довольно похожий молекулярномассовый состав, что проявляется в близких величинах ММ и содержании основных его фракций. Самое высокое содержание, составляющее 31–31 %, присуще выходящей со свободным объемом фракции 1 с ММ ≥ 23 440 а.е.м. Следующей по значимости является фракция 4, имеющая ММ 8 220–8 910 а.е.м. и относительное содержание 24–25 %. Сюда же относится и фракция 3, которая в обоих случаях имеет ММ 10 470 а.е.м. и относительное содержание 10–12 %. Всего на долю этих трех фракций приходится 66– 71 % от общей массы ГК, поэтому они преимущественно и определяют особенности их молекулярно-массового состава и величины средневесовых ММ, которые также довольно близки между собой. У ГК урбанозема Коптевского бульвара примерная средневесовая ММ составила 17 680 а.е.м., а низкомолекулярных фракций – 10 990 а.е.м., у ГК урбанозема сквера на Большой Академической улице – 18 150 а.е.м. и 10 680 а.е.м. соответственно.

Различия между ГК этих почв обусловлены величинами ММ и относительным содержанием фракций 2, 5 и 6. У ГК урбанозема Коптевского бульвара величина ММ фракции 2 составила 14 450

а.е.м, при относительном содержании 19 %, у ГК урбанозема сквера на Большой Академической улице ММ фракции 2 меньше – 13 340 а.е.м., хотя содержание такое же. Различаются между собой и наиболее низкомолекулярные фракции 5 и 6. У ГК урбано-зема Коптевского бульвара эти фракции имеют ММ 3 130 и 1 780 а.е.м., при относительном содержании 10 % и 5 %, тогда как у ГК урбанозема сквера на Большой Академической улице – 4 320 и 3 390 а.е.м. и 5 % и 4 % соответственно.

В целом ГК урбаноземов Коптевского бульвара и сквера на Большой Академической улице, как и ГК дерново-подзолистой почвы состоят преимущественно из низкомолекулярных фракций, однако являются более дисперсными соединениями с более высокой средневесовой ММ. Сформированы они фракциями, отсутствующими в составе ГК дерново-подзолистой почвы, за исключением ГК урбанозема сквера на Большой Академической улице, которые, как и ГК дерново-подзолистой почвы, содержат фракцию с ММ 13 340 а.е.м., причем примерно в таком же количестве.

Таким образом, ГК урбаноземов характеризуются иным молекулярно-массовым составом, нежели ГК малоизмененной под влиянием человеческой деятельности зональной дерновоподзолистой почвы заповедной территории. Различия касаются как степени дисперсности ГК, так и величин ММ отдельных фракций, а также примерных средневесовых ММ ГК и средневесовых ММ низкомолекулярных фракций. Обусловлены они различными причинами, но, несомненно, ведущую роль в этом играет антропогенный фактор.

В отличие от почв лесоохранных и заповедных территорий урбопочвы, формирующие основной фон почвенного покрова в городах, в значительно большей степени подвержены антропогенному воздействию, что отражается на их режимах и свойствах, в том числе и на молекулярно-массовом составе ГК. Это может быть связано с тем, что в урбаноземах процесс гумификации протекает в качественно других условиях, по сравнению с зональной дерново-подзолистой почвой естественного ценоза. Обусловлено это не только иными химическими и физико-химическими свойствами городских почв, но и изменением характера растительности. Замена смешанного древостоя, свойственного естественным условиям почвообразования, травянистой растительностью или же преимущественно лиственными породами деревьев с обильным травянистым покровом отражается на масштабах и химическом составе растительного опада, ежегодно поступающего в почву. Изменение условий, в которых протекает процесс гумификации, а также привнос в почвенный профиль при его конструировании органогенных материалов, уже содержащих сформировавшиеся гумусовые вещества, будет отражаться на качественных характеристиках ГК и, в частности, их молекулярных массах. При этом большое значение будет иметь устойчивость ГК этих органогенных материалов к условиям среды, свойственной урбаноземам. Не исключено, что какая-то часть низкомолекулярных фракций ГК урбаноземов не сформировалась в результате протекающего в ур-бопочвах процесса гумификации, не сохранилась от исходной почвы и не поступала в почвенный профиль при его формировании. Они могут быть продуктом разрушения более крупных молекул ГК, входивших в состав органогенных веществ, использовавшихся при создании урбаноземов и оказавшихся неустойчивыми в иных условиях, по сравнению с теми, в которых они изначально сформировались. Так или иначе, несоответствие молекулярномассового состава ГК урбаноземов молекулярно-массовому составу ГК, образующихся при зональном типе почвообразования, может стать причиной неустойчивости органопрофиля искусственно созданных городских почв и его ускоренной деградации, в результате чего почвенный покров не сможет в должной мере осуществлять свои экологические функции.

ВЫВОДЫ

• 1.    Гуминовые кислоты городских почв имеют сложный молекулярно-массовый состав и состоят из различного количества фракций, отличающихся молекулярными массами и их относительным содержанием.

• 2.    Гуминовые кислоты зональной дерново-подзолистой почвы состоят из четырех фракций с молекулярными массами от 2 460 до ≥ 23 440 а.е.м., среди них преобладают низкомолекулярные фракции, на долю которых приходится 70 % от общей массы гуминовых кислот.

• 3.    В городских условиях антропогенное воздействие на состав и свойства органической части почв преобладает над естественными факторами почвообразования, что вызывает изменение степени дисперсности и увеличение примерной средневесовой молекулярной массы гуминовых кислот урбаноземов, по сравнению с гуминовыми кислотами зональной дерново-подзолистой почвы на 150–2 450 а.е.м., а средневесовой молекулярной массы их низкомолекулярных фракций – на 720–3 690 а.е.м.

Гуминовые кислоты урбаноземов состоят из пяти-шести фракций с молекулярными массами от 1 780 до ≥ 23 440 а.е.м., реже из трех фракций с молекулярными массами от 2 090 до ≥ 23 440 а.е.м., а вклад низкомолекулярных фракций в общую массу гуминовых кислот варьирует от 50 % до 69 %.

MOLECULAR WEIGHT COMPOSITION