Сравнение качественного состава органических веществ серых лесных почв, извлеченных разными растворителями, методом инфракрасной спектрометрии

В статье рассматриваются результаты ИК-спектрометрии органических веществ некоторых серых лесных почв Республики Татарстан .

Ключевые слова: органические вещества, поглотительная спектрометрия, серая лесная почва, почвенный раствор, вода, н-гексан, ацетон, ацетонитрил.

Органическое вещество почвы — это совокупность всех органических соединений, присутствующих в почве. К ним относятся как живые организмы (бактерии, грибы, водоросли и др.), так и продукты их жизнедеятельности (гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин и др.). Органическое вещество играет важную роль в формировании структуры и свойств почвы, а также в обеспечении ее плодородия. Оно участвует в процессах почвообразования, способствует сохранению влаги в почве, улучшает ее структуру и повышает плодородие. Кроме того, органическое вещество является источником питательных веществ для растений. В нынешнее время идёт активные исследования качественного состава органических веществ различных почв. В последнее время для таких исследований стал использоваться метод инфракрасной спектрометрии [1, 2, 3, 4]. Популярность в научной среде этот метод приобрёл за счёт своей точности, простоты метода и полноты поступающей информации. Метод инфракрасной спектрометрии почв помогает определить химический состав почвенных горизонтов, что важно для понимания процессов, происходящих в таких почвах, помогает идентифицировать и анализировать органические соединения с высокой точностью, может использоваться для мониторинга изменений состояния почв со временем и помогает оценить влияние человека на их состав и качество. Информация, полученная с помощью инфракрасной спектрометрии, также может быть полезной для разработки стратегий устойчивого лесного хозяйства, направленных на сохранение и улучшение качества почв.

Подготовка проб почв к ИК-спектрометрии состояла из нескольких этапов. Первый этап подготовки предполагал создание почвенной вытяжки с использованием воды, ацетона, ацетонитрила и н-гексана в качестве растворителей в соотношении почва:растворитель 1:5. Данные вытяжки были сделаны в специально заготовленных пробирках, предназначавшихся для помещения их в центрифугу. Методом встряхивания пробирок были сделаны почвенные вытяжки, затем с помощью метода центрифугирования (4000 об/мин.) были получены вытяжки, верхний слой которых состоял из растворителя, в котором не было видимых почвенных частиц. Затем для создания ИК-спектров был использован метод ИК-спетрометрии с использованием ИК-спектрометра Spectrum Two, вытяжки наносились на специальные кварцевые стекла и высушивались. Статистическая обработка данных была произведена в программах Excel и Statgraphics Plus.

ИК-спектры снимались в диапазоне волновых чисел от 4000 до 760 см ^-1 . Для определения органического вещества были использованы работы Е. И. Каравановой и Э. Преча.

Результаты

В почвенных вытяжках из серых лесных почв, извлеченных с применением ацетона, ацетонитрила, воды и н-гексана были обнаружены следующие соединения. По классификации показанной в работе Каравановой Е. И., была выделена группа OH, связанная межмолекулярными водородными связями (3500 см ^-1 ), частично группа NH, группа С=С (ароматические), возможно участие карбонилов, групп СН ₂ и СН ₃ , группы амида II, полисахаридов, группы СH (в CH ₂ или СН ₃ ), групп CH ароматических соединений при двух и более незамещенных H, группа С=О в СООН (частично другие С=О и сложные эфиры) и группа — [COO]- [6].

Согласно работе Преча Э., Бюльманна Ф., Аффольтера К. была выделена группа О-Н с валентным колебанием (далее вал.), группа Н-С-Н с деформационным колебанием (далее деф.), группа С-Н вал., группа С=С вал., группа NH вал., группа СН ₃ деф., группа С-О вал., группа С-Сl вал., группа С=С деф., группа О-Н деф., NO ₂ вал. ассиметричный, NO ₂ вал. симметричный группа N-H вал., группа СН ₂ деф., группа P-O вал., группаС-Hal вал. фторангидридов, С-Н вал. алканов [7].

Далее будут рассмотрены результаты определения качественного состава органических веществ по вытяжкам, которые, в свою очередь, были сравнены с результатами отечественных работ по данной тематике [5, 8].

Таблица 1

Рис. 1. ИК-спектры ацетоновых вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Таблица 2

Полосы поглощения функциональных групп ацетонитрильных вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Рис.2. ИК-спектры ацетонитрильных вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Таблица 3

Полосы поглощения функциональных групп н-гексановых вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Рис. 3. ИК-спектры н-гексановых вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Таблица 4

Полосы поглощения функциональных групп водных вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Рис. 4. ИК-спектры водных вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

После анализа интенсивностей пиков, были сделаны следующие выводы: в водной и ацетоновой вытяжки средние интенсивности спектра в ряду Л1—Л2 сначала уменьшаются, а потом в ряду Л2—Л3 увеличиваются (Рис. 5, Рис. 6), притом в водной вытяжке было замечено резкое увеличение средней интенсивности пиков, а в ацетонитрильной и н-гексановой вытяжки средние интенсивности спектра в ряду Л1-Л2 сначала увеличиваются, а потом в ряду Л2—Л3 уменьшаются (Рис 7, Рис 8).

