Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 19 июля, печатный экземпляр отправим 23 июля
Опубликовать статью

Молодой учёный

Сравнение качественного состава органических веществ серых лесных почв, извлеченных разными растворителями, методом инфракрасной спектрометрии

Научный руководитель
Экология
21.06.2024
24
Поделиться
Библиографическое описание
Штанковский, Д. А. Сравнение качественного состава органических веществ серых лесных почв, извлеченных разными растворителями, методом инфракрасной спектрометрии / Д. А. Штанковский. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2024. — № 25 (524). — С. 64-69. — URL: https://moluch.ru/archive/524/115928/.


В статье рассматриваются результаты ИК-спектрометрии органических веществ некоторых серых лесных почв Республики Татарстан .

Ключевые слова: органические вещества, поглотительная спектрометрия, серая лесная почва, почвенный раствор, вода, н-гексан, ацетон, ацетонитрил.

Органическое вещество почвы — это совокупность всех органических соединений, присутствующих в почве. К ним относятся как живые организмы (бактерии, грибы, водоросли и др.), так и продукты их жизнедеятельности (гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин и др.). Органическое вещество играет важную роль в формировании структуры и свойств почвы, а также в обеспечении ее плодородия. Оно участвует в процессах почвообразования, способствует сохранению влаги в почве, улучшает ее структуру и повышает плодородие. Кроме того, органическое вещество является источником питательных веществ для растений. В нынешнее время идёт активные исследования качественного состава органических веществ различных почв. В последнее время для таких исследований стал использоваться метод инфракрасной спектрометрии [1, 2, 3, 4]. Популярность в научной среде этот метод приобрёл за счёт своей точности, простоты метода и полноты поступающей информации. Метод инфракрасной спектрометрии почв помогает определить химический состав почвенных горизонтов, что важно для понимания процессов, происходящих в таких почвах, помогает идентифицировать и анализировать органические соединения с высокой точностью, может использоваться для мониторинга изменений состояния почв со временем и помогает оценить влияние человека на их состав и качество. Информация, полученная с помощью инфракрасной спектрометрии, также может быть полезной для разработки стратегий устойчивого лесного хозяйства, направленных на сохранение и улучшение качества почв.

Подготовка проб почв к ИК-спектрометрии состояла из нескольких этапов. Первый этап подготовки предполагал создание почвенной вытяжки с использованием воды, ацетона, ацетонитрила и н-гексана в качестве растворителей в соотношении почва:растворитель 1:5. Данные вытяжки были сделаны в специально заготовленных пробирках, предназначавшихся для помещения их в центрифугу. Методом встряхивания пробирок были сделаны почвенные вытяжки, затем с помощью метода центрифугирования (4000 об/мин.) были получены вытяжки, верхний слой которых состоял из растворителя, в котором не было видимых почвенных частиц. Затем для создания ИК-спектров был использован метод ИК-спетрометрии с использованием ИК-спектрометра Spectrum Two, вытяжки наносились на специальные кварцевые стекла и высушивались. Статистическая обработка данных была произведена в программах Excel и Statgraphics Plus.

ИК-спектры снимались в диапазоне волновых чисел от 4000 до 760 см -1 . Для определения органического вещества были использованы работы Е. И. Каравановой и Э. Преча.

Результаты

В почвенных вытяжках из серых лесных почв, извлеченных с применением ацетона, ацетонитрила, воды и н-гексана были обнаружены следующие соединения. По классификации показанной в работе Каравановой Е. И., была выделена группа OH, связанная межмолекулярными водородными связями (3500 см -1 ), частично группа NH, группа С=С (ароматические), возможно участие карбонилов, групп СН 2 и СН 3 , группы амида II, полисахаридов, группы СH (в CH 2 или СН 3 ), групп CH ароматических соединений при двух и более незамещенных H, группа С=О в СООН (частично другие С=О и сложные эфиры) и группа — [COO]- [6].

Согласно работе Преча Э., Бюльманна Ф., Аффольтера К. была выделена группа О-Н с валентным колебанием (далее вал.), группа Н-С-Н с деформационным колебанием (далее деф.), группа С-Н вал., группа С=С вал., группа NH вал., группа СН 3 деф., группа С-О вал., группа С-Сl вал., группа С=С деф., группа О-Н деф., NO 2 вал. ассиметричный, NO 2 вал. симметричный группа N-H вал., группа СН 2 деф., группа P-O вал., группаС-Hal вал. фторангидридов, С-Н вал. алканов [7].

Далее будут рассмотрены результаты определения качественного состава органических веществ по вытяжкам, которые, в свою очередь, были сравнены с результатами отечественных работ по данной тематике [5, 8].

