CC BY
80
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
направлении со стороны зародыша, причем и здесь можно выделить определенные пути перемещения водного раствора зонда, по-видимому, связанные с капиллярной системой.
Из изложенного следует, что при взаимодействии семян с водой последняя распределяется в них пространственно и физико-химически неравномерно, заполняя на начальном этапе сосудистый пучок и перемещаясь по нему к зародышу.
Эти данные позволяют объяснить полученные нами результаты. Очевидно, что объем сосудистого пучка достаточно мал. Поэтому любые используемые нами количества растворов БАВ при лабораторной обработке или при обработке семян в протравителе обеспечивают заполнение доступного объема сосудистого пучка, а избыточный раствор БАВ не попадает в сосудистый пучок и не оказывает никакого действия на семена.
Таким образом, при обработке семян растворами БАВ мы имеем дело с многостадийным процессом, включающим доставку БАВ к объектам-мишеням внутри семени и взаимодействии БАВ с ними. Причем, эффективность стимуляции будет определяться суммарной результативностью всего процесса.
Библиографический список
1. Сечняк, Л.К. Экология семян пшеницы / Л.К. Сечняк, Н.А. Киндрук, О.К. Слюсаренко, В.Г. Иващенко и др.- М.: Колос, 1983. - 350 с.
2. Зарецкий, А.Ф. Посевные и урожайные качества семян ярового ячменя / А.Ф. Зарецкий. - Мн.: Ураджай, 1979. - 88 с.
3. Вардапетян, Р.Р. Биохимические механизмы действия гиббереллина на прорастание изолированных зародышей пшеницы: дисс. ... д-ра биол. наук / Р.Р. Вардапетян. - Ереван, 1970. - 47 с.
4. Джонс, Р.Л. Гиббереллины и прорастание семян. В
кн. : Физиология и биохимия покоя и прорастания семян / Р.Л. Джонс, Дж.Л. Стоддарт. - М.: Колос, 1982. - С. 99-132.
5. Майса, Махамед Мнезель Влияние гиббереллина на активность а-амилазы в проростках злаковых культур / Майса Махамед Мнезель, М.К. Манаков // Физиология и биохимия культурных растений, 1991. - Т. 23. - № 4. - С. 340-343.
6. Васько, В.Т. Основы семеноведения полевых культур: учеб. пос. / В.Т. Васько. - С-Пб.: Лань, 2012. - 304 с.
7. Рябчинская, Т.А. Полифункциональное действие препарата Альбит при предпосевной обработке семян яровой пшеницы / Т.А. Рябчинская, Г.Л. Харченко, Н.А. Саранцева, И.Ю. Бобрешова и др. // Агрохимия, 2009. - № 10. - С. 39-47.
8. Аксенов, С.И. Изучение состояния воды в семенах разного качественного состава и его изменения при температурных воздействиях / С.И. Аксенов, Н.А. Аскоченская, Е.А. Головина // Физиология растений, 1977. - Т. 24. - Вып. 6. - С. 1251.
9. Аксенов, С.И. Исследование начальных этапов набухания семян пшеницы методом спинового эха ЯМР / С.И. Аксенов, Н.А. Аскоченская, Е.А. Головина // Докл. АН СССР, 1982. - Т. 264. - № 3. - С. 725.
10. Аксенов, С.И. Спектроскопия спинового эха для исследования состояния воды в растительных и животных тканях / С.И. Аксенов, Л.Е. Воронков, Г.М. Николаев и др. // Научн. докл. высш. школы. Биол. науки, 1971. - № 12. - С. 109.
11. Якимченко, О.Е. ЭПР-томография / О.Е. Якимчен-
ко, Я.С. Лебедев // Химическая физика. - 1983. - Т. 2. - № 4. - С. 445.
12. Ohno, К. ERS imaging and its applications // Applied Spectroscopy Rev. 1986. V 22. № 1 P. 1.
ИЗУЧЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА САМОПРОИЗВОЛЬНО ВЫДЕЛЯЮЩИХСЯ ИЗ ПОЧВ ГЕЛЕВЫХ ПЛЕНОК
ГН. ФЕДОТОВ, ст. научн. сотр. института экологического почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, д-р биол. наук,
Т.Ф. РУДОМЕТКИНА, ст. научн. сотр., канд. хим. наук,
В.С. ШАЛАЕВ, проф., директор ИСИЛ, д-р техн. наук
В настоящее время общепринято, что почвенные коллоиды в виде гелей покрывают и связывают почвенные частицы между собой, обеспечивая существование почвы как
[email protected] системы с определенным набором свойств [1-3].
