Почвоведение, 2020, № 5, стр. 559-575

ВВЕДЕНИЕ

Процессы образования, мобилизации, миграции, трансформации, сорбции и биодеградации низкомолекулярных органических кислот (НМОК), несмотря на их низкое содержание в почвах и почвенных растворах, привлекают большое внимание не только почвоведов, но и представителей смежных специальностей. НМОК активно участвуют в глобальном цикле углерода, они образуются в процессе функционирования почвенной биоты и непрерывно поступают в почву с растительными остатками, корневыми экссудатами и продуктами метаболизма микроорганизмов. НМОК принимают активное участие в растворении и трансформации минералов и в миграции ряда химических элементов, оказывая, влияние на параметры большого геологического круговорота, на поведение элементов питания и поллютантов в почвах и ландшафтах. Некоторые НМОК способны обеспечивать сигнальные функции, хемотаксис и детоксикацию в отношении Al и тяжелых металлов, а также стимулировать или подавлять рост и развитие растений.

В почвоведении нет общепринятого значения молекулярной массы (ММ), ниже которого органические соединения относят к низкомолекулярным. В рамках данной работы к низкомолекулярным кислотам будем относить кислоты с ММ <900 Да, поскольку это граничная величина, принятая в фармакологии, отделяет молекулы, способные проникать через липидный бислой клеточных мембран [73].

Органические вещества с ММ <900 Да в почвенных растворах представлены широким спектром разнообразных соединений, включающим алифатические карбоновые кислоты, низшие жирные кислоты (в узком понимании этого термина), некоторые циклические кислоты, аминокислоты, фенолокислоты, низкомолекулярные фракции танинов, растворимые углеводы, представленные преимущественно моно- и олигосахаридами, самые низкомолекулярные фракции ФК, которые могут иметь ММ 400–500 Да [9] и другие компоненты.

Данный обзор ограничен анализом информации по наиболее распространенным и подробно изученным алифатическим, некоторым циклическим и ароматическим кислотам, преимущественно в почвах лесных экосистем. Термин “НМОК” используется в тексте не только по отношению к кислотам в недиссоциированной форме, но и к анионам этих кислот. В англоязычной литературе используется почти дословный эквивалент этого термина “low molecular weight organic acids” (LMWOA).

По составу и процессам образования, мобилизации, миграции и сорбции НМОК в почвах опубликованы результаты многочисленных экспериментальных исследований и обзоры литературы [60, 62, 86, 102, 103]. Имеющиеся экспериментальные данные не всегда поддаются прямому сопоставлению, поскольку авторы использовали разные методы выделения жидкой фазы, включая разные приемы изучения сорбции и биодеградации НМОК, а иногда разную методологию исследований. При выделении растворов с помощью вакуумных лизиметров большое влияние на результаты определения НМОК оказывает величина прилагаемого давления [2, 11, 17]. Необходимо также учитывать, что концентрация НМОК – это показатель, очень сильно варьирующий во времени и в пространстве, к нему в полной мере приложима концепция “hot moments” и “hot spots”, т.е. “горячих участков” и “горячих моментов времени”. В соответствии с этой концепцией содержание тех или иных компонентов в отдельных локусах почвы в отдельные периоды времени может повышаться на несколько порядков величины за счет интенсификации определенных биохимических процессов [67].

Набор алифатических, циклических и ароматических НМОК, обнаруженных в почвенных растворах, широк и включает несколько десятков одно-, двух- и трехосновных индивидуальных алифатических кислот: щавелевую, яблочную, лимонную, уксусную, муравьиную, молочную, сукциновую, масляную, фумаровую, малоновую, винную, пропионовую, валерьяновую и др., а также циклическую шикимовую кислоту. Ароматические НМОК чаще всего представлены замещенными и незамещенными бензойными и коричными кислотами.

Некоторые основные закономерности, касающиеся состава НМОК в растворах из разных почв, были установлены в 60-х годах прошлого века работами И.С. Кауричева и его учеников и сотрудников [3–6, 12–14]. Методами бумажной хроматографии в водных вытяжках из растительного материала и из подстилок было выявлено присутствие муравьиной, щавелевой, лимонной, гликолевой, винной, яблочной, янтарной, фумаровой кислот и фенольных соединений. Установлено, что при переувлажнении в почвах образуется больше растворимых НМОК большей кислотной силы, и что максимальное количество НМОК формируется в болотно-подзолистых и подзолистых почвах. При переходе к почвам лесостепной и степной зон их содержание в почвенных растворах и водных вытяжках снижается.

Последующие исследования, выполненные в разных странах мира с использованием современных хроматографических, спектроскопических, электронно-микроскопических и химических методов, полностью подтвердили эти закономерности.

ИСТОЧНИКИ НМОК В ПОЧВАХ

Растительные остатки. Одним из главных источников алифатических и циклических НМОК в почвах и в почвенных растворах является поступающий растительный материал. Имеющиеся данные свидетельствуют о разнообразии НМОК в растительных тканях при преобладании щавелевой, яблочной и лимонной кислот, которые являются промежуточными продуктами в цикле Кребса, и на концентрацию которых в растениях влияет тип фиксации углерода: С3 или С4 [33, 60]. Выявлено широкое пространственное и временное варьирование содержания всех НМОК в клетках растительных тканей в зависимости от вида растений, стадии их развития, сезона отбора проб и др. В среднем в вакуолях растительных клеток концентрация алифатических НМОК варьирует в пределах 5–50 ммоль [60, 82, 85, 86].

Содержание фенольных соединений в хвое и листьях различных древесных видов достигает максимума в октябре сразу после окончания листопада (до 200 мг/100 г) и снижается в другие периоды года. Среди фенолокислот преобладают бензойная, салициловая, ванилиновая, галловая, протокатеховая, 2,5-гидроксибензойная, сиреневая и др. Жирно-ароматические кислоты представлены коричной, феруловой, кофеиновой и др. Содержание водорастворимых фенольных соединений в целом выше в листьях лиственных пород, чем в хвое хвойных деревьев [66].

Одним из главных источников ароматических соединений в почвенных растворах являются продукты окислительной деградации лигнина, которая включает отщепление фенилпропановых боковых цепей, дегидроксилацию кольца, деметилирование метоксильных групп [48]. Основная часть ароматических соединений находится в гидрофобной фракции водорастворимого органического вещества. Так, в растворах из аренсолей¹¹ под сосновым древостоем и лептосолей под буковым древостоем в Баварии ароматические структуры в гидрофильной фракции или отсутствовали, или составляли не более 4–5%, а в гидрофобной фракции – 29–30%. В последнем случае ароматические НМОК были представлены преимущественно сиреневой, коричной и ванилиновой кислотами [63].

Корневые экссудаты. Важным источником алифатических и ароматических НМОК являются корневые экссудаты, в которых содержатся упомянутые выше кислоты, обнаруженные в почвенных растворах. В цитозоле корней концентрация НМОК измеряется величинами 10–20 ммоль, но она может увеличиваться в разы и даже на порядок величин при наличии неблагоприятных факторов таких, как недостаток элементов питания, или повышенная концентрация в растворе Al, превышающая порог токсичности [60, 61]. Поток НМОК из цитозоля в окружающий почвенный раствор осуществляется за счет диффузии в соответствии с градиентом концентрации, а также благодаря наличию градиента электрохимического потенциала на мембранах цитоплазмы [60]. Поступление НМОК с корневыми экссудатами рассматривается как один из факторов, определяющих накопление НМОК в ризосфере по сравнению с вмещающей почвой [10, 16, 21, 40, 60, 82, 104]. Набор и количество НМОК, выделяющихся с корневыми экссудатами, может сильно варьировать в зависимости не только от вида растения, но и от сорта и возраста растения. В экспериментах с ¹⁴С сумма алифатических НМОК, переходящих в раствор с экссудатами для шести разных сельскохозяйственных культур, варьировала от 9 мг/г корня у гороха до 57 мг С/г корня у рапса при общем преобладании лимонной и сукциновой кислот. Содержание щавелевой кислоты в экссудатах корней двух разных сортов кукурузы, выращиваемых в одинаковых условиях, отличались вдвое, содержание винной кислоты – почти на порядок [57].

