Structural and Functional Parameters of Humic Acids in Soils on Carbonate Rocks of the Polar Urals

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

This study is dedicated to the soils of one of the least studied mountainous regions of Europe – the Polar Urals, which develop on carbonate rocks under mountain tundra and meadow communities. The objective of this study was to examine the structural and functional parameters of humic acids isolated from different types of carbonate soils in the Polar Urals region and to elucidating their relationship with the environmental conditions that influence soil formation. The molecular composition of humic acids was investigated using modern physicochemical methods of analysis, including 13C NMR spectroscopy, exclusion liquid gel chromatography and gas chromatography. The impact of soil formation on the accumulation of humus and the variation of structural and functional parameters of humic acids in the organogenic and humus horizons of the studied soils has been established. The humic acid content was estimated to range from 0.03 to 6.27% and was found to be related to the aboveground biomass stock. It was demonstrated that humic acid molecules are predominantly formed by aliphatic fragments, which determine the number-average molecular mass. It has been identified that the least condensed structures correspond to humic acids of organogenic horizons of soils formed under shrubby-moss and shrubby-moss communities. This is likely to be related to the deficiency of lignin in the composition of humification precursors. This group of soils corresponds to the highest ratio of carbohydrates to unoxidized aliphatic fragments, indicating a low degree of humification and stability of organic matter.

Толық мәтін

##article.viewOnOriginalSite##

Авторлар туралы

R. Vasilevich

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: korolev.m@ib.komisc.ru
Ресей, 28, Kommunisticheskaya St., Syktyvkar, 167982

M. Korolev

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: korolev.m@ib.komisc.ru
Ресей, 28, Kommunisticheskaya St., Syktyvkar, 167982

E. Shamrikova

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: korolev.m@ib.komisc.ru
Ресей, 28, Kommunisticheskaya St., Syktyvkar, 167982

A. Panyukov

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: korolev.m@ib.komisc.ru
Ресей, 28, Kommunisticheskaya St., Syktyvkar, 167982

E. Zhangurov

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: korolev.m@ib.komisc.ru
Ресей, 28, Kommunisticheskaya St., Syktyvkar, 167982

