CC BY
8
Мария Егоровна Кошман - старший преподаватель кафедры хранения и переработки сельскохозяйственной продукции, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», SPIN-код: 4351-1555.
Information about the authors
Svetlana H. Khiiaz - Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor at the Grassland Growing Department, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Saint-Petersburg State Agrarian University", SPIN-code: 1481-8207.
Vitaliy N. Lebedev - Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Associate Professor at the Department of Botany and Ecology, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Herzen State Pedagogical University of Russia", SPIN-code: 0000-1234.
Maria E. Koshman - Senior Lecturer at the Department of Storage and Processing of Agricultural Products, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Saint-Petersburg State Agrarian University", SPIN-code: 4351-1555.
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 20.07.2023; одобрена после рецензирования 27.08.2023; принята к публикации 16.08.2023.
The article was submitted 20.07.2023; approved after reviewing 27.08.2023; accepted after publication 16.08.2023.
Научная статья УДК 631.417
Код ВАК 4.1.3
doi: 10.24412/2078-1318-2023-3-35-41
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ПИГМЕНТЫ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ ПОЧВЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА: ВЕРОЯТНЫЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Ксения Игоревна Цивка
Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, Петербургское шоссе, д. 2, г. Пушкин, г. Санкт-Петербург, 196601, Россия; [email protected]; https://orcid.org/0009-0007-9044-237X
Реферат. Почвенное органическое вещество (ПОВ) - это сложный комплекс гуминовых (специфических) веществ и индивидуальных (неспецифических) соединений, а также продуктов их взаимодействия между собой и с минеральной частью почвы. ПОВ состоит из множества разнообразных индивидуальных соединений, в общем виде оно демонстрирует признаки динамичной сложной и разнородной системы, проявляя новые свойства, которых изначально не было у органических веществ по отдельности. Важность ПОВ как природного объекта трудно переоценить. Почвенное органическое вещество - основной фактор, который указывает на свойства и физиологию
почвы. Как правило, исследователи уделяют мало внимания изучению индивидуальных органических соединений по причине их присутствия в почве в относительно малых количествах. Необходимость большего внимания к изучению неспецифических веществ обусловлена их активным участием в почвенных процессах.
В составе почвенного органического вещества (ПОВ) всегда находятся фотосинтетические пигменты - группа различно окрашенных биогенных соединений растительного и микробиологического происхождения, извлекаемых 90% водным раствором диметилкетона (а также этанолом или этанол-бензольной смесью). Фотосинтетические пигменты (хлорофиллы и каротиноиды) используют для оценки состояния внешней среды. Так, содержание хлорофиллов в составе ПОВ может быть связано с водным режимом почв. Целью данной работы являлась характеристика результатов качественного и количественного анализа фотосинтетических пигментов в составе органического вещества почв Восточно-Европейской равнины Российской Федерации. Задачи исследования: определить содержание хлорофиллов a и b, С1+С2, феофетина и каротиноидов в гумусовых горизонтах почв; охарактеризовать почвенные фотосинтетические, как вероятные диагностические характеристики почв.
Ключевые слова: фотосинтетические пигменты, индекс Маргалефа, хлорофиллы a, bu ci+c2, каротиноиды, феофетин
Цитирование. Цивка К.И. Фотосинтетические пигменты, входящие в состав почвенного органического вещества: вероятные диагностические характеристики // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2023. - № 3 (72) - С. 35-41, doi: 10.24412/2078-1318-2023-3-35-41
PHOTOSYNTHETIC PIGMENTS IN SOIL ORGANIC MATTER: PROBABLE DIAGNOSTIC CHARACTERISTICS
Kseniya I. Tsivka
Saint-Petersburg State Agrarian University, Peterburgskoye shosse, 2, Pushkin, Saint Petersburg, 196601, Russia; [email protected]; https://orcid.org/0009-0007-9044-237X
Abstract. Soil organic matter (SOM) is a complicated complex of humic (specific) substances and individual (non-specific) compounds, as well as products of their interaction among themselves and with the mineral part of the soil. SOM is composed of many different individual compounds, in general it shows the characteristics of a dynamic complex and heterogeneous system, exhibiting new properties that were not originally present in organic substances individually. The importance of SOM as a natural site cannot be overemphasised. Soil organic matter is the main factor that indicates soil properties and physiology. Generally, researchers pay little attention to the study of individual organic compounds because of their presence in soil in relatively small quantities. The need for more attention to the study of non-specific substances is due to their active participation in soil processes.