Водорастворимые ароматические НМОК также поступают в почву с корневыми экссудатами, что подтверждается результатами вегетационного опыта. Ароматические НМОК, представленные преимущественно бензойной и 4-гидроксибензойной кислотами, поступали в почву с корневыми экссудатами пырея, и уже через 4 нед. после появления всходов их количество составляло 32–37 нмоль/г почвы. Через 12 нед. после появления всходов эта величина возрастала до 70–90 нмоль/г [21].

Микробные метаболиты. Не менее важным источником НМОК в почвенных растворах является функционирование микробного сообщества, прежде всего, грибов и некоторых родов бактерий, и в этом отношении особенно активны некоторые эктомикоризные грибы. В модельном опыте сеянцы ели Picea abies Karst, инокулированные и неинокулированные эктомикоризным грибом Paxillus involutus, выращивали на материале из горизонта Е почвы Haplic Arenosol в течение 10 мес. По окончании опыта в вариантах с сеянцами, инокулированными микоризой, в растворах обнаружены уксусная, лимонная, муравьиная, молочная, малоновая, щавелевая и янтарная кислоты. Их концентрация была достоверно выше в варианте с инокулированными сеянцами, чем в опыте с растениями без микоризы [100].

При выращивании эктомикоризного гриба Paxillus involutus на питательном растворе в жидкой фазе были зарегистрированы высокие концентрации оксалат-иона – до 9 ммоль/л [78, 79]. Многие микромицеты также выделяют метаболиты, содержащие НМОК. При выращивании гриба Aspergillus niger на питательном растворе через 5 дней после начала опыта значение рН в жидкой фазе снизилось с 6.5 до 2.9, и в растворе были идентифицированы лимонная, α-глютаровая, сукциновая, яблочная и щавелевая кислоты, среди которых преобладали лимонная и щавелевая в концентрациях от единиц до тысяч мг/л [106]. В другом модельном эксперименте с Aspergillus niger в питательном растворе зарегистрирована концентрация оксалата, равная 2100 мг/л [112]. Патогенный гриб Sclerotinia sclerotiorum из отдела аскомицетов способен продуцировать от 18 до 110 мкг оксалата на 1 г сухого мицелия, причем эта величина меняется в зависимости от вида растения, из которого выделяли культуру гриба [37].

Источником НМОК в почвенных растворах могут быть также метаболиты многих родов бактерий. При изучении выветривания биотита и флогопита с участием бактериальных метаболитов в условиях модельного эксперимента вводили в систему следующие штаммы бактерий [18]: Rhanella aquatilis (RA1), Pantoae agglomerans (PA1), Agrobacterium sp. (AR1), Pseudomonas sp. (PS1, PS2), Burkholderia sp. (B1, B2, B3), Paracoccus sp. (PC1) and Sphingobacterium sp. (BE1). Из них штаммы гетеротрофных бактерий PA1, AR1 и RA1 были выделены из ризосферы бука, сосны и пшеницы соответственно, а остальные – из разных горизонтов подзола. В опытах с бактериями в составе метаболитов были идентифицированы глюконовая, молочная, уксусная, муравьиная, масляная, сукциновая, щавелевая и лимонная кислоты в концентрациях от 0 до тысяч мкмоль/л и более. Установлено, что каждый из введенных штаммов бактерий характеризуется специфическим набором и специфической концентрацией НМОК в составе метаболитов. Так, штаммы факультативно анаэробных бактерий RA1 и PA1 продуцировали преимущественно молочную и уксусную кислоты. Штаммы аэробных бактерий Ps1, Ps2 выделяли глюконовую кислоту, штамм RA1 продуцировал все отмеченные выше кислоты.

Ароматические НМОК также поступают в почву как вторичные метаболиты грибов и бактерий [92].

Таким образом, главными источниками алифатических, ароматических и некоторых циклических НМОК в почвенных растворах являются растительные остатки, корневые экссудаты и метаболиты микроорганизмов.

СОСТАВ И КОНЦЕНТРАЦИЯ АЛИФАТИЧЕСКИХ И АРОМАТИЧЕСКИХ НМОК В РАСТВОРАХ ПОЧВ ПОД РАЗНЫМИ ТИПАМИ РАСТИТЕЛЬНОСТИ

В почвенном растворе концентрация, как отдельных НМОК, так и их суммы, снижается на 1–3 порядка по сравнению с концентрацией в главных источниках и измеряется единицами, десятками и сотнями мкмоль/л даже в органогенных горизонтах [1, 8, 21, 40, 56, 60, 61, 64, 83, 85, 86, 101]. Такое резкое снижение концентрации НМОК при переходе от источников к почвенным растворам, помимо возможного разбавления, происходит благодаря двум совместно протекающим процессам: их биодеградации и сорбции на твердой фазе. Эти процессы более подробно обсуждаются в последующих разделах статьи.

Выявление зависимостей состава и концентрации НМОК от типа растительности методически достаточно сложно. Разные растительные сообщества, как правило, имеют неодинаковый состав микроорганизмов, функционирование которых существенно влияет на состав НМОК. В почвенных растворах, полученных даже под одной и той же растительной ассоциацией, пространственное и временное варьирование НМОК может достигать нескольких порядков величин. Например, в почвенных растворах, полученных центрифугированием из лесной подстилки почвы под хемлоком (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco) в штате Орегон, США, в местах скопления мицелия эктомикоризного гриба Gautieria monticola концентрация оксалата была на несколько порядков больше, чем на участке вне скопления мицелия – 11638 и 35 мкмоль/л соответственно [47]. При этом в пределах той же самой растительной ассоциации в местах скопления мицелия другого эктомикоризного гриба Hysterangium setchellii концентрация оксалата была равна 59 мкмоль/л, а на участке вне скопления мицелия – 5.2 мкмоль/л.

При отборе раствора из достаточно большого объема почвы измеряемые значения концентраций НМОК отражают некоторую усредненную величину, которая может сильно отличаться от реальных концентраций в отдельных локусах. При более “точечном” отборе проб требуется проведение исследований с большим числом повторностей, чтобы получить статистически достоверную информацию для изучаемой территории. Это обстоятельство необходимо учитывать при интерпретации экспериментальных данных.

В растворах, полученных центрифугированием из лесных подстилок алфисолей и инсептисолей под сплошными одновозрастными насаждениями из бука (Fagus sylvatica L.), дуба (Quercus robur L.), пихты (Abies grandes Lindl.) и ели (Picea abies (L.) Karst) в Дании, под всеми типами древостоев среди алифатических соединений преобладали одноосновные кислоты: муравьиная, уксусная и пропионовая, концентрация которых измерялась сотнями мкмоль/л, и которые авторы рассматривают как продукты микробиологического разложения растительных остатков [85, 86]. Двух- и трехосновные кислоты присутствовали в концентрации <50 мкмоль. Достоверных различий в составе и концентрации алифатических НМОК между растворами из подстилок почв под разными древостоями не найдено, но в растворах из почв под еловыми насаждениями общее количество алифатических кислот было максимальным. В растворах почв под елью отношение Е₄/Е₆ было достоверно больше, чем в растворах почв под другими древесными культурами, что свидетельствует о меньшем количестве гидрокси- и карбоксизамещенных ароматических структур и о меньших ММ. В растворах почв под пихтовыми насаждениями по данным потенциометрического титрования и инфракрасной спектрометрии выявлено минимальное содержание фенольных соединений.

В гравитационных лизиметрических водах в подзолах Кольского полуострова не было выявлено достоверных различий между почвами под сосняками и ельниками по составу и концентрации НМОК. В том и другом случаях отмечается преобладание лимонной и шикимовой кислот и более высокая концентрация всех кислот в лизиметрических водах из подкронового пространства по сравнению с межкроновым [1].

Концентрация НМОК в водных вытяжках из LFH и AE почв брунисолик грей лювисоль в Канаде [92] была выше в ризосфере по сравнению с вмещающей почвой и больше в почве под Picea glauca, чем в почве под Abies lasiocarpa. В составе экссудатов и в водной вытяжке содержание алифатических кислот более, чем в 20 раз превышало концентрацию ароматических структур. В водной вытяжке среди НМОК и в ризосфере, и во вмещающей почве преобладали уксусная, муравьиная и протокатеховая кислоты, в корневых экссудатах доминировали малоновая и щавелевая кислоты. В водной вытяжке из горизонта Ae почвы под пихтой суммарное количество ароматических кислот составило 0.6 и 3.6 нмоль/г во вмещающей почве и в ризосфере соответственно. Содержание бензойной кислоты составило 0.1 и 0.2 нмоль/г в ризосфере и во вмещающей почве соответственно (различия не значимы). Скорость образования НМОК в корневых экссудатах в ризосфере и во вмещающих почвах под обоими типами древостоев варьировала в пределах от 0 до 0.37 нмоль/ч в расчете на одно корневое окончание.

Проведен сравнительный анализ состава и концентрации НМОК в растворах из подстилок кислых почв порядка инсептисолей, развитых под различными древостоями в северо-западной части штата Коннектикут, США [34]. Для этого было выбрано 6 участков с абсолютным преобладанием следующих древесных видов: клен сахарный (Acer saccharum), хемлок восточный (Tsuga canadiensis Carr.), бук американский (Fagus grandifolia Ehrh.) клен красный (Acer rubrum L.), ясень американский (Fraxinus Americana) и дуб красный (Quercus rubra L.). Наиболее существенно отличаются растворы из подстилок под хемлоком – они характеризуются более высокой общей концентрацией НМОК за счет повышенной концентрации лимонной, молочной, яблочной и шикимовой кислот, что, возможно, связано с присутствием эктомикоризных грибов на корнях хемлока. В обзорной статье [31] в списке семейств растений, имеющих на корнях эктомикоризу, на первом месте стоит семейство сосновых (Pinaceae), к которому относится хемлок, а семейство кленовых (Aceraceae) отсутствует.

Концентрации НМОК в водных вытяжках 1 : 2 из горизонтов А1 файеземов, лювисолей, подзолов и камбисолей под древостоями из пихты белой (Abies Alba) сравнивали с соответствующими данными для файеземов, подзолов и камбисолей под буковым древостоем на 59 участках в северо-восточной Италии [80]. Особенность этого исследования заключалась в том, что древостои каждой из двух древесных пород произрастали в разных типах местообитаний. Участки под буком были разделены на термофильные, мезофильные и ацидофильные местообитания, участки под пихтарниками – на горные, два высокогорных местообитания с разным напочвенным покровом и два ацидофильных местообитания. В почвах и под буком, и под пихтой концентрация винной, щавелевой, малоновой и сукционовой кислот измерялась миллимолями, остальных компонентов – микромолями и десятками микромолей. В целом концентрация алифатических НМОК оказалась выше в почве под пихтой, чем под буком, что авторы объясняют более замедленным круговоротом органического вещества.

Общее количество фенолокислот было выше в почвах под буком, чем под пихтой. При этом условия кислой реакции среды способствовали повышенному содержанию протокатеховой, бензойной и фенилуксусной кислоты, а в условиях нейтральной реакции в большей мере образовывалась р-гидроксибензойная кислота. Концентрация бензойной кислоты в растворе почвы под пихтой и под буком варьировала в пределах 4–17 и 6–32 мкмоль/л соответственно. Одним из существенных факторов варьирования содержания и алифатических, и ароматических НМОК был тип местообитания [80].

Содержание танинов и фенолокислот в водных вытяжках из органогенных горизонтов подзолов под Betula pendula Roth., Picea abies (L.) Karst и Pinus sylvestris L. в приполярных экосистемах Финляндии измерялось сотнями мг/кг органического вещества [89]. В органогенном горизонте почвы под березовым лесом танины были представлены более низкомолекулярными структурами (олигофенолами), чем в почве под сосновым древостоем, где преобладают полифенолы с ММ > 500 Да. Среди фенолокислот под всеми видами насаждений преобладали р-кумаровая, феруловая и кофеиновая. Общее содержание фенолокислот и концентрация феруловой и р-кумаровой кислот были достоверно больше в почве под хвойными насаждениями, чем в почве под березой. По концентрации 3,4- и 3,5-дигидроксобензойных, 4-гидроксобензойной и ванилиновой кислот, которые рассматриваются как продукты фото- и биодеградации лигнина, почвенные растворы под разными насаждениями достоверно не отличались.

Общая концентрация фенольных соединений в растворах из почв под разными типами леса в ненарушенных южно-таежных ландшафтах снижалась от 10–20 мг/л в органогенных горизонтах до единиц мг/л в нижележащих, и в целом оказалась стабильной характеристикой, относительно слабо варьирующей и во времени, и в пространстве [7]. Содержание фенольных соединений уменьшалось в ряду: торфянисто-подзолисто-глееватая почва > подзолистая почва > дерново-глеевая почва > бурозем > низинная торфяно-грунтово-глеевая почва. При анализе этих данных следует учитывать, что они относятся к общему содержанию фенольных соединений в растворах, проходящих через поры керамического фильтра размером 0.8–0.9 мкм. Поэтому значительная часть фенольных соединений, скорее всего, была представлена высокомолекулярными структурами [45].

В сподосолях штата Мэн, США, в гравитационных лизиметрических водах, собранных под подстилкой букового леса, концентрация полифенолов варьировала от 20 до 100 мкмоль/л. Преобладали сиреневая и ванилиновая кислоты, ванилин и сиреневый альдегид – продукты окислительной деградации лигнина [94]. В растворах из органогенных горизонтов лептосолей под буком в Баварии содержание ароматических НМОК было вдвое меньше, чем в ареносолях под сосновым древостоем при близком их составе с преобладанием сиреневой, ванилиновой и коричной кислот [63]. Сопряженное исследование содержания и состава фенольных соединений в проходящих через кроны водах, талых снеговых водах и в растворах из горизонтов ОА, Е и В подзолов под еловым лесом дало следующие результаты [45]. В подкроновых водах и в талых снеговых водах концентрация танинов составляла 10^–6 М, из мономерных фенольных соединений преобладал гидроксиацетофенон в концентрации 10^–7 М, источником которого является еловая хвоя. В почвенных растворах в горизонте ОА общее количество фенольных мономеров составило 2 × 10^–6 М, что соответствует ~1% от суммарной концентрации фенолов, среди мономеров преобладали ванилиновая, р-гидроксибензойная и протокатеховая кислоты. При переходе к минеральным горизонтам концентрация фенольных мономеров резко уменьшалась.

