vestibИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия биологических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Biological Series1029-89402524-230XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1029-8940-2018-63-2-209-221vestib-365Research ArticleСтатьиКОНФОРМАЦИОННЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ СУПРАСТРУКТУРЫ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ЧЕРНОЗЕМА ТИПИЧНОГО В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫCONFORMATIONAL RESTRUCTURES OF SUPERSTRUCTURE OF HUMIC ACIDS OF CHERNOZEM TYPICAL IN DEPENDENCE BY SOIL TILLAGEСкрыльникЕ. В.SkrylnikE. V.

д-р с.-х. наук, заведующий лабораторией

D. Sc. (Agricult.), Head of the Laboratory

orgminlab@gmail.comШевченкоН. В.ShevchenkoN. V.

д-р с.-х. наук, заведующий кафедрой

D. Sc. (Agricult.), Head of the Department

ПопирныйМ. А.PopirnyM. A.

мл. науч. сотрудник

Researcher

max.popirny@gmail.comНиколовО. Т.NikolovO. T.

канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотрудник

Ph. D. (Phys. аnd Math.), Leading researcher

Национальный научный центр «Институт почвоведения и агрохимии имени А. Н. Соколовского», ХарьковNational Scientific Center “O. N. Sokolovsky Institute for Soil Science and Agrochemistry Research”, KharkivХарьковский национальный аграрный университет им. В. В. Докучаева, ХарьковKharkiv National Agrarian University named after V. V. Dokuchayev, KharkivХарьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, ХарьковV. N. KarazinKharkiv National University, Kharkiv201821052018632209221Copyright © Скрыльник Е.В., Шевченко Н.В., Попирный М.А., Николов О.Т., 20182018Скрыльник Е.В., Шевченко Н.В., Попирный М.А., Николов О.Т.Skrylnik E.V., Shevchenko N.V., Popirny M.A., Nikolov O.T.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestibio.belnauka.by/jour/article/view/365

С помощью физико-химических методов изучено влияние способов обработки чернозема типичного на состояние воды и перестройку межмолекулярных связей, т. е. на супраструктуру гуминовых кислот (ГК). Установлено, что ГК, экстрагированные из почвы залежи, ввиду наличия участков с гидрофобными и гидрофильными доменами гетерогенны по составу, что обусловлено сбалансированным функционированием сопряженных процессов накопления и распада органического вещества почвы (ОВП). В то же время обработка чернозема вызывает потери ОВП. Обнаружено, что после вспашки из-за увеличения биодеградации ОВП содержание фульвокислот и количество свободной воды, а также число гидроксильных и карбоксильных групп ГК повышаются, способствуя увеличению лабильности ОВП и высвобождению питательных веществ. Установлено, что после вспашки чернозема типичного отмечается конформационная перестройка межмолекулярных взаимодействий в супраструктуре ГК, вызванная гидрофильной гидратацией. Координируемые свободными диполями воды полярные структурные элементы с доступными карбоксильными группами стабилизируют новую конформацию ГК преимущественно за счет водородных связей. Показано, что при 9-летнем использовании No till из-за большего содержания неполярных ароматических структур и меньшего – доступных полярных гидрофильных структур количество свободной воды уменьшается. Это обусловливает стабилизацию конформации супраструктуры ГК за счет гидрофобных сил, что определяет накопление труднодеградируемого консервативного ОВП. С помощью трансмиссионного электронного микроскопа установлено наличие в ГК, экстрагируемых из почвы после вспашки, частиц меньшего размера, чем в ГК, экстрагируемых из почвы после No till, что связано с отличием в молекулярной организации их гуминовой супраструктуры.

