CC BY
69
Химия растительного сырья. 2003. №3. С. 17-20
УДК 631.436
ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА БОЛОТНЫХ РАСТЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ТОРФООБРАЗОВАНИЯ
© А.В. Савельева , Н.В. Юдина
Институт химии нефти, пр. Академический 3, Томск (Россия) e-mail: anna@ips.tsc.ru
В работе рассмотрен химический состав болотных растений в процессе начальной стадии торфообразования. Проведен сравнительный анализ группового состава болотных растений и аналогичных торфов. Дана характеристика элементного состава различного растительного сырья. Выявлены особенности химического состава растений позволяющие оценить их биохимическую устойчивость.
Введение
Одним из основных источников почво-, торфо- и углеобразования являются растительные организмы, претерпевающие разные физические, биохимические и химические изменения. Виды торфов, характеризующиеся многообразием химического состава и свойств, определяются ботанической группой растений и условиями их превращения. В работах [1, 2], посвященных исследованию разложения торфообразователей в лабораторных условиях, установлено, что интенсивные биохимические процессы протекают в деятельном слое, что было подтверждено и нашими исследованиями. В результате проведения немногочисленных опытов по моделированию начальной стадии торфообразования в естественных условиях торфяной залежи эвтрофного типа было показано, что интенсивность разложения торфообразователей определяется уровнем болотных вод (УБВ), рН среды, ботанической группой растений [3, 4].
Нами были проведены модельные эксперименты по разложению болотных растений в естественных условиях торфяной залежи с целью изучения изменения их химического состава в процессе торфообразования.
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования использовали торфа различного ботанического состава, залегающие в торфяной залежи низкого ряма олиготрофного ландшафта. Моделирование начальной стадии торфообразования проводили на основных болотных растениях - пушица, осока, фускум и магелланикум, отобранных в разные периоды вегетации (июне и сентябре).
Балансовые опыты по разложению торфообразователей проводили методом частично изолированных проб в капсулах из стеклоткани, размером 15x15 см, которые помещали в деятельный слой низкого ряма (п.3) на глубину 10-15 см на 2 года. В первый год закладки (2000 г.) уровень болотных вод (УБВ) изменялся в пределах 17-20 см, по гидротермическому коэффициенту (ГТК-1,02) характеризовался как достаточно увлажненный. Во второй год (2001 г.) УБВ не превышал 34-36 см, по погодным условиям его можно охарактеризовать как умеренно влажный (ГТК-1,3). Окислительно-восстановительный потенциал
* Автор, с которым следует вести переписку.
торфяной залежи в зоне закладки изменялся от Eh 500 до 700 мВ, рН среды составляло 3,6-4,3. После двух лет капсулы с растениями-торфообразователями, подвергшиеся частичному процессу гумификации, извлекли из торфяной залежи.
Групповой состав болотных растений и торфов определяли по методу Инсторфа. Элементный состав торфов определяли на СНМ-анализаторе Carlo Erba.
Результаты и их обсуждение
В процессе разложения в деятельном слое существенно изменяется химический состав болотных растений, часть биомассы теряется за счет распада до конечных продуктов минерализации (табл. 1). Как видно из таблицы, убыль в весе определяется ботаническим составом торфообразователей и длительностью первоначальной гумификации.
В процессе начальной стадии торфообразования происходят глубокие качественные изменения состава растений, что можно проследить по изменению группового состава исходных торфообразователей и преобразованных растений. Важным является также дальнейшее изменение состава торфообразователей в процессе торфогенеза. С этой целью мы провели сравнение химического состава торфообразователей и преобразованных растений с аналогичными торфами, отобранными в том же пункте, в котором проводилась закладка растений.
Как отмечалось в работах В.Е. Раковского [5, 6] существенные изменения претерпевают торфообразователи уже в течение одного вегетационного периода, особенно на стадии отмирания. В таблице 2 приведен групповой состав торфообразователей, преобразованных растений и торфов.