В течение длительного времени проводили исследование почвенных гелей, выделяя
74
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
их из почв при помощи различных воздействий [3-7]. Однако это не позволяло сохранять почвенные гели в нативном состоянии и изучать их наноструктурную организацию.
Ранее было показано [14], что при помещении предварительно высушенных капиллярно увлажненных агрегатов в воду на ее поверхности появляется гелевая пленка. Эти пленки было легко выделять из почв, наносить на атомно гладкие подложки и исследовать их наноструктурную организацию.
Однако возникали сомнения, что выделяющиеся таким образом из почв гелевые пленки позволяют получать представления о реально существующих в почвах гелях, а не являются неким артефактом, связанным с выделениями почвенных микроорганизмов.
Целью нашей работы было выяснение состава и уточнение природы самопроизвольно выделяющихся из воздушно-сухих почв гелевых пленок.
Основным критерием правомерности отождествления самопроизвольно выделяющихся из почв гелевых пленок с почвенными гелями является состав их органической части, наличие в ее основе гумусовых веществ (ГВ).
В работе приведены признаки отнесения органических веществ к ГВ [8]. Для этого необходимо:
1. Содержание углерода для ГВ - 3661 % (Для гуминовых кислот (ГК) в пределах 46-61 % и для фульвокислот (ФК) - 3644 %);
2. Наличие определенных электронных спектров поглощения, чтобы величина поглощения при 0,001 % ГК при длине волны 465 нм в кювете 1 см составляла порядка 0,01-02 (гуминовые кислоты и фульвокис-лоты отличаются отсутствием четко выраженных максимумов поглощения в области 220-750 нм, их спектры выглядят как пологие кривые с постепенным уменьшением оптической плотности от 220 до 750 нм).
3. Наличие определенных инфракрасных (ИК) спектров поглощения.
Для установления природы органического вещества в самопроизвольно выделяющихся из почв гелевых пленках было
необходимо их выделить в количестве, достаточном для проведения аналитических исследований.
В работе использовали образец суглинистой дерново-подзолистой почвы, отобранный из пахотного горизонта в окрестностях поймы р. Яхрома.
Гели выделяли из почв, помещая воздушно-сухие почвенные агрегаты размером несколько миллиметров в чашки Петри, капиллярно их увлажняя, а затем поднимая уровень воды. Это приводило к отделению от почвенных агрегатов и подъему на поверхность воды гелевых пленок, которые собирали и сушили.
Проводили фракционирование гумусовых веществ в исходной дерново-подзолистой почве и в почвенных гелях, используя воздушно-сухие образцы. Пробы растирали до состояния пудры и отбирали навески, позволяющие выделить гуминовые кислоты в достаточном для последующих исследований количествах по схеме И.В. Тюрина в модификации Пономаревой-Плотниковой [8].
Гелевые пленки содержат большое количество неорганических частиц. Поэтому для определения содержания углерода в органическом веществе (ОВ) гелевых пленок сначала определяли прокаливанием при температуре 525 °С [9] содержание ОВ в образце гелевых пленок, а затем на элементном анализаторе - содержание углерода в гелевых пленках. В связи с тем, что ранее было показано сходство минералогических составов в почвах и гелевых пленках [10], подобный подход можно считать правомерным.
Для дальнейших исследований выделяли и использовали фракцию ГК, переходящую в 0,1 н раствор щелочи после дека-льцирования образца 0,1 н серной кислотой (ГК-1), и фракцию ГК, переходящую из остатка в 0,02 н раствор щелочи при кипячении в течение 6 часов (ГК-2). Для сравнительных исследований ГК-1 и ГК-2 были выделены из исходной почвы.
Элементный состав почвенных гелей и ГК определяли на элементном анализаторе «Vario EL lll» (фирма Elementar, Германия) (авторы выражают благодарность Ю.А. За-
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 9/2012
75
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Таблица 1
Содержание углерода, азота и серы в дерново-подзолистой почве, в гелевых пленках, выделенных из почвы, и в ГК-1 и ГК-2, выделенных из гелевых пленок и из почвы
Образцы Содержание С, % Содержание N, % Содержание S, %
Почва 2,08 0,21 C/N = 9,9 0,10 C/S = 20,8
ГК-1 из почвы 26,05 4,4 C/N = 8,9 1,65 C/S = 15,8
ГК-2 из почвы 24,12 2,95 C/N = 8,2 1,29 C/S = 18,8
Гелевые пленки 8,19 1,31 C/N = 6,3 0,40 C/S = 20,5
ГК-1 из гелевых пленок 26,00 3,06 C/N = 8,5 0,92 C/S = 28,3
ГК-2 из гелевых пленок 10,37 1,73 C/N = 6,0 0,77 C/S = 13,5
Рис. 1. Спектр 0,001 % раствора гумусовых веществ гелевой пленки в 1 см кювете
Рис. 3. Спектр 0,001 % раствора ГК-1, выделенных из почвы (1) и гелевой пленки (2) в 1 см кювете
' 3500 3000 2500 2000 1500 1000 см'1
Рис. 2. Инфракрасные спектры гелевой пленки (1), ГК-1 (2) и ГК-2 (3), выделенных из гелевой пленки
Рис. 4. Спектр 0,001 % раствора ГК-2, выделенных из почвы (1) и гелевой пленки (2) в 1 см кювете
76
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Таблица 2
Максимумы полос поглощения и характеристика пиков на ИК-спектрах гелевых пленок из дерново-подзолистой почвы и ГК, выделенных из гелевых пленок
Образец Максимумы полос поглощения (см-1) и характеристика пиков
Гелевые пленки 3697 (небольшой узкий пик на восходящей ветви) 3622 (небольшой узкий пик на восходящей ветви) 3399 (широкий пик) 1635 (небольшой средний по ширине пик) 1384 (небольшой средний по ширине пик) 1087 (большой пик) 1036 (большой пик)
ГК-1 из гелевых пленок 3697 (небольшой узкий пик на восходящей ветви) 3622 (небольшой узкий пик на восходящей ветви) 3348 (широкий пик) 2957 (средний узкий пик) 2919 (высокий узкий пик) 2850 (высокий узкий пик) 1716 (высокий пик) 1657 (высокий пик) 1540 (высокий пик) 1462 (средний пик на восходящей ветви) 1419 (небольшой пик на восходящей ветви) 1378 (небольшой пик на восходящей ветви) 1030 (большой пик)
ГК-2 из гелевых пленок 3698 (небольшой узкий пик на восходящей ветви) 3623 (средний пик на восходящей ветви) 3384 (широкий пик) 2927 (средний узкий пик) 2855 (небольшой узкий пик на нисходящей ветви) 2360 (небольшой пик) 1654 (средний пик) 1540 (небольшой пик на восходящей ветви) 1456 (небольшой пик на восходящей ветви) 1419 (небольшой пик на восходящей ветви) 1031 (большой пик)
вгородней за помощь в определении элементного состава образцов).
Электронные спектры поглощения изучали на фотоколориметре КФК-3 (Россия).
ИК-спектры были получены на ИК-спектрометре «FTIR Tenzor-27» (фирма Bruker, Германия) с применением KBr-техники (авторы выражают благодарность В.В. Демину за помощь в проведении исследований методом ИК-спектроскопии).
Проведенные исследования показали, гелевые пленки содержат 8,19 % углерода (табл. 1) и 20,99 % ОВ. Это позволило вычислить содержание углерода в ОВ почвенных гелей, которое составило более 39 %, что в соответствии с 1 критерием позволяет отнести ОВ почвенных гелей к ГВ.
Характер электронных спектров поглощения органического вещества гелевых пленок (рис. 1) соответствует таковому для гумусовых веществ, а величина поглощения при 0,001 % ГК при длине волны 465 нм в кювете 1 см составляет 0,017. Таким образом, и второй критерий отнесения ОВ почвенных гелей к ГВ выполняется.
При сравнительном изучении спектров гумусовых кислот было четко выявлено, что ГК, выделяемые из различных типов почв, имеют однотипные ИК-спектры [11].
Для повышения информативности полученных методом ИК-спектроскопии данных исследовали не только сами гелевые пленки, но и выделенные из них ГК-1 и ГК-2 (рис. 2, табл. 2). Следует отметить, что
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
77
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
при фракционировании ОВ почвенных гелей 53 % попадает в ГК-1, 21 % в ГК-2 и 26 % в растворимую фракцию.