The physicochemical methods have been used to study the effect of soil tillage of typical black soil for the state of water and the restructuring of intermolecular bonds that determine the of the superstructure of humic acids (HA). It have been established that the HA of the virgin soil is more heterogeneous in composition, due to the presence of hydrophobic and hydrophilic domains, that is due to the equilibrium of the conjugated processes of accumulation and decomposition of soil organic matter (SOM), while tillage of typical black soil caused losses of SOM. It was found that plowing increases the content of fulvic acids and the amount of free water and hydroxyl and carboxyl groups of HA, due to the increase the biodegradation of SOM, which promotes the labile SOM and release of more nutrients. It have been established that plowing of typical black soil leads to conformational rearrangement of intermolecular interactions in the superstructure of HA by hydrophilic hydration. Polar structural elements coordinated by free water dipoles with accessible carboxyl groups. They stabilized the new conformation of HA mainly by hydrogen bonds. It has been shown that the 9-year use of No till leads to a decrease in free water, due to the greater availability of non-polar aromatic structures, and to the reduction of unavailable hydrophilic components, which causes the conformation of the superstructure of HA to stabilize mainly by hydrophobic forces, which causes the accumulation of a hard-to-degradable conservative SOM. Transmission electron microscopy (TEM) have been revealed the presence of smaller particles in the HA samples, in contrast to the sample of HA by No till, which is due to the difference in the molecular organization of their humic superstructures.

 

