Lipidy glebowe w systemie substancji humusowych
Badania ostatnich lat ponownie podkreśliły ogromną rolę niespecyficznych składników humusu glebowego w kształtowaniu żyzności gleby i genezie gleb. Do takich związków należą różnorodne fizjologicznie aktywne substancje, węglowodany, aminokwasy, różne pigmenty.
Szczególną pozycję w tej grupie zajmują substancje ekstrahowane z gleb ekstrakcją mieszaniną alkoholowo-benzenową. Dla tej grupy do tej pory nie utrwalił się powszechnie akceptowany termin, a jej pozycja w systemie substancji humusowych pozostaje niejasna. Substancje ekstrahowane z gleb mieszaniną alkoholowo-benzenową są w literaturze nazywane „bituminami”, wosko-żywicami, a w wielu przypadkach mówi się o nich po prostu jako o grupie związków ekstrahowanych mieszaniną alkoholowo-benzenową, bez użycia specjalnego terminu.
Głównie autorzy używają terminu lipidy. Podobna nieokreśloność terminologiczna istnieje również w literaturze geologicznej, gdzie w szczególności termin „bituminy” oznacza mieszaninę węglowodorów i ich pochodnych, powstałych w wyniku przekształcenia wosków, żywic i kwasów tłuszczowych w ciągu okresów geologicznych.
Humus glebowy stanowi stosunkowo młodą formację, a substancje ekstraktów alkoholowo-benzenowych gleb powinny być reprezentowane przez mało zmienione związki, wchodzące w skład resztek roślinnych i komórek mikrobowych, tj. woski, żywice, glicerydy kwasów tłuszczowych i kwasy tłuszczowe. Daje to podstawę do nazwania całej omawianej grupy substancji lipidami.
Obecnie w biochemii roślin terminem lipidy łączy się dużą grupę substancji, „...tłuszcze i substancje tłuszczopodobne (lipoidy) są połączone wspólnym terminem lipidy. Substancje tej grupy rozpuszczają się w różnych rozpuszczalnikach organicznych. Do tej grupy można również zaliczyć rozpuszczalne w tłuszczach pigmenty. W składzie lipidów zwykle wyróżnia się:
- tłuszcze neutralne, woski i steroidy,
- fosfolipidy,
- glikolipidy i inne złożone lipidy,
- a także szereg innych związków, w tym kwasy, alkohole, witaminy, wyższe węglowodory, w tym karoteny i karotenoidy itp.
Prawdopodobnie w wielu przypadkach glebowe ekstrakty alkoholowo-benzenowe mogą zawierać i niektóre inne związki; w szczególności, nie można wykluczyć dostania się do tej grupy kwasu hymatomelanowego i rozpuszczalnych w alkoholu białek. Jednak, opierając się na powyższych definicjach i na podstawie dostępnych danych dotyczących składu ekstraktów alkoholowo-benzenowych, uważamy za możliwe i bardziej poprawne nazywanie tej grupy substancji lipidami glebowymi.
Lipidy dostają się do gleby z resztkami roślinnymi, ponadto nie wyklucza się możliwości syntezy lipidów bezpośrednio w glebie przez różne mikroorganizmy, na przykład drożdże utleniające parafinę. Lipidy glebowe i roślinne mają pewne podobieństwo.
Oceniając znaczenie lipidów w systemach biochemicznych, należy wziąć pod uwagę następujące założenia: zawartość tej grupy substancji w humusie glebowym wynosi od 2 do 14%, a według niektórych danych w warunkach gleb torfiastych, tundry, gleb górskich wyraźnie objawia się tendencja do podwyższonego nagromadzenia tej grupy do 20–24%, a czasem i więcej.
Pod względem budowy chemicznej lipidy ostro różnią się od innych grup substancji humusowych, mając w swoim składzie znaczną część struktur alifatycznych i grup hydrofobowych. To ostatnie prowadzi do szeregu specyficznych właściwości chemicznych. Szczególne zainteresowanie wzbudza ta grupa w związku z jej swoistym „znacznikiem” w postaci szkieletów, takich jak parafina (tłuszcze, woski), steroidy, terpeny, karotenoidy, chlorofil i inne pigmenty porfirynowe. Związki te są stosunkowo łatwo wykrywalne za pomocą specyficznych widm elektronowych lub molekularnych, co umożliwia śledzenie dróg i mechanizmów transformacji tych substancji w trakcie humifikacji i diagenezy.
