Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ИЗОТОПНО-ИНДИКАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ УРАЦИЛА, ГЛИЦИНА И АЛАНИНА В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "ИЗОТОПНО-ИНДИКАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ УРАЦИЛА, ГЛИЦИНА И АЛАНИНА В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ"

Ахэещ

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи

К УЗЯ КО В Яков Викторович

УДК 631.4 : 631,416/417+621.039.85

ИЗОТОПНО-ИНДИКАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ УРАЦИЛА, ГЛИЦИНА И АЛАНИНА В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ

ПОЧВЕ

Специальность 03.00,27 — почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1990

Работа выполнена на кафедре неорганической и аналитической химии и кафедре применения изотопов и радиации в сельском хозяйстве Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Научные руководители: доктор химических наук, профессор Д. А, Князев и доктор биологических наук, профессор А. Д. Фокин.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Савич В. И., кандидат биологических наук, научный сотрудник Бирюкова О. Н.

Ведущее предприятие — Почвенный институт им. В. В. Докучаева,

Защита состоится . ..... 1990 г_

в «/&> час. на заседании, специализированного совета К-120.35.01 в Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева по адресу: 127550, Москва И-550, ул. Тимирязевская, 49.

С диссертацией ;можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан . . , . 1990 г.

/ Ученый секретарь специализированного совета — кандидат биологических наук, ст. научный сотрудник

М. В. Вильяме

0К5ЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

' ' АКГЗКИДЬНДОТ!' ПРОЦЕССЫ ТрЗДСфОрМсЩИИ органического ве-

паства почвы продо.-шгут оставаться одними из наиболее интересных и актуальных вопросов кик с чаучноа так к с практической точек «рения. Несмотря на наличии целого ряда Зуйдаменгольных ргЛот по проблемам гум/гообраэования этот раздел ьо сях пер относится к наиболее сложным и малоизученным в почвоведении.

. Современный этап исследования процессов трансформации органических веществ в-системе почва - растение характерен переходом к - изучению метаболизма отдельных структурных групп молекул наиболее лазилькых органических веществ, участвующих в гумификации -белкорих соединений, нуклеиновых кислот. Сахаров, Особенно интересным представляется изучение процессов трансформации азотсодержащих компонентов растительных остатков и микробной плазмы, так как они, по-видимому, являются наиболее лай ильными и ¡¡изиологиг чески-активными веществами, и, .кроме того, основными ежегодными .поставщиками органического азота в почву. Практически весь органический азот поступает в почву в форме азота нуклеиновых кислот -и азота белковых веществ в соотношении от 1:1 до 1:10. Предполагается . что оба названных класса'соединении играл» существенную роль-в гумусообразовании/ а также в создании запасного фонда азота в почве. Известно, что через несколько этапов деструкции исходных н*т<леиновых кислот и белков они разлагается до соответсву-ших: мономеров - нуклеиновых оснований и аминокислот. Дальнейшие пути трансформации этих веществ в почве исследованы: пока недостаточно. ^пользование кзотапноиндикаторного катода- позволяет, восполнить данный пробел.

Таким обрааом актуальность исследования определяется, во-пс-рвих, слабоЛ изученностью вопроса трансформации низкомолекулярных азотсодержащих органических Е^-таств р почве, во-вторых,

. : ЦЕНТРАЛЬНАЯ ■ '

НЛУЧ 'ЛЯ ЫБЛИОТЕКА' (.'осн. спл^скохоо. акаромм ,м. К. А,

Инв. ТЧ^

псрсг.'ЛсгигоЛ направленного регулирования процессов гумусооЗразо-выим путчм гамененид состава разлагаш^гося субстрата.- . . '

П'-.ть н »гсздп нее ¿к-средни я. чЕелью раСоты Сыло изучение процессов гранс1огмаиш в почве представителей двух классов органических азоте оде рлозда соединений: нуклеиновых оснований (ка примере'ураиида) и аминокислот (на примере■глицина и аланина). Основная часть работы была направлена на изучение процессов включения и перераспределения азота и углерода этих веществ во Фракциях; гумуса, \ . ■ . ■ , ' ' " " ■

Глнкретнымн задачами являлись следующие; ' '- • ■. ,

1. И?учение процессов деструкции аминокислот и урацила в условиях агроценоза на ;»рново-подзолистой почве;

Й. Оценка вертшальноя .миграции в почве и поступления,в растения адота и углерода ка состава кссяедуемих соединения. *

а. отраСотгл метолнки разделения органического вещества- почвы ка Срашш. пригодней для изучения включения меченых вепрств в туыуо,

, ■ ' - I

4. Разделе шю оргааичесюто ведаства.почвы на фракции по принято а методике, и изучение.изменения содержания меченых азота и углерода одинокие лот и урашла в Еще ленньк фракциях.во времени.

5. .Ш-основе полученных- данных выполнение расчёта коэффициентов обновления азотом и углеродо^фракций гумуса.: а также оценка роди исследуемых соединений в круговороте азота и углерода в почве. . \

б. Разработка концепции гумификации индивидуальных органических' азотсодержащих веществ в агроэкосистеме в условиях дерноьо-подзо-листоа почвы. • * ■

Научная новизна работы. ; . 1. Впервые в условиях единого эксперимента в одинаковых условиях проведено изучение трансформации урацила и. аминокислот в почве. Е. Проведено одновременное н&алвденкв за попед&нием азота и угле-

рода ураццда и аминокислот, что даот более полнуп картину трансформации исходного соединения.

•3. Ш ' получинннм данном в иерии бы.-:к радчитанн годовик доли обновления молекул гумуса по as ату,

4. Результаты paioru ьпервш пс&волякг? полнить приблилЛнлно сценки пк-плов азота к углерода ко состава аминокислот и нуклеиновых оснований в процессы обновления атомно-молекулярного состава гумуса.

, Прлктич-'-ская ценность. i В работе намчэны дальней'лпе воз данные нуги изучения процессов rywii«KU3tit: предложен вариант метоДИКИ ipQкциониробания гумуса, пригодный для иэуч-гний ьклг*юнил меченых бсг^ств ео фракции. Обнаружив в работе процесса декар-боксилироьанкя ■ аминокислот в почве позволяют о нетрадиционной точки зрения подходить к регулированию кислаткости почв. шлученные результат« могут Ситъ использованы для уточнения моделей круговорота азота и углерода в агроэкосистемах. Результаты исследований' рекомендуется использовать в преподавании курса химии и би-. одогии почв в разделе о процессах гумификации. Разработана методика измерения абсолютной активности изотопа 14С в образцах почв 'бее его предварительного экстрагирования.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научных конференциях молоды*"учёных ТСХА факультета агрохимии и почвоведения в 1983 и 1SS9 годах, на Шессюзной научной конференции "Современные проблемы почвоведения и агрохимии" в г. Ташкент в 1990г.

• Публикации.. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и обт&и диссертации, ¿иссерташш состоит из введе- ■ ния, методической .части il глава), экспериментальной части (3 главы), теоретической-части <1 глава), вакдючення, выводов, сшо-

ка цитируемой литературы. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста, включая, 19 таблиц и 43 рисунка. Список исполь-зоелнной .китератури - содержит Пбнаименований, в том числе , 43 на нностраннш языках.

1. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

■ В качеств ойадкта исследования была выбрана среднесуглшшс-тгш де рно во- по дзолистая почва на опытной станции. ШУА (Барыбино, Москоьская область). Содержание гуцуса,- 1,Б X; содержание общего azora, пи КъвЛьдадю - 0,073 X; рН(КС1)-5,55..

1 Исследования трансформации нукавинойих оснований и аминокис-, лот в почье проводили с использованием-соединений, меченых ста-

Сильным изотопом азота - и соединений, меченых долгожиьущим родиошгпгонйм изотопом углерода - 14С. В работе приманили следующие препараты; 2-иЪ-урацкл, 1,3-16М-урацил; 2-14С-глицин. 1-г>1С-Глицин, 15N-rjunWHi 1- -аланин, ^5Н-аланин. ' , .

Все измерения от ноше кия масс проводили на масспект-

рометре ми-1£01в ио газообразного азота. Активность изотопа образцов шчвы, растений, а также фракций гумусовых веществ намеряли на' автоматических/.приборах "RacKteta" .модель 1219'фирмы "LKB" Vallas. Обздй азот растений, почвы и Фракций гумуса определяли по методу Кь^ъдаля.' Ойвдпй углерод - по методу Турина о ■. 4о-тометрическим о^нчанием. Включение азота и уг-^рода в состав ор-' тонического !мщ~стьц почвы оценивали но содержания метки.но Срак*" Ш1ях гуцуса. ■ , « :. ';'..".' .

Более подробно'полевой опыт, характеристики используемых соединений, методики масспектрометричссюис,' радиометрических и

мических анализов; а также ыетодикаЧракщюнирования гумуса описаны в соответствующих разделах диссертации.

Я. ПРОЦЕССЫ ШЕРАЛСИШ JTAIGLTA, ГЯСИЯА И АЛЛШ1Ш

О скорости, минерализации меченьтс урацила, глицина и алашна

судили на осноеании потерь 1**С из пзчьы, предполагая, что оскэыпл часть потерь обусловлена разложением исследуемых соединения до ОО,,

J ■ Скорость, деструкции исследуемых урацила, глищша и алшшна значительно выше чем растительных остатков (рис. 1). причинами этого могут быть: 1) еначительно Обльвая лабильность' исследуемнх -соединения (урааила, глицина и алашна) по сравнении с основиими по массе структурными компонентами растений ■ (даллкаоэой, дигни-ной); 2) большая химическая инертность,нуклеиновых кислот и Сел-ков» в форда которых содержится преобладающа часть нуклотювнк оснований и аминокислот в живых клетках. 3) меньяая доступность исследуемых соединений для - микроорганизмов и внесших химических воздействий в неразрешенных 'клетках растений.

На- ос но Ее 'подученных, 'кривых деструкции урацила,. глицина и ■аланина (рис. 1) были рассчитаны периоды подупотерь. их углэродц в .течение первой недели трансформации в почве (таблица 1).

Начальным и самым быстрый процессом деструкции аминокислот в почве явля'ется процесс деварвоксйлироваяия. йтому процессу подвержено не менее 90 % постураших в.почну аминокислот. Как Сыло выяснено из результатов: лабораторного экспэршзнта в стеридьных. условиях, ■ б&гъшая. часть, процесса: декарбоксилирования аминокислот протекает вез непосредственного участия,микроорганизмов - чисто химически иди под действием вкзофериентов. ......

Рис.1; Динамика содержания меченого углерода в-составе ■ разлагающихся в почве органических, веществ, (содержание в процентах от »несённого).

Таблица 1

Время полугот&рь меченого углерода урадила и аминокислот -. в первую неделю иг начала разложения и спустя два года.

Варианты Т{1/2) 4<tpea одну неделю (сутки) ТС1,2) чероз .два года -(годы) *

2-14С-урацил 2_ глицин 1-14С-аланик 14с-растительных остатков * ■б 6 ' 2 105 3 11 9

* периоды педупотерь меченого углерода растительных остатков ячменя приводятся для-сравнения.

' Дин-чыика содержания метки в почве, а также относительна потери м*ч*ного угм'.-рот в исс л-? дуемом интерв-гке концентрация (2

ПОрНДКЧ» ОГфе, НрИ ПРОЧИХ условиях. типом ВНОСИМО-

ГО со-дан-жая и пало.■»лпнем меченого углерлда ь ого молекуле и не заи:сил:1 от огади, ъ'мсси вн«сЭнного в почсу ьевдство. поэтом;- нами П|№Дпал.»г.'**тея, что ра-чло.^к«,! питк<кул лрк ых соедине-

нии в ги'ш-^ на нач'аьн.м отап^ идет по типу мономол^;уллр[юа реакции, ' но в срйМ! с иойгн^ни^м почвениих условна, а такжн трсшс-формчш'.гй сяьчго исходного соединения он не подчиняется экспоненциальному шпиону. Дока^тельсткш - шм>иекия структуры исходник со^дтнниа и их включения в инертные Фракции органического вещества почш могут, служить периоды полупотерь у^тки, рассчитанные через два года пребывания исследуемых веществ в иочье (таблиц* 1).

В ^ксперишете потери меченого агюта вн Е года иссле-

дований к-хл ио у ранила так и из аминокислот из слоев 010 и 10-Ю см-достигали 90 2 от внесенного, Разкшв в потерях меченого азота иэ'состава урацила и алэнина не, превышала с гибки опыта.

3. !й!ГРАШ1Я АЗОТА И УГЛЕРОДА КЗ СОСТАВА ИССДЕЯУШК . СОЕДШЕКИГВ ГШБЕ И ИХ 1ЮСТУ1ИЕНИЕ 3 РАСТЕШИ

•Одной из глзмотаых■ причин'потерь углерода и азота урпцила глицина и аланина, локализованных в определенном слое почвы, является миграция исследуй мух соединений, а гаюке транспорт образующихся мчгяболитов по починному проф»',*п Для. оценки иасвта'ов вертккииноя миграции после полного г^рергаениа :жепертюнта оыл отоор-ш г.иткъгитго^трОЕЬй слой почвы, лслшщй ниже уровня ин^се-ния меченмх соедпаеиий (подпахотный горизонт). В !мм

опрел''.^'^') сод^г-чеине иС. Еылн п^яучеии следутоои реэультд-

тн: сроднее содержание меченого азота в патисантиметровсш. подпа-г; хотнэм горизонте составляло 3 X от внесённого в варианте с внесением урлцил'1 и в варианте с аданннсм. Содержанке меченого углерода соответственно 1,1 и 2,6 % от внесенного. ,

К-зультаты 1-асчйтов, выполненных на основании имеющихся ■ литературных с£единил о миграции нитратов в условиях дерново-подзо-листих почв дамг основание предполагать, 'что значительная часть потерь моченого .-дота из фиксированного слоя почвы 0-10 и ю-СОсм сбуслоьлеиа Фронтальной миграцией метаболитов исходных ьешеств (в основном нитратов). Ни исключено, что заметная часть потерь азота обусловлена также нисходящим.перемещением самих исходных соединен -пня, о ч&м свидетельствует содержание моченого углерода в подпахотной горизонте. , . .

.^ругоА возможной'причиной потерь'.меченого углерода и . азота из почьы являтся постуадение этих элементов в растения, В

нашем г>ксч«1.ишнте растения ячменя в первый год отлай пшнищ* во второй .содержали ка« меченый азот и так и углерод .исследуемых, соединений, прячем-не оанаруаено достоверных различий в поступлении азота и углерода в зависимости:йт. исходного .вещества и .' поло-'; лення метки. Во всех вариантах опыта относительное„содержание' шчекого азота в растите лъно^массе в первый год составляло ?.' 0Х'от внесенного, что на 24 порядка выше, .чем содержание мече-.', ного углерода. Соотношение содержания меченого азота и углерода в! растениях, а так*« отсутствие достоверных■различий ' в поглецешш растениями азота из состава исходно различных вешеств дают.осно-" шшие считать, что основная часть азота поступает'в растения после полной минерализации исходных урацила и аланина, '..' * ■.';

• Следует отпоить, что коэффициенты поступления шота ураци-^, да л аланина в растения в.З б;раз мений.'чем ' ко^Ммщенты . ис~„ пользования азота минеральных удобрений. Это еызв&но следу »дами

причина««: 1) ббльтяч исг.одь&оЕвнием микроорганизмами аздтл органических летает» для структурных цекЛ иэ сршнегаш с неорганическими ион им;! \'инер;с.ьнда удлерениЛ;- 2) закреплением апота исследуемых органических соединен и Л гуцуесч псчьи*, 3) л-кальн'югьм ■вкесенния шч^кй соединений в пасем злепертюнте.