обработка почвысупраструктура ГКсвободная водагидрофобно-гидрофильные структурыперестройка межмолекулярных взаимодействийконформационная перестройкагидроксильные и карбоксильные группыsoil tillagesuperstructure of HAfree waterhydrophobic-hydrophilic structuresrestructuring of intermolecular interactionsconformational rebuldinghydroxylcarboxyl groupsReferencesСкрильник, Є. В. Вплив систем обробітку та удобрення на гумусовий стан і вміст поживних речовин у чорноземі типовому/ Є. В. Скрильник, О. С. Перебиковська, В. П. Москаленко // Агрохімія і ґрунтознавство : міжвідом. темат. наук. зб. / Нац. Наук. центр «Ін-т грунтознавства та агрохімії ім. О.Н.Соколовського». – Харків, 2008. – Вип. 68. – С. 90–94.Skril’nik E. V., Perebikovs’ka O. S., Moskalenko V. P. Influence of systems of cultivation and fertilization on the humus state and nutrient content in chernozem typical. Agrokhіmіya і gruntoznavstvo: mіzhvіdomchii tematichnii naukovii zbіrnik = AgroСhemistry and Soil Science: a collected papers. Kharkiv, 2008, Iss. 68, pp. 90–94 (in Ukrainian).Quality and dynamics of soil organic matter in a typical chernozem of Ukraine under different long-term tillage systems / Y. Kravchenko [et al.] // Canadian J. of Soil Science. – 2012. – Vol. 92, N 3. – P. 429–438.Kravchenko Y., Rogovska N., Petrenko L., Zhang X., Song C., Chen Y. Quality and dynamics of soil organic matter in a typical chernozem of Ukraine under different long-term tillage systems. Canadian Journal of Soil Science, 2012, vol. 92, no. 3, pp. 429–438. DOI: 10.4141/cjss2010-053Орлов, Д. С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации / Д. С. Орлов. – М. : Изд-во Моск. гос. ун-та, 1990. – 325 с.Orlov D. S. Soil humus acids and general theory of humification. Мoscow, Moscow State University Publ., 1990. 325 p. (in Russian).Wershaw, R. L. Molecular aggregation of humic substances / R. L. Wershaw // Soil Science. – 1999. – Vol. 164, N 11. – P. 803–813.Wershaw R. L. Molecular aggregation of humic substances. Soil Science, 1999, vol. 164, no. 11, pp. 803–813. DOI: 10.1097/00010694-199911000-00004Piccolo, A. The supramolecular structure of humic substances / A. Piccolo // Soil Science. – 2001. – Vol. 166, N 11. – P. 810–832.Piccolo A. The supramolecular structure of humic substances. Soil Science, 2001, vol. 166, no. 11, pp. 810–832. DOI: 10.1097/00010694-200111000-00007Piccolo, A. The supramolecular structure of humic substances. A novel understanding of humus chemistry and application in soil science / A. Piccolo // Advances in Agronomy. – 2002. – Vol. 75. – P. 57–134.Piccolo A. The supramolecular structure of humic substances. A novel understanding of humus chemistry and application in soil science. Advances in Agronomy, 2002, vol. 75, pp. 57–134. DOI: 10.1016/S0065-2113(02)75003-7Yonebayashi, K. Surface active properties of soil humic acids / K. Yonebayashi, T. Hattori // Science of the Total Environment. – 1987. – Vol. 62. – P. 55–64.Yonebayashi K., Hattori T. Surface active properties of soil humic acids. Science of the Total Environment, 1987, vol. 62, pp. 55–64. DOI: 10.1016/0048-9697(87)90481-5Милановский, Е. Ю. Амфифильные компоненты гумусовых веществ почв / Е. Ю. Милановский // Почвоведение. – 2000. – № 6. – С. 706 –715.Milanovskii E. Yu. Amphiphilous Components of Soil Humic Substances. Eurasian Soil Science, 2000, vol. 33, no. 6, pp. 617–625.Nebbioso, A. Advances in Humeomic: enhanced structural identification of humic molecules after size fractionation of a soil humic acid / A. Nebbioso, A. Piccolo // Analytica Chimica Acta. – 2012. – Vol. 720. – P. 77–90.Nebbioso A., Piccolo A. Advances in Humeomic: enhanced structural identification of humic molecules after size fractionation of a soil humic acid. Analytica Chimica Acta, 2012, vol. 720, pp. 77–90. DOI: 10.1016/j.aca.2012.01.027Conformational changes of dissolved humic and fulvic superstructures with progressive iron complexation / A. Nuzzo [et al.] // J. of Geochemical Exploration. – 2013. – Vol. 129. – P. 1–5.Nuzzo A., Sánchez A., Fontaine B., Piccolo A. Conformational changes of dissolved humic and fulvic superstructures with progressive iron complexation. Journal of Geochemical Exploration, 2013, vol. 129, pp. 1–5. DOI: 10.1016/j. gexplo.2013.01.010Овчинникова, М. Ф. Признаки и механизмы агрогенной трансформации гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы / М. Ф. Овчинникова // Агрохимия. – 2012. – № 1. – С. 3–13.Ovchinnikova M. F. Attributes and mechanism of the agrogenic transformation of humic substances in soddypodzolic soil. Agrokhimiya [Agrochemistry], 2012, no. 1, pp. 3–13 (in Russian).