Әдебиет тізімі

  1. Абакумов Е.В. Стабилизация органического вещества почв криолитозоны: механизмы, процессы, тренды // Почва как компонент биосферы: эволюция, функционирование и экологические аспекты. Сб. тр. конф. М., 2020. С. 5.
  2. Андреичева Л.Н., Марченко-Вагапова Т.И., Буравская М.Н., Голубева Ю.В. Природная среда неоплейстоцена и голоцена на европейском северо-востоке России. М.: ГЕОС, 2015. 224 с.
  3. Артемкина Н.А. Химический состав мхов Мурманской области // Тр. Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. 2017. № 14. С. 382–385.
  4. Василевич Р.С., Вежов К.С., Лодыгин Е.Д. Молекулярно-массовое распределение гуминовых кислот мерзлотных бугристых торфяников европейского северо-востока России // Известия Томского политех. ун-та. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 8. С. 146–154. https://doi.org/10.18799/24131830/2019/8/2220
  5. Василевич Р.С., Кузнецов О.Л., Лодыгин Е.Д., Зазовская Э.П., Панюков А.Н. Эволюция органического вещества бугристых болот побережья Баренцева моря в условиях меняющегося климата // Почвоведение. 2022. № 7. С. 876–893. https://doi.org/10.31857/S0032180X22070127
  6. Василевич Р.С., Лодыгин Е.Д., Безносиков В.А. Молекулярно-массовое распределение гумусовых веществ тундровых почв европейского северо-востока России // Вестник СПбГУ. 2015. № 4. С. 103–111.
  7. Васильев А.А., Гравис А.Г., Губарьков А.А., Дроздов Д.С., Коростелев Ю.В., Малкова Г.В., Облогов Г.Е., Пономарева О.Е., Садуртдинов М.Р., Стрелецкая И.Д., Стрелецкий Д.А., Устинова Е.В., Широков Р.С. Деградация мерзлоты: результаты многолетнего геокриологического мониторинга в западном секторе российской Арктики // Криосфера земли. 2020. № 2. С. 15–30. https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2020-2(15-30)
  8. Вишнякова О.В., Чимитдоржиева Г.Д. Гуминовые кислоты лугово-черноземных мерзлотных почв Забайкалья // Почвоведение. 2008. № 7. С. 805–809.
  9. Дергачева М.И., Некрасова О.А., Оконешникова М.В., Гаврилов Д.А., Васильева Д.И., Очур К.О., Ондар Е.Э.-О. Соотношение элементов в гуминовых кислотах как источник информации о природной среде формирования почв // Сибирский экологический журнал. 2012. № 5. С. 667–676.
  10. Досон Р., Эллиот Д., Эллиот У., Джонс К. Справочник биохимика. М.: Мир, 1991. 544 с.
  11. Жангуров Е.В., Лебедева М.П., Шамрикова Е.В., Королёв М.А., Панюков А.Н. Почвы на карбонатных породах Полярного Урала: генезис, свойства и классификация // Почвоведение. 2024. № 12. С. 1736–1755. https://doi.org/10.31857/S0032180X24120055
  12. Заварзина А.Г., Данченко Н.Н., Демин В.В., Артемьева З.С., Когут Б.М. Гуминовые вещества – гипотезы и реальность (обзор) // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1449–1480. https://doi.org/10.31857/S0032180X21120169
  13. Инишева Л.И., Юдина Н.В., Соколова И.В., Ларина Г.В. Характеристика гуминовых кислот представительных видов торфов // Химия растительного сырья. 2013. № 4. С. 179–185. https://doi.org/10.14258/jcprm.1304179
  14. Ковалева Н.О., Ковалев И.В. Лигниновые фенолы в почвах как биомаркеры палеорастительности // Почвоведение. 2015. № 9. С. 1073–1086. https://doi.org/10.7868/S0032180X15090063
  15. Костенко И.В., Абакумов Е.В. Характеристика гуминовых кислот горно-луговых и буроземных почв Крыма методом 13С-ЯМР // Почвоведение. 2018. № 12. С. 1446–1454. https://doi.org/10.1134/S0032180X18120067
  16. Лодыгин Е.Д., Безносиков В.А., Василевич Р.С. Молекулярный состав гумусовых веществ тундровых почв (13С-ЯМР-спектроскопия) // Почвоведение. 2014. № 5. С. 546–552. https://doi.org/10.7868/S0032180X14010079
  17. Мировая реферативная база почвенных ресурсов 2014. Международная система почвенной классификации для диагностики почв и создания легенд почвенных карт. Исправленная и дополненная версия 2015. М., 2017.