Таблица 1

Полосы поглощения функциональных групп ацетоновых вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Орг. вещество

Длины волн, см-1

Фактор наличия органического вещества в почвах

Л1

Л2

Л3

CH2 и СН3

2920 см-1 и 2860 см-1

Есть

Есть

Есть

С=О в СООН

1715 см-1

Есть

Нет

Есть

СН в СН2 (СН3)

1460 см-1

Есть

Нет

Есть

С=С

1705 см-1

Есть

Есть

Есть

СН3

1467 см-1, 1375 см-1 и 1125 см-1

Есть

Нет

Нет

Н-С-Н

1466 см-1

Нет

Есть

Есть

ИК-спектры ацетоновых вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Рис. 1. ИК-спектры ацетоновых вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Таблица 2

Полосы поглощения функциональных групп ацетонитрильных вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Органическое вещество

Длины волн, см-1

Фактор наличия органического вещества в почвах

Л1

Л2

Л3

CH2 и СН3

2920 см-1 и 2860 см-1

Есть

Есть

Есть

С=О в СООН

1715 см-1

Есть

Нет

Есть

СН в СН2 (СН3)

1460 см-1

Есть

Нет

Нет

С=С

1705 см-1

Есть

Нет

Нет

С=О и сложные эфиры

1722 см-1

Есть

Нет

Нет

О-Н

1467 см-1 и 1376 см-1

Есть

Есть

Нет

группа ОН, связанная межмолекулярными водородными связями, частично NH

3395 см-1

Нет

Есть

Есть

C=C

1647 см-1

Нет

Есть

Есть

NH

3395 см-1

Нет

Есть

Есть

Амид II

1540 см-1

Нет

Есть

Есть

СН2

1467 см-1 и 1393 см-1

Нет

Нет

Есть

P-O

1018 см-1

Нет

Нет

Есть

ИК-спектры ацетонитрильных вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Рис.2. ИК-спектры ацетонитрильных вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Таблица 3

Полосы поглощения функциональных групп н-гексановых вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Органическое вещество

Длины волн, см-1

Фактор наличия органического вещества в почвах

Л1

Л2

Л3

CH2 и СН3

2920 см-1 и 2860 см-1

Есть

Есть

Есть

СН в СН2 (СН3)

1458 см-1

Есть

Есть

Есть

СН3

1458 см-1, 1379 см-1 и 1110 см-1

Есть

Есть

Нет

C=N

1585 см-1

Есть

Есть

Есть

Полисахариды

1080 см-1

Нет

Есть

Нет

NO2 асимметр

1586 см-1

Нет

Нет

Есть

NO2 симметр

1379 см-1

Нет

Нет

Есть

С-H алканы

2954 см-1 и 2870 см-1

Нет

Есть

Есть

ИК-спектры н-гексановых вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Рис. 3. ИК-спектры н-гексановых вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Таблица 4

Полосы поглощения функциональных групп водных вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Органическое вещество

Длины волн, см-1

Фактор наличия органического вещества в почвах

Л1

Л2

Л3

О-Н имин или оксим

3363 см-1

Есть

Есть

Нет

- [COO]-

1590 см-1 и 1400 см-1

Есть

Есть

Нет

N=N

1481 см-1

Есть

Нет

Нет

группа ОН, связанная межмолекулярными водородными связями, частично NH

3363 см-1

Нет

Есть

Есть

С=С (ароматические). Возможно участие карбонилов

1605 см-1

Нет

Есть

Нет

C-O спиртов

1041 см-1

Нет

Есть

Нет

Полисахариды

1074 см-1

Нет

Нет

Есть

СН в СН2 (СН3)

1440 см-1

Нет

Нет

Есть

NH

1597 см-1

Нет

Нет

Есть

ИК-спектры водных вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

Рис. 4. ИК-спектры водных вытяжек Л1, Л2, Л3 почв

После анализа интенсивностей пиков, были сделаны следующие выводы: в водной и ацетоновой вытяжки средние интенсивности спектра в ряду Л1—Л2 сначала уменьшаются, а потом в ряду Л2—Л3 увеличиваются (Рис. 5, Рис. 6), притом в водной вытяжке было замечено резкое увеличение средней интенсивности пиков, а в ацетонитрильной и н-гексановой вытяжки средние интенсивности спектра в ряду Л1-Л2 сначала увеличиваются, а потом в ряду Л2—Л3 уменьшаются (Рис 7, Рис 8).

, 6, 7, 8. Сравнение средних значений интенсивностей поглощения функциональных групп в водной, ацетоновой, ацетонитрильной и н-гексановой вытяжках для трех подтипов почв: светло-серая лесная (Л1), серая лесная (Л2), темно-серая лесная (Л3); n=3, p<0,05 , 6, 7, 8. Сравнение средних значений интенсивностей поглощения функциональных групп в водной, ацетоновой, ацетонитрильной и н-гексановой вытяжках для трех подтипов почв: светло-серая лесная (Л1), серая лесная (Л2), темно-серая лесная (Л3); n=3, p<0,05

Рис. 5, 6, 7, 8. Сравнение средних значений интенсивностей поглощения функциональных групп в водной, ацетоновой, ацетонитрильной и н-гексановой вытяжках для трех подтипов почв: светло-серая лесная (Л1), серая лесная (Л2), темно-серая лесная (Л3); n=3, p<0,05

Выводы.

