Размещено на http://www.allbest.ru/

Воронежский государственный университет

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Институт фундаментальных проблем биологии РАН

Методологический подход к оценке естественного изотопного фракционирования углерода при «прайминг-эффекте» из почвы

Демин Д.В, Ююкина Т.В., Благодатская Е.В.

Сущность «прайминг-эффекта» состоит в следующем: кроме прямого вклада в общий поток СО₂ из почвы (корневое дыхание и дыхание микроорганизмов при разложении экссудатов), растения могут оказывать также косвенное воздействие на круговорот органических веществ в почве [Кузяков 2001: 38]. Поскольку корневые выделения являются легкодоступным источником углерода для микроорганизмов, активность и количество последних в ризосфере существенно выше, чем в, свободной от корней почве.

Повышенная активность и количество микроорганизмов в ризосфере ускоряют разложение гумуса, если им необходима дополнительная мобилизация питательных веществ из органического вещества почвы, в частности, азота, или замедляют его разложение в условиях конкуренции микроорганизмов с растениями за ограниченное количество питательных веществ. Такие кратковременные изменения в скорости оборота органического вещества почвы относятся к явлениям «прайминг-эффектов».

Недостаток знаний в области изучения поступления углерода в почву с подземными органами растений и процессов его дальнейшей трансформации в значительной степени обусловлен методическими трудностями: корневые выделения и отмершие остатки корней очень быстро разлагаются микроорганизмами до CO₂, который выделяется из почвы совместно с СО₂, образующимся при разложении гумусовых веществ почвы и дыхании корней.

Разделение этих составляющих потока СО₂ из почвы, а также большая скорость и комплексность процессов и представляют основную сложность при определении компонентов круговорота углерода в системе атмосфера - растение - почва.

Эти проблемы позволяет решить применение изотопно-индикаторного метода. Метод уже давно применяется для количественного изучения транслокации С в почву растениями. Преимущества его заключаются в большей полноте учета всех компонентов, участвующих в цикле углерода в системе почва - растение - атмосфера. Изотопно-индикаторный метод позволяет, в частности, определить происхождение выделяющегося из почвы газа путем разделения общего потока СО₂ из почвы на СО₂, образующийся при разложении гумусовых веществ почвы и за счет ризосферного дыхания. Так, на основании экспериментов с применением изотопов было показано, что ассимилированный С не только используется для построения корней, но и выделяется как СО₂ в процессе дыхания корней, а также выделяется в ризосферу в значительных количествах в виде низкомолекулярных и высокомолекулярных органических соединений (в среднем 10-14% ассимилированного С). транслокация углерод почва растение

В экспериментах обычно применяют два типа мечения растений [Синякина С. В. 2002: 1467]. В последнее время был предложен метод определения транслокации С растениями, а также разделения общего почвенного дыхания на СО₂ ризосферы и собственно гумусовых веществ, основанный на естественном фракционировании изотопа ¹³С растениями при фотосинтезе. Из-за различной изотопной дискриминации СО₂ ферментами рубиско (С₃ растения) и фосфоенолпируваткарбоксилазы (С₄ растения), растения с С₃ фотосинтезом более обеднены ¹³С (¹³С ~ -27 ‰). Растения с С₄ фотосинтезом имеют (¹³С ~ -12 ‰ (обзоры по ¹³С). ¹³С органического вещества почвы, образованного из остатков растений, соответствует ¹³С типа растительности. Изотопные эффекты при гумификации незначительны (¹³С = 1-3 ‰) или отсутствуют. Метод раздельного определения вклада гумуса и растительности в поток СО₂ из почвы основан на выращивании растений С₃ (например, пшеницы) на почве, исходно возникшей под растительностью типа С₄ (например, в саванне) и на измерении ¹³С выделяющегося из почвы СО₂ [1, 2].

Подготовка почвенных образцов к анализу на масс-спектрометре. Первым этапом является инкубация почвенных образцов. Для этого собирают установку (рис. 1): ряд силиконовых шлангов соединяет последовательно «гребенку», инкубационные колбы с почвой, дефлегматоры, пробирки для дополнительного очищения воздуха.

В каждый дефлегматор и пробирку для дополнительного очищения воздуха наливают 15 мл 1 н NaOH.