Сравнение состава и концентрации алифатических, циклических и некоторых ароматических НМОК, образующихся под елью (Picea abies (L.) Karst) в почве Gleyed Melanic Brunisol и под березой (Betula pendula Roth.) в почве Humic Luvic Gleysol, проводили с использованием трех разных методологических подходов [83]. Первый заключался в установке вакуумных микролизиметров в полевых условиях вблизи корней ели и березы в почвах Gleyed Melanic Brunisol и Humic Luvic Gleysol соответственно. Второй подход реализовали с помощью ризобоксов – пластиковых емкостей, наполненных теми же почвами, в которых выращивали сеянцы ели и березы в течение 18 недель, растворы отбирали еженедельно с помощью вакуумных микролизиметров. Третий подход заключался в том, что сеянцы ели и березы выращивали на инертном искусственном грунте в стерильных условиях на питательном растворе в течение 83 и 77 дней соответственно, состав и концентрацию НМОК определяли в дренажных водах. В стерильных условиях муравьиная, шикимовая и щавелевая кислоты были найдены и под елью, и под березой. Дополнительно в дренажных водах под елью была найдена фумаровая кислота, а под березой – молочная, малоновая, масляная и фталевая кислоты. В ризобоксах с саженцами и ели, и березы найдены щавелевая, молочная, муравьиная, масляная и фталевая кислоты, а под саженцами березы – еще дополнительно лимонная, адипиновая, пропионовая, сукциновая и уксусная кислоты. В полевых условиях в ризосфере ели были обнаружены щавелевая и молочная кислоты, а в ризосфере березы еще дополнительно муравьиная и фталевая кислоты, причем и набор, и концентрация кислот были ниже, чем в ризобоксах и в стерильных условиях. В двух последних случаях концентрация НМОК возрастала со временем. В целом в системах под березой концентрация НМОК была несколько выше, чем под елью, но значения рН были ниже в растворах под елью, что свидетельствует об образовании в почвах под елью наиболее сильных кислот. Этот эксперимент наглядно показывает, что результаты определения состава и концентрации НМОК сильно зависят от использованной методологии проведения опыта.

В условиях арктических ландшафтов Шпицбергена в составе водорастворимого органического вещества наблюдалось преобладание ароматических НМОК над алифатическими в тундровых почвах под моховой и орнито-копрофильной растительностью, в то время как в почвах полигональных тундр преобладали алифатические НМОК [90].

Рассмотренный материал показывает, что не всегда выявляется отчетливая зависимость между составом образующихся в почве алифатических, циклических и ароматических НМОК и отдельными видами растений или отдельными растительными ассоциациями. В качестве общей тенденции можно отметить повышенное содержание более сильных алифатических НМОК в растворах почв под хвойными древостоями по сравнению с почвами под лиственными древесными породами, что частично можно объяснить более частой встречаемостью эктомикоризных грибов на корнях хвойных деревьев.

ПРОФИЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НМОК В МИНЕРАЛЬНЫХ ГОРИЗОНТАХ

Данные о профильном распределении НМОК в растворах из минеральных горизонтов почв немногочисленны, но они свидетельствуют о существенном уменьшении концентрации НМОК при переходе от подстилок к минеральным горизонтам. В почвенных растворах, выделенных центрифугированием из горизонтов E, EB и BE алтисолей, концентрации щавелевой и муравьиной кислот резко уменьшались с глубиной, концентрация сукциновой кислоты в нижних горизонтах заметно возрастала, а яблочной кислоты – по профилю не изменялась [56]. В оподзоленных ареносолях под сосновыми древостоями (Pinus sylvestris) Швеции и Финляндии в пределах минеральных горизонтов в растворах наблюдали постепенное снижение с глубиной концентраций лимонной и фумаровой кислот и относительно равномерное распределение щавелевой кислоты [96, 98, 102]. В подзолах Кольского полуострова под сосняками и ельниками концентрация лимонной и шикимовой кислот в гравитационных лизиметрических водах была меньше на глубине 40 см, чем на глубине 20 см, но в подкроновом пространстве ельника концентрация шикимовой кислоты на глубине 40 см несколько возрастала [1]. В растворах, полученных центрифугированием, из почв Dystric Brunisol под еловым лесом (Picea mariana) с лишайниковым покровом в Канаде, концентрация оксалата и цитрата в горизонте Ае достигала ~10 и 50 мкмоль/л соответственно и снижалаcь до единиц мкмоль/л в нижележащих горизонтах [42].

Содержание НМОК в минеральных горизонтах определяли в водной вытяжке и в растворе фосфатного буфера в двух бурых лесных почвах под буком (Fagus crenata Blume) и в подзоле под хвойным лесом из хемлока (Tsuga diversifolia Mast.) и ели (Picea jezoensis Carr.) в Японии [91]. По разности между количеством кислот в водной вытяжке и в фосфатном буферном растворе определяли содержание более прочно связанных НМОК. В вытяжках найдены муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, молочная, щавелевая, фумаровая, сукциновая, яблочная и лимонная кислоты в количестве от единиц до сотен мкмоль/кг. Из одноосновных кислот преобладали муравьиная и уксусная, а из многоосновных – щавелевая и лимонная. Значительная часть кислот была представлена водорастворимыми формами и переходила в обе вытяжки в близких количествах, за исключением щавелевой и лимонной кислот, которые были представлены как водорастворимыми, так и более прочно связанными соединениями. Во всех трех профилях содержание большинства водорастворимых НМОК измерялось величинами одного порядка для каждой данной кислоты, и было слабо дифференцировано по генетическим горизонтам. Содержание более прочно связанных щавелевой, лимонной, пропионовой и фумаровой кислот было отчетливо дифференцировано, накопление происходило в горизонтах Ah2, Bw1, Bw2 одной из бурых лесных почв и в иллювиальных горизонтах подзола Bh1, Bs1 и Bs2, обогащенных несиликатными соединениями Fe и Al и плохоокристаллизованными алюмосиликатами.

Джонс с соавт. [62] также отмечают, что значительное количество НМОК в почвах может присутствовать в связанном состоянии, особенно в иллювиальных горизонтах подзолов.

Достоверное увеличение ароматичности водорастворимого органического вещества в горизонте В на глубине 20–30 см по сравнению с выше- и нижележащими горизонтами (кроме подстилки) отмечено в почвах Acidic Dystrochrept под еловым лесом в восточной Франции [46]. Эту закономерность авторы объясняют процессами трансформации лигнина в фенольные соединения, с последующей сорбцией этих соединений глинистыми минералами. В карбонатных почвах под дубовым лесом в южной Италии на фоне существенного уменьшения индекса ароматичности при переходе от гумусового горизонта к нижележащим также наблюдается увеличение значения этого индекса в горизонте В [30].

Таким образом, на фоне ожидаемого снижения с глубиной концентрации НМОК в растворах для отдельных кислот и отдельных почвенных горизонтов эта тенденция может не проявляться или сменяться на обратную, что объясняется различными соотношениями скорости образования НМОК и их миграции, сорбции и биодеградации.

СОРБЦИЯ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ КИСЛОТ ПОЧВАМИ И ОТДЕЛЬНЫМИ КОМПОНЕНТАМИ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ПОЧВ

Сорбция анионов НМОК в почвах в целом подчиняется общим закономерностям, хорошо известным для всех анионов: при прочих равных условиях она увеличивается по мере снижения рН и при увеличении в составе твердой фазы минеральных носителей зависимых от рН сорбционных центров, т.е. оксидов/гидроксидов Fe и Al и аморфных алюмосиликатов [38]. Из НМОК с наибольшей энергией связи закрепляются анионы трехосновных кислот, с меньшей – двухосновных, с минимальной энергией – одноосновных кислот [62]. Сорбция анионов отдельных НМОК имеет свою специфику, определяемую как структурой анионов, так и особенностями структуры компонентов твердой фазы и условиями, в которых осуществляется сорбция. Ниже рассматриваются экспериментальные данные по сорбции НМОК почвами и отдельными компонентами твердой фазы почв.

Сорбция алифатических НМОК компонентами твердой фазы почв. Изотерма сорбции цитрата на синтетическом псевдобемите при значениях рН < 6 имела Н-форму, что свидетельствует о высоком сродстве сорбата с сорбентом. При значении рН > 9 цитрат не сорбировался [26]. Изотермы сорбции оксалата, цитрата, малата и ацетата на ферригидрите имели L-форму и хорошо аппроксимировались уравнением Ленгмюра. В указанной последовательности анионов снижались значения максимальной адсорбции, которое для оксалата составляло 180 нмоль/мкмоль ферригидрита. При повышении рН в интервале от 4 до 8 сорбция всех анионов уменьшалась [61].

Изучение сорбции ацетата на гетите при разных ионных силах раствора и при разных значениях рН с использованием ATR-FTIR-спектроскопии и с применением D₂O позволило выявить образование на поверхности гетита двух типов поверхностных комплексов с ацетатом. В условиях нейтральной реакции образуется внешнесферный комплекс с участием водородных связей между молекулами воды и карбоксильной группы ацетата и между молекулами воды и протонированными гидроксильными группами на поверхности минерала. Второй тип комплексов формируется в условиях кислой реакции и обеспечивается водородными связями карбоксилата непосредственно с гидроксильными группами на поверхности гетита. Образования внутрисферных комплексов ацетата на поверхности гетита не наблюдалось [75]. Двух- и трехосновные НМОК чаще всего дают внутрисферные комплесы на поверхности оксидов/гидроксидов Fe и Al. Расчетами с использованием молекулярного моделирования установлено, что на грани 010 гетита оксалат образует поверхностный внутрисферный моноядерный бидентатный комплекс [65].

Влияние процесса хлоритизации лабильных глинистых минералов на сорбцию алифатических НМОК оценивали по результатам следующего опыта. Изотермы сорбции тартрата и оксалата получали при значениях рН 6.4–6.6 на искусственно приготовленном почвенном хлорите – монтмориллоните с прослойками гидроксида Al в количестве 1.6 (первый вариант) и 3.1 (второй вариант) моль Al/кг минерала [51]. Изотермы хорошо аппроксимировались уравнением Ленгмюра. В первом варианте для тартрата и оксалата максимальная адсорбция составила 125 и 166 ммоль/кг, константы были равны 0.008 и 0.007 соответственно, во втором варианте максимальная адсорбция для обоих анионов составила 166 ммоль/кг, а константа была равна 0.025. При пересчете на 1 м² поверхности минерала количество адсорбированных лигандов увеличивается в 1.8–2.4 раза, поскольку формирование прослоек гидроксида Al привело к уменьшению удельной поверхности.

Роль строения аниона в сорбции алифатических НМОК глинистыми минералами можно проследить на примере следующего эксперимента. Сорбцию анионов бутановой (масляной), гидроксибутановой (яблочной), пропановой (пропионовой) и гидроксипропановой (молочной) кислот осуществляли на иллите и каолините в эксперименте в колонках, через которые под давлением пропускали растворы Na-солей анионов указанных кислот в концентрации от 0.005 до 0.02 М [28]. С уменьшением длины алифатической цепочки возрастала стабильность образующихся поверхностных сорбционных комплексов. Анионы, содержащие гидроксогруппы, сорбировались сильнее, чем анионы без гидроксогрупп. Предполагается, что на каолините осуществляется реакция лигандного обмена с участием карбоксильной группы на алюминольной поверхности. Если в состав НМОК входит гидроксогруппа, особенно в орто-положении, сорбция усиливается, что можно объяснить образованием на алюминольной поверхности каолинита моноядерного бидентатного комплекса в виде пятичленного кольца с участием гидроксильной и карбоксильной групп. Сорбция анионов НМОК на иллите проявляется значительно слабее и осуществляется по типу лигандного обмена на боковых сколах кристаллитов.

Сорбция ароматических НМОК компонентами твердой фазы почв. Сорбция ароматических монокарбоксильных бензойных и нафтойных кислот на гетите при рН 4.7–5.2 на фоне 0.015 М раствора NaCl является эндотермической реакцией и обеспечивается водородными связями, причем наличие заместителей в орто-положении снижает сорбцию. Адсорбция монофенолов на гетите протекает как экзотермическая реакция с участием слабых водородных связей. Сорбция фталевой кислоты за счет наличия двух карбоксильных групп является необратимой реакцией, в результате которой образуются поверхностные внутрисферные комплексы [111].

Сорбция ароматических кислот на гетите в условиях низкой ионной силы раствора (без добавления электролита) возрастала в ряду: фенилуксусная < бензойная < 4-гидроксибензойная < < салициловая кислоты [107]. Максимальное количество кислот сорбировалось гетитом при величинах рН, близких к значениям рКа кислоты. Механизмы сорбции включают как специфическую, так и неспецифическую адсорбцию.

Сорбцию 2,5-дигдроксобензойной и 1-гидрокси-2-нафтойной кислот изучали на оксидах-гидроксидах Fe разной степени дисперсности и окристаллизованности при постоянной ионной силе раствора на фоне 0.01 М NaCl [49, 50]. Количество обеих сорбированных кислот возрастало по мере снижения рН и приближения к рКа кислоты. Изотермы сорбции хорошо описывались уравнением Темкина, константа реакции оказалась больше в случае сорбции гидроксинафтойной кислоты. При сорбции кислот на ферригидрите и гематите при низких равновесных концентрациях формировались моно- и биядерный поверхностные комплексы. Способность сорбировать ароматические кислоты при низких равновесных концентрациях увеличивается в ряду: гематит < гетит < магнетит < лепидокрокит < < ферригидрит. В области более высоких концентраций предполагается возможность образования внутрисферных комплексов и участия в сорбции гидрофобных взаимодействий.

Закономерности сорбции бензойной, ванилиновой, р-кумаровой, сиреневой и феруловой кислот в зависимости от рН, структуры аниона и насыщающего катиона изучали на Ca- и Fe-монтмориллоните при рН 7.19, 4.02 и 3 [27]. Сорбция фенолокислот на Са-монтмориллоните при рН 3 хорошо описывалась уравнением Ленгмюра, по мере повышения рН сорбция снижалась и при рН 6.5 отсутствовала. Поскольку значения рКа кислот варьировали от 4.2 до 4.6, при рН 3 происходила сорбция недиссоциированных молекул. Предполагается, что один из главных механизмов сорбции – мостиковая связь через молекулы воды. Еще одним механизмом могут быть ван-дер-ваальсовые взаимодействия. На Fe-монтмориллоните по зависимости сорбции от рН выделялось две группы фенолокислот: (1) феруловая и сиреневая с большим количеством замещений и (2) бензойная, ванилиновая и р-кумаровая с более простой структурой. Первая группа почти полностью адсорбировалась при рН 3–4, но сорбция резко уменьшалась при рН 5–6. Вторая группа при рН 3–4 адсорбировалась только на 40%, после чего сорбция постепенно снижалась. Взаимодействие ароматических НМОК с Fe-монтмориллонитом включает ряд механизмов: образование внешне- и внутрисферных комплексов, водородную связь, π-взаимодействия и др., а также участие Fe в окислительно-восстановительных реакциях. Это участие может сопровождаться окислением ароматических кислот, степень проявления которого убывает в ряду: феруловая > сиреневая > р-кумаровая > ванилиновая > бензойная. При одной и той же концентрации при рН 3 Fe-монтмориллонит поглощает значительно больше всех ароматических кислот, чем Са-монтмориллонит, что можно объяснить образованием на поверхности положительно заряженных гидроксополимеров Fe при насыщении монтмориллонита Fe. При адсорбции бензойной кислоты на Fe-монтмориллоните наблюдалось повышение рН, что свидетельствует о лигандном обмене карбоксилат-аниона на ОН-группу.

Сорбция алифатических НМОК на почвенных образцах. Динамику сорбции и десорбции меченого ¹⁴С цитрата в стерильных условиях изучали на образцах горизонта Ah камбисоли, горизонтов Ah и Bs подзола из Великобритании и на двух образцах андисолей из Японии. Сорбция цитрата возрастала в ряду Ah камбисоли < Ah подзола < андисоли < Bs подзола в соответствии с увеличением количества сорбционных центров на оксидах/гидроксидах Fe и аморфных алюмосиликатах. Как адсорбция, так и десорбция, происходили быстро – стационарное состояние устанавливалось уже через 1 ч. В цикле сорбция–десорбция наблюдался гистерезис: через 8 ч только небольшая часть сорбированного цитрата переходила в раствор, что свидетельствует о прочном закреплении цитрата [77].

Изотермы сорбции меченых ¹⁴С оксалата, цитрата, малата и ацетата в концентрациях от 0 до 1 ммоль/л получали на образцах из горизонтов Ah и Bs почв Leptic Podzol, из горизонта Bg почвы Distric Gleysol, из горизонта Ah почвы Orthic Podzol, и из горизонта Bws почвы Orthic Acrysol. Изотермы хорошо описывались уравнением Ленгмюра, максимальная адсорбция снижалась в ряду: оксалат > цитрат > малат; ацетат почвами практически не сорбировался [61]. Аналогичные результаты в отношении оксалата и цитрата получены при изучении сорбции этих анионов на образцах из горизонтов О, Ае и В почвы Dystric Brunisol в Канаде под лесом из Picea mariana с лишайниковым покровом. Наибольшие значения максимальной адсорбции, рассчитанные по уравнению Ленгмюра, наблюдались в органогенных горизонтах (6–8 и 2–3 мкмоль/г для оксалата и цитрата соответственно), в горизонтах Ае они резко уменьшались (0.07 и 0.02 мкмоль/г) и вновь увеличивались в горизонтах В (1.24 и 0.26 мкмоль/г) [42].

Значение максимальной адсорбции, рассчитанное по уравнению Ленгмюра, для образца моллисоли составило 886 мг/кг, что было значительно выше соответствующих величин для образцов алтисоли и алфисоли [58].

Влияние возраста и состава исходной почвообразующей породы на содержание и сорбцию оксалата и цитрата оценивали для верхнего минерального горизонта сподосоли на третичных отложениях и инсептисоли на четвертичных осадках, развитых под дождевыми тропическими лесами в Малайзии. Изотермы сорбции удовлетворительно описывались уравнением Ленгмюра. Содержание этих анионов в почвенных растворах и способность почвы к их сорбции оказались существенно выше в инсептисоли на четвертичных осадках, чем в сподосоли на третичных отложениях за счет большего содержания несиликатных соединений Fe и Al и аморфных алюмосиликатов. Это подтверждают рассчитанные по уравнению Ленгмюра значения максимальной адсорбции в отношении оксалата и цитрата, которые составили 0.89 и 0.46 мкмоль/г соответственно в сподосоли, и 4.63 и 1.34 мкмоль/г в инсептисоли [41].

Таким образом, из анионов широко распространенных алифатических НМОК в наибольшей степени сорбируется оксалат, в несколько меньшей степени – цитрат. Изотермы сорбции аппроксимируются уравнением Ленгмюра. Количество адсорбированных анионов возрастает с уменьшением рН и с увеличением содержания в почвах несиликатных соединений Fe и Al и аморфных алюмосиликатов. При сорбции анионов НМОК на минералах оксидов/гидроксидов Fe и Al и, возможно, на алюминольной поверхности каолинита закрепление анионов происходит путем образования внутрисферных моноядерных бидентатных поверхностных комплексов.

Сорбция ароматических НМОК на почвенных образцах. Сорбцию ароматических НМОК (салициловой и фталевой кислот) изучали на оксисолях и алтисолях [69] и на ферросолях и акрисолях [109]. В интервале рН 3.4–4.9 значения рН слабо влияют на сорбцию, поскольку поверхность оксидов/гидроксидов Fe и Al остается положительно заряженной. Фталевая кислота адсорбируется в большей мере, чем салициловая, поскольку она обладает двумя реакционноспособными функциональными группами. Сорбция кислот снижает ξ-потенциал, за счет возрастания отрицательного заряда и/или снижения положительного заряда. Основным компонентом твердой фазы, на котором происходит адсорбция ароматических кислот, являются минералы оксидов/гидроксидов Fe. После удаления несиликатного Fe сорбция кислот существенно уменьшается, и ξ-потенциал при сорбции не изменяется.

Сорбция салициловой кислоты в камбисолях постепенно снижалась с повышением рН, а в феррасолях кривая имела форму колокола за счет развития отрицательного заряда на оксидах/гидроксидах Fe при увеличении рН > 6 [35]. Коэффициенты распределения измерялись единицами и десятками л/кг в камбисолях и возрастали на 1–2 порядка в феррасолях за счет высокого содержания оксидов/гидроксидов Fe. Основными механизмами сорбции был лигандный обмен и мостиковая связь через катионы.

Сорбция ароматических кислот может снижать их аллелопатический эффект. Показано, что благодаря сорбции на твердой фазе бензойная кислота, добавленная в вегетационные сосуды в концентрации до 20 ppm, не оказывает аллелопатического воздействия на развитие огурцов (Cucumis sativus var Marketmore 76) и редиса (Raphanus sativus var Crimson giant). Изотерма сорбции бензойной кислоты на садовой почве Индии хорошо описывалась уравнением Фрейндлиха [59].

БИОДЕГРАДАЦИЯ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ АЛИФАТИЧЕСКИХ КИСЛОТ В ПОЧВАХ

Наиболее эффективным методом определения скорости биодеградации НМОК является использование ¹⁴С, который вводят в препараты низкомолекулярных кислот перед внесением их в почвы. Через заданные промежутки времени определяют содержание ¹⁴С в различных компонентах системы: в микробной биомассе, растворе, адсорбированном состоянии в твердой фазе и в выделившемся СО₂, по количеству которого рассчитывают скорость минерализации и константу уравнения Михаэлиса–Ментен. Ниже изложены результаты опытов, проведенных по такой схеме на образцах разных почв с использованием меченых оксалата, цитрата, ацетата и некоторых других анионов алифатических НМОК.

В ареносолях Швеции и подзоле Великобритании под лесами с преобладанием Picea abies и Pinus sylvestris максимальная скорость разложения цитрата, оксалата и ацетата наблюдалась в верхних горизонтах, где она варьировала по почвам и горизонтам от 1 до 340 нмоль/(г ч). За 7 дней разложилось 99% от внесенных меченых оксалата и цитрата и 95% от внесенного ацетата [98]. В образцах из горизонтов О, Ае и В почвы Dystric Brunisol, развитой в условиях лесотундрового ландшафта в Канаде под лесом из Picea mariana с лишайниковым покровом, внесенные оксалат и цитрат в верхнем минеральном горизонте минерализуются очень быстро, среднее время их пребывания в почве составило от 0.5 до 2.7 ч [42]. В сподосолях, развитых под дождевыми лесами в Малайзии, скорости биодеградации оксалата и цитрата в ризосфере деревьев семейства Podocarpaceae были равны соответственно 6 и 8 нмоль/(г ч). Во вмещающей почве они были на порядок меньше для оксалата и на полпорядка – для цитрата. Учитывая, что рассчитанные значения константы Михаэлиса–Ментен и для цитрата, и для оксалата (соответственно 685 и 775 мкмоль в ризосфере) существенно превышают их концентрацию в почвенных растворах, делается вывод, что скорость минерализации скорее ограничивается недостатком усвояемого субстрата, чем способностью микробного сообщества к биоразложению [42].

