Scientific journal

Scientific Review. Biological science

ISSN 2500-3399

ПИ №ФС77-57454

Введение

В почвах Ферганской долины, характеризовавшихся ярко выраженной вертикальной и горизонтальной зональностью, содержание свободных аминокислот оставалось малоизученным. Эти соединения являлись важным источником органического азота и чувствительно реагировали на орошение, засоление и климатические факторы. Недостаток данных о распределении и динамике аминокислот в различных почвенных зонах затруднял понимание особенностей азотного цикла и его влияния на плодородие.

Изучение аминокислотного состава почв и его роли в процессах почвообразования и продуктивности растений на протяжении последних десятилетий привлекало внимание исследователей. Актуальность данной проблематики объяснялась тем, что аминокислоты составляли значительную часть органического азота, участвовали в формировании гумуса и биогеохимическом круговороте элементов, оказывая влияние на плодородие почв и рост растений.

Впервые систематические сведения об аминокислотах в составе гумусовых веществ были получены на примере тундровых почв [1]. В условиях Узбекистана исследования сероземов Ферганской долины выявили наличие 14–20 свободных аминокислот, количественный и качественный состав которых варьировал в зависимости от степени антропогенной нагрузки и режима орошения [2; 3, с. 20; 4, c. 144]. Современные зарубежные работы показывали влияние глубины почвенного профиля и систем удобрений на распределение аминокислот и пептидов в субтропических рисовых агроценозах [5], а также роль микроорганизмов в утилизации серосодержащих аминокислот в зависимости от доступности элементов [6].

Устанавливалось, что длительное внесение органических удобрений [7] и возврат соломы [8] способствовали накоплению аминокислотного азота, улучшая азотный баланс и устойчивость агроэкосистем.

Исследования ризосферы показывали, что цистеин и метионин становились объектом конкуренции между корневыми системами растений и микробиотой [9]. Кроме того, использование аминокислотных растворов в гидропонных условиях положительно влияло на фотосинтетический аппарат и биохимический состав растений [10].

Аминокислоты играли ключевую роль в азотном цикле почв, выступая источником органического азота [11]. В северной части Ферганской долины устанавливались различия в их составе между целинными и орошаемыми сероземами [12], что связывалось с ирригационными изменениями кальцисолей [13] и проблемой вторичного засоления [14].

Таким образом, обзор литературы подтверждает, что аминокислотный состав почв зависит как от климатических и экологических условий, так и от морфологии почвенных горизонтов и характера антропогенного воздействия. Повышение содержания свободных аминокислот за счет процессов гумификации, минерализации и применения органических удобрений способствует оптимизации плодородия почв и устойчивому развитию экосистем. При этом роль отдельных D-аминокислот и механизмы их взаимодействия с растениями и микробными сообществами остаются недостаточно изученными, что определяет перспективность дальнейших исследований.

Цель исследования – выявление количественных и качественных изменений содержания аминокислот в почвах Ферганской долины в условиях вертикальной и горизонтальной зональности, а также в установлении их зависимости от генетических свойств почв, степени окультуренности, содержания гумуса и влияния ирригации.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования являлись почвы Ферганской долины, сформировавшиеся в условиях вертикальной и горизонтальной зональности. Определение свободных аминокислот проводили по методике Стивена и Коэна [15] с использованием фенилтиокарбамоильных производных. Хроматографический анализ осуществляли методом ВЭЖХ на системе Agilent 1200 с колонкой Discovery HS C18, при градиентном режиме элюирования с применением ацетатного буфера и ацетонитрила. Детектирование осуществляли при длине волны 269 нм. Для контроля качества использовался стандартный набор аминокислот (Sigma-Aldrich). Каждое определение выполняли в трехкратной повторности, что обеспечивало достоверность и воспроизводимость результатов.

Результаты исследования и их обсуждение

Органические вещества, образующиеся из остатков живых организмов, их химические процессы и биогеохимические свойства полученных органических соединений представляют собой весьма сложные процессы. Почвенные аминокислоты, сформировавшиеся в различных почвенно-климатических и природно-исторических условиях, особенно свободные аминокислоты, занимают особое место в научных исследованиях и производстве.

В настоящее время при кислотном гидролизе всегда выявляется около 20 типов аминокислот. Большинство почв, особенно богатых гумусом, содержат значительное количество углерода. Поэтому количество свободных аминокислот в них неодинаково. Различается и их состав. Подобные ситуации были зафиксированы в охраняемых и освоенных типичных и темно-серых почвах.

Количество свободных аминокислот в составе староорошаемых и новоорошаемых серо-бурых почв Узбекистана было впервые определено нами и представлено ниже (таблица).

