Караванова Елизавета Ильинична

Исследован процесс минерализации органических веществ почвенных растворов, выделенных методом вакуумных лизиметров из горизонтов подзолистой почвы. Устойчивость растворенных органических веществ (РОВ) различается в зависимости от горизонта. Наибольшее количество устойчивых к биодеструкции РОВ (минерализуется < 50%) содержится в верхних органогенных горизонтах, вниз по профилю оно уменьшается. Доля минерализованного углерода обратно пропорциональна относительному содержанию в составе РОВ гидрофобной фракции и фенольных соединений. Самую низкую долю (23%) минерализуемого углерода имеют вещества из гор. ЕLhi, где максимально содержание гидрофобной фракции (44%). В ходе окислительной трансформации повышается степень ароматичности РОВ: коэффициент экстинкции (Е-280) увеличивается в 2-12 раз, доля фенольных соединений возрастает в 2-10 раз, до 5-5,5 кДа уменьшается молекулярная масса. Эти признаки интенсивнее изменяются в растворах из нижних горизонтов. Таким образом, неразлагаемый остаток этих РОВ представлен веществами, максимально устойчивыми к разложению.

Показано увеличение устойчивости к минерализации водорастворимых органических веществ (ВОВ), экстрагируемых из подстилки подзола, при их взаимодействии с минеральными горизонтами. Установлено, что после взаимодействия с элювиальным гор. Е падает как доля водорастворимого органического углерода, подверженного минерализации, так и средняя скорость его разложения. Эти показатели по сравнению с величинами, полученными для исходных ВОВ, снижаются в два и три раза соответственно. Сорбция в иллювиально-железистом гор. ВF дополнительно стабилизирует поступающие в него с раствором органические вещества. Относительное содержание минерализуемого углерода уменьшается до 2%, т.е. в восемь раз. В природных условиях устойчивость сорбированных органических веществ может быть выражена еще сильнее за счет более низких температур и меньшей биологической активности, поэтому поглощенное ВОВ может представлять основу для формирования запаса гумусовых веществ почвы. Накопление органического углерода в иллювиальном горизонте в результате сорбции ВОВ с учетом вычисленной скорости минерализации потенциально может доходить до 13,5 мг/100 г почвы в год. Однако данная величина зависит от концентрации органических веществ в почвенных растворах, гидрологического режима и других факторов.

Изучен состав водорастворимых органических веществ (ВОВ) хвойно-лиственной, хвойной и моховой подстилок. Тип опада влияет на состав ВОВ. Сфагновая подстилка содержит меньше растворимого азота и углерода, но больше углеводов; ее ВОВ имеют самые низкие значения коэффициента экстинкции - Е₂₅₄. ВОВ хвойно-лиственной подстилки, с преобладанием опада березы, отличаются максимальным содержанием азота и небольшим количеством растворимых фенольных соединений (РФС). ВОВ подстилки из хвои сосны отличаются от остальных меньшим содержанием углеводов, максимальным количеством РФС и веществ гидрофобной фракции. Все исследованные ВОВ характеризуются высокой скоростью разложения: время полуразложения их стабильных фракций - 2-4 мес. Вещества из сосновой подстилки при рН ~ 6,5 сорбируются гор. BF иллювиально-железистого подзола, начиная с концентрации органического углерода в растворе 100 мг/л. Вещества из березово-еловой подстилки в аналогичных условиях сорбируются незначительно.

Выделены и рассмотрены два направления цифровизации почвенных исследований: первое — создание и пополнение баз данных с диапазоном спектров отражения в области 300—2500 нм для верхних почвенных горизонтов и их основных физико-химических свойств; второе — аккумуляция и актуализация уже опубликованных спектров в видимом диапазоне (400—750 нм) с включением данных по горизонтам всего почвенного профиля, позволяющее проводить диагностику как их самих, так и профиля в целом. Во втором направлении широко используются показатели цвета почв как в международных оптических системах, так и в специфических для России системах показателей. Алгоритмы можно использовать для изучения глобальных почвенных библиотек, находящихся в открытом доступе