  18. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990. 325 с.
  19. Полевой определитель почв России. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева. 2008. 182 с.
  20. Савельева А.В., Юдина Н.В., Инишева Л.И. Состав гуминовых кислот торфов разной степени гумификации // Химия твердого топлива. 2010. № 5. С. 21–25.
  21. Старцев В.В., Дымов А.А. Амфифильные свойства и водорастворимые компоненты органического вещества почв Приполярного Урала // Почвоведение. 2021. № 12. С. 1492–1505. https://doi.org/10.31857/S0032180X21120121
  22. Старцев В.В., Мазур А.С., Дымов А.А. Содержание и состав органического вещества почв Приполярного Урала // Почвоведение. 2020. № 12. С. 1478–1488. https://doi.org/10.31857/S0032180X20120114
  23. Федорова Т.Е., Кушнарев Д.Ф., Вашукевич Н.В., Пройдаков А.Г., Бямбагар Б., Калабин Г.А. 13С-ЯМР спектроскопия гуминовых кислот различного происхождения // Почвоведение. 2003. № 10. С. 1213–1217.
  24. Чуков С.Н. Изучение гумусовых кислот антропогенно-нарушенных почв методом 13С-ЯМР // Почвоведение. 1998. № 9. С. 1085–1093.
  25. Чуков С.Н. Структурно функциональные параметры органического вещества почв в условиях антропогенного воздействия. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2001. 216 с.
  26. Шамрикова Е.В., Жангуров Е.В., Кубик О.С., Королёв М.А. Состав водных вытяжек из растительного материала, почв на карбонатных породах и поверхностных вод в северной части Полярного Урала // Почвоведение. 2021. № 8. С. 911–926. https://doi.org/10.31857/S0032180X21080153
  27. Шамрикова Е.В., Жангуров Е.В., Кулюгина Е.Е., Королёв М.А., Кубик О.С., Туманова Е.А. Почвы и почвенный покров горно-тундровых ландшафтов Полярного Урала на карбонатных породах: разнообразие, классификация, распределение углерода и азота // Почвоведение. 2020. № 9. С. 1053–1070. https://doi.org/10.31857/S0032180X20090154
  28. Abakumov E., Petrov A., Polyakov V., Nizamutdinov T. Soil organic matter in urban areas of the Russian Arctic: A review // Atmosphere. 2023. V. 14(6). P. 997. https://doi.org/10.3390/atmos14060997
  29. Baldock J.A., Preston C.M. Chemistry of carbon decomposition processes in forests as revealed by solid state carbon-13 nuclear magnetic resonance // Carbon Forms and Functions in Forest Soils / Eds. McFee W.W., Kelly J.M.Soil Science Society of America. Madison. Wisconsin. 1995. P. 89-117. https://doi.org/10.2136/1995.CARBONFORMS.C6
  30. Daso A.P., Akortia E., Okonkwo J.O. Concentration profiles, source apportionment and risk assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in dumpsite soils from Agbogbloshie e-waste dismantling site, Accra, Chana // Environ. Sci. Poll. Res. 2016. V. 23. P. 10883–10894. https://doi.org/10.1007/s11356-016-6311-3
  31. Dergacheva M., Fedeneva I., Bazhina N., Nekrasova O., Zenin V. Shestakovo site of Western Siberia (Russia): Pedogenic features, humic substances and paleoenvironment reconstructions for last 20-25 ka // Quaternary International. 2016. V. 420. P. 199–207. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2015.10.087
  32. DiDonato N., Chen H., Waggoner D., Hatcher P.G. Potential origin and formation for molecular components of humic acids in soils // Geochim. et Cosmochim. Acta. 2016. V. 178. P. 210–222. https://doi.org/10.1016/j.gca.2016.01.013
  33. Duarte R.M.B.O., Silva A.M.S., Duarte A.C. Two-dimensional NMR studies of water-soluble organic matter in atmospheric aerosols // Environ. Sci. Technol. 2008. V. 42. P. 8224–8230. https://doi.org/10.1021/es801298s
  34. Harris C.M., McTigue N.D., McClelland J.W., Dunton K.H. Do high Arctic coastal food webs rely on a terrestrial carbon subsidy? // Food Webs. 2018. V. 15. Р. 1–14. https://doi.org/10.1016/j.fooweb.2018.e00081