Ка второй год после внесения содержание меченого ласт« в растениях псеницы ссстагддло 0,5 - 1 X от снесённого, что находится в соответствии с уменьшением содержания азота урацила и аминокислот в почве.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВШНЕГЕЯ И ПЕРЕРАСПРЕДЕЛИ Ш ЛЗОТЛ И УГЛЕРОДА УРАЦИЛА И ДкШНОГСЮЛОТ ВО ФРАКЩЯХ ГУМУСА

Ведам ние и перераспределение структурш» ф}м.гмннтов молекул индивидуальных органических соединений во фикциях органического вепрства почвы могут отчасти отражать процессы образования, обновления и функционирования.гумуса как части почвенной система Почвенные процессы, связанные о обновлением гумуса. име»/г свою специфику, создающую серьезные трудности при изучении органического ведаства. Основными трудностями являются; I) медленная скорость большинства процессов;:2) химическая и биологическая инертность большей части органического вещества, представленного веществами гумусовой природы; 3) участие в ежегодных циклах лияь небольшой доли от обшйй массы органического вещества почвы. 4) обратимость многих процессов,. создающая видимость отсутствия процессов ВООбЕр. -

.Работы по изучению включения меченых соединений в структуру фракций органического ведаства почвы накладывают ряд требований и ограничения на методику выделения, и Фракционирования гумуса: рая-

дчл-мш-3 нч жту>'/совые и соЕсталнно гумусоЕЬк? ьеЕйотЕа; каключе-Н!» кз м^тодня Четких методов разделения, Еызываших частичный, гадрокп и отопление lb.w йииих С*раг ментов. в связи с атим на основе имокохси стандартных методик была отработали собственная система ^рамыэмировашы гумуса,

В «гаольауемоА нами методике фракционирования первым. этапом р!43д5й«икя гумуоа было ввделчви« меченых ведеств не измениьаихся к сроку отбора П[Ю5н. Такуе предварительное экстрагирование сни-».-j;t ьозмомн« кркшси к йрлищиям гумуса в не се иных веществ с высокой удельной активностью. Длл освобождения . от нетрансформированных меченых .'аминокислот иснольвовали 3-х кратную еытнлку СО X этанол;«. ш результатом предварительных исследований таким методом иа почьы извлекаются около G5 % внесенных аминокислот, в варианта с урацилсм 3-х кратной кьггяжкой дистиллированной есдой-

при ?0JC in почем экстрагировали свободны^ нуклеиновые основания

(таким методом щдёляется около 70 X внесённого в почву ^С-ура--шил). В эти вытяжки могли переходить и другие ЕОЦ'.-ства, но использование изогопноикдикаторноЯ методики дает возможность раздельного определения только меченых соединения.

Дальнейшее Фракционирование для ■ всех вариантов опыта было одинаковым. Гумусовые веаества извлекали многократной экстракцией 0,1и НаОН, .очтадли от органо-минеральных коллоидов центрифугированием при ССОТ с<Ушн в течение 1 часа. Очиаенный шктрифугат

пропускали черег колонку с катионнтом Do*wx*50-8 в Hf-форме. йтим достигала отделение гумусовых кислот от шлочи-, 'переведение их в кислотную форму, а такли разделенно на гуминовые и фульвокисдоты, Сулььокислоты ({-[-акции, проходяще через катионит) очищали от шгакомадекуллрных негумусоьух ьсе^ств На мкстраноьсм геле типа

, - и -

БерКа^х С-10 с пределам« рлад^лзния О-"00. ст

С£ОбОД1^:ч СЛ''М:М ^УЛЬВОКИСЛЭТ» рсйД"И НО МСЛгКуЛЯрШгн НДС сам

на геле 0-60 с ['¡'•■/•.■'-"■.чми разделения г.оо- 10>Х10. Гуниноы.'е кислоты (Фрагдтл ьнпнг.^лита в осадок при (Шьн'.-нии рн в катионите с 14 на входе г,о 3-.1 на ькходё) егш.шм с менонита "к раствором ьммиаха. Результаты по ь!«!очению меченого ачота в эту Фра>адап из-.'¡а контакта с дммиаглм и прстеканиом изотопного обмена сильно ванижены,

Й 1м аш 1ка годе;ия метки со фу .кцидх.. гумуса..

Пэ^ле поступления простых индивидуальных органических азотсодержащих соединений в почву наблюдаетеа очень бкотрое включение меченого азота и углерода из урЕшила и аминокислот во все выделяешь Фракции гумуса. Максимум сод-?р^чния «¿тки во Фракциях в Оолыиинспч случаев наблюдали к п&реому сроку отбора прозы (т.е. до одной педели после, поступлении соединений в почву). Смежник макшмал* но го включения в сторону ОЛиьош; сроков было характерно для , гумма и наиболее вые о комоде куля ри о а фракции Фульвокнслот (рис. 2 и 3)1

Кривая содержания меченых фрагментов во «фракциях гумуса определяется следующими основными процессами: 1) бьютрнм и непрочным присоединением продуктов разложения р;<стителькьк остатков и формированием реакционное пособник периферических фрагментов (процесс протекает преимущественно в течение нескольких первых дней), часть которих со Бременем трансформируется в устойчивые структуры; С) микробиологическим или гидролитическим отоплением неустойчивых Фр-и'ментов (процесс ш«эт протег.ать с момента включении и до полной деструкции периферических ■¡раг^нтов молекул гумуса).

Клка'мчдьиое ьключение метки в гн'^л»)-«!^ (¡.ракцни гумус. I в , нашем эксперименте бндо характерно для углерода м>*т планово а группы г ли пч (риз. 3}. Исключение составляли »'уннн и ^акцг.п орга-

8 -б ■

4 ■ % -

о (ЦЗгозл •

Рис. 2, Дикаыика содержания метки в гуюше (процент от внесенного)

З-^-Гли^ии .

Рис. 3, Динамика содержания метки во фракции фульвоподобаих': «»с* лот е молекулярной массой более 10000 (процент от вкесеиного);.

но-минеральных коллоидов, где максимальное г,кллч<?нке нг.'л»аали для меченого азота ¡истина (рис. 2).

, ' при рассмотрении результатов включения г,о фракции в координатах время - процент меченого элемента во Фр.-«одж от содорллнин ь поаве на момент отбора пробы, наблюдали очень рззкме колебания содержания метки в течение первых двух с половиной месяцев. Яго вызвано одновременным'протеканием процессов ьклшетм к отопления меченых- фрагментов. & связи с быстра пааериением процессов включении дзльнеЛаее содержание м^тки во «фракциях было ста-

бильно.

Так как причиной включения нуклеиновых'основания и аминокислот в гумус могут бить химические, ферментативные и микроб и: логические процессы нами была сделала попытка оценить влияние микроорганизмов на процессы гуыи^ика^и, Ого достигали закладкой отдельного лабораторного эксперимента в стерильных условиях, где деятельность микроорганизмов в почве иодавляли оксидом ртути. Однако следует иметь в виду, что такой тип стерилизации н* полностью подавляет активность почвенных ферментов,

. При взаимодействии глицина с почвой в течение часа в стерильных условиях были варегистриро&шш 30 X потери углерода карбоксильной, группы. При двухмесячном контакте потери достигли 65 X от внесенного, Это свидетельствует о том, что процесс декарбокси-.дарования аминокислот в почве протекает s основном бек» прямого участия микрооргакиомов. * ' *

Для сравнения-результатов включения меченых элементов в различных условиях, а также для сравнения выделяемых фракций мелду собой,было-предложено использовать следующее соотношение;

где - .экспериментально варегистрироваикое удельно« обога-

¡денио зл^шжтси; С(теср) - теоретическое удельное

обогссуние ок »нтом .всей почв'л при условиях рслнорчепре-

'делении И'-гни ¡1 отсутствии потерь. КогиКнцичкт ККр) мы нлпьа-ли от кое и гол.1, ¡1,31 «¡огаалтем Фрздции, Ср;1имиие коэффициентов откос иге л/, по г о оСоп^ь-нна фракций при взаимодействии в стерильных услопмх ыш н "о е.~:едук^ее: _ . -

Ос-жглось, что и б «серил {.них условиях при кратковременном Езашо»>:;1стг>;:н 'аот н углерод как- ур-шь-л тик н глицина 1:к,качаются ео гее рщп'.уг».;^ Фракции гукуса. При ьтсм химическое ка^-ние мечети г»лчм-~гпов из состава урацила по все фракции гумусл с 2-10 раз мень:>: чем из глицина (рис. 4 и 5). Эта СЕЯ-З'.шо с наличием в нданоки тлотах двух зктпскнх функциональных групп - аман-ной и гарОокс-.ьи.коа, которые непосредственно взаимодействуя/? с Функцианадьт»«! группами гумуса. Такой характер включения исследуемых соединений говорит о том,, что аминокислоты взаимодействует с гумусом почвы р основном в ^трансформированном состоянии, а урацил сначала подвергается микробиологическому:разложению до Солее 'лслкдъных метаболитов (предположительно аммония и аминокислот), которые лишь затем активно реагируют с гумусом.

Для всех Фракций.органического векества тгочеы.обогащение углеродом нетилановой группы аминокислот в 1,5 раза больше чем углеродом карбоксильной группы (рис. 5). Это связано с большим окислением углерода карбоксильной группы до-углекислого газа на первом этапе деструкции. .

МаксIи.пльное Ёключгнда азота и углерода шз ■ состава меченых урэцила-н-глицина Сыло гарегнстрировано в ниэкомолекудярные фракции Фудьбокислот и ьо фракцию неспемифических соединений с молекулярной массой меньше 500; минимальное в гумин. '

Для сравнения -включения меченых.азота и углерода в ввделяе-

Рве. 4: Относительное сОогасенке Фракция гумуса (К) меч'.-к им азотом урацила и глицина при 1:х кратковременном взаимодействии с почвой. Гм - гумин; К.т — органо-мине роль нке коллоиды; 1, Z, 3 - фракции ФК с различными моле куля рными массами.

Рис. 3: Относительное обогащение (К) фракций гумуса меченым углеродом урацила и глицина при их кратковременном взаимодействии с почвой. Гм - гумин; Кя - органо-минеральные коло-иды; ГК - гуминовые кислоты; О - неспецифические соединоикя с молекулярной массой меньше 500; 1, Е, 3 - фракции ОК с различными молекулярными массами.

- ю -

мы* фракции гумуса в ннтурнсм эксперименте мы исполъзоьади коэф-фкщмнти относстального обогаарния фракций при годовом взаимодей-стеки исследуемых ьежств с точной в природных условиях. Такой срок Сил выбран » связи с тем, что год явдн^тся естественным циклом нр;сродных процессов. Другой причиной явилась стабилизация и отсутствие резких колебаний содержания метки во Фракциях при годовой экспозиции, что свидетельствует об относительно прочном включении |{[>.чгментов меченых соединения в состав инертных, гумусовых ьец^ств, . ■

Оказалось, что после года взаимодействия исследуемых соединений с почвой в природных условиях для метки из аминокислот характерно Солее равномерное распределение меченых элементов по фри'-лушм -гумуса чем длл метки из. урацила. ООсуе содержание меченого азота как урацила, так' и аминокислот во фракциях гумуса больсе чем содержание углерода ;кз состава этих соединений. В большинстве фракций содержание меченых элементов . из аминокислот выше чем из урацила (исключение составляет содержание азота ура' цкла в гумине и в неспешфаческих"соединениях}. . Углерод из второго положения урацила практически до' вквдтетея в гумин и в гуминовые кислоты. Включение меченыхфрагментов из состава аминоютс- ■ лот в гуминовые кислоты было максимально по сравнению с другими фракциями, ' ' ! : ■_■

Для большинства исследуемых, фракций гумуса .было характерно максимальное обогащение меченым углзродом-из метиленовой группы глицина. Исключение составляли гумин и фракция органоминеральных коллоидов, где максимальное включение .было зарегистрировано - для моченого азота аланина. . . ; :

Б. ОБНОВЛЕНИЕ АТОШО-ШЛШДЯРЮГО СОСТАВА ГУМУСА.

. По донным целого ряда исследований л органическом жилет во почвы.нет пеобновляшихся (фракций и фрагментов молекул, ^эла ежегодного .обновления является показателем . интенсивности участия этой.фракции в круговороте веществ, До сих пор по результатам исследовании рассчитывали долю обновления Фрикций как интигр^иьний показатель участия всех составляькхх растительных остатков в формирован ни гумуса почвы.. Это является достаточно ин&риатиЕшым показателем при сравнении фракций и типов почв мокду собой. Однш» доля оОшэго обновления фракции не является характеристикой интенсивности участи отдельных состав ля тих.'растительных остатков в круговороте ведаств. На основе данных по.включений моченых алэ--иектов исследуемых простых, ааотсодеркших' соединений ь сидчлмиии Фракции.нами С или рассчитаны доли обновления шота и углерода гумуса ,аа счёт нуклеиновых кислот и белковых ъеществ. Подученные

'результаты по углероду сравнивали с известными (Ш литературы па-

г

раметрами обновления, рассчит&ныии на основании значений срйне-'статистического времени пребывания' углерода в составе .гумуса (шгЬ), определенного методом радиоуглеродного датирования.

. Скорость обновления авота молекул гумуса оценивали по результатам включения меченого азота во фракции при годе вз&имодой-' ствия исследуемых вепеств с почвой в природных условиях. . . *,"■ Для расчёта,скорости обновления .фракций гумуса необходимы . следующие исходные данные:- доля массы фракции гумуса от обдего 'количества органического вещества почвы; количество ежегодно поступающих.^ к поуву ьедаств, участвующих в обновлении гумуса;. коэ> фициент гумификации исследуемого соединения. Кассу фракции гумуса мы приникни за.псстшщнуи цехищшу практически не во

прем^ни. Коэффициент гумификации исследуемых соединений мы получили на оеноьннии доли ркшчбнной в гумус метки (расч&т производили на обнее количество аминокислот и нуклеиновых оснований, принимая, что коэффициенты включения исследованных двух амилоида-. лот и урацида приблизительно равны коэффициентам включения неисо-дедоьанинх аминокислот; и-нуклеиновых оснований соответственно),' Основной трудностью явилгшъ о^нка количества аминокислот и нуклеиновых оснований выгодно постулата в почву в составе растительных остатков и микробной плазмы.. Йсполь&овали два способа' расчёта количества йлйгодгоэ -поступающих" в почву аминокислот и нукл^инових оснований: 1) исходя из скорости-циклов трансформации нуклеиновых оснований и аминокислот в почве; г) по количеству-этих весвств, синтезированних за .вегетационный сезон вусшми рас- '. тениями. Так как вторым способом расчёта были получены сильно аа-нипэнные результаты, здесь'приводятся данные .по обновлению гумуса, голучекнш с учетом скоростей циклов трансформации аминокислот Н- нуклеиновых оснований в почве (таблица'-2). Используемый ме- ' тод вычисления позволяет, получить " лишь приблизительные данные " скорости обновления фракций гумуса и требует, дальнейшего уточнения. - '."■." -г- . * "

' V, '' :'.'■'■■' - *■ Таблица 2 , '

Возраст (игО-и доли обновления углерода *

. фракций гумуса по литературным данным и. экспериментально найденные-доли-обновления" ' углерода и азота гумуса из состава наследуемых соединений

Сракци Ло ЛИ-« тгь 1новлен> ЕС-Ур.- 1Я- С и 2С-ГЛ. 1 фракш 1С-Ал., 1й; рас' м-ур.. №Т ПО: М-ЛЛ.

Гумус в целом Гушн ГК * \ «1 '■' 500 Е00 300 100 3-10-:3 2' кг3 3-10"3 2' 10"6 Т 10'8 -10'7 2* 10" 6 6'1(Г4' 2;Ю~4 Я* 10" 3 о- ю"1 2:10"4 : Ш"1 6-10*4 г- го"4 ;. ю"4 ; ю*4 : 10~4 9-10" 4 7-10"^ 2* 10"**

Так как практически весь ааот, поступающий в почву в естественных ценозах, первоначально находится в $орме белков и нушми-ковых кислот, то можно в первом приблшигпии считать, что рассчитанная скорость обновления азота гумуса из этих двух классов "веществ соответствует общецу обновлению по аеоту.

Полученные результаты позволяют заключить следующие; скорость обновления азота в составе фракций органического вещества почвы в 2 - 3 раза выше чем углерода. Причина этого шлет вг.шш-чаться в более высокой скорости-обновления периферических ']р'1Г~ менТов молекул гумуса,, при большем относительном содержании в них азота.

Роль аминокислот в обновлении как азота так и углерода гумуса примерно на два порядка болъдоэ чем нуклеиновых оснований. Это результат как меньшего содержания нуклеиновых оснований в почве так и меньшей скорости циклов их микробиологической трансформации по сравнению с аминокислотами.

Наибольшая скорость обновления фракций гумуса из исследуемых классов соединений характерна для гуииновых кислот, причём в обновление этой фракции нуклеиновые основания практически не участвуют. ■

Соотношение в долях обновления азота в составе Фульвоккслот за счет нуклеиновых оснований и аминокислот составляет в среднем . ] :50.

В поступавших растительных остатках доля углерода аминокислот составляет 1/100 - 1/20 от обдего углерода. Однако в обновлении гумуш доля уч;1Стия углерода аминокислот в зависимости от фракции составляет от 1/10 до 1/3. Это говорит о преимуи^ст венном участии аминокислот в процессах гумусообразования.

• ' - со - .' :"' ■

в и В О Я Ы . ; ;, . ,

1) Дяя меченых азота'и углерода урашла и аминокислот, пос-•тупавдих в почву кз равлагэющЬссярастителъпнх остатков и микробной плазмы, наибольшая'скорость потерь метки наблюдалась в течение первой недели'после поступления;'(№ скоростям потерь меченого углерода на первом этапе траисформации иссдевл-емш соединения располагались в следухжрк порядке: углерод- карбоксильной группы аминокислот - период полупотерь матки,в виде СО, - 2 дня,

второй углерод кольца урацила Ц/»>.-**;5 ' углерод метиленовой

группы аминокислот - 6 дней.. С.течением времени скорость по-'

,терь углерода и азота всех исследуемых соединений постепенно енн-жалась. '' .

2) Относительные потери меченого углерода одних и тех хе низко молекулярных соединений при разложении,в почве в исследуемом интервале концентраций (2 порядка)' не вавке или от обшэй начальной массы веЕцества, и определялись природой »сходного соединения.и

, пояснением метки. Поэтому нами предполагается,. что процесс разло- _ иекия.нкзшюлекулярных соедшений в почвв идйт'-Г.о'типу мономоле-'кулярной реакции, но в связи с измекекиемвкешшх условий>, а так-^ трансформацией самого соединениями может и не подчинятьсяэк-, споненциальнонувакону, '':: *■■'.-'

■..'■ 3) № менее 90 Х поступающих в почву аминокислот подвергает-'ся'процессу декврооксияирования.; Следствием: этого;являются значительно ббяыиие гавообразные' потери:углерода карбоксильной группы ■акошокислот по сравнению с другими исследуемыми' атомами, гораздо

меньшее поступление углерода карбоксильной группы к растения и entë меньшее его■включение в гумус. Примерно на 70 X процесс де-карбоксилирования аминокислот в почве протекает без прямого участия микроорганизмов! ■

Это позволяет сделать предположение о прохождении в почве реакций декарбсксилирования также и других органических кислот, ■что, вероятно, приводит к снижению уровня почвенной кислотности наряду с процессами-ее нейтрализации. катионами. Для изучения механизмов декарбоксилирования органических кислот в почве требуется специальные исследования»

4) В первый и во второй год после поступления урацила и ала* * *.

кика в почву в растениях обнаруживается как азот так и углерод этих соединений, причем содержание азота; поглоданного растениями из состава меченых соединений, на 2-3 порядка проьтаат содержание углерода из.этих жа соединений.

• - В условиях нашего эксперимента, в пределах ошСки, доли участия " меченого азота урацила и аланина в двух основных потоках - поступление в растения и включение в гумус оказались по итогам однолетних наблюдений равными и составили В. - 10 X от внесенного меченого азота. .,.*."■.