The composition of soil organic matter (SOM) always includes photosynthetic pigments - a group of differently coloured biogenic compounds of plant and microbiological origin extracted with 90% aqueous dimethyl ketone solution (as well as with ethanol or ethanol-benzene mixture). Photosynthetic pigments (chlorophylls and carotenoids) are used to assess environmental conditions.
Thus, the content of chlorophylls in the composition of SOM can be related to the water regime of soils. The aim of this work was to characterise the results of qualitative and quantitative analyses of photosynthetic pigments in the composition of organic matter of soils of the East European Plain of the Russian Federation.
Research objectives: to determine the content of chlorophylls a and b, c1+c2, pheophytin and carotenoids in humus horizons of soils; to characterise soil photosynthetic, as probable diagnostic characteristics of soils.
Keywords: photosynthetic pigments, Margalef index, chlorophylls a, b and c+c2, carotenoids, pheophetin
Citation. Tsivka, K.I. (2023) 'Photosynthetic pigments in soil organic matter: probable diagnostic characteristics', Izvestya of Saint-Petersburg State Agrarian University. (In Russ.). Pp. 35-41, doi: 10.24412/2078-1318-2023-3-35-41
Введение. Почвенное органическое вещество (ПОВ) - сложная система, состоящая из ряда органических соединений, находящихся в пределах почвенного профиля в свободном состоянии или в форме органоминеральных соединений. В состав специфических веществ ПОВ входят гуминовые вещества, меланины, гломалины, гидрофобины и кероген. К индивидуальным соединениям относят пептиды и аминокислоты, моно- и олигосахара, липиды, фотосинтетические пигменты и их производные, пигменты группы оксиантрахинонов и родственные им вещества.
Фотосинтетические пигменты представлены тетрапиррольными соединениями и каротиноидами. Их роль заключается в поглощении света и переработке его в химическую энергию. Каротиноиды представляют собой группу пигментов, которые синтезируются многими микроорганизмами, растениями и некоторыми животными. Тетрапиррольные соединения - класс химических соединений, молекулы которых состоят из четырёх пиррольных колец, связанных вместе напрямую или через одноуглеродные мостики, образуя циклическую или линейную структуру. Они подразделяются на хлорины (хлорофиллы a и b, c1+c2) и феофитин - первичный продукт распада хлорофилла.
Цель исследования - характеристика качественного и количественного анализа фотосинтетических пигментов в составе органического вещества почв Восточно-Европейской равнины Российской Федерации.
Материалы, методы и объекты исследования. Фотосинтетические пигменты (хлорофиллы и каротиноиды), а также феофетин из образцов почв выделялись двукратным извлечением с помощью 90% раствора диметилкетона (ацетона), отношение «почва : раствор» было 1:10; хлорины и каротиноиды определяли при X = 430, 470, 630, 647 и 664 (без подкисления / с подкислением) и 750 нм, в соответствии с ГОСТ 17.1.4.02-90 [2]. Измерение оптических плотностей фотосинтетических пигментов проводилось с помощью Vis-спектрофотометра (модель UV-9600, Rayleigh, Beijing, China). Для характеристики состояния альгоценоза почв был рассчитан пигментный индекс Маргалефа (Е430/Е664), который отражает видовое богатство на определенной территории. Чем выше значение индекса, тем большим видовым богатством характеризуется сообщество. Для расчета индекса используется абсолютная величина - численность, что делает его чрезвычайно чувствительным к объему выборки [7; 15].
В качестве объектов исследования были выбраны гумусовые горизонты почв Восточно-Европейской равнины Российской Федерации:
1. Серая со вторым гумусовым горизонтом средне мелкая среднесуглинистая глубоко карбонатная на карбонатных лессовидных суглинках (СП), отобранная в окрестностях с. Головчино Грайворонского района Белгородской области.
2. Чернозем миграционно-мицеллярный мощный тяжелосуглинистый глубококарбонатный на карбонатных лессовидных суглинках (ЧММ), отобранный на участке «Ямская степь» заповедника «Белогорье».
3. Дерновая мелкая суглинистая, сформированная на карбонатной морене (ДП), отобранная в деревне Черемыкино Ломоносовского района Ленинградской области.
4. Карболитозем выщелоченный маломощный среднесуглинистый на элювии известняков (КЛ), отобранный в деревне Черемыкино Ломоносовского района Ленинградской области.
Названия почв даны в соответствии с «Классификацией и диагностикой почв России» [5]. Отбор почвенных проб был проведен согласно ГОСТ 17.4.301-83 [6].
При закладке почвенных разрезов учитывалась смена растительности, а также принадлежность территории к естественным биогеоценозам.
