Elemental Composition and Structural Features of Humic Acids from Floodplain Soils of the Selenga River Delta

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The study of the elemental composition and structure of humic acids of floodplain soils of the delta of the Selenga River (Western Transbaikalia) was carried out. The research area belongs to the delta meadowmarsh and foreststeppe region, which is an area where deposits of sandy and silty fractions are actively carried out from the entire basin. Here, soils and vegetation are natural biofilters. Depending on the bioclimatic conditions, groundwater regimes, and sediment composition, soils are formed that differ in the composition of humus and humic acids (HA). The objects of research were alluvial (meadow, meadowmarsh, meadow saline) soils of the Selenga delta, according to the classification WRB – Fluvisols. The analysis of 13C-NMR spectra of HA preparations of the studied floodplain soils made it possible to identify ranges of chemical shifts belonging to carbon atoms of various functional groups and molecular fragments. NMR spectroscopy data showed that humic acids of alluvial meadow soil are more enriched in aromatic fragments than humic acids of meadowmarsh and meadow saline soils. A slightly higher degree of aromaticity in alluvial meadow and meadowmarsh soil is associated with environmental conditions and the component composition of the precursors of humification. An increase in the proportion of aliphatic structures and a decrease in the proportion of aromatic fragments in the composition of preparations of meadow salt marsh soil make it possible to judge the simplification of the structure of humic acid. Soil moisture in combination with salinization significantly reduces the rate of transformation of soil organic matter and leads to an increase in the proportion of non-oxidized aliphatic fragments. The use of NMR spectroscopy in the study of soils has significantly expanded the understanding of its composition and structure, deepened the understanding of the mechanisms of humification and transformation of soils of various genesis.

Full Text

Restricted Access

About the authors

E. Y. Milkheev

Institute of General and Experimental Biology SB RAS

Author for correspondence.
Email: evg-milh@rambler.ru
Russian Federation, ul. Sakhyanovoy 6, UlanUde 670047

N. D. Baldanov

Filippov Buryatia State Academy

Email: evg-milh@rambler.ru
Russian Federation, ul. Pushkina 8, UlanUde 670047

References

  1. Martin M.V., Gebuhr C., Daniel O., Wiltshire K.H. Characterization of a humic acid extracted from marine sediment and its influence on the growth of marine diatoms // J. Marine Biol. Associat. UK. 2014. V. 94(5). P. 895–906. https://doi.org/10.1017/S0025315414000368
  2. Fernandes A.N., Giovanela M., Esteves V.I. Elemental and spectral properties of peat and soil samples and their respective humic substances // J. Mol. Str. 2010. V. 971. P. 33–38 https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2010.02.069
  3. Nebbioso A., Piccolo A. Molecular characterization of dissolved organic matter (DOM): a critical review // Anal. Bioanal. Chem. 2013. V. 405. P. 109–124.
  4. https://doi.org/10.1007/s00216-012-6363-2
  5. Schaeffer A., Nannipieri P., Kästner M. From humic substances to soil organic matter–microbial contributions. In honour of Konrad Haider and James P. Martin for their outstanding research contribution to soil science // J. Soil. Sediment. 2015. V. 15. P. 1865–1881. https://doi.org/10.1007/s11368-015-1177-4
  6. Hayes M.H.B., Swift R.S. An appreciation of the contribution of Frank Stevenson to the advancement of studies of soil organic matter and humic substances // J. Soil. Sediment. 2018. V. 18. P. 1212–1231. https://doi.org/10.1007/s11368-016-1636-6
  7. Kleber M., Lehmann J. Humic substances extracted by alkali are invalid proxies for the dynamics and functions of organic matter in terrestrial and aquatic ecosystems // J. Environ. Qual. 2019. Vl. 48. P. 207–216. https://doi.org/10.2134/jeq2019.01.0036
  8. Dou S., Shan J., Song X., Cao R., Wu M., Li C., Guan S. Are humic substances soil microbial residues or unique synthesized compounds? A perspective on their distinctiveness // Pedosphere. 2020. V. 30(2). P. 159–167. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(20)60001-7
  9. Nobili M., Bravo C., Chen Y. The spontaneous secondary synthesis of soil organic matter components: a critical examination of the soil continuum model theory // Appl. Soil Ecol. 2020. V. 154. Р. 103655. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2020.103655
  10. Simpson A.J., Kingery W.L., Hayes M.H., Spraul M., Humpfer E., Dvortsak P., Kerssebaum R., Godejohann M., Hofmann M. Molecular structures and associations of humic substances in the terrestrial environment // Naturwissenschaften. 2002. V. 89. PP. 84–88. https://doi.org/10.1007/s00114-001-0293-8
  11. Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter // Nature. 2015. V. 528. P. 60–68. https://doi.org/10.1038/nature16069
  12. Hatcher P.G., Dria K.J., Kim S., Frazier S.W. Modern analytical studies of humic substances // Soil Sci. 2001. V. 166. P. 770–794. https://doi.org/10.1097/00010694-200111000-00005
  13. Leenheer J.A. Systematic approaches to comprehensive analyses of natural organic matter // Ann. Environ. Sci. 2009. V. 3. P. 1–130.
  14. Stevenson F.J. Humus chemistry: genesis, composition, reactions. N.Y.: John Wiley and Sons, 1994. 512 p.
  15. Claridge T.D.W. High-resolution NMR techniques in organic chemistry. Amsterdam: Elsevier Ltd., 2016. 541 p.
  16. Hedges J.I., Eglinton G., Hatcher P.G., Kirchman D.L., Arnosti C., Derenne S., Evershed R.P., KögelKnabner I., De Leeuw J.W., Littke R., Michaelis W., Rullkotter J. The molecularlyuncharacterized component of nonliving organic matter in natural environments // Org. Geochem. 2000. V. 31. P. 945–958. https://doi.org/10.1016/S0146-6380(00)00096-6
  17. Калабин Г.А., Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф. Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов его переработки. М.: Химия, 2000. 408 с.
  18. Чуков С.Н. Структурнофункциональные параметры органического вещества почв в условиях антропогенного воздействия. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2001. 216 с.
  19. Mao J., Cao X., Olk D.C., Chu W., SchmidtRohr K. Advanced solidstate NMR spectroscopy of natural organic matter // Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 2017. V. 100. P. 17–51. https://doi.org/10.1016/j.pnmrs.2016.11.003
  20. Чуков С.Н., Лодыгин Е.Д., Абакумов Е.В. Использование ¹³С -ЯМРспектроскопии в исследовании органического вещества почв (обзор) // Почвоведение. 2018. № 8. C. 952–964.
  21. KogelKnabner I., Rumpel C. Advances in molecular aproaches for understanding soil organic matter composition, origin, and turnover: A Historical overview // Adv. Agron. 2018. V. 149. P. 1–48. https://doi.org/10.1016/bs.agron.2018.01.003
  22. Polyakov V., Abakumov E., Lodygin E., Vasilevich R., Lapidus A. Distribution of molecular weight of humic substances isolated from soils of tallgrass temperate rainforests (Chernevaya Taiga) // Agronomy. № 12(8). 1760. https://doi.org/10.3390/agronomy12081760
  23. Abakumov E.V., Polyakov V.I., Chukov S.N. Aрroaches and methods for studying soil organic matter in the carbon polygons of Russia (Review) // Euras. Soil Sci. 2022. V. 55(7). P. 849–860. https://doi.org/10.1134/S106422932207002X
  24. Lodygin E., Abakumov E. The Impact of agricultural use of retisols on the molecular structure of humic substances // Agronomy. 2022. № 12(1). 144.
  25. https://doi.org/10.3390/agronomy12010144
  26. Polyakov V., Loiko S., Istigechev G., Lapidus A., Abakumov E. Elemental and molecular composition of humic acids isolated from soils of tallgrass temperate rainforests (Chernevaya taiga) by1H-13C HECTCOR NMR spectroscopy // Agronomy. 2021. № 11(10). 1998. https://doi.org/10.3390/agronomy11101998
  27. Polyakov V.I., Chegodaeva N.A., Abakumov E.V. Molecular and elemental composition of humic acids isolated from selected soils of the Russian Arctic // Vestnik Tomskogo Gosudarstvennogo Universiteta, Biologiya. 2019. № 47. P. 6–21. https://doi.org/10.17223/19988591/47/1
  28. Жуков В.М. Климат Бурятской АССР. УланУдэ: Бурят. кн. изд-во, 1960. 188 с.
  29. Гынинова А.Б., Шоба С.А., Балсанова Л.Д., Гынинова Б.Д. Почвы дельты реки Селенги (генезис, география, геохимия). УланУдэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2012. 344 с.
  30. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса. М.: Изд-во МГУ, 1981. 273 с.
  31. IUSS working group WRB world reference base for soil resources 2014, update 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World soil resources Reports No. 106. Rome: FAO, 2015. 192 p.
  32. Убугунова В.И., Убугунов Л.Л., Корсунов В.М., Балабко П.Н. Аллювиальные почвы речных долин бассейна р. Селенги. УланУдэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1998. 290 с.
  33. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во МГУ, 1990. 324 с.
  34. Кленов Б.М. Устойчивость гумуса автоморфных почв Западной Сибири. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 173 с.
  35. Дергачева М.И., Некрасова О.А., Оконешникова М.В., Васильева Д.И., Гаврилов Д.А., Очур К.О., Ондар Е.Э. Соотношение элементов в гуминовых кислотах как источник информации о природной среде формирования почв // Сибир. экол. журн. 2012. № 5. С. 643–647.
  36. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. М.: Наука, 1996. 256 с.
  37. Winkler A., Haumaier L., Zech W. Insoluble alkyl carbon components in soils derive mainly from cutin and suberin // Org. Geochem. 2005. V. 36(4). P. 519–529.
  38. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2004.11.006
  39. Knicker H., Hilscher A., GonzálezVila F.J., Almendros G. A new conceptual model for the structural properties of char produced during vegetation fires // Org. Geochem. 2008. V. 39(8). P. 935–939. https://doi.org/10.1016/j.org-geochem.2008.03.021
  40. Simpson A.J., Simpson M.J. Nuclear magnetic resonance analysis of natural organic matter. Biophysicchemical processes in volving natural nonliving organic matter in environmental systems / Eds. N. Senesi, B. Xing, P.M. Huang. New Jersey: John Wiley & Sons Inc., 2009. P. 589–650.
  41. Ковалева Н.О., Ковалев И.В. Лигниновые фенолы в почвах как биомаркеры палеорастительности // Почвоведение. 2015. № 9. С. 1073–1086. https://doi.org/10.7868/S0032180X15((090063
  42. Чимитдоржиева Г.Д. Особенности органического вещества криогенных почв // Почвоведение. 1991. № 11. С. 125.
  43. Лодыгин Е.Д., Безносиков В.А., Василевич Р.С. Молекулярный состав гумусовых веществ тундровых почв (¹³С -ЯМР-спектроскопия) // Почвоведение. 2014. № 5. С. 546–552. https://doi.org/10.7868/S0032180X14010079
  44. Ибраева М.А., Шаухарова Д.Е., Джуманова М. Влияние засоления почв на микробиологическую активность // Почвовед/ и агрохим. 2020. № 2. С. 71–78.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig.1

Download (164KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».