*■". Б) Динамика содержания метки в составе фракций гумуса определяется ! следующими основными процессами; 1) систрым и непрочным присоединением'продуктов трансформации исходных меченых.веществ и формированием реакционноспособных фрагментов гумуса, часть которых со временем трансформируется в устойчивые структуры молекул; 2); микробиологическим'или1 гидролитическим'отщеплением неустойчивых фрагментов^

Одновременное протекание обоих- процессов и их рай пай скорость на различных зтапах взаимодействия являются причиной розко-

- 22 - * ... го изменения содержания метки во фракциях гумуса, наблтааввееся в течение первого месяца эксперимента. За одну'неделю быстрые процессы включения в основном заканчиваются,- содержание метки во фракциях стабнл! га нруе тс я и определяется в основном относительно

„ ч 1

медленными процессами отжпления и минерализации вишенных в гу-цус неустойчивых меченых фрагментов.'

. 6) Сравнение результатов экспериментов в обычных и стерильных условиях, а также наблюдения за кинетикой процессов дают основание считать,.что во включении исследуемых соединений в гумусовые ведаства значительную роль играют химические процессы, идущие, возможно, с участием почвенных ферментных систем.' Прямое влияние микроорганизмов на процессы взаимодействия ниэкомолеку-лярнцх органических азотсодерхащнх веществ с гумусом почвы состоит прежде всего в отщеплении включившихся" в -гумусовые вепества . неустойчивых фрагментов. Кроме того микробиологической деструкции.

подвергаются также относительно инертные ведаства (в нашем экспе-.. рименте урацил), что ускоряет' последующее химическое или фермен- ■ тативное включение их лабильных метаболитов ; в молекулы гумуса. Для более активных вещэств (в .нашей з^перименте аминокислоты) ■ преобладает непосредственно химическое включение в гумус.

■ 7) Для сргшнительной характеристики.включения меченых элементов во фракции гумуса. предложен коэффициент относительного обогащения Фракции. Это отношение реального обогааония исследуе-. шго элемента во фракции к расчетному, обогащении элемента в почве ; при. условиях равнораспределения , метки м еб полного включения в .состав гумуса. Череэ год после закладки опита: коэффициенты относительного обогащения всех Фракций гумуса оказались меньше 1, что ' говорит о неполном включении исследуемых элементов в^гукус и их' 'потерям. Коэффициенты, относительного' сбогащания составили для '

- ЕЗ -

азота ураццла - 0,21, для азота аланина - 0,14; для второго углерода пиримвдинового кольца урацила - 0,07, углерода метиленовоД группы глицина -.0,13, углерода карбоксильной группы адшшна. -0,06. ' ' ■ .

3) Рассчитанные на основе полученных данных коэффициенты годового обновления азота и углерода-гумуса из состава -исследуемых соединении показали, .что .роль аминокислот в обновлении гумуса : примерно на два порядка больше чем нуклеиновых оснований,. и что обща скорость обновления азота в составе гумуса в Я— 3 роои выше чйм углерода.

9) Наибольшая скорость обновления гумуса иа исследуемых двух классов соединений 1 характерна для фкжши гуминоьих кислот, причём участие аминокислот в обновлении отой Фракции приО.-.наи-тедъно на.два порядка.больше чем нуклеиновых осноешшй. Аминокислоты участвуют в обновлении, азота фульвокислот на порядок больше .чем-, нуклеиновые основания. Участие в.основании углерода фульвокислот. второго углерода пиримидшювого кольца нуклеиновых основа* нкй, углерода карбоксильной группы, аминокислот и а-угльрода. молекул аминокислот, соотносится приблизительно как 1:100:400. Заметных отличий в скоростях обновления Фракция фульвокислот с различными молекулярными массами выявлено не было. .Из выделенных «¡рак-' шй гумуса наименее обновляемыми как по азоту тай и по углероду являются фракции органо-шшеральных коллоидов и гумина. Таким образом, , при гумификацшг обнарумтаатся ярко ьыраленная селективность участия аминокислот в процессе формирования структурных фрагментов' гумуса по сравнению с нуклеиновыми основаниями. - 1

- 24:-

СГОЮОК ОПУЕШШАННЫХ РАБОТ ГО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

t. ИККукуткия. ааКузяков, Разработка методики" измерения

активности углерода-14 в образцах почв с использованием гелевого

сцинтиллятора// EtTTlffl, 0&8ЭХЮ1677Э, 15 февраля 19£йг., 17с.

. ► * 1 2. ЯЕКузяков, а&фокин, далшзев. участие, нуклеиновых

'■оснований и аминокислот б гумусоовраэосании//Т&)в. TCXA..-19S9.

-N.4. -С.61-66. ■ Л ' .

а ЯЕКузяков. радаоиапикаторное изучение участия меченых 14С нуклеиновых оснований и аминокислот ^ в процессе ' гумусообразова-мия// ВНГИЦ, ОЕ£ВДС604ЭО, 1 сентября ;19бйг., 17с.-: ~

4. яакузяков. Разложение в- почве и включение продуктов х разложения азотсодержащих компонентов растительных остатков в гумусовые Бешества// Труды конференции молодых учёных- тсха (6-9 . июня 19в9 года). -15Э9. -Но 52& '-ВО-ааДЕП; от .15. ноября. ' -С.475-504.

Л-40354 7.05.90 г. Объем 1'/з п. л. Заказ 1286. Тираж 100

Типография Московской с.-х. академии им. К- А. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44