Химия твердого топлива, 2022, № 2, стр. 11-20

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

После пожара августа 2016 г. на осушенном сосново-кустарничково-сфагновом верховом болоте Бакчарского района Томской области на фоновом и выгоревшем участках (табл. 1) в 2018–2020 гг. были отобраны багульник, хамедафна, Sphagnum fuscum и торф. Для горелого участка характерны гибель в основном древесного яруса, выгорание надземной части травяно-кустарничкового и полное выгорание мохового яруса на всех формах микрорельефа. Торфяные залежи на выгоревшем участке встречаются как явно горелые (Г), так и без видимых признаков горения (ТГ).

Для определения состава органического вещества (ОВ) липидные компоненты из высушенных растений и торфа были выделены экстракцией 7%-ным раствором метанола в хлороформе при 60°С. Содержание и индивидуальный состав органических соединений определяли методом хромато-масс-спектрометрии с использованием магнитного хромато-масс-спектрометра Trace-DSQ фирмы “Thermo Scientific” (Германия). Режим работы хроматографа: кварцевая капиллярная хроматографическая колонка фирмы “Thermo Scientific” с внутренним диаметром 0.25 мм, длиной 30 м, толщина фазы 0.25 мкм, неподвижная фаза – TR-5MS; газ-носитель – гелий, температура испарителя 250°С, температура интерфейса 250°С. Индивидуальные соединения идентифицировали по масс-фрагментограммам в программе X-Calibur 10 с использованием компьютерной библиотеки масс-спектров NIST.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В образцах растений и торфа идентифицированы группы ациклических (табл. 2) и циклических (табл. 3) соединений.

Их усредненное суммарное содержание в образцах, отобранных внутри контура пожара и фоновом участке болота, находится в пределах 250–6854 мкг/г и растет в 10 и более раз в ряду торф – Sphagnum fuscum – хамедафна – багульник (табл. 4). Минимальное значение зафиксировано в образцах торфа и Sphagnum fuscum с горелого участка, максимальное – в багульнике с горелого участка. Для всех образцов торфа и растений, за исключением багульника, зафиксировано снижение суммарного содержания идентифицированных органических соединений в образцах горелого участка по сравнению с фоновым.

В образцах мха в составе идентифицированных соединений преобладают ациклические структуры, в торфяных объектах (за исключением горелого торфа) – содержание ациклических и циклических структур одинаково. В кустарничках содержание циклических структур превышает ациклические: в хамедафне и фоновом образце багульника – в 3 раза, в багульнике горелого участка болота – в 7 раз (табл. 4).

Среди идентифицированных групп ациклических органических соединений в растениях и торфе преобладают н-алканы (Алк), жирные кислоты (ЖК), н-алкан-2-оны (Аон) (табл. 2), менее распространены н-альдегиды (Альд), метиловые эфиры жирных кислот (МЭ), а также представители ациклических изопреноидов: сквален (Скв), фитол и фитон. Содержание ациклических соединений, идентифицированных в образцах растений и торфа, увеличивается в ряду торф – Sphagnum fuscum – хамедафна – багульник, причем во всех объектах оно снижено на горелом участке болота по сравнению с фоновым (табл. 2). н-Алканы преобладают в составе ациклических структур, их относительное содержание на горелом и фоновом участках составляет: в торфе – 43 и 56%, во мхе – 51 и 54%, в хамедафне – 58 и 50%, в багульнике – 85 и 82%. Зафиксировано снижение общего содержания н-алканов на 30% в торфе, мхе и хамедафне на горелом участке по сравнению с фоновым, в то время как в багульнике – только на 11% (табл. 2).

Распределение ациклических структур (н-алканов и н-алкан-2-онов) типично для верховых торфов и болотной растительности Западной Сибири [17]. Алканы в образцах растений и торфа представлены набором гомологов С₁₄–С₃₆ с резким преобладанием нечетных структур в кустарничках и более сглаженным – в торфе и мхе. В максимальном количестве в кустарничках присутствуют н-алканы С₂₇–С₃₃, причем в багульнике доминирует С₃₁, в хамедафне – С₂₉ (рис. 1). Несмотря на различное суммарное содержание н-алканов в кустарничках горелого и фонового участков болота, их молекулярно-массовое распределение идентично.