Разный период закладки позволяет оценить влияние длительности вегетации на состав ГК на начальной стадии гумификации (июнь, сентябрь).
Из полученных данных видно, что гуминовые кислоты (ГК) присутствуют лишь в травянистых растениях - осоке, пушице, в конце периода вегетации, тогда как в сфагновых мхах они отсутствуют. Количество ГК в преобразованных осоке и пушице возросло в 2-2,5 раза по сравнению с количеством ГК в исходных растениях. При этом в них уменьшилось содержание липидов и водорастворимых веществ (ВР). Содержание легкогидролизуемых компонентов (ЛГ) в преобразованных растениях к сентябрю уменьшается, однако увеличивается доля трудногидролизуемых веществ (ТГ).
Анализируя влияние длительности первоначальной стадии торфообразования и периода вегетации торфообразователей на степень ее выраженности следует отметить, что количество ГК в преобразованных растениях июньской закладки выше, чем в сентябрьских растениях. При этом максимальное количество ГК содержится в осоке и пушице июньской закладки, 19,1 и 31,1% соответственно. Существенные изменения претерпевают легкогидролизуемые вещества, их количество уменьшается. В большей степени это характерно для июньских осоки, пушицы и сентябрьских мхов. В преобразованных растениях незначительно снижается содержание трудногидролизуемых веществ. Количество ТГ веществ в преобразованных сфагновых мхах увеличивается от июньских к сентябрьским: так в магелланикуме от 22,7 до 31,6% мас., в фускуме от 23,4 до 31,3% мас. Изменения в групповом составе преобразованных растений свидетельствуют о том, что в образовании ГК активно участвуют водорастворимые и легкогидролизуемые компоненты, но также возможно и липиды.
Таблица 1. Потери массы растений-торфообразователей в процессе трансфомации в торфяной залежи
Образцы Убыль по массе, % мас. Статистическое отклонение.
Июнь
Осока 29,3 2,08
Пушица 31,6 5,11
Магелланикум 2,8 3,23
Фускум 13,2 2,17
Сентябрь
Осока 35,0 10,28
Пушица 21,4 3,20
Магелланикум 7,7 1,19
Фускум 11,6 5,43
Таблица 2. Групповой состав торфообразователей, гумифицированных растений в разные периоды вегетации и торфов
Образцы Содержание, % мас.
Липиды ВР ЛГ ГК ТГ Л
Торфообразователи
Осока 4,1 19,6 28,5 8,7 19,4 3,0
Пушица 3,5 25,7 36,9 5,3 14,5 3,0
Гумифицированные растения
Июнь
Осока 4,9 15,2 33,1 19,1 15,5 3,0
Пушица 2,9 14,1 21,2 31,1 15,5 4,9
Магелланикум 5,0 16,7 31,1 10,2 22,7 2,5
Фускум 4,1 20,4 27,7 9,6 23,4 2,9
Сентябрь
Осока 3,2 14,2 25,0 17,4 18,8 2,4
Пушица 2,4 17,9 20,5 19,2 12,1 5,1
Магелланикум 2,1 14,2 27,7 9,4 31,6 3,1
Фускум 2,5 16,3 26,7 9,2 31,3 3,4
Торф
Осоковый 0,2 0,3 16,3 25,2 17,2 40,8
Травяной 0,2 0,1 38,6 21,2 16,0 23,9
Сосново-пушицевый 0,7 0,3 23,6 37,1 13,8 24,5
Фускум 2,6 0,9 30,6 25,1 15,2 25,6
Медиум 0,6 0,4 32,6 19,8 14,3 32,3
Примечание. ВР - водорастворимые компоненты; ЛГ - легкогидролизуемые компоненты; ГК - гуминовые кислоты; ТГ - трудногидролизуемые компоненты; Л - лигнин.