Ekstrakty alkoholowo-benzenowe z gleb to ciecze o różnej barwie, której odcień zmienia się od jasnożółtej (mlecznej) do brunatno-pomarańczowej i zależy od typu gleby i asocjacji roślinnych. Po usunięciu rozpuszczalnika pozostaje żółto-brunatna masa o słabym balsamicznym zapachu, która topi się w temperaturze od 63° do 87°.
Według danych literaturowych, w składzie lipidów, oprócz C i H, zawarte są O, N, P, S oraz w ułamkach procenta wiele makro- i mikroelementów. Przybliżony stosunek tych ostatnich waha się w znaczących granicach w różnych glebach (58–68% C, 8–10% H; 22–32% O; 0,4–2,0% N).
Lipidy gleb i torfów składają się głównie z wosków i żywic, które z kolei zawierają wolne kwasy i substancje zmydlające się, reprezentowane przez typowe dla wosków estry i charakterystyczne dla żywic bezwodniki. W skład wosków bitumin wchodzi do 56% kwasów, wśród których zidentyfikowano kwas cerotynowy $C_{25}H_{50}O_{2}$, kwas karbocerynowy $C_{27}H_{54}O_{2}$ oraz hydroksykwas o składzie $C_{30}H_{60}O_{3}$. Ponadto w składzie wosków znajduje się do 44% substancji niezmydlających się; wśród nich oznaczono węglowodory nasycone — tritriakontan $C_{33}H_{68}$ i pentatriakontan $C_{35}H_{72}$, stanowiące do 15%, wydzielono również alkohol nasycony — hektakozanol $C_{27}H_{55}OH$ o temperaturze topnienia 74–75°. Zidentyfikowano dużą ilość węglowodorów: n-dekan, n-undekan, n-heksadekan, naftalen, metylonaftalen, difenyl, acenaften, fluoren. Wykryto steroidy i garbniki.
Składnik torfowych „bituminów” reprezentowany jest przez złożone estry alkoholi cyklicznych i kwasów cyklicznych, z których wyodrębniono nienasycone kwasy o składzie $C_{12}H_{22}O_{2}$ i $C_{14}H_{26}O_{2}$. Ponadto udało się zidentyfikować triterpenoidy, które są bardzo szeroko reprezentowane w świecie roślin.
Skład glebowych ekstraktów alkoholowo-benzenowych jest na razie słabo zbadany, choć według danych szeregu autorów mogą tu być obecne kwasy tłuszczowe, tłuszcze, woski, kwasy żywiczne i ich estry, sterole, triterpenoidy, węglowodory itd.
Badaliśmy frakcje lipidowe głównych genetycznych typów gleb. Lipidy ekstrahowano z powietrznie suchej naważki gleb, z których wcześniej usunięto korzenie, a także ze ściółek świeżego opadu i liści roślin. Rozpuszczalnikiem była mieszanina alkoholowo-benzenowa (1:1), ekstrakcję przeprowadzono w aparatach Soxhleta i Greffego.
Ekstrakcja w aparacie Soxhleta trwa długo i nie zapewnia pełnego wydobycia wosko-żywic. Intensyfikacja procesu ekstrakcji za pomocą aparatu Greffego–Zajczenki znacznie zwiększa ilość wosko-żywic ekstrahowanych z gleby (tab. 1).