Согласно полученным результатам, свободные, то есть все 20 аминокислот, не были выявлены во всех генетических горизонтах исследованных почв, а именно было установлено отсутствие аспарагиновой кислоты, цистеина, треонина, аргинина, метионина, гистидина и лизина. Таким образом, в настоящее время эти аминокислоты не участвуют в процессах формирования серо-бурых почв, образовавшихся в климатических условиях пустынного региона.

Кроме того, в результате гидролиза гуминовых кислот образуется ряд моносахаридов, к которым относятся глюкоза, галактоза, манноза, арабиноза, ксилоза, рибоза, фукоза и др.

Содержание гумуса, органического вещества, живых и неживых организмов в составе почвы изменяется под воздействием природных и антропогенных факторов. Эти изменения, в свою очередь, приводят к изменению количества аминокислот. В частности, под влиянием орошения почвенные процессы и преобразования в их формировании изменяются по сравнению с естественными процессами. Таким образом, происходят изменения в количестве и качестве макро- и микроэлементов в почве, растениях и особенно в овощных культурах.

В этом процессе, то есть под воздействием орошения, изменяется содержание гумуса в почве. Поскольку почва является частью биосферы, ее физическое и химическое состояние, а также почвенно-климатические условия в ней постоянно меняются. В большинстве случаев процессы гумусообразования и минерализации в почве протекают непрерывно, но с разной скоростью и в разное время. В процессах минерализации и гумусообразования органического вещества белки, аминокислоты и другие азотсодержащие органические соединения образуются как промежуточные вещества.

Одним из важнейших свойств аминокислот является их способность выступать в качестве дополнительного источника азота. Орошение изменяет естественное состояние почв, при этом существенно меняется водный режим. Формируется водный режим ирригационного типа, изменяется температурный режим, состав группы микроорганизмов и происходят изменения в продуктивности. Происходят изменения в количестве и качестве аминокислот.

Органическое вещество почвы содержит свободные и связанные аминокислоты. Эта особенность имеет большое значение в процессе почвообразования. Аминокислоты входят в состав гумуса. При разложении гумуса аминокислоты присутствуют как органические продукты.

В почвах, как правило, содержится очень малое количество свободных аминокислот. Предварительные данные показывают, что в охраняемых почвах содержание аминокислот выше, чем в орошаемых. Одной из причин этого является относительно высокая минерализация гумуса в орошаемых почвах, а также поглощение образующихся аминокислот возделываемыми растениями и их вымывание под воздействием орошения. Орошение существенно влияет на процесс естественного почвообразования, что значительно увеличивает количество энергии, затрачиваемой на этот процесс. Происходят изменения в биогеохимическом круговороте и в его количественных показателях.

Теоретически процесс трансформации органического вещества в орошаемых почвах протекает относительно интенсивно. При орошении в результате процессов гумусообразования и минерализации органического вещества ускоряется минерализация гумуса. Это состояние в большей степени соответствует начальному этапу орошения, а позднее стабилизируется. По мере продолжения орошения степень окультуренности почвы, а значит, и ее продуктивность повышаются. В результате на данном этапе аминокислоты также находятся в оптимальных количествах.

Содержание свободных аминокислот в пахотном слое или условных слоях ряда вертикально-зональных почв и бурых почв разной степени окультуренности, то есть новоорошаемых и староорошаемых, также приведено (таблица). Согласно данным таблицы, как отмечалось выше, более высокое содержание некоторых аминокислот в охраняемых почвах по сравнению с орошаемыми особенно выражено в аспарагиновой кислоте, то есть установлено, что в горных бурых почвах ее количество в 1,5 раза выше, чем в типичных орошаемых серых почвах. В исследованных орошаемых бурых почвах эта аминокислота не была обнаружена. Такая тенденция прослеживается и по остальным аминокислотам, что свидетельствует в пользу горных бурых почв.

Одной из основных причин этого является большое содержание гумуса в горных бурых почвах, преимущество процесса гумусообразования и обилие общих веществ в верхнем 0–20 см слое и др. Лишь гистидин содержится в почти одинаковом количестве как в горных бурых, так и в других почвах. Состояние глутаминовой кислоты в верхних слоях исследованных почв, то есть ее количественные показатели, близки к аспарагиновой кислоте и составляют 0,007–0,004 мг/г. Содержание серина варьирует от 0,007 до 0,06 мг/г, то есть почти в десять раз, в исследованных почвах.

Наибольшая концентрация серина выявлена в слое 0–28 см типичных новоорошаемых серых почв. Следующая по величине концентрация отмечена в новоорошаемых серо-бурых почвах, где данный показатель составляет 0,049 мг/г. Наименьшая концентрация серина зафиксирована в горных бурых и староорошаемых типичных серых почвах, а наибольшая концентрация (0,019–0,049 мг/г) – в серо-бурых почвах. Глицин также повторяет картину, наблюдаемую у серина, то есть количественные показатели несколько снижены. Такое же явление отмечается и для аспарагина. Это можно объяснить близостью свойств серина, глицина и аспарагина. Среди изученных аминокислот глутамин по количественным характеристикам уступает лишь валину.