Через установку пропускают воздух под давлением. Воздух проходит в канистру с NaOH. При этом он очищается от атмосферного СО₂. Далее по «гребенке» воздух попадает в инкубационные колбы с почвой и смешивается с выделяющимся из инкубируемых почвенных образцов ¹³СО₂. Затем смесь газов следует в дефлегматоры с NaOH. Выделившийся почвенными образцами ¹³СО₂ поглощается титрованным раствором щелочи, при этом ¹³СО₂ переходит в ¹³CO₃^2-.

СО₂ + 2 NaOH > Na₂ CO₃ + H₂O

Для дополнительной очистки ставятся пробирки с NaOH, соединенные с дефлегматорами. Скорость поступления СО₂ в дефлегматоры регулируется металлическими зажимами, помещенными на силиконовые шланги. Для получения наиболее точных данных скорость поступления СО₂ во все дефлегматоры должна быть одинакова. Опыт проводят в течение 2-х дней.

Рисунок 1. Инкубация образцов почвы

Параллельно ставится установка для подготовки почвенного CO₂ для анализа на ¹³С: «гребенка» силиконовыми шлангами соединена с колбами Тумберга, помещенными на штатив (рис. 2). Колбы Тумберга наполняют 1 н HCl, добавляют индикатор фенолфталеин. В нижнюю часть колбы Тумберга приливают BaCl₂ в объеме 0,5 мл. В гребенку наливают NaOH для очищения содержимого колб Тумберга от СО₂. Обе установки оставляют на двое суток. По прошествии этого времени отключают установку для инкубации почвенных образцов, металлическими зажимами пережимают силиконовые шланги, соединяющие дефлегматоры с пробирками. Трубочки обрезают. Берут шприц, вводят в трубочку дефлегматора, откручивают зажим и засасывают шприцем 2 мл раствора. Необходимо, чтобы при этом в раствор не попал воздух, содержащий СО₂ атмосферы. Оставшийся раствор сливают в пробирку для последующего титрования (определение общего дыхание). На дополнительной установке силиконовые шланги от колб Тумберга также закручивают металлическими зажимами и отрезают. В канал колбы вводят раствор из шприца в верхнюю часть колбы Тумберга. При этом, содержащийся в растворе ¹³CO₃^2-, связывается с BaCl₂ по формуле:

Na₂¹³СО₃ + BaCl₂ > Ba¹³CO₃ + 2 NaCl

Рисунок 2. Подготовка почвенного CO₂ для анализа на ¹³С

Точку эквивалентности устанавливают по выделению белого осадка BaCO₃ и по фенолфталеину - бесцветный индикатор в щелочной среде приобретет розовую окраску.

После этого, образцы почвы центрифугируют и измеряют количество ¹³С на масс- спектрометре.

Общее дыхание определяют следующим образом. Титруют раствор NaOH с адсорбированным CO₂. В бюретку наливают 0,1 н HCl (8.2 мл концентрированной HCl на 1 литр дистиллированной воды). Берут гумусовые колбочки для титрования. В них приливают 0,5 мл BaCl₂, раствор щелочи с СО₂ из пробирок (1,5 мл), добавляют индикатор - фенолфталеин. Затем титруют щелочь кислотой до появления слаборозовой окраски.

Заключение

Органическое вещество почвы - важнейшая составляющая часть почвы. Для всесторонней оценки различных его показателей используются различные методы. Классические методы позволяют оценить общее количество углерода, интерпретируя которое можно рассчитать содержание гумуса. А современные методы с использованием изотопов ¹³C позволяют понять процессы трансформации органического вещества почвы, оценить интенсивность и скорость их протекания.

Список литературы

1. Калабин Г. А. Масс-спектрометрия стабильных изотопов в контроле подлинности, качества и состояния биологических объектов / Г. А. Калабин, М. И. Токарев, Ю. С. Ходеев. (http://rec.ipoc.rsu.ru/education/Int_conf2001/p_159.htm

2. Кузяков Я. В. Изотопно-индикаторные исследования транслокации углерода растениями из атмосферы в почву. Обзор // Почвоведение. - № 1.- 2001. - С. 36-51.

3. Синякина С. В. Круговорот углерода в почве с использованием ¹⁴С в модельном эксперименте / С. В. Синякина, Я. В. Кузяков // Почвоведение. - № 12.- 2002. - С. 1458-1467.

Размещено на Allbest.ru