| Gleba, użytek | Poziom | Głębokość, cm | Soxhlet | Greffe | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| zawartość lipidów, % w stosunku do gleby | zawartość węgla lipidów, % w stosunku do ogólnej zawartości węgla | zawartość lipidów, % w stosunku do gleby | zawartość węgla lipidów, % w stosunku do ogólnej zawartości węgla | |||
| Czarnoziem południowy, pole orne, Chersoń | $A_{pach}$ | 0–23 | 0,09 | 4,35 | 0,28 | 14,04 |
| Czarnoziem czekoladowy, pole orne, Rumunia | $A_{pach}$ | 0–20 | 0,10 | 0,71 | 0,12 | 12,32 |
| Gleba górsko-łąkowa, łąka tawułowo-życicowa, Chersoń | $A₁$ | 6–20 | 0,45 | 6,61 | 0,76 | 11,06 |
| Brunatna gleba górsko-leśna, ugór, Chersoń | $A₁$ | 1–18 | 0,07 | 6,24 | 0,21 | 19,56 |
| Sołonczak skorupowy, pastwisko, Chersoń | $B₁$ | 2–15 | 0,26 | 7,32 | 0,40 | 11,22 |
Istotne zwiększenie uzysku substancji przy ich ekstrakcji w aparacie Greffego może znacząco zmienić nasze wyobrażenia o roli tej frakcji w biochemii gleb. Jeszcze trzeba wyjaśnić, kosztem której z frakcji powstaje obserwowana różnica. Można na razie przypuszczać, że nieokreślana wcześniej część wosko-żywic wchodziła w skład resztki niehydrolizującej i stanowiła część tak zwanego huminy, chociaż nie wyklucza się ich obecności także w kwasach huminowych.
W badanych glebach (tab. 2) zawartość lipidów waha się od 0,02 do 0,50% w stosunku do gleby, od 2,0 do 80,0 % w stosunku do węgla organicznego. W górnych poziomach humusowych wielu gleb automorficznych udział lipidów wynosi 2–10% ogólnego węgla (według ekstrakcji w aparacie Soxhleta). Podwyższona zawartość lipidów jest związana z glebami o podwyższonej wilgotności (hydromorficznymi), torfiastymi, tundrowymi, górskimi. Często obserwuje się ich względne nagromadzenie w głębszych poziomach. W niektórych glebach absolutna zawartość tej frakcji pozostaje stała na całej głębokości profilu glebowego. Z tym ostatnim, widocznie, związane jest względne nagromadzenie lipidów w poziomach B i C.
Fizyczne i chemiczne charakterystyki lipidów oraz związek tych wskaźników z warunkami ekologicznymi są bardziej szczegółowo rozważane na przykładzie poszczególnych gleb: rz. 106 — czerwonoziem lekko gliniasty, pylasty; rz. 127 — ten sam czerwonoziem pod polem ornym; rz. 123 — subtropikalna gleba bielicowa (podzol), średnio gliniasta; rz. 120 — żółtoziem lekko gliniasty, piaszczysto-pylasty. Ponieważ przeważający skład opadu nad przekrojami 127 i 120 stanowiły liście herbaty i paproci, uznaliśmy za konieczne śledzenie zawartości i składu lipidów w systemie roślina—ściółka—gleba.
Frakcja lipidowa łatwo rozdziela się na woski i żywice poprzez ekstrakcję tych ostatnich acetonem. Zawartość wosków i żywic w lipidach waha się w szerokich granicach. W poziomach $A₁$ lub $A_{pach}$ subtropikalnej gleby bielicowej w czerwonoziemie na płaskowyżu i stoku zawiera się do 33–38% żywic, w składzie lipidów żółtoziemu pod ugorem i polem ornym żywice są dominującą grupą związków organicznych (tab. 2). W lipidach z różnych ściółek przeważa część żywiczna, stanowiąca w nich 58–68%.