Состав н-алканов торфа и мха представлен в основном нечетными гомологами С₂₁–С₃₃, причем во мхе преобладает гомолог С₂₅, в торфе его количество сопоставимо с С₃₁. На горелом участке болота в составе мха и торфа зафиксировано небольшое снижение количества н-алканов С₂₉, С₃₁ и С₃₃ по сравнению с образцами фонового участка, что может свидетельствовать о разрушении высокомолекулярных н-алканов при повышении температуры окружающей среды [18].

Состав н-алкан-2-онов хамедафны, Sphagnum fuscum и торфа фонового и пирогенно нарушенного участков одинаков: в ряду гомологов С₁₉–С₃₅ максимум приходится на С₂₇, на втором месте по содержанию – С₂₅ и С₂₉ (рис. 2). В отличие от остальных растений в багульнике состав н-алкан-2-онов на фоновом и пирогенно нарушенном участке различается. На фоновом участке среди них преобладает гомолог С₂₉, на выгоревшем – С₂₇ и С₃₁.

Состав жирных кислот растений и торфа пирогенного и фонового участков одинаков: доминируют четные кислоты С₁₄–С₂₀ с преобладанием пальмитиновой кислоты. Обнаружены также метиловые эфиры жирных кислот С₁₅–С₃₃ с двумя максимумами: на С₁₇ и С₂₃–С₂₇ (рис. 3). В фоновом образце багульника преобладает гомолог С₂₅, а в горелом – С₁₇, что отличает это растение от остальных и торфа, где не зафиксирована разница в распределении метиловых эфиров жирных кислот в зависимости от пирогенной нагрузки.

Таким образом, последствием пирогенного воздействия для ациклических разностей, идентифицированных в составе липидов растений и торфа, в большинстве случаев является снижение содержания всех групп соединений. Изменения в индивидуальном составе ациклических соединений, являющиеся следствием пожара, характерны только для багульника и, возможно, объясняются специфическим соотношением в нем отдельных биосинтезированных групп соединений, обусловленным отличиями в физиологии этого растения от хамедафны и сфагнового мха.

Сопоставление распределения ациклических и циклических соединений в растениях и торфе фонового и пирогенно нарушенного участков показывает значительно более выраженное различие в содержании в растениях этих участков циклических разностей, что указывает на их большую подверженность воздействию внешних факторов.

Основными среди идентифицированных циклических органических соединений в растениях и торфе являются пентациклические тритерпеноиды (ПЦТ) (табл. 3). Исключением является багульник, где количество сесквитерпеноидов (СТ) превышает содержание всех остальных групп соединений в 1.2–7.9 раза. В торфе и мхе в сопоставимом с ПЦТ количестве содержатся также стероиды. Во всех растениях и торфе в подчиненном количестве присутствуют токоферолы (ТФ) и дитерпеноиды (ДТ).

Багульник. В составе липидов багульника фонового участка в максимальном количестве присутствуют сесквитерпеноиды и н-алканы. Повышено также содержание ПЦТ. В багульнике с выгоревшего участка, отобранном через три и четыре года после пожара, незначительно понижено содержание большинства классов идентифицированных соединений, за исключением бициклических сесквитерпеноидов и ПЦТ, содержание которых после пожара возросло (в 2.5 и 1.3 раза соответственно).

Сесквитерпеноиды багульника с незатронутого пожаром участка на 88–90% представлены палустролом и ледолом, они включают также 5(1H)-азуленон, 2,4,6,7,8,8a-гексагидро-3,8-диметил-4-(1-метилэтилиден) и аромадендрен. На фоне увеличения после пожара концентрации всех этих соединений, их относительное содержание в составе сесквитерпеноидов практически не изменились. Следовательно, последствием пожара является более интенсивный биосинтез в багульнике сесквитерпеноидов, что, тем не менее, не приводит к изменению их состава.