Повторность была трехкратной. Для математической обработки экспериментальных данных использовались методы вариационной статистики. Если данные были получены в процентах, то перед выполнением статистической обработки проводилось угловое преобразование Фишера.
Результаты исследования. Полученные экспериментальные данные представлены в таблице.
Таблица. Содержание фотосинтетических пигментов в объектах исследования Table. The content of photosynthetic pigments in the objects of study
Ск, Тетрапиррольные соединения, мкг/кг
Объект I430/664 мкг/кг почвы Cxa/Cxb Стпс/Ск
почвы Сха Схв Сх(С1+С2) Сф
ДП 5,67 0,75 0,14 1,09 0,90 1,02 0,13 4,52
КЛ 17,16 1,91 0,13 1,04 1,75 0,94 0,13 2,11
СП 20,31 1,44 0,52 0,76 1,09 0,65 0,68 2,22
ЧММ 5,22 0,91 0,57 0,99 1,06 1,03 0,59 4,07
-Рфакт. 18,12 5,48 14,10 2,43* 9,09 2,18* 26,39 6,04
F05 4,07 4,07 4,07 4,07 4,07 4,07 4,07 4,07
НСР05 2,72 0,74 0,21 0,31 0,41 0,39 0,08 0,67
Примечание. 1430/664 - пигментный индекс Маргалефа, Ск - содержание каротиноидов, содержание хлорофиллов: a, Ь, (С1+С2) и феофетинов (Сха Схв, Сх(с1+с2) и Сф, соответственно); Стпс - суммарное содержание тетрапиррольных соединений: Сха + Схв + Сх(с1+с2) + Сф; здесь и далее: Fфакт. - критерий Фишера фактический, Fo5 - критерий Фишера табличный при а = 0,05, НСР05 - наименьшая существенная разность при а = 0,05; * - различия средних - несущественные.
Как видно из таблицы, хлорофиллы а и Ъ, феофитин и каротиноиды присутствовали в ПОВ всех объектов. Так, содержание хлорофилла а было наименьшим в горизонтах AY карболитозема и АY дерновой почвы, а наибольшим - в горизонтах АШ чернозема миграционно-мицелярного и AY серой почвы. При этом содержание хлорофилла Ъ было самым низким в горизонте AY серой почвы, в остальных объектах содержание этого пигмента повышалось в ряду АШ чернозема миграционно-мицеллярного ^ AY карболитозема ^ АУ дерновой почвы.
Высокое содержание хлорофилла а и низкое содержание хлорофилла Ъ в горизонте AU1 чернозема миграционно-мицеллярного, вероятно, могло быть связано с наличием водорослей. Это объяснение отчасти может подтверждаться присутствием хлорофиллов С1+С2, которые встречаются лишь у некоторых видов водорослей [8; 14].
Содержание хлорофиллов С1+С2 было наибольшим в горизонте AY карболитозема, что могло свидетельствовать о присутствии водорослей в составе педобиоты. Минимальное содержание этих хлорофиллов наблюдалось в горизонте АY дерновой почвы.
Выявлено, что минимальное содержание феофетина было в горизонте AY серой почвы, а максимальное - в горизонтах AU1 чернозема миграционно-мицеллярного и AY дерновой почвы. Данный факт, вероятно, был связан с различными условиями трансформации хлорофилла a в почвах разного типа.
Содержание каротиноидов было наибольшим в горизонтах AY карболитозема и AY серой почв. Более низкое содержание этих пигментов было определено в горизонтах AU1 чернозема миграционно-мицеллярного и AY дерновой почвы.
При неблагоприятных для водорослей условиях в первую очередь разрушается хлорофилл а и накапливаются более устойчивые к разрушению каротиноиды [9; 10]. Из соединений хлорофиллового типа наибольшее сопротивление разложению оказывал феофитин, наиболее близкое производное хлорофилла. Кроме того, как экспериментально установлено [3], хлорофиллы а и b, феофитин и каротиноиды способны солюбилизироваться в структурированных коллоидных мицеллах гуминовых веществ. Это явление может служить дополнительным объяснением длительного присутствия каротиноидов и хлоринов в ПОВ.
Больше всего всех фотосинтетических пигментов было выявлено в горизонте AY дерновой почвы, что, вероятнее всего, связано с большим их наличием в опаде. Высокое содержание фотосинтетических пигментов в AU1 чернозема миграционно-мицеллярного обусловлено поступлением растительных остатков в почву.
Индекс Маргалефа соответственно увеличивался в ряду AU1 чернозема миграционно-мицеллярного ^ AY дерновой почвы ^ AY карболитозема ^ AY серой почвы.
Выводы. Нами было выявлено, что тетрапирролы - хлорофиллы a, b и ci + c2, феофитин, терпеновые соединения в виде каротиноидов - присутствовали в ПОВ всех объектов (таблица). Хлорофилла а меньше всего содержалось в горизонте AY карболитозема, а наибольшее его количество было найдено на горизонтах AU1 чернозема миграционно-мицеллярного и AY серой почвы. Содержание хлорофилла b в гумусовых горизонтах убывало в следующем порядке: AY дерновой почвы > AY карболитозема > AU1 чернозема миграционно-мицеллярного > AY серой почвы. Хлорины и каротиноиды способны сохраняться в погребенных почвах до нескольких тысяч лет [1, 11, 13]. Это может быть связано с тем, что каротиноиды обладают высокой антиоксидантной активностью [12]. Благодаря этому свойству каротиноиды могут сохраняться в ПОВ. Кроме того, фотосинтетические пигменты могут солюбилизироваться в структурированных коллоидных мицеллах специфических органических веществ [3; 4].
Список источников литературы
1. Бирюкова, О.Н., Орлов, Д.С. О содержании хлорофилла в современных и погребенных почвах, в ископаемых почвах и ископаемых осадках // Известия АН СССР. Биол. науки. - 1978. - № 6. -С. 119-122.
2. ГОСТ 17.1.04.02-90. ВОДА. Методика спектрофотометрического определения хлорофилла а. утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 03.07.90 N 28: дата введения 1991-01-01. -URL: https://docs.cntd.ru/document/1200009756 (дата обращения: 23.03.2023). - Текст: электронный.
3. Попов, А.И. Способность коллоидных мицелл гуминовых веществ солюбилизировать фотосинтетические пигменты // Первые Никитинские чтения «Актуальные проблемы почвоведения, агрохимии и экологии в природных и антропогенных ландшафтах»: материалы междунар. науч. конф. (Пермь, 19-22 ноября 2019 г.). - Пермь: Прокростъ, 2020. - С. 100-104.
4. Чернов, Д.В., Федорос, Е.И., Попов, А.И. Содержание хлорофиллоподобных соединений в профилях почв различной степени гидроморфизма // Гумус и почвообразование: сб. научн. трудов СПбГАУ. - СПб., 2000. - С. 56-63.
5. Шишов, Л.Л., Тонконогов, В.Д., Лебедев, И.И., Герасимова, М.И. Классификация и диагностика почв России. - Смоленск: Ойкумена, 2004. - 342 с.
6. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. Утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 21.12.83 N 6393: дата введения 1984-07-01. - URL: https://arriah.ru/files/uslugi/zemlya/gost-174301-83.pdf (дата обращения: 24.03.2023). - Текст: электронный.
7. Косенко, Ю.В., Баскакова, Т.Е., Барабашин, Т.О., Сафронова, Л.М. Фотосинтетические пигменты в фитопланктоне Азовского моря // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. -Ростов-на-Дону, 2018. - С. 88-97.
8. Beale, S.I. Enzymes of chlorophyll biosynthesis // Photosynth Res., 1999. V. 60. Is 1. Рр. 43-73.
9. Hoyt, P. Fate of chlorophyll in soil // Soil Science, 1971. V. 111. Is. 1. Рр. 49-53.
10. Roca, M, Chen, K, Perez-Galvez, A. Chapter 6: Chlorophylls // Handbook on Natural Pigments in Food and Beverages: Industrial Applications for Improving Food Color. Eds: R. Carle, R. Schweiggert. Woodhead Publishing (Elsevier), 2016. Рр. 125-158.
11. Sange, J.E. Identification and quantitative determination of plant pigment in soil humus // Ecology. -1971. - V. 52. - Is. 6. - Pр. 959-963.
12. Stahl, W., Sies, H. Antioxidant activity of carotenoids // Molecular Aspects of Medicine, 2003. V. 24. Pр.345-351.
13. Vallentyne, J.R. Sedimentary chlorophyll determination as a paleobotanical method // Can. J. Bot, 1955. V. 33. Pр. 304-313.
14. Zapata, M., Garrido, J.L., Jeffrey, S.W. Chlorophyll c Pigments: Current Status. In: Grimm B., Porra R.J., Rüdiger W., Scheer H. (eds) Chlorophylls and Bacteriochlorophylls. Advances in Photosynthesis and Respiration. Dordrecht: Springer, 2006. V. 25.