| Obiekt | Poziom | Głębokość, cm | Węgiel lipidów | Woski, % | Żywice, % | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| % w stosunku do naważki | % w stosunku do C ogólnego | |||||
| Liście herbaty, rz. 127 | — | — | 22,78 | — | 29,12 | 70,78 |
| Liście paproci, rz. 120 | — | — | 7,65 | — | 80,21 | 19,79 |
| Ściółka leśna, rz. 106 | $A₀$ | — | 4,36 | — | 33,06 | 66,94 |
| Herbata i ściółka, rz. 127 | $A₀$ | — | 2,92 | — | 42,44 | 57,56 |
| Herbata i ściółka, rz. 120 | $A₀$ | — | 4,90 | — | 31,99 | 68,01 |
| Ściółka leśna rz. 123 | $A₀$ | — | 5,18 | — | 37,50 | 62,50 |
| Czerwonoziem lekko gliniasty, pylasty, rz. 106 | $A₁$ | 0–14 | 0,39 | 8,5 | 61,11 | 38,89 |
| AB | 14–26 | 0,09 | 11,3 | 66,92 | 33,08 | |
| $B₁$ | 26–52 | 0,14 | 36,8 | 67,50 | 32,50 | |
| $B₂$ | 52–76 | 0,11 | 38,0 | 60,24 | 39,76 | |
| $C₁$ | 76–140 | 0,09 | 53,0 | 58,46 | 41,54 | |
| $C₂$ | 140–190 | 0,14 | 77,7 | 55,26 | 44,74 | |
| Czerwonoziem lekko gliniasty, pylasty, rz. 127 | $A_{pach}$ | 0–10 | 0,14 | 4,1 | 65,00 | 36,00 |
| Żółtoziem lekko gliniasty, Piaszczysto-pylasty, Oglejony, rz. 120 | $A₁$ | 0–15 | 0,18 | 9,5 | 36,73 | 63,27 |
| AB | 15–36 | 0,19 | 36,1 | 32,59 | 67,41 | |
| $B₁$ | 36–57 | 0,02 | 5,7 | 29,69 | 70,31 | |
| $B₂$ | 57–115 | 0,23 | 76,7 | 28,26 | 71,74 | |
| $B₃$ | 115–150 | 0,12 | 80,0 | 29,51 | 70,49 | |
| BC | 150–200 | 0,04 | 66,6 | 30,34 | 69,66 | |
| C | 200–220 | 0,10 | 77,0 | 31,71 | 69,29 | |
| Żółtoziem lekko gliniasty, pylasty, rz. 120 | $A_{pach}$ | 0–10 | 0,23 | 11,3 | 29,69 | 70,31 |
| Subtropikalna gleba bielicowa, średnio gliniasta, Grubo-pylasta, rz. 123 | $A₁$ | 0–10 | 0,28 | 10,3 | 66,23 | 33,77 |
| $A₁A₂$ | 10–20 | 0,12 | 14,5 | 50,00 | 50,00 | |
| $A₂$ | 20–34 | 0,02 | 20,0 | 49,00 | 51,00 | |
| BC | 34–57 | 0,06 | 24,0 | 37,75 | 62,25 | |
| $BC₁$ | 57–100 | 0,14 | 93,4 | 38,00 | 62,00 | |
| $BC₂$ | 100–120 | 0,06 | 75,0 | 36,00 | 64,00 | |
| $BC₃$ | 120–140 | 0,21 | 87,6 | 35,58 | 64,42 | |
| Czarnoziem łąkowy | $A₁$ | 3–21 | 0,22 | 2,69 | 24,6 | 75,4 |
| Górsko-łąkowy (Teberda) | $A₁$ | 2–10 | 0,59 | 7,40 | 44,8 | 55,2 |
| Torfiasto-oglejony | $A_{t}$ | 0–33 | 3,05 | 13,10 | 65,1 | 34,9 |
| Czarnoziem czekoladowy | $A_{pach}$ | 0–20 | 0,079 | 6,71 | — | — |
| Czarnoziem południowy | $A_{pach}$ | 0–23 | 0,0618 | 4,35 | — | — |
| Bielicowa darniowa | $B₂$ | 48–69 | 0,0397 | 10,36 | — | — |
| Sołoniec | $A_{pach}$ | 0–17 | 0,0987 | 12,88 | — | — |
| Sołonczak skorupowy | $B₁$ | 45–62 | 0,0397 | 7,32 | — | — |
| Górsko-łąkowy (Krym) | A | 0–5 | 0.5033 | 6,61 | — | — |
| Brunatna leśna | $B₁$ | 2–15 | 0,1866 | 4,68 | — | — |
| $A₁$ | 6–20 | 0,3252 | 11,26 | — | — | |
| $A_{pach}$ | 0–28 | 0,0497 | — | — | — | |
| $B₁$ | 54–84 | 0,0439 | — | — | — | |
Badanie składu lipidów z liści paproci i herbaty świadczy o różnym charakterze wchodzących w ich skład związków. W składzie lipidów z liści paproci przeważają woski (80%), w lipidach z liści herbaty przeważają żywice (71%). Ale już w ściółce zachodzą procesy związane z komplikacją struktury lipidów, w wyniku czego we wszystkich ściółkach przeważają żywiczne, bardziej wysokocząsteczkowe składniki.