Кинетику биодеградации оксалата изучали в модельном опыте на образце горизонта Е подзола, на котором выращивали сеянец Picea abies в присутствии и отсутствии эктомикоризного гриба Paxillus involutus. Установлено, что присутствие эктомикоризы увеличивает скорость разложения оксалата. Концентрация оксалата в растворе коррелирует с длиной гиф гриба и со способностью микроорганизмов к биоразложению оксалатов [98].

При внесении меченого ацетата в образец пахотного горизонта почвы Haplic Luvisol в количестве 100 мкмоль через 300 мин после начала эксперимента в стерильных условиях 18% внесенного ацетата адсорбировалось, а 82% осталось в растворе. В нестерильных условиях адсорбировалось 5.9%, осталось в растворе 15.5%, перешло в микробную биомассу 23.4% и разложилось до СО₂ 55.2%. Период полуразложения ацетата составлял первые минуты, что можно объяснить очень низкими концентрациями ацетата в условиях эксперимента и тем, что ацетат – анион одноосновной кислоты, поэтому его сорбция меньше влияет на скорость разложения, чем для анионов многоосновных НМОК [39].

НЕКОТОРЫЕ ФУНКЦИИ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ КИСЛОТ В ПОЧВАХ

Функции НМОК в почвах и в ландшафтах разнообразны и играют большую роль в функционировании экосистем, особенно в условиях гумидных ландшафтов. В рамках статьи можно отразить существующую обширную информацию только по некоторым аспектам этой проблемы.

Роль НМОК в миграции Fe и Al в почвах. В цитированных выше работах И.С. Кауричева и его школы [3–6, 12–14] экспериментально показана роль водорастворимого органического вещества вообще и алифатических НМОК в частности в миграции Al и Fe в подзолистых и болотно-подзолистых почвах и в ландшафтах подзолистой зоны.

В более поздних исследованиях, выполненных с использованием современных методов, установлено, что на долю связанных в комплексы с анионами алифатических НМОК, в органогенных горизонтах подзолов приходится 40 и 20% Al и Fe соответственно [95]. Термодинамические расчеты показали, что активность Al³⁺ в растворе лучше всего описывается равновесиями с участием растворенных органических кислот. В соответствии с разработанной термодинамической моделью в реакциях образования комплексов Al с анионами алифатических НМОК в горизонтах О и Е подзолов основную роль играет лимонная кислота, а в горизонтах В – щавелевая кислота [95–97].

Участие алифатических НМОК в цикле углерода. Несмотря на низкие концентрации алифатических НМОК в почвенных растворах, эти соединения активно участвуют в цикле углерода. Благодаря короткому времени жизни и постоянному поступлению в почву, на долю низкомолекулярных соединений, включая алифатические НМОК, аминокислоты и моносахариды, в лесных экосистемах может приходиться до 30% общей эмиссии СО₂ [102]. Если принять, что эти три основные группы низкомолекулярных соединений присутствуют в растворах в соизмеримых пропорциях [60], получаем, что вклад алифатических НМОК в эмиссию СО₂ измеряется целыми процентами.

Определенную роль в цикле углерода играют также НМОК, сорбированные твердой фазой почвы. Как было отмечено, процессы сорбции анионов НМОК наиболее активно происходят в горизонтах почв, обогащенных несиликатными соединениями Fe и Al и аморфными алюмосиликатами. В них содержание анионов отдельных НМОК в адсорбированной форме может составлять до 50 мкмоль/кг [91], а на чистом ферригидрите – возрастать до 180 нмоль/мкмоль минерала [61].

Особой формой иммобилизации органического С является образования оксалатов Са (уевеллита и уеделлита), которые характеризуются низкой растворимостью и поэтому накапливаются в верхних горизонтах почв. Источником Са служит разлагающееся органическое вещество, а источником оксалата – чаще всего эктомикоризные грибы. В местах скопления мицелия одного из таких грибов рода Hysterangium было зарегистрировано содержание оксалатов Са в верхних горизонтах почвы, равное 82 г/м² [32]. Такое большое количество оксалатов Са наблюдается не повсеместно, а в отдельных локусах в “hot spots” – местах, где по тем или иным причинам биохимические процессы идут со значительно большей интенсивностью, чем в окружающей почве [67].

Роль алифатических и ароматических НМОК в выветривании минералов. Алифатические НМОК являются одним из основных факторов растворения минералов в почвах, имеющих кислую реакцию, поскольку они обеспечивают возможность образования на поверхности минералов протонированных комплексов и комплексов с участием органических лигандов, которые поляризуют и ослабляют связи металла с остальными ионам кристаллической решетке. Образование таких комплексов с последующим переходом в раствор ионов металлов в окружении молекул воды или лигандов рассматривается в настоящее время как основной механизм растворения труднорастворимых минералов. При этом концентрация комплексов на поверхности признается главным фактором, контролирующим скорость растворения [43, 44, 87, 88]. Эти теоретические представления нашли многочисленные экспериментальные подтверждения в опытах по растворению разных минералов с участием НМОК.

В 0.01 М растворах лимонной, винной, салициловой и таниновой кислот скорость растворения основных породообразующих минералов возрастала в разы, а по некоторым элементам – на порядки величин по сравнению со скоростью растворения в дистиллированной воде [54, 55]. При введении в систему цитрата скорость растворения кварца увеличилась с 10^–15.72 моль/(м² с) в чистой воде до 10^–14.95 моль/(м² с) [22, 23]. Скорости растворения альбита [108] и каолинита [29] при прочих равных условиях возрастали на порядок при введении в систему оксалата. Под действием вытяжки из кислого торфянистого горизонта, содержащей большой набор алифатических НМОК и шикимовую кислоту, существенно возрастала скорость растворения микроклина и лабрадорита [99]. По данным [84] под влиянием щавелевой и лимонной кислот в концентрации 0.01 М последовательность освобождения калия из К-содержащих минералов (фракция 20–50 мкм) имела вид: биотит > микроклин = ортоклаз > мусковит. При этом из слоистых силикатов в большей мере освобождались октаэдрические катионы, в меньшей степени калий, и в наименьшей степени – Si. Выветривание и растворение триоктаэдрических слюд под влиянием различных эктомикоризных грибов, микромицетов и ряда бактерий существенно интенсифицируются именно благодаря поступлению в систему НМОК, среди которых преобладает щавелевая кислота [19, 68, 78, 79, 106].

Многие НМОК оказывают более сильное растворяющее действие на минералы по сравнению с минеральными кислотами с такими же значениями рН. Этот эффект проявляется в большей степени для минералов мафической группы по сравнению с калиевыми и натриевыми полевыми шпатами [81]. Гумусовые кислоты значительно менее активны в процессах растворения минералов по сравнению со многими НМОК за счет образования на минеральной поверхности устойчивых полиядерных поверхностных комплексов. Прямой эксперимент показал, что при прочих равных условиях растворение γ-Al₂O₃ происходило в несколько раз быстрее под влиянием экссудатов эктомикоризных грибов, чем под действием ГК [76].

Роль алифатических НМОК в увеличении доступности элементов питания. Усиление растворения минералов приводит к освобождению из них и переходу в раствор элементов питания растений. В рассмотренных выше опытах с триоктаэдрическими слюдами из минералов освобождались и становились доступными для растений важнейшие элементы питания: К и Mg [19, 68, 78, 79, 106].