1) После извлечения органического вещества из серых лесных почв Республики Татарстан методом почвенных вытяжек были получены ИК-спектры, пики и диапазоны органических соединений следующих функциональных групп.

По классификации, показанной в работе Каравановой Е. И., была выделена группа OH, связанная межмолекулярными водородными связями, частично группа NH, группа С=С (ароматические), возможно участие карбонилов, групп СН2 и СН3, группы амида II, полисахаридов, группы СH (в CH2 или СН3), групп CH ароматических соединений при двух и более незамещенных H, группа С=О в СООН (частично другие С=О и сложные эфиры) и группа — [COO]- [6].

Согласно работе Преча Э. была выделена группа О-Н с валентным колебанием (далее вал.), группа Н-С-Н с деформационным колебанием (далее деф.), группа С-Н вал., группа С=С вал., группа NH вал., группа СН3 деф., группа С-О вал., группа С-Сl вал., группа С=С деф., группа О-Н деф., NO2 вал. ассиметричный, группа N-H вал., группа СН2 деф., группа P-O вал., группа С-Hal вал. фторангидридов, С-Н вал. алканов [7].

2) Оценка интенсивности поглощения органического вещества в почвенных вытяжках, извлеченных разными растворителями показала, что в случае водной и ацетоновой вытяжек средние интенсивности спектра в ряду Л1—Л2 (от 0,0321 до 0,03205 и от 0,0910 до 0,0895соответственно) почва сначала уменьшаются, а потом в ряду Л2—Л3 почва увеличиваются (от 0,03205 до 0,0865 и от 0,0895 до 0,10275 соответственно), притом в водной вытяжке было замечено резкое увеличение средней интенсивности пиков. В случае ацетонитрильной и н-гексановой вытяжки средние интенсивности спектра в ряду Л1—Л2 почва сначала увеличиваются (от 0,0138 до 0,03653 и от 0,0236 до 0,0361 соответственно), а потом в ряду Л1—Л2 уменьшаются (от 0,0361 до 0,0334 и от 0,0361 до 0,0222 соответственно).

3) Оценка качественного состава трех подтипов почв, показала следующее: уникальными группами органических веществ для ССЛ почв являются О-Н, C=N и N=N, уникальными группами органических веществ для СЛ почв являются С=С (ароматические) с возможным участие карбонилов и C-O спиртов и уникальными группами органических веществ для ТСЛ почв являются NH, СН 2 , P-O, NO 2 асимметричный и NO 2 симметричный. Во всех почвах всех вытяжек были функциональные группы СН 2 и СН 3 , СН в СН 2 (СН 3 ). В ряду Л1—Л2 наблюдается спад пиков этих групп, потом в ряду Л2—Л3 наблюдается подъём пиков тех же групп.

Литература:

  1. Maia A. J. Recent Trends on the use of Infrared Spectroscopy for Soil Assessment / Maia A. J. // Biomed Res Environ Sci. — 2023. — Art. 7.
  2. Tinti A. Recent applications of vibrational mid-Infrared (IR) spectroscopy for studying soil components: a review / Tinti A. [and e. t.c.] // Journal of Central European Agriculture. — 2015. — No. 16–1(16) — P. 1–22.
  3. Wartini Ng. Mid-infrared spectroscopy for accurate measurement of an extensive set of soil properties for assessing soil functions / Wartini Ng. [and e. t.c.] // Soil Security. — 2022. — Art. 13.
  4. Wartini Ng. Near and mid infrared soil spectroscopy / Wartini Ng. [and e. t.c.] // Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences. — 2022. — Art. 8.
  5. Лобанов, В. Г. Структурно-функциональные характеристики гуминовых кислот почвы Краснодарского края / В. Г. Лобанов, А. В. Александрова, К. Н. Шурай [и др.] // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. — 2015. — № 109. — С. 1016–1025.
  6. Караванова, Е. И. Оптические свойства почв и их природа / Караванова Е. И. — М.: МГУ, 2003. — 151 с.
  7. Преч Э. Определение строения органических соединений. Таблицы спектральных данных = Structure Determination of Organic Compounds. Tables of Spectral Data / Пер. с англ. Б. Н. Тарасевича. / Преч Э., Бюльманн Ф., Аффольтер К. // Бином. Лаборатория знаний. — 2006. — С. 251–318.
  8. Шумилова, М. А. ИК-спектроскопические исследования поглотительной способности почв Удмуртской Республики / М. А. Шумилова, В. Г. Петров // Химическая физика и мезоскопия. — 2015. — Т. 17, № 1. — С. 132–137.
Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью
Ключевые слова
органические вещества
поглотительная спектрометрия
серая лесная почва
почвенный раствор
вода
н-гексан
ацетон
ацетонитрил
Молодой учёный №25 (524) июнь 2024 г.
Скачать часть журнала с этой статьей(стр. 64-69):
Часть 1 (стр. 1-75)
Расположение в файле:
стр. 1стр. 64-69стр. 75

Молодой учёный