Charakter rozmieszczenia wosków i żywic według poziomów genetycznych jest różny. W żółtoziemie woski i żywice są rozmieszczone równomiernie w profilu, nie obserwuje się w nim tendencji do nagromadzenia lub zubożenia którejkolwiek z grup. W subtropikalnej glebie bielicowej, wręcz przeciwnie, zawartość żywic wzrasta z głębokością: 34% w poziomie $A₁$, 50% w poziomie $A₁A₂$, 64% w poziomie $BC₃$. W czerwonoziemie żywice nieco nagromadzają się w dół profilu (od 39% w poziomie $A₁$ do 45% w poziomie $C₂$), ale dominującą grupą w tej glebie są woski. Taka cecha jest prawdopodobnie związana z intensywnymi procesami mikrobiologicznymi rozkładu składników humusu, w wyniku czego woski, jako bardziej inertna grupa, nagromadzają się w profilu czerwonoziemu.
To założenie potwierdza się przy analizie potężnego czarnoziemu, gleby górsko-łąkowej i torfiasto-oglejonej. W czarnoziemie, charakteryzującym się jednym z najwyższych poziomów aktywności biologicznej, udział żywic osiąga 75%, podczas gdy w glebie torfiasto-oglejonej nie przekracza 35%. Zatem poziom aktywności biologicznej gleb odzwierciedla się nie tylko w ogólnej zawartości lipidów, ale także w ich składzie jakościowym.
Dane analizy elementarnej niektórych lipidów wykazują bardzo wysoką zawartość węgla: od 63% we frakcji lipidowej z liści herbaty do 67% w lipidach ze ściółki herbacianej, co jest zgodne z danymi literaturowymi (tab. 3). Zawartość wodoru waha się od 4 do 10%, tlenu — od 22 do 25%. Badane frakcje zawierają dość dużo azotu. Widocznie, zwiększenie zawartości azotu w niektórych lipidach jest spowodowane charakterem resztek roślinnych, w składzie których mogą znajdować się związki heterocykliczne typu pirolu i jego pochodnych, jak na przykład chlorofil, ekstrahowane alkoholowo-benzenem.
| Z jakiego obiektu wydzielono | Skład elementarny, % w stosunku do bezzopy suchej masy | Autor | |||
|---|---|---|---|---|---|
| C | H | O | N | ||
| Liście herbaty pod czerwonoziemiem, rz. 127 | 62,97 | 6,54 | 23,90 | 6,59 | Nasze dane |
| Ściółka herbaciana czerwonoziemu, rz. 127 | 67,18 | 3,90 | 25,37 | — | Nasze dane |
| Czerwonoziem, rz. 127, poz. $A_{pach}$ | 67,25 | 5,63 | 23,92 | — | Nasze dane |
| Glina bielicowa, poz. $A₁$ | 68,17 | 9,74 | 21,72 | 0,37 | Nasze dane |
| Czarnoziem $A₁$ | 66,27 | 8,71 | 24,32 | 0,70 | Nasze dane |
| Bielicowa darniowa: a) las | — | — | — | 2,02 | Nasze dane |
| Bielicowa darniowa: b) ugór | — | — | — | 0,41 | Nasze dane |
| Potężny czarnoziem, step | — | — | — | 1,57 | Nasze dane |
| Typowa szaroziem: a) mieszanka traw | — | — | — | 1,33 | Nasze dane |
| Typowa szaroziem: b) dziewicza | — | — | — | 0,22 | Nasze dane |
Liczby kwasowe lipidów (tab. 4) wahają się od 1 do 12 mEq/g. Podwyższona w porównaniu z górnymi poziomami pozostałych gleb zawartość „wolnych kwasów organicznych” jest zauważalna w lipidach z żółtoziemów pod ugorem w poziomie $A₁$. Lipidy z tego poziomu wyróżniają się ponadto wysokimi liczbami estrowymi (92) i liczbą jodową (21). Wysokie liczby estrowe i liczba jodowa są charakterystyczne również dla lipidów czarnoziemu. Minimalna wartość liczby estrowej w lipidach z poziomu $A₁$ czerwonoziemu, a także niewielka wartość innych charakterystyk (liczba kwasowa — 1, liczba jodowa — 6 mEq/g) tłumaczone są przewagą piasków, niosących mniejszą ilość grup funkcyjnych. Zakres zmian liczby jodowej wynosi 0,5–66 mEq/g. W lipidach czerwonoziemów stwierdza się pewną ujemną korelację liczb estrowych i jodowych; im mniej związków nienasyconych, tym więcej grup estrowych. Ponadto istnieje zależność między liczbami kwasowymi, estrowymi, jodowymi a zawartością wosków i żywic.