15. Odum, Yu. Osnovy ekologii [Basics of ecology]. Moscow: Mir, 1975, Р. 740.
References
1. Biryukova, O.N., Orlov, D.S. (1978) 'On the content of chlorophyll in modern and buried soils in fossil soils and fossil sediments' Izvestiya ANSSSR. Biol. Science. No. 6, pp. 119-122.
2. GOST 17.1.04.02-90. WATER. Method of spectrophotometric determination of chlorophyll a. approved and put into effect by the Decree of the USSR State Committee for Product Quality Management and Standards dated 03.07.90 N 28: date of introduction 1991-01-01. Available at: https://docs.cntd.ru/document/1200009756 (accessed 03.23.2023).
3. Popov, A.I. (2020) The ability of colloidal micelles of humic substances to solubilize photosynthetic pigments. scientific conf. 1st Nikitin Readings "Actual problems of soil science, agrochemistry and ecology in natural and anthropogenic landscapes" (Perm, November 19-22, 2019). - Perm: Prokrost, - Pp. 100-104.
4. Chernov, D.V., Fedoros, E.I., Popov, A.I. The content of chlorophyll-like compounds in soil profiles of various degrees of hydromorphism // Humus and soil formation / Sat. scientific Proceedings of St. Petersburg. state agricultural university - St. Petersburg, 2000. - Pp. 56-63.
5. Shishov, L.L., Tonkonogov, V.D., Lebedev, I.I., Gerasimova, M.I. Classification and diagnostics of Russian soils. Smolensk: Oikumena, 2004, 342 p.
6. GOST 17.4.3.01-83 Nature Protection. Soils. General requirements for sampling. approved and put into effect by the Decree of the USSR State Committee for Product Quality Management and Standards of December 21, 1983 N 6393: introduction date 1984-07-01. Available at: https://arriah.ru/files/uslugi/zemlya/gost-174301-83.pdf (accessed 03.24.2023).
7. Kosenko, Yu.V., Baskakova, T.E., Barabashin, T.O., Safronova, L.M. Photosynthetic pigments in the phytoplankton of the Sea of Azov // Izvestiya / Izvestiya VUZov. North Caucasian region. - RnD., 2018. - Pp. 88-97.
8. Beale, S.I. Enzymes of chlorophyll biosynthesis // Photosynth Res., 1999. V. 60. Is 1. Pp. 43-73.
9. Hoyt, P. Fate of chlorophyll in soil // Soil Science, 1971. V. 111. Is. 1. Рр. 49-53.
10. Roca M, Chen K, Perez-Galvez A. Chapter 6: Chlorophylls // Handbook on Natural Pigments in Food and Beverages: Industrial Applications for Improving Food Color. Eds: R. Carle, R. Schweiggert. Woodhead Publishing (Elsevier), 2016. Pp. 125-158.
11. Sange, J.E. Identification and quantitative determination of plant pigment in soil humus // Ecology. -1971. - V. 52. - Is. 6. - Pp. 959-963.
12. Stahl, W., Sies, H. Antioxidant activity of carotenoids // Molecular Aspects of Medicine, 2003. V. 24. Pp.345-351.
13. Vallentyne, J.R. Sedimentary chlorophyll determination as a paleobotanical method // Can. J. Bot, 1955. V. 33. Pp. 304-313.
14. Zapata, M., Garrido, J.L., Jeffrey, S.W. Chlorophyll c Pigments: Current Status. In: Grimm B., Porra, R.J., Rüdiger, W., Scheer H. (eds) Chlorophylls and Bacteriochlorophylls. Advances in Photosynthesis and Respiration. Dordrecht: Springer, 2006. V. 25.
15. Odum Yu. Osnovy ekologii [Basics of ecology]. Moscow: Mir, 1975, Р. 740.
Cведения об авторе
Цивка Ксения Игоревна - аспирант кафедры почвоведения и агрохимии Л.Н. Александровой, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», SPIN-код 4407-2586, Scopus author ID: 57321906900, Researcher ID: HZK-3525-2023.
Information about the author
Kseniya I. Tsivka - postgraduate student of the Department of Soil Science and Agrochemistry, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Saint-Petersburg State Agrarian University", SPIN-code 4407-2586:, Scopus author ID: 57321906900, Researcher ID: HZK-3525-2023.
Авторский вклад. Автор настоящего исследования принимал непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Автор настоящей статьи ознакомился и одобрил представленный окончательный вариант.
Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Author's contribution. The author of this study was directly involved in the planning, execution, and analysis of this study.
Conflict of interest. There is no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 28.04.2023; одобрена после рецензирования 26.06.2023; принята к публикации 16.08.2023.
The article was submitted 28.04.2023; approved after reviewing 26.06.2023; accepted after publication 16.08.2023.