Для ИК-спектров ГВ [11] характерна широкая полоса поглощения в интервале 3600-3300 см-1, которая обнаруживается во всех трех исследованных нами препаратах. Полоса 3030 см-1, характерная для -С-Н-группы ароматических соединений [11], очень слабо проявляется только в спектре ГК-1 (рис. 2, табл. 2), в котором все полосы имеют большую интенсивность. В спектрах препаратов ГК обнаруживается одна полоса (2900) или две полосы с максимумами 2920 и 2860-2850 см-1 [11].
Эти полосы, имеющие очень слабую интенсивность, обнаруживаются в образце гелевой пленки и полосы высокой интенсивности наблюдаются в образцах ГК-1 и ГК-2 (рис. 2, табл. 2). В области 2800-1750 см-1 ГВ поглощают сравнительно слабо [11], что соответствует ИК-спектрам и наших образцов (хотя для ГК-2 и гелевой пленки наблюдаются слабые пики в области 23802300 см-1). Для ГВ характерны пики поглощения в интервале 1710-1610 см-1 [11], которые сливаются в наших образцах, давая один сложный пик (рис. 2, табл. 2). Пики в области 1540 см-1 могут относиться как к ионизированной карбоксильной группе, так и к амидной группе [11]. В области 14701370 см-1 спектры всех ГВ имеют несколько полос [11]. Именно такая картина характерна и для наших образцов. В области 11001000 см-1 начинают интенсивно поглощать минералы, присутствующие в ГВ и ГК [11], что наблюдается и в наших образцах (рис. 2, табл. 2).
Проведенный анализ ИК-спектров гелевых пленок и ГК-1 и ГК-2, выделенных из гелевых пленок, позволяет сделать вывод, что их ИК-спектры подобны ИК-спектрам ранее изученных гумусовых веществ. Следовательно, выполняется и третий критерий отнесения ОВ гелевых пленок к ГВ.
Для уточнения наших представлений о гелевых пленках, самопроизвольно выделяющихся из почв, было проведено сравнительное изучение электронных спектров и эле-
ментного состава ГК-1 и ГК-2, выделенных из гелевых пленок и из почвы.
Из полученных данных (рис. 3-4) видно, что ГК из гелевых пленок имеют меньшую оптическую плотность. Можно предположить, что они содержат меньшее количество ароматических соединений [11]. Это коррелирует с наличием в ИК-спектрах ГК из гелевых пленок сильных полос в районе 2920 и 2860-2850 см-1 характерных для СН3 и СН2 групп (рис. 2, табл. 2).
Обращает на себя внимание наличие у выделяемых из почв ГК пика поглощения в области 420-430 нм, который в значительно меньшей степени характерен и для ОВ гелевой пленки (рис. 1) (речь идет об изломе на кривой поглощения в этой области), но отсутствует у выделенных из нее ГК. Из литературных данных можно заключить [11], что этот максимум поглощения характеризует наличие в ГВ зеленого пигмента, который при фракционировании не переходит из ОВ гелевых пленок в ГК-1 и ГК-2. Наличие данного пигмента характерно для почв, испытывающих хотя бы некоторое избыточное увлажнение [11]. В связи с тем, что для внутренних областей почвенных агрегатов избыточное увлажнение характерно в значительно большей степени, чем для их поверхностных слоев [12], снижение количества зеленого пигмента в гелевых пленках позволяет предположить, что они выделяются преимущественно из поверхностных областей почвенных агрегатов. В этих областях микробиологические процессы протекают иначе, что и приводит к возникновению ГВ несколько иной природы. Косвенно об этом свидетельствуют данные о закреплении в почвах Zn и Cu. Было показано [12], что в гелевых пленках меди содержится в 10-150 раз больше, чем в почвах, а цинка примерно в 40-400 раз меньше.
Изучение элементного состава ГК-1 и ГК-2 показало (табл. 1), что содержание минеральных компонентов и отношение С/ N в ГК-1, выделенных из гелевых пленок и из почв, практически совпадают. При этом в ГК-2, выделенных из гелевых пленок, почти в 2 раза больше минеральных частиц и в 1,5
78
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 9/2012