| Gleba | Poziom (Głębokość, cm) | Liczba kwasowa, mEq/g | Liczba estrowa, mEq/g | Liczba jodowa, mEq/g |
|---|---|---|---|---|
| Subtropikalna gleba bielicowa, średnio gliniasta, grubo-pylasta, rz. 123 | $A₁$ (0-10) | 4,55 | 52,60 | 10,39 |
| B (34-57) | 12,50 | 88,75 | 3,12 | |
| $BC₁$ (120-140) | 2,88 | 43,27 | 0,48 | |
| Żółtoziem lekko gliniasty, piaszczysto-pylasty, oglejony, rz. 120 | $A₁$ (0-15) | 10,20 | 92,45 | 21,35 |
| $B₁$ (36-57) | 4,00 | 75,00 | 20,60 | |
| C (200-220) | 3,66 | 95,12 | 2,44 | |
| Czerwonoziem lekko gliniasty, pylasty, na glinie zebrowanej, rz. 106 | $A₁$ (0-14) | 0,93 | 6,48 | 6,02 |
| $B₁$ (26-52) | 3,75 | 71,25 | 2,12 | |
| $C₂$ (140-190) | 1,32 | 67,11 | 0,52 | |
| Liść (herbata) | — | — | — | 2,23 |
| Ściółka (herbata), rz. 127 | $A₀$ | 1,45 | 19,48 | 2,61 |
| Czerwonoziem lekko gliniasty, pylasty na stoku, rz. 127 | $A₁$ (0-10) | 2,70 | 71,25 | 17,00 |
| Czarnoziem łąkowy | $A₁$ (3-21) | 7,32 | 86,86 | 66 |
| Torfiasto-oglejony | $A₁$ (0-33) | 1,36 | 0,96 | 2 |
| Górsko-łąkowy | $A₁$ (2-10) | 2,42 | 1,88 | 8 |
| Tundra | $A₁$ (3-10) | 2,45 | 7,07 | 2 |
| Bielicowa darniowa | $A₁$ (5-9) | 3,26 | 9,92 | 10 |
Najwyższe wartości liczb mają lipidy z poziomu żółtoziemu pod ugorem i z czarnoziemu. W tych samych glebach przeważa część żywiczna (tab. 2), zatem można mówić o najbardziej złożonej strukturze lipidów w danej glebie, tj. wszystkie aktywne grupy, charakteryzowane liczbami kwasowymi, estrowymi, jodowymi, są spowodowane głównie przez „żywice”.
Na chromatogramach gazowych pirolizy wykryto od 7 do 22 i więcej pików, które przypuszczalnie należą do następujących związków:
- CO
- $CH₄$
- $N₂$
- $CO₂$
- benzen
- toluen
- p-ksylen
- fenol
- piroksatechina
- etyl-benzen itd.
Lipidy z liści herbaty mają w swoim składzie proste jądra benzenowe, podstawione licznymi alkanami i niosące wiele grup funkcyjnych o charakterze kwasowym, dających nieokreślone produkty pirolizy.
Najbardziej złożonym spośród uzyskanych chromatogramów jest chromatogram ze ściółki herbacianej, w którym obecne są zarówno poszczególne składniki liścia herbaty, jak i produkty ich interakcji. Jąder aromatycznych o prostej naturze jest w tej frakcji niewiele, charakteryzuje się ona dużym stopniem aromatyczności. W składzie lipidów ze ściółki herbacianej jest dużo podstawników funkcyjnych, dających w wyniku pirolizy niepodzielone produkty: kwasy tłuszczowe, aminokwasy.
Struktura glebowych lipidów z czerwonoziemu jest labilna, „luźna”, składająca się z dużej liczby jąder benzenowych, połączonych mostkami $—CH₂—C—O—$; występuje duża liczba podstawników w postaci normalnych i rozgałęzionych alkanów.