  35. Hwang H., Winkler-Moser J.K. Antioxidant activity of amino acids in soybean oil at frying temperature: Structural effects and synergism with tocopherols // Food Chemistry. 2017. V. 221. P. 1168–1177. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2016.11.042
  36. Iglovsky S., Yakovlev E., Druzhinina A., Tokarev I. Permafrost conditions of the Subpolar Urals based on studies of lateral moraine peatlands // Polar Geography. 2023. P. 228–245. https://doi.org/10.1080/1088937X.2023.2290013
  37. Ikeya K., Sleighter R.L., Hatcher P.G., Watanabe A. Characterization of the chemical composition of soil humic acids using Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry // Geochim. Cosmochim. Acta. 2015. V. 153. P. 169–182. https://doi.org/10.1016/j.gca.2015.01.002
  38. Keeler C., Kelly E.F., Maciel G.E. Chemical-structural information from solid-state 13C NMR studies of a suite of humic materials from a lower montane forest soil, Colorado, USA // Geoderma. 2006. V. 130. P. 124–140. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2005.01.015
  39. Klavins M., Purmalis O. Properties and structure of raised bog peat humic acids // J. Molecular Structure. 2013. V. 1050. P. 103–113. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2013.07.021
  40. Liang B.C., Gregorich E.G., Schnitzer M., Schulten H.R. Characterization of water extracts of two manures and their absorption on soils // Soil Sci. Soc. Amer. J. 1996. V. 60. P. 1758–1763.
  41. Lorenz K., Preston C.M., Kandeler E. Soil organic matter in urban soils: Estimation of elemental carbon by thermal oxidation and characterization of organic matter by solid-state 13C nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy // Geoderma. 2006. V. 130. P. 312–323. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2005.02.004
  42. Matsui R., Honda R., Kanome M., Hagiwara A., Matsuda Y., Togitani T., Ikemoto N., Terashima M. Designing antioxidant peptides based on the antioxidant properties of the amino acid side-chains // Food Chem. 2018. V. 245. P. 750–755. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2017.11.119
  43. Pedersen J.A., Simpson M.A., Bockheim J.G., Kumar K. Characterization of soil organic carbon in drained thaw lake basins of Arctic Alaska using NMR and FTIR photoacoustic spectroscopy // Org. Geochem. 2011. V. 42. P. 947–954. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2011.04.003
  44. Pefferkorn E. Structure and stability of natural organic matter/soil complexes and related synthetic and mixed analogues // Adv. Colloid Interf. Sci. 1997. V. 73. P. 127–200. https://doi.org/10.1016/S0001-8686(97)90004-X
  45. Polyakov V., Abakumov E., Lodygin E., Vasilevich R., Petrov A. Molecular Weight Distribution of Humic Acids Isolat-ed from Calcic Cryosol in Central Yakutia, Russia // Molecules. 2024. V. 29. https://doi.org/10.3390/xxxxx
  46. Ricca G., Severini F. Structural investigations of humic substances by IR-FT, 13C-NMR spectroscopy and comparison with a maleic oligomer of known structure // Geoderma. 1993. V. 58. P. 233–244.
  47. Ríos I., Bouza P.J., Bortolus A., Alvarez M. del P. Soil-geomorphology relationships and landscape evolution in a southwestern Atlantic tidal salt marsh in Patagonia, Argentina // J. South Am. Earth Sci. 2018. V. 84. Р. 385–398. https://doi.org/10.1016/j.jsames.2018.04.015
  48. Sartakov M.P., Novikov A.A., Chukhareva N.V. Study of humic acids in various types and kinds of peats at Khantymansi autonomous area – Ygra by NMR 13C spectroscopy // Int. J. Pharm. Technol. 2016. V. 8. P. 14204–14213.
  49. Shamrikova E., Yakovleva E., Gabov D., Zhangurov E., Korolev M., Zazovskaya E. Polyarenes distribution in the soil-plant system of reindeer pastures in the Polar Urals // Agronomy. 2022. V. 12. P. 372. https://doi.org/10.3390/agronomy12020372