Анализ торфов, залегающих в торфяной залежи, показывает, что дальнейший процесс трансформации болотных растений существенно влияет на групповой состав торфов. Сравнительный анализ полученных данных показал, что в процессе торфообразования в торфах почти в 10 раз снижается содержание липидов и водорастворимых компонентов. Незначительно изменяется количество трудногидролизуемых компонентов. Содержание ГК в исследованных торфах изменяется в пределах 19,8 - 37,1% мас. В процессе торфогенеза количество ГК в фускум- и медиум торфах увеличивается в 2,5 раза в осоковом, сосново-пушицевом и травяном - в 1,5 раза. Это связано с различным химическим составом торфообразователей и различными условиями торфогенеза.
Сведения об элементном составе органического вещества болотных растений и торфов позволяют проследить изменение химического состава в процессе торфообразования и получить информацию об общих принципах построения макромолекул гуминовых кислот.
Элементный состав исследованных торфов изменяется в зависимости от типа и вида торфа (табл. 3). Как показал анализ элементного состава, содержание углерода в торфах находится в пределах 48,9-54,5%, водорода от 5,8-6,4%, содержание азота изменяется в широких пределах от 0,6-2,6%, кислорода - 35,444,2%. Средние значения содержания серы в торфа 0,2%, что значительно меньше, чем в других каустобиолитах.
Таблица 3. Элементный состав торфов и атомное отношение
Вид торфа Содержание, % мас. Атомное отношение
C H N S O H/C O/C C/N
Осоковый 54,5 5,8 2,6 0,2 36,9 1,3 0,6 24,4
Травяной 53,7 6,2 2,8 0,2 37,1 1,4 0,5 22,3
Сосново-пушицевый 55,5 6,4 2,3 0,4 35,4 1,4 0,5 28,2
Фускум 48,9 6,2 0,6 0,1 44,2 1,5 0,9 95,1
Медиум 51,3 6,4 0,9 0,2 41,2 1,5 0,6 66,5
Анализируя полученные данные следует отметить, что наиболее преобразованное органическое вещество характерно для сосново-пушицевого и осокового видов торфа. Это объясняется особенностями химического состава торфообразователей. Как было показано в работе [7] степень преобразованности зависит от содержания в болотных растениях азотсодержащих веществ. Так, содержание азота в сфагновых мхах варьирует в пределах 0,6-0,8%, тогда как травы являются более богатыми азотом 1,1 -1,9% мас.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования изменения химического состава органического вещества болотных растений в процессе торфонакопления показали, что интенсивность трасформации зависит от длительности периода вегетации и от вида растений. Анализ химического состава болотных растений показал, что наиболее устойчивыми к микробиальному воздействию относятся сфагновые мхи. Полученные данные могут быть использованы при дальнейшем изучении и медицинском использовании биологически активных веществ болотных растений, а также при хранении торфов.
Список литературы
1. Манская С.М., Кодин Л. А Ароматические структуры лигнина и их роль в образовании гуминовых кислот // Почвоведение. 1968. №8. С. 79-81.
2. Прайор. Свободные радикалы в биологии. М., 1979. 314 с.
3. Козловская Л.С., Медведева В.М., Пьявченко Н.И. Динамика органического вещества в процессе
торфообразования. Л., 1978. 172 с.
4. Лукошко Е.С., Бамбалов Н.Н., Хоружик А.В., Фролова З.М., Кудина Н.С. Изменение химического состава растений-торфообразователей в процессе гумификации // Химия твердого топлива. 1989. №2. С. 9-16.
5. Раковский В.Е., Лукошко Е.С. Изменение химического состава растений торфообразователей в течение
вегетационного периода // Комплексное использование торфа. М.-Л., 1965. С. 24-31.
6. Раковский В.Е., Пигулевская Л.В. Химия и генезис торфа. М., 1978. 231 с.
Поступило в редакцию J5 августа 2003 г.