Набор ПЦТ в багульнике фонового участка преимущественно включает Δ¹² урсены (63%), а также Δ¹⁸ (12%) и Δ¹² (25%) олеанены, практически не меняясь во времени. На постпирогенном участке через три и четыре года после пожара (по усредненным данным) несколько увеличилась доля урсенов (64%) и олеаненов (14%) Δ¹⁸, снизилась доля Δ¹² олеаненов (22%). При этом максимальное изменение (19.8, 15.4 и 64.8%) зафиксировано через три года, а через четыре года состав приблизился к наблюдаемому в багульнике фонового участка (23.4, 13.2 и 63.4%). Все три класса ПЦТ представлены структурами, различающимися заместителем в положении 3 молекул (спиртовая или кетонная группа). На фоновом участке относительное содержание спиртов лишь незначительно превышает (65%) содержание кетонов, на постпирогенном – оно существенно выше и составляет через три года после пожара 93.7%, а через четыре года восстанавливается до 65.6%, т.е. практически совпадает с зафиксированным в багульнике фонового участка. Это указывает на существенное влияние постпирогенных условий на интенсивность, или, возможно, на пути биосинтеза в багульнике отдельных представителей ПЦТ и восстановление программы биосинтеза через четыре года после пожара.

Стероиды представлены стигмастенами (С₂₉) и ланостенами (С₃₀). Их набор и содержание меняются независимо от пирогенного воздействия, и связаны, видимо, с ростом багульника, поскольку и на фоновом, и на пирогенном участке в течение года изменения в составе стероидов багульника имеют однонаправленный характер.

Хамедафна. Развитие хамедафны на незатронутом пожаром участке в течение трех лет привело, при незначительном изменении концентрации, к увеличению в составе липидов доли большинства классов идентифицированных соединений за счет резкого снижения относительного содержания ПЦТ. На постпирогенном участке (проанализированы растения, собранные через два, три и четыре года после пожара) хамедафна содержит более низкие концентрации всех идентифицированных классов соединений по сравнению с фоновым участком. По мере роста растения на горелом участке, в отличие от фонового, зафиксированы снижение в составе липидов, наряду с ПЦТ, доли токоферолов, фитолов и жирных кислот и существенное увеличение доли н-алканов и сесквитерпеноидов.

Набор сесквитерпеноидов в хамедафне, в отличие от багульника, более широк (идентифицировано 11 разновидностей), но среди них, как и в багульнике на фоновом участке, преобладают палустрол и ледол (72–80 отн. %). Остальные сесквитерпеноиды не содержат функциональных групп. От фонового к горелому участку суммарное содержание сесквитерпеноидов в хамедафне снижается, затем, с увеличением времени, прошедшего после пожара, постепенно увеличивается. На второй год после пожара в хамедафне, произрастающей на горелом участке, не обнаружены палустрол и ледол, которые вновь зафиксированы через три и четыре года.

Концентрация дитерпеноидов и стероидов при переходе от фонового к горелому участку снижается без изменения соотношения содержания отдельных соединений. Дитерпеноиды представлены во всех образцах хамедафны абиета-8,11,13-триеном и склареном. В стероидах наряду со следовыми количествами С₂₈ подавляюще преобладают производные ситостерола (С₂₉). Среди ПЦТ, включающих преимущественно Δ¹² олеанены и Δ¹² урсены (86–96 отн. %), доминируют α- и β-амирины с преобладанием во всех исследованных образцах хамедафны α-амирина.

Таким образом, последствиями пожара для хамедафны явились торможение процесса биосинтеза большинства классов липидов, затем его интенсификация по мере роста растения на фоне замедления биосинтеза ПЦТ, токоферолов, фитолов и жирных кислот, не влияющее, в отличие от багульника, на избирательное образование или торможение синтеза отдельных соединений.

Sphagnum fuscum. В составе липидов Sphagnum fuscum фонового участка в максимальном количестве присутствуют н-алканы и ПЦТ. Повышено также содержание жирных кислот и стероидов. Содержание большинства классов идентифицированных липидов в Sphagnum fuscum после пожара меняется незначительно. Заметно снижается содержание н-алканов, ПЦТ.

Основными представителями стероидов на фоновом и горелом участках являются стигмаст-4-ен-3-он и стигмаста-3,5-диен-7-он. В составе стероидов горелого участка на второй год после пожара резко понижено содержание стигмастерола, появился спинастерон, возросло количество стигмастан-3,6-диона, исчез 4-метил-стигмаста-4,22-диен-3-ол, который вновь появился во мхе через три и четыре года, а количество стигмастан-3,6-диона в это время снизилось.

Известно, что образование стигмастерола из ситостерола в растениях стимулирует пониженная температура окружающей среды [19], а увеличение температуры должно тормозить такой переход. Величина отношения присутствующих во мхе стигмастерола к ситостеролу на участке, незатронутом пожаром, составляет 3.1, а на горелом участке через два, три и четыре года – 1.6, 2.0 и 2.1 соответственно. Следовательно, последствием пожара явились условия, способствующие сохранению в сфагновом мхе структуры ситостерола, угнетая процесс перехода его в стигмастерол. При увеличении времени, прошедшего после пожара, соотношение стигмастерола и ситостерола приблизилось к значению, зафиксированному на незатронутом пожаром участке.

Результатом пожара явилось исчезновение в составе ПЦТ Sphagnum fuscum углеводородов гопенового (Δ²¹, Δ^13,18 и Δ¹²), а также Δ¹⁴ олеаненового рядов. Состав спиртов и кетонов Δ¹² и Δ¹⁴ олеаненов, Δ¹² урсенов и Δ^20,29 лупенов меняется незначительно. Во всех исследованных образцах преобладают тараксерон, α- и β-амирины. В составе дитерпеноидов, представленных 18-норабиета-8,11,13-триеном и метиловым эфиром дегидроабиетиновой кислоты, при переходе от фонового к пирогенно нарушенному участку снижается доля метилового эфира дегидроабиетиновой кислоты от 85–93 до 51% на второй год после пожара, затем возрастает до 64 и 77% через три и четыре года соответственно.

Сесквитерпеноиды представлены в Sphagnum fuscum фонового участка девятью структурными формами с максимальным содержанием палустрола. На горелом участке на второй год после пожара мхи не содержат палустрола. На этом участке палустрол появляется в Sphagnum fuscum через три года, фиксируется также через четыре года и преобладает в составе сесквитерпеноидов, как и на фоновом участке.

Торф. Постпирогенные изменения в составе липидов верхнего слоя торфа первоначально связаны с термическим воздействием на торфяную залежь, контактирующую с источником огня и горением непосредственно торфа, а с течением времени – с дополнительным поступлением с болотными водами органических компонентов растений, состав липидов которых в результате пожара и впоследствии видоизменился.

Торф фонового участка, как и его основные растения-торфообразователи, – сфагновые мхи, характеризуется преобладанием в составе липидов н-алканов, ПЦТ и стероидов. В молекулярно-массовом распределении н-алканов торфа повышено содержание С₂₅, но в отличие от Sphagnum fuscum в торфе высоко также содержание гомолога С₃₁ – соединения, преобладающего среди н-алканов багульника (рис. 1). После пожара относительное содержание С₃₁ снизилось, что может быть следствием отсутствия поступления в торфяную залежь н-алканов, продуцируемых частично выгоревшим кустарником.

В составе ПЦТ торфа на фоновом и горелом участках присутствуют и преобладают основные ПЦТ, присущие Sphagnum fuscum, тараксерен и тараксерон, но в отличие от Sphagnum fuscum в торфе доминирует УВ (тараксерен). Содержание после пожара тараксерена в торфе возрастает, а кетона (тараксерон) и спирта (тараксерол) – снижается (рис. 4,а).