Роль НМОК очень велика в обеспечении растений усвояемыми соединениями фосфора, дефицит которого в большинстве почв связан с тем, что фосфаты образуют в почвах труднорастворимые соединения или прочно адсорбируются на поверхности почвенных частиц и агрегатов. Установлено, что для ряда видов растений, в том числе и для определенных сортов сельскохозяйственных культур, в условиях дефицита Р в цитозоле корней накапливаются НМОК. Соответственно, в корневых экссудатах наблюдается увеличение в несколько раз концентрации алифатических НМОК, особенно малата и цитрата [52], и усиливается растворение минералов – носителей Р. В экссудатах увеличивается также содержание и активность фосфатазы, необходимой для перевода органических соединений фосфора в усвояемую форму [60].

Экспериментально установлено, что оксалат может успешно конкурировать с фосфатом за сорбционные центры на иллювиальных горизонтах сподосолей, обогащенных оксидами-гидроксидами Fe и Al и аморфными алюмосиликатами, что приводит к уменьшению сорбции фосфата в присутствии оксалата [25]. Сорбция фосфатазы на гетите, каолините и илистых фракциях из алфисоли и оксисоли снижается в присутствии фосфатов и некоторых алифатических НМОК. По способности уменьшать сорбцию этого фермента анионы образуют ряд: фосфат > тартрат > > оксалат > ацетат [53].

Сорбция цитрата на образцах лювисоли, хромик камбисоли и феррасоли может, как увеличивать, так и уменьшать усвояемость фосфатов за счет действия двух разных механизмов [36]. Первый из них хорошо известен и заключается в конкуренции этих двух анионов за сорбционные центры, он в наибольшей степени проявляется в ферросолях с высоким содержанием гетита, в результате чего содержание усвояемых фосфатов в присутствии цитрата увеличивается. Второй механизм осуществляется на иллитах и в меньшей мере на смектитах в лювисолях и камбисолях и заключается в следующем. Сорбция цитрата на 2 : 1 минералах приводит к появлению на поверхности небольшого отрицательного заряда, что усиливает поглощение Са²⁺, а сорбция Са²⁺, в свою очередь, вызывает дополнительную сорбцию фосфата за счет электростатического взаимодействия. В результате содержание усвояемых фосфатов снижается [36].

Еще одна важная функция алифатических НМОК заключается в увеличении содержания усвояемых соединений Fe в почвах при его дефиците. В корнях, листьях и других частях многих растений в условиях дефицита Fe значительно возрастает концентрация алифатических НМОК, особенно цитрата и малата и активизируется ферри-хелат-редуктаза. В результате происходят изменения в физиологических процессах в растениях, связанных с циклом Fe, и возрастает поток алифатических НМОК в окружающую среду [15, 60]. Под влиянием НМОК увеличивается мобилизация соединений Fe и его усвояемость. Указанные механизмы играют особенно большую роль в карбонатных почвах, на которых растения часто заболевают хлорозом из-за недостатка Fe.

Некоторые экологические функции НМОК. Выявлена значимая корреляция между содержанием алифатических НМОК в почвах и высотой и диаметром стволов деревьев. Это можно объяснить тем, что НМОК, поступающие с экссудатами корней (щавелевая, винная и сукциновая), способны деполимеризовать высокомолекулярные гумусовые вещества, и при деполиконденсации освобождаются и становятся активными гормоны роста [74, 80].

Несмотря на то, что на долю алифатических НМОК в органогенных горизонтах приходится не более 10% от общего содержания водорастворимого углерода [86], они играют большую роль в формировании кислотно-основной буферности и кислот-нейтрализующей способности почвенных растворов.

Буферность к кислоте НМОК в 5 раз превышает этот показатель для основной части водорастворимого органического вещества, что связано с большим количеством функциональных групп в расчете на 1 г углерода, чем свойственно высокомолекулярным гумусовым кислотам, и широким спектром значений рКа. По данным титрования выделяются три диапазона значений рКа алифатических НМОК: 2.5–3, 3.5–4.5 и 5.5–6.0, и в целом эти кислоты способны обеспечить до 14% буферности к кислоте почвенных растворов в подзолистых почвах [24].

Алифатические НМОК могут быть важным фактором детоксикации при повышении концентрации Al, Fe, Mn и некоторых других металлов в почвенном растворе до токсичного уровня за счет образования прочных комплексных соединений c металлами [46, 60].

В обзоре Барсело [20] отмечено, что при достижении порога токсичной концентрации Al в растворе во многих видах растений начинает действовать защитный механизм, который заключается в увеличении концентрации НМОК как в самом растении, так и в корневых экссудатах. За счет образования прочных комплексов анионов НМОК с Al и в растении, и в растворе, его токсичное действие уменьшается, что подтверждается результатами многих экспериментов. В условиях модельного вегетационного опыта концентрация цитрата и малата в экссудатах корней Lupinus albus L. возрастает в разы по сравнению с контролем уже через 2 ч после добавления нитрата Al в раствор в концентрации 100 мкмоль/л [93]. В другом модельном вегетационном опыте было показано, что в условиях высокой концентрации Al в растворе добавление в систему салициловой кислоты вызывает повышение концентрации лимонной кислоты в экссудатах корней Glycine max L., что снижает токсичное действие Al [71]. В экспериментах в ризобоксах состав и концентрация НМОК в экссудатах корней двух разных сортов соевых бобов существенно изменялись в зависимости от чувствительности сорта к Al и от стадии развития растения. Сумма НМОК в экссудатах во все периоды была достоверно больше для сорта, толерантного к Al, чем для сорта, чувствительного к Al. На стадии проростков среди НМОК преобладали сукциновая и винная кислоты, на стадии цветения – молочная и щавелевая, на стадии образования стручков – сукциновая и молочная [110]. Таким образом, образование и выделение алифатических НМОК с корневыми экссудатами является одним из механизмов, обеспечивающих толерантность растений к Al.

НМОК оказывают влияние на поведение в почвах некоторых органических поллютантов. В модельном опыте образцы почв Paleudalt и Typic Paleudalf, искусственно загрязненные фенантреном и пиреном, инкубировали в стерильных и нестерильных условиях с лимонной и щавелевой кислотами в разных концентрациях в течение разных промежутков времени до двух месяцев. После окончания инкубирования содержание полиароматических углеводородов (ПАУ) определяли в бутаноловой вытяжке. Количество фенантрена и пирена, извлекаемых бутанолом, повышалось в обеих почвах с увеличением количества добавленных НМОК, и этот эффект в большей степени проявлялся при добавлении лимонной кислоты [70].

Аналогичный модельный опыт проводили на образцах болотных отложений мангровых зарослей в окрестностях Гонконга. Образцы, искусственно загрязненные трех-, четырех- и пятичленными ПАУ в разных дозах, инкубировали с малеиновой, сукциновой, молочной, яблочной, лимонной и глютаровой кислотами, внесенными в разных количествах. В одном варианте опыта растения отсутствовали, в другом – на исследуемых образцах выращивали виды растений, типичные для мангровых ландшафтов: K. obovata Sheue, Bruguiera gymnorrhiza (L.) Poir и Avicennia marina (Forsk.) Vierh. После окончания опыта определяли содержание экстрагируемых ПАУ и активность дегидрогеназы. Установлено, что влияние НМОК на подвижность ПАУ были разным для разных видов растений, но, в целом, внесение НМОК, особенно сукциновой и молочной кислот, приводило к увеличению подвижности ПАУ и их удалению из загрязненных отложений. Под влиянием НМОК возрастала активность дегидрогеназы, что также способствовало уменьшению загрязнения отложений [105].

В присутствии оксалата увеличивается десорбция DDT из почв, что было экспериментально подтверждено результатами модельных опытов на образцах алтисолей, моллисолей, алфисолей и алтисолей Китая. При этом аналогичное десорбирующее действие оказывали экссудаты корней кукурузы, пшеницы и райграса, содержащие различные НМОК [72].

Результаты рассмотренных модельных опытов могут быть использованы при разработке приемов фиторемедиации.