Zatem, według danych chromatografii gazowej pirolizy, najbardziej prosta struktura jest właściwa lipidom z liścia herbaty; w ściółce zachodzi jej znaczne skomplikowanie. W glebie zachodzą równoczesne procesy rozpadu i syntezy nowych związków organicznych, w wyniku czego lipidy glebowe nabywają specyficznych cech.
Ogólny wygląd widm w zakresie widzialnym lipidów z poziomu $A₁$ gleb subtropikalnych, ściółek i roślinności jest bardzo specyficzny. Widma mają wyraźne maksima absorpcji substancji z grupy porfiryn (w szczególności feofityny, chlorofilu $a$ i $b$) w obszarze 418–420 nm i 668–670 nm, a także niewielkie maksima przy 510 nm, 540 nm i 610 nm. Zatem w lipidach zawarty jest chlorofil i inne substancje z grupy porfirynowej. Współczynniki ekstynkcji lipidów z górnych poziomów gleb wahają się od 0,001 do 0,003.
Badania ekstraktów alkoholowo-benzenowych z liści herbaty, ściółki herbacianej i czerwonoziemu pozwalają mówić o pewnym podobieństwie ich budowy. W składzie liścia herbaty zawarte są różne substancje (tab. 5), których znaczna część przejdzie do ekstraktu alkoholowo-benzenowego. We frakcji alkoholowej z lipidów liścia herbaty zawarte są prawdopodobnie alkaloidy (kofeina), dla których charakterystyczne są maksima absorpcji przy 212 i 286 nm. W ściółce i glebie te maksima są nieobecne.
| Substancje w składzie herbaty | Przybliżona zawartość, % suchej masy | |
|---|---|---|
| A. Substancje fenolowe | ||
| 1. Garbniki: taniny, pochodne wielowodorotlenowych fenoli. | 2 | |
| 2. Flawonole-glikozydy jądra difenylopropanowego. | 1–2 | |
| B. Substancje niefenolowe | ||
| 1. Węglowodany | 0,2 | |
| 2. Substancje pektynowe | 3 | |
| 3. Alkaloidy (kofeina, teofilina, teobromina) | 3–5 | |
| 4. Substancje białkowe i aminokwasy (są białka rozpuszczalne w alkoholu) | 30 | |
| Chlorofil i towarzyszące mu pigmenty (karoten i ksantofil) | do 1 | |
| Kwasy organiczne | ||
| Substancje żywiczne (kwasy żywiczne) | 7–8 | |
| Witaminy | ||
| 9. Substancje mineralne | 4–5 | |
| C. Substancje warunkujące aromat herbaty | ||
| Olejki eteryczne | 1 | |
| D. Enzymy | ||
Maksima absorpcji przy 205–210 nm odpowiadają nienasyconym kwasom organicznym. Garbnikom odpowiadają słabe maksima w obszarze 267, 337 i 420 nm.
W wyciągu chloroformowym z lipidów liścia herbaty i ściółki również bardzo wyraźnie identyfikuje się garbniki (taninę i katechiny). Ponadto w zakresie ultrafioletu wykrywa się absorpcję karotenoidów i witamin z grupy A. Karotenoidy absorbują w obszarze 338 i 454 nm, witamina $A₁$ — 326 nm, witamina $A₂$ — 287 i 351 nm. Zatem widma UV badanych lipidów mają różnorodny charakter.
Analiza widm IR potwierdziła dane analizy chemicznej widmowej w zakresie widzialnym i ultrafioletu. Pasma widm IR lipidów są wąskie, wyraźnie zarysowane, z określonymi maksimami absorpcji. Szerokie pasmo w obszarze $3100–3400\ cm⁻¹$ odpowiada drganiom grupy OH—.
Seria pasm w zakresie $2918–2850\ cm⁻¹$, 1480, $1400–1380\ cm⁻¹$ odpowiada drganiom grupy CH—. Seria pasm w zakresie $2918–2850\ cm⁻¹$, 1480, $1400–1380\ cm⁻¹$ jest spowodowana symetrycznymi drganiami $CH₂$ i $CH₃$, wchodzących w skład nasyconych i nienasyconych węglowodorów. Ponadto charakterystyczne pasmo w obszarze $720\ cm⁻¹$ odpowiada drganiom końcowych $(CH₂)_{n}$, gdzie $n>4$.