После пожара в торфе снижается также содержание кетонов и спиртов Δ¹² урсенов и Δ¹² олеаненов, а также характерного для багульника кетона олеанена Δ¹⁸. Возрастает содержание УВ: Δ²¹ и Δ^13,18 гопенов и Δ¹² олеанена. Следовательно, основными изменениями в составе ПЦТ торфа после контакта с источником огня явились снижение концентрации в нем соединений, содержащих функциональные заместители, и возрастание представителей УВ. Это может являться следствием элиминирования в результате термического воздействия кетонной и спиртовой групп в молекулах олеаненов и урсенов с образованием соответствующих УВ, а увеличение содержания гопенов – с активизацией после пожара развития в торфяной залежи бактерий, продуцирующих гопеновые структуры [20].

Как и для ПЦТ, для частично ненасыщенных стероидов С₂₉ наблюдается тенденция снижения содержания соединений с функциональными заместителями и увеличения концентрации УВ (рис. 4,б). Не подчиняются этому только представители стероидов – эргоста-3,5-диен-7-он (С₂₈) и ланоста-8,24-ден-3-он (С₃₀), концентрация которых в торфе выгоревшего участка незначительно возрастает, а содержание насыщенного стигмастан-3-она не меняется. Наличие стигмастерола зафиксировано только в одном образце торфа, отобранном на горелом участке на второй год после пожара. Величина отношения стигмастерола к ситостеролу в этом торфе составляет 0.5.

В составе дитерпеноидов в исследованном торфе присутствует метиловый эфир дегидроабиетиновой кислоты, представляющий на фоновом участке до 95% дитерпеноидов, а на горелом – 56–85%, возрастая с увеличением промежутка времени после пожара. Кроме него идентифицированы УВ – 18-норабиета-8,11,13-триен, абиета-8,11,13-триен и 13-метил-17-норкаур-15-ен. Сесквитерпеноиды в торфе фонового участка представлены палустролом и ледолом. В торфе горелого участка на второй год после пожара сесквитерпеноиды исчезают, через три года появляется палустрол, а через четыре года – сесквитерпеноиды, как и на фоновом участке, они представлены палустролом и ледолом.

Горелый торф (Г) отличается от остальных исследованных образцов торфа Бакчарского болота как существенно более низкой общей концентрацией липидов, так и содержанием большинства их отдельных групп (табл. 2–4). Исключение представляют ациклический тритерпен – сквален и дитерпеноиды, содержание которых, особенно сквалена, в горелом торфе выше, чем в торфе, который только контактировал с источником огня (ТГ). В составе дитерпеноидов, наряду с идентифицированными в не подвергавшемуся горению торфу фонового и горелого участков, присутствует и доминирует трахилобан (табл. 5). В то же время в горелом торфе отсутствует его изомер – 13-метил-17-норкаур-15-ен, присущий остальным торфам исследованных участков. Вполне вероятно, что в процессе горения имела место трансформация этого соединения в трахилобан за счет процессов гидрирования и циклизации, а появление в горелом торфе дегидроабиетиновой кислоты может быть обусловлено частичным деметилированием ее эфира.

В процессе горения в составе стероидов резко возросла доля спиртов. Их относительное содержание в составе стероидов торфа ТГ составляет 4.8–8.1%, в торфе Г – 55.1%. Видимо, горение стимулировало гидрирование кетонной группы с образованием спиртовой. Величина отношения стигмастерола к ситостеролу в торфе Г составляет 0.13, это ниже, чем в торфе ТГ (0.5), что также может быть следствием частичного гидрирования стигмастерола в процессе горения с образованием ситостерола.

Увеличение доли стероидов С₂₈ от 3% в торфе ТГ до 9% в торфе Г, в котором, кроме того, присутствует холестерол (С₂₇), указывает на возможное деметилирование в процессе горения алкильной цепи стероидов С₂₉.

Аналогично стероидам в составе ПЦТ при горении возрастает доля спиртов от 12 до 59%. Соотношение кетоны/спирты в торфах горелого участка составляет 2:1, в горелом торфе – меняется на обратное. В горелом торфе исчезли УВ, за исключением Δ²¹ гопена, а также сесквитерпеноиды – наиболее летучие среди обнаруженных циклических соединений.

По сравнению с образцом торфа ТГ, в торфе Г существенно снизилось относительное содержание алифатических структур – н-алканов (с 43 до 28%) и н-алкан-2-онов (с 26 до 3%), в то же время доля изопреноидных соединений, таких как фитол и фитон, не изменилась.

Снижение в торфе Г общего содержания н-алканов обусловлено преимущественным разрушением как высокомолекулярных гомологов С₃₁ и С₃₃, так и относительно низкомолекулярных С₂₃ и С₂₅, в результате чего в составе н-алканов этого торфа преобладает С₂₇ (рис. 2). Разрушение высокомолекулярных гомологов могло произойти под действием высоких температур, а низкомолекулярных – под действием бактерий, развитие которых после пожара могло активизироваться. О микробном воздействии на горелый торф может свидетельствовать также повышение, по сравнению с ТГ, доли метилового эфира пальмитиновой кислоты в составе эфиров карбоновых кислот (рис. 4), зафиксированному ранее в экспериментах по микробному окислению торфа [9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучен постпирогенный состав липидов в растениях и торфе на территории Бакчарского болота Томской области в течение 4-летнего периода. Термический стресс (пожар), повлиявший на особенности биосинтеза в растениях, какое-то время оказывает влияние, затем программа биосинтеза восстанавливается, растение продуцирует набор соединений, состав и соотношение которых аналогичны синтезированным без термического воздействия. Так, на второй и третий год после пожара липиды багульника, хамедафны и Sphagnum fuscum, произрастающих на постпирогенном участке, отличаются от липидов соответствующих растений фоновой территории пониженным содержанием большинства групп ациклических соединений. При этом в сфагновом мхе возрастает содержание стероидов, в багульнике и хамедафне – сесквитерпеноидов, а в багульнике, кроме того, увеличивается концентрация ПЦТ, фитона, жирных кислот и их метиловых эфиров. Перераспределение в составе ациклических структур характерно только для багульника: среди н-алкан-2-онов на фоновом участке доминирует С₂₉, на выгоревшем – С₂₇ и С₃₁; в ряду метиловых эфиров жирных кислот в фоновом образце багульника преобладает гомолог С₂₅, а в горелом – С₁₇. На четвертый год после пожара состав липидов растений постпирогенного участка приближается к составу тех же растений фонового.

Установлено, что основными изменениями в составе липидов торфа после контакта с источником огня явилось снижение концентрации в нем большинства групп идентифицированных соединений. Увеличение концентрации отмечено для альдегидов, н-алкан-2-онов, фитона и ПЦТ. В составе ПЦТ, дитерпеноидов и стероидов торфа с постпирогенного участка, по сравнению с фоновым, возрастает содержание представителей УВ и снижается концентрация соединений, содержащих функциональные заместители. В составе н-алканов торфа фонового участка при бимодальном распределении преобладает С₃₁, на постпирогенном – С₂₅.

Исследование состава горелого торфа показало, что в отличие от остальных исследованных образцов торфа Бакчарского болота, он характеризуется существенно более низкой общей концентрацией липидов и содержанием большинства их отдельных групп, за исключением дитерпеноидов и сквалена. Появление в горелом торфе дегидроабиетиновой кислоты может быть обусловлено частичным деметилированием ее эфира, а исчезновение сесквитерпеноидов связано с их повышенной летучестью. В процессе горения резко возрастают содержание ситостерола и доля спиртов в составе стероидов и ПЦТ, что может быть следствием гидрирования кетонной группы с образованием спиртовой, и восстановление одной из ненасыщенных связей стигмастерола. В составе алканов горелого торфа преобладает С₂₇, а содержание гомологов С₃₁ и С₃₃ и С₂₃ и С₂₅ снизилось, по сравнению с остальными торфами Бакчарского болота.

Таким образом, органические соединения, идентифицированные на территории, подвергшейся пожару, могут служить биомаркерами для выявления постпирогенных слоев в разрезе торфяной залежи при палеоклиматических реконструкциях. Полученные в работе результаты можно использовать и для оценки перспектив рационального применения растительного и торфяного сырья территорий после пожара, например, для медицинских, косметических целей.