Рис. 5, 6, 7, 8. Сравнение средних значений интенсивностей поглощения функциональных групп в водной, ацетоновой, ацетонитрильной и н-гексановой вытяжках для трех подтипов почв: светло-серая лесная (Л1), серая лесная (Л2), темно-серая лесная (Л3); n=3, p<0,05

Выводы.

1) После извлечения органического вещества из серых лесных почв Республики Татарстан методом почвенных вытяжек были получены ИК-спектры, пики и диапазоны органических соединений следующих функциональных групп.

По классификации, показанной в работе Каравановой Е. И., была выделена группа OH, связанная межмолекулярными водородными связями, частично группа NH, группа С=С (ароматические), возможно участие карбонилов, групп СН2 и СН3, группы амида II, полисахаридов, группы СH (в CH2 или СН3), групп CH ароматических соединений при двух и более незамещенных H, группа С=О в СООН (частично другие С=О и сложные эфиры) и группа — [COO]- [6].

Согласно работе Преча Э. была выделена группа О-Н с валентным колебанием (далее вал.), группа Н-С-Н с деформационным колебанием (далее деф.), группа С-Н вал., группа С=С вал., группа NH вал., группа СН3 деф., группа С-О вал., группа С-Сl вал., группа С=С деф., группа О-Н деф., NO2 вал. ассиметричный, группа N-H вал., группа СН2 деф., группа P-O вал., группа С-Hal вал. фторангидридов, С-Н вал. алканов [7].

2) Оценка интенсивности поглощения органического вещества в почвенных вытяжках, извлеченных разными растворителями показала, что в случае водной и ацетоновой вытяжек средние интенсивности спектра в ряду Л1—Л2 (от 0,0321 до 0,03205 и от 0,0910 до 0,0895соответственно) почва сначала уменьшаются, а потом в ряду Л2—Л3 почва увеличиваются (от 0,03205 до 0,0865 и от 0,0895 до 0,10275 соответственно), притом в водной вытяжке было замечено резкое увеличение средней интенсивности пиков. В случае ацетонитрильной и н-гексановой вытяжки средние интенсивности спектра в ряду Л1—Л2 почва сначала увеличиваются (от 0,0138 до 0,03653 и от 0,0236 до 0,0361 соответственно), а потом в ряду Л1—Л2 уменьшаются (от 0,0361 до 0,0334 и от 0,0361 до 0,0222 соответственно).

3) Оценка качественного состава трех подтипов почв, показала следующее: уникальными группами органических веществ для ССЛ почв являются О-Н, C=N и N=N, уникальными группами органических веществ для СЛ почв являются С=С (ароматические) с возможным участие карбонилов и C-O спиртов и уникальными группами органических веществ для ТСЛ почв являются NH, СН ₂ , P-O, NO ₂ асимметричный и NO ₂ симметричный. Во всех почвах всех вытяжек были функциональные группы СН ₂ и СН ₃ , СН в СН ₂ (СН ₃ ). В ряду Л1—Л2 наблюдается спад пиков этих групп, потом в ряду Л2—Л3 наблюдается подъём пиков тех же групп.

1. Maia A. J. Recent Trends on the use of Infrared Spectroscopy for Soil Assessment / Maia A. J. // Biomed Res Environ Sci. — 2023. — Art. 7.
2. Tinti A. Recent applications of vibrational mid-Infrared (IR) spectroscopy for studying soil components: a review / Tinti A. [and e. t.c.] // Journal of Central European Agriculture. — 2015. — No. 16–1(16) — P. 1–22.
3. Wartini Ng. Mid-infrared spectroscopy for accurate measurement of an extensive set of soil properties for assessing soil functions / Wartini Ng. [and e. t.c.] // Soil Security. — 2022. — Art. 13.
4. Wartini Ng. Near and mid infrared soil spectroscopy / Wartini Ng. [and e. t.c.] // Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences. — 2022. — Art. 8.
5. Лобанов, В. Г. Структурно-функциональные характеристики гуминовых кислот почвы Краснодарского края / В. Г. Лобанов, А. В. Александрова, К. Н. Шурай [и др.] // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. — 2015. — № 109. — С. 1016–1025.
6. Караванова, Е. И. Оптические свойства почв и их природа / Караванова Е. И. — М.: МГУ, 2003. — 151 с.
7. Преч Э. Определение строения органических соединений. Таблицы спектральных данных = Structure Determination of Organic Compounds. Tables of Spectral Data / Пер. с англ. Б. Н. Тарасевича. / Преч Э., Бюльманн Ф., Аффольтер К. // Бином. Лаборатория знаний. — 2006. — С. 251–318.
8. Шумилова, М. А. ИК-спектроскопические исследования поглотительной способности почв Удмуртской Республики / М. А. Шумилова, В. Г. Петров // Химическая физика и мезоскопия. — 2015. — Т. 17, № 1. — С. 132–137.