Dla wszystkich widm charakterystyczne są intensywne pasma $1710–1730\ cm⁻¹$, leżące w obszarze absorpcji grup karboksylowych. Ponieważ liczby kwasowe w badanych lipidach są z reguły niewielkie, drgania przy $1710–1730\ cm⁻¹$ mogą być spowodowane grupami CO— aldehydów i ketonów, wchodzących w skład różnych związków (alkaloidów, olejków eterycznych i in.).
W przedziale $1010–1030\ cm⁻¹$ obserwuje się intensywne pasma hydroksyli alkoholowych i eterów prostych; te ostatnie objawiają się również w zakresie $1100–1250\ cm⁻¹$. Widmo lipidów z herbaty wyróżnia się obecnością intensywnych, wyraźnych pasm $1698–1650\ cm⁻¹$, właściwych wiązaniom $C = C$ w sprzężonych złożonych strukturach typu triterpenoidów. Maksima w obszarze $1650–1557\ cm⁻¹$ są spowodowane częściowo zawartością związków aromatycznych.
Cechą widma IR frakcji lipidowej z liści herbaty są wyraźne pasma $745–765\ cm⁻¹$, przypisywane prawdopodobnie drganiom $\gamma—CH$ przy pierścieniu pirolowym w porfirynach, i $819–832\ cm⁻¹$ drganiom $\delta—CH$ di—i tri — podstawionych w związkach aromatycznych; $1490–1550\ cm⁻¹$ drgania pierścienia pirolowego.
Porównanie widm IR lipidów z górnych poziomów ($A₀$) czerwonoziemu, żółtoziemu i subtropikalnej gleby bielicowej wskazuje na przewagę grup $CH₂—$ i $CH₃—$ w czerwonoziemie i subtropikalnej glebie bielicowej, co potwierdza dużą zawartość wosków (ponad 60%). Interesujące jest zauważenie zwiększenia intensywności pasma $1000–1100\ cm⁻¹$ w lipidach z dolnych poziomów w porównaniu z górnymi, co można wytłumaczyć reakcjami demetylacji z tworzeniem grupy hydroksylowej. Ponadto nie wyklucza się dostania się drobno zdyspergowanej krzemionki w skład frakcji lipidowej.
Cechą widm IR lipidów z dolnych poziomów jest zwiększenie szerokości pasma $3000–3400\ cm⁻¹$ (wiązania wodorowe), co świadczy o zmianie pierwotnej struktury molekularnej z głębokością.
Sądząc po widmach IR, preparaty lipidów są mieszaniną nasyconych i nienasyconych węglowodorów i alkoholi z udziałem związków aromatycznych kwasów i aldehydów oraz produktów ich interakcji, co jest zgodne z ich chemicznymi i widmowymi charakterystykami. Jednocześnie szereg pasm w widmach ekstraktów alkoholowo-benzenowych z liści herbaty, ściółki i gleby może być częściowo przypisany pierścieniom porfirynowym lub pochodnym pirolu.
WNIOSKI
- Użycie aparatu Greffego do ekstrakcji zamiast aparatu Soxhleta pozwala zwiększyć uzysk frakcji lipidowej 2–3-krotnie.
- Zawartość lipidów, minimalna w glebach łąkowo-stepowych i stepowych, wzrasta w glebach o podwyższonej wilgotności (hydromorficznych) — bielicowych, tundrowych, górskich i osiąga maksimum w torfowiskach.
- Nagromadzenie lipidów następuje głównie kosztem wosków, co jest spowodowane ich względną stabilnością biochemiczną i inercyjnością.
- Aktywne funkcjonalne grupy chemiczne (charakteryzowane liczbami estrowymi, kwasowymi, jodowymi) są spowodowane głównie przez „żywice”, ich zawartość jest maksymalna w czarnoziemie, charakteryzującym się jednym z najwyższych poziomów aktywności biologicznej.
- Zatem, poziom aktywności biologicznej gleb odzwierciedla się zarówno w ogólnej zawartości lipidów, jak i w ich składzie jakościowym.
- Lipidy glebowe, według danych chromatografii gazowej pirolizy, widm absorpcji elektronowych i podczerwonych, mają pewne cechy podobieństwa i określone różnice w stosunku do lipidów wydzielanych z roślin i ściółki.