Цапко, Ю. Л. Дискусійні проблеми гумусу / Ю. Л. Цапко // Ґрунтознавство. – 2015. – Т. 16, № 3–4. – С. 83–89.Tsapko Yu. L. Discussion problems of humus nature. Gruntoznavstvo [Soil Science], 2015, vol. 16, no. 3–4, pp. 83–89 (in Ukrainian).Феноменология функциональных структурных моделей природных гумусовых и синтезированных гуминоподобных веществ / В. И. Ионенко [и др.] // Сибир. вестн. с.-х. науки. – 1988. – № 5. – С. 91–104.Ionenko V. I., Golovachev E. A., Sukacheva O. I., Kotlyarenko I. P., Beskrovnyi A. M. Phenomenology of functional structural models of natural humus and synthesized humic-like substances. Sibirskii vestnik sel’skhozyaistvennoi nauki [Siberian Herald of Agricultural Science], 1988, no. 5, pp. 91–104 (in Russian).Molecular dynamics simulations of water molecule-bridges in polar domains of humic acids / A. J. A. Aquino [et al.] // Environmental Science and Technology. – 2011. – Vol. 45, N 19. – P. 8411–8419.Aquino A. J. A., Tunega D., Pašalić H., Schaumann G. E., Haberhauer G., Gerzabek M. H., Lischka H. Molecular dynamics simulations of water molecule-bridges in polar domains of humic acids. Environmental Science and Technology, 2011, vol. 45, no. 19, pp. 8411–8419. DOI: 10.1021/es201831gHydration and water holding properties of cross–linked lignite humic acids / Z. Cihlář [et al.] // Geoderma. – 2014. – Vol. 230–231. – P. 151–160.Cihlář Z., Vojtová L., Conte P., Nasir S., Kučerík J. Hydration and water holding properties of cross-linked lignite humic acids. Geoderma, 2014, vol. 230–231, pp. 151–160. DOI: 10.1016/j.geoderma.2014.04.018Медведєв, В. В. Нульовий обробіток ґрунту в європейських країнах / В. В. Медведєв. – Харків : ЕДЕНА, 2010. – 200 с.Medvedev V. V. Zero soil cultivation in European countries. Kharkiv, EDENA Publ., 2010. 200 p. (in Ukrainian).Шевченко, М. В. Ефективність мінімальних технологій обробітку ґрунту при вирощуванні зернових культур у лівобережному лісостепу / М. В. Шевченко // Корми і кормовиробництво. – 2014. – Вип. 79. – С. 56–61.Shevchenko M. V. Efficiency of the minimum tillage technologies in growing grain crops in the left-bank forest-steppe. Kormi і kormovirobnitstvo [Feed and Feed Production], 2014, iss. 79, pp. 56–61 (in Ukrainian).Якість ґрунту. Відбирання проб: ДСТУ 4287:2007. – [Чинний від 2004-30-04]. – Київ : Держспоживстандарт України, 2005. – 9 с.Soil quality. Sample selection: SSU 4287:2007 [Introduction of 2004–30–04]. Kiev, Gospotrebstandart Ukrainy, 2005. 9 p. (in Ukrainian).Якість ґрунту. Методи визначання органічної речовини: ДСТУ 4289:2004. – [Чинний від 2005-07-01]. – Київ : Держспоживстандарт України, 2005. – 14 с. – (Національний стандарт України).Quality of soil. Methods of determination of organic matter: SSU 4289:2004 [Introduction of 2005–07–01]. Kiev, Gospotrebstandart Ukrainy, 2005. 14 p. (Natsіonal’nyi standart Ukrainy) (in Ukrainian).Якість ґрунту. Визначення загального азоту в модифікації ННЦ ІГА ім. О. Н. Соколовського: ДСТУ 4726:2004. – [Чинний від 2005-07-01]. – Київ : Держспоживстандарт України, 2005. – 14 с. – (Національний стандарт України).Quality of soil. Determination of total nitrogen in the modification of the NSC IPA named after A. N. Sokolovsky: SSU 4726:2004 [Introduction of 2005–07–01]. Kiev, Gospotrebstandart Ukrainy, 2005. 14 p. (Natsіonal’nyi standart Ukrainy) (in Ukrainian).Якість ґрунту. Методи визначання доступної (лабільної) органічної речовини: ДСТУ 4732:2007. – [Чинний від 2008-01-01]. – Київ : Держспоживстандарт України, 2008. – 12 с. – (Національний стандарт України).Quality of soil. Methods for the determination of available (labile) organic matter: SSU 4732:2007 [Introduction of 2008–01–01]. Kiev, Gospotrebstandart Ukrainy, 2008. 12 p. (Natsіonal’nyi standart Ukrainy) (in Ukrainian).Якість ґрунту. Визначення групового складу гумусу за методом Тюріна у модифікації Кононової та Бєльчикової: ДСТУ 7855:2015. – [Чинний від 2016-07-01]. – Київ : Держспоживстандарт України, 2016. – 9 с. – (Національний стандарт України).Quality of soil. Determination of the group composition of humus by the method of Tyurin in the modification of Kononova and Belchikov: SSU 7855:2015 [Introduction of 2016–07–01]. Kiev, Gospotrebstandart Ukrainy, 2016. 