Исследована миграция водорастворимой фракции нефтяных углеводородов (ВРФН) в типичных почвах Башкортостана. В лизиметрическом модельном эксперименте выявлена возможность водной миграции нефтяных углеводородов в аллювиальной дерновой, серой лесной почве и остаточно-карбонатном черноземе. Среди растворенных органических веществ (РОВ), переходящих в лизиметрические воды из загрязненных нефтью почв, присутствуют компоненты, не экстрагируемые гексаном, но обладающие флуоресценцией в воде в области длин волн, характерной для ВРФН. Эти вещества отличаются от РОВ природных почв более высокими индексами гумификации HIX и, предположительно, относятся к окисленным продуктам трансформации нефтяных углеводородов. Лизиметрические воды из нефтезагрязненных почв характеризуются биотоксичностью вне зависимости от присутствия в них неполярных нефтяных углеводородов. Индекс токсичности Т положительно коррелирует с содержанием в водах органического углерода (С_орг) и Cl-ионов, сопутствующих загрязнению почв нефтью.

Были изучены особенности состава и свойств водорастворимых органических веществ (ВОВ) в зависимости от их локализации в разных частях порового пространства почвы, что влияет на их устойчивость к биодеструкции. ВОВ дернового и гумусового горизонтов перегнойно-гумусовой глеевой почвы, искусственно насыщенной до полной влагоемкости, выделяли методом последовательного центрифугирования из пор диаметром более и менее 30 мкм. По общей концентрации углерода и фенольных соединений, спектрам поглощения и флуоресценции растворы достоверно не отличаются, но сильное варьирование показателей (отношение максимальных и минимальных значений в 4–15 раз) свидетельствует о неоднородности состава извлекаемых веществ. Концентрация простых фенолкарбоновых кислот (ФКК) в растворах крупных пор гумусового горизонта в 4–8 раз выше, чем в более мелких, доминируют салициловая, бензойная и коричная кислоты (75% от общего количества). В мелких порах преобладают р-гидроксибензойная и бензойная кислоты (67% от общего количества). ВОВ подзолистой почвы, присутствующие in situ в горизонте (ЕLВТg) при влажности почвы 22%, были получены с помощью вакуумных лизиметров из пор диаметром более и менее 14,7 мкм. В растворах из крупных пор ВОВ содержат больше С, N, фенольных соединений; судя по спектрам поглощения, имеют бо́льшую молекулярную массу и степень ароматичности. Вещества мелких пор более гидрофобны и характеризуются более широким отношением C:N, т.е. потенциально более устойчивы к разложению. Преимущественная приуроченность фенольных соединений к растворам крупных пор обеспечивает возможность их сохранения в почве за счет переноса с потоками влаги в нижние горизонты, где они химически стабилизируются в виде органоминеральных соединений.

Содержание бензойной кислоты в водной вытяжке из генетических горизонтов подзолистой почвы составляет 3,27 и 1,83 мг/кг в органогенных горизонтах L и F, соответственно, и снижается до сотых долей мг/кг в минеральных горизонтах. Сорбция бензойной кислоты на Са-монтмориллоните возрастает от 5,61 до 15,34 ммоль/кг с увеличением ее равновесной концентрации от 0,02 до 1,45 ммоль/л. С учетом содержания и минералогического состава илистой фракции находящиеся в составе ила лабильные минералы в верхних минеральных горизонтах подзолистой почвы способны сорбировать 0,06–0,15 ммоль бензойной кислоты на 1 кг почвы в том же интервале равновесных концентраций. Полученные изотермы сорбции в наибольшей степени соответствуют линейному уравнению и уравнению Фрейндлиха. Предполагается, что в условиях эксперимента основными механизмами сорбции бензойной кислоты были мостиковые связи через ионы кальция или молекулы воды его гидратной оболочки и электростатическое взаимодействие бензоата с положительно заряженными силанольными и алюминольными группами на боковых сколах монтмориллонита. Поглощения бензойной кислоты в межслоевом пространстве минерала не происходило.