Содержание аминокислот в горных бурых и орошаемых почвах, мг/г

Источник: составлено автором на основе полученных данных в ходе исследования.

Наименьшее значение, 0,006 мг/г, отмечено в ранее орошаемых серо-бурых почвах, тогда как в других исследованных почвах этот показатель составляет 0,083–0,097 мг/г. Цистеин, аргинин и аланин обнаружены в сходных количествах в исследованных почвах, преимущественно в пределах 0,003–0,005 мг/г. В орошаемых серо-бурых почвах количественные значения не выявлены.

Пролин выделяется среди вышеуказанных аминокислот относительно высокими количественными показателями. В горных бурых почвах его содержание составляет 0,016 мг/г, в типичных орошаемых серых почвах – 0,013–0,014 мг/г, а в серовато-бурых почвах – 0,012–0,077 мг/г. Это связано с генезисом, эволюцией и процессами трансформации данных почв.

Тирозин был обнаружен только в горных бурых почвах на уровне 0,003 мг/г, тогда как в остальных исследованных почвах тирозин не выявлен, то есть отсутствует. Среди этих аминокислот валин четко выделяется по количественным показателям, в основном колеблясь в диапазоне 0,124–0,270 мг/г. Как и ожидалось, наибольшее его количество зафиксировано в горных бурых почвах, а наименьшее – в новоорошаемых серо-бурых почвах. Метионин, гистидин, изолейцин и лейцин распределяются в исследованных почвах в сходных пропорциях, но их минимальные значения отмечены в горных бурых почвах.

Степень насыщенности аминокислотами в каждом типе почв среди исследованных образцов также различается, но находится в близких пределах. Этот показатель рассчитывается по формуле Маргалефа. Обычно он отражает разнообразие видов аминокислот и называется также индексом разнообразия. Как правило, чем выше разнообразие аминокислот, тем выше разнообразие продуктов. Согласно полученным результатам, количество аминокислот составляет 20, при этом они, разумеется, имеют разный состав и индексы.

При расчете индекса Маргалефа были выявлены следующие показатели. В частности, наибольший коэффициент соответствует новоорошаемым типичным серым почвам, при этом значение индекса составляет 8,84. Следующее место по величине занимает горная бурая почва со значением индекса 7,36. Далее следуют староорошаемые серо-бурые почвы с показателем 7,22 и новоорошаемые серо-бурые почвы с индексом 6,99. Очевидно, что наибольший показатель характерен для новоорошаемых типичных серых почв.

Изменения содержания аминокислот в почвах различных зон Ферганской долины Источник: составлено автором по результатам данного исследования

Это означает, что относительно более высокие урожаи различных видов сельскохозяйственных культур на этих почвах по сравнению с другими исследованными почвами генетически обусловлены. Если сравнить количественные показатели аминокислот в этих почвах, то данная ситуация представлена на рисунке. Согласно этим данным, горные бурые почвы характеризуются более низким содержанием большинства аминокислот по сравнению с типичными новоорошаемыми серыми почвами. Наибольшая разница наблюдается по валину и глутамину.

Если рассмотреть данную ситуацию в типичных серых почвах, которые являются новоорошаемыми и староорошаемыми, то заметен явный избыток глутамина, аланина и валина в типичных серых почвах, которые являются староорошаемыми. В староорошаемых и новоорошаемых серо-бурых почвах также наблюдается преимущество староорошаемых почв, то есть в них содержится больше серина, глицина, аланина, пролина и триптофана.

Такая разница в содержании аминокислот в почвах связана с их генезисом и степенью окультуренности, а также с количеством гумуса, и эти показатели являются одними из основных как для охраняемых, так и для орошаемых почв. В таком виде, то есть на сравнительной основе, они и представлены.

Заключение

Исследование показало, что аминокислотный состав почв Ферганской долины определяется их генетическими свойствами, степенью окультуренности и влиянием ирригации. Установлено, что распределение серина, пролина и валина отражает процессы почвообразования и эволюции почв, а выявленные различия могут служить основой для оценки плодородия и продуктивности исследованных территорий.

Анализ показал, что аминокислотный профиль почв Ферганской долины формируется под влиянием генетических свойств пород и режима орошения. В горных бурых почвах доминируют валин, триптофан и фенилаланин, тогда как в орошаемых сероземах отмечается рост содержания серина, глицина и аланина, отражающий активизацию микробиологических процессов. Староорошаемые почвы характеризуются снижением разнообразия аминокислот и накоплением отдельных соединений, что свидетельствует о деградации органического пула и адаптационных реакциях к засолению. Таким образом, орошение и минералогический состав субстрата определяют биогеохимический потенциал и экологическую устойчивость почв региона.