  50. Shamrikova E.V., Shevchenko O.G., Zhangurov E.V., Korolev M.A. Antioxidant properties of soils and associated vegetation in the Polar Urals // Catena. 2022. V. 208. P. 105722. https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105722
  51. Shishlina N., Sevastyanov V., Zazovskaya E., van der Plicht J. Reservoir effect of archaeological samples from steppe bronze age cultures in southern Russia // Radiocarbon. 2014. V. 56. P. 767–778. https://doi.org/10.2458/56.16942
  52. Simpson A.J., Simpson M.J. Nuclear magnetic resonance analysis of natural organic matter // Biophysico-chemical processes involving natural nonliving organic matter in environmental systems. 2009. P. 589–650. https://doi.org/10.1002/9780470494950.ch15
  53. Sjögersten S., Turner B.L., Mahieu N., Condron L.M., Wookey P.A. Soil organic matter biochemistry and potential susceptibility to climatic across the forest-tundra ecotone in the Fennoscandian mountains // Glob. Chang. Biol. 2003. V. 9. P. 759–772. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.2003.00598.x
  54. Song X., Hua Y., Li X., Zhang C., Chen Y. Antioxidant and antibacterial activity and in vitro digestion stability of cottonseed protein hydrolysates Weiguang // LWT – Food Science and Technology. 2020. V. 118. P. 108724. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2019.108724
  55. Swift R.S. Methods of soil analysis // Methods of soil analysis. Part 3. Chemical methods. Soil Sci. Soc. Am. Book Series: 5. Soil Sci. Soc. Am. Madison. WI, 1996. P. 1018–1020.
  56. Taddeo V.A., Genovese S., de Medina P., Palmisano R., Epifano F., Fiorito S. Quantification of biologically active O-prenylated and unprenylat-edphenylpropanoids in dill (Anethum graveolens), anise (Pimpinella anisum), and wild celery (Angelica archangelica) // J. Pharmaceutical Biomedi-cal Analysis. 2017. V. 134. P. 319-324. https://doi.org/10.1016/j.jpba.2016.11.048
  57. Vasilevich R. Lodygin E. Abakumov E. The molecular composition of humic acids in permafrost peats in the European Arctic as paleorecord of the environmental conditions of the Holocene // Agronomy. 2022. V. 12. P. 2053. https://doi.org/10.3390/agronomy12092053
  58. Winkler A., Haumaier L., Zech W. Insoluble alkyl carbon components in soils derive mainly from cutin and suberin // Org. Geochem. 2005. V. 36. P. 519-529. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2004.11.006
  59. Xu D.P., Zhu S.Q., Chen H., Li F.S. Structural characterization of humic acids isolated from typical soils in China and their adsorption characteristics to phenanthrene // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 2006. V. 276. № 1. P. 1–7. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2005.09.038
  60. Yakovleva E., Gabov D. Polyarenes accumulation in tundra ecosystem influenced by coal industry of Vorkuta // Polish Polar Research. 2020. V. 41. P. 237–268. https://doi.org/10.24425/ppr.2020.134122
  61. Zaccone C., Miano T.M., Shotyk W. Qualitative comparison between raw peat and related humic acids in an ombrotrophic bog profile // Org. Geochem. 2007. V. 38. P. 151–160. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2006.06.023

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу
2. Fig. 1. CP/MAS 13C NMR spectra of HA preparations of soils of the Polar Urals: 1 - 2-PU Oao (0-2 cm), 2 - 5-PU O (0-2 cm), 3 - 6-PU O (0-1 cm), 4 - 7-PU O (0-2 cm), 5 - 7-PU H (2-10 cm), 6 - 8-PU O (0-5 cm), 7 - 8-PU O (5-10 cm).

Жүктеу (45KB)
Метадеректер
3. Fig. 2. Parameters of molecular weight distribution of HA: (a) - mole fractions of HA fractions, (b) - number-average molecular weights (Mn) of HA: 1 - High molecular weight fraction, 2 - Medium molecular weight fraction, 3 - Low molecular weight fraction.

Жүктеу (42KB)
Метадеректер
4. Fig. 3. Prediction of GC parameters using PCA.

Жүктеу (49KB)
Метадеректер

© Russian Academy of Sciences, 2025