9 p. (Natsіonal’nyi standart Ukrainy) (in Ukrainian).Якість ґрунту. Методи визначання валового фосфору і валового калію в модифікації ННЦ ІГА ім. О. Н. Соко- ловського: ДСТУ 4290:2004. – [Чинний від 2005-07-01]. – Київ : Держспоживстандарт України, 2005. – 14 с. – (Національний стандарт України).Quality of soil. Methods for determination of total phosphorus and gross potassium in the modification of the NNC IPA named after A. N. Sokolovsky: SSU 4290:2004 [Introduction of 2005–07–01]. Kiev, Gospotrebstandart Ukrainy, 2005. 14 p. (Natsіonal’nyi standart Ukrainy) (in Ukrainian).Орлов, Д. С. Практикум по химии гумуса : учеб. пособие / Д. С. Орлов, Л. А. Гришина. – М. : Изд-во Моск. гос. ун-та, 1981. – 271 с.Orlov D. S., Grishina L. O. Practical course on the chemistry of humus. Моscow, Moscow State University Publ., 1981. 272 p. (in Russian).Николов, О. Т. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости жидких диэлектриков с большими потерями / О. Т. Николов, Т. А. Жилякова // Журн. физ. химии. – 1991. – Т. 65, № 5. – С. 1417–1420.Nikolov O. T., Zhilyakova T. A. Measurement of the complex dielectric permittivity of liquid dielectrics with large losses. Zhurnal fizicheskoi khimii = Russian Journal of Physical Chemistry A, 1991, vol. 65, no. 5, pp. 1417–1420 (in Russian).Остерман, Л. А. Хроматография белков и нуклеиновых кислот / Л. А. Остерман. – М. : Наука, 1985. – 536 с.Osterman L. A. Chromatography of proteins and nucleic acids. Моscow, Nauka Publ., 1985. 536 p. (in Russian).Попірний, М. А. Вплив інтенсивності обробітку ґрунту на склад, фізичні та хімічні властивості другої фракції гумінових кислот, екстрагованих з чорнозему типового / М. А. Попірний, О. Т. Ніколов, Є. В. Скрильник // Біофіз. вісн. – 2016. – Т. 35, № 35. – С. 34–45.Popіrnу M. A., Nіkolov O. T., Skril’nik E. V. Effect of soil treatment intensity on the composition, physical and chemical properties of the second fraction of humic acids extracted from typical chernozem. Bіofіzichnii vіsnik = Biophysical Bulletin, 2016, vol. 1, no. 35, pp. 34–45 (in Ukrainian).Бахшиев, Н. Г. Введение в молекулярную спектроскопию : учеб. пособие / Н. Г. Бахшиев. – 2-е изд., испр. и доп. – Л. : Изд-во Ленингр. гос. ун-та, 1987. – 216 с.Bakhshiev N. G. Introduction to molecular spectroscopy. 2nd ed. Leningrad, Leningrad State University Publ., 1987. 216 p. (in Russian).Горбацевич, С. К. Спектроскопия межмолекулярных взаимодействий. Нелинейные эффекты / С. К. Горбацевич. – Минск : Изд-во Белорус. гос. ун-та, 2002. – 149 с.Gorbatsevich S. K. Spectroscopy of intermolecular interactions. Nonlinear effects. Minsk, Belarusian State University Publ., 2002. 149 p. (in Russian).Кудеярова, А. Ю. Приложение фундаментальных положений химии к пониманию механизмов образования и трансформации гумусовых веществ (обзор литературных и собственных экспериментальных данных) / А. Ю. Кудеярова // Почвоведение. – 2007. – № 9. – С. 1048–1063.Kudeyarova A. Yu. Application of basic chemical concepts to understanding the formation and transformation mechanisms of humic substances: A revue of publications and own experimental data. Eurasian Soil Science, 2007, vol. 40, no. 9, pp. 934–948. DOI: 10.1134/s1064229307090037Stevenson, F. J. Infrared spectra of humic acid and related substances / F. J. Stevenson, K. M. Gosh // Geochimica et Cosmochimica Acta. – 1971. – Vol. 35, N 5. – P. 471–483.Stevenson F. J., Gosh K. M. Infrared spectra of humic acid and related substances. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1971, vol. 35, no. 5, pp. 471–483. DOI: 10.1016/0016-7037(71)90044-5Piccolo, A. Infrared spectra of Cu2+, Pb2+ and Ca2+ complexes of coil humic substances / A. Piccolo, F. J. Stevenson // Geoderma. – 1982. – Vol. 27, N 3. – P. 195–208.Piccolo A., Stevenson F. J. Infrared spectra of Cu2+, Pb2+ and Ca2+ complexes of coil humic substances. Geoderma, 1982, no. 27, vol. 27, no 3, pp. 195–208. DOI: 10.1016/0016-7061(82)90030-1Supramolecular structure of humic acids by TEM with improved sample preparation and staining / M. Baalousha [et al.] // Microscopy Research and Technique. – 2005. – Vol. 66, N 6. – P. 299–306.Baalousha M., Motelica-Heino M., Galaup S., Le Coustumer P. Supramolecular structure of humic acids by TEM with improved sample preparation and staining. Microscopy Research and Technique, 2005, vol. 66, no. 6, pp. 299–306. DOI: 10.1002/jemt.20173

The authors declare that there are no conflicts of interest present.