Геохимия биомаркеров в торфах юго-восточной части Западной Сибири

Актуальность работы.
Состав так называемых биомаркеров – химических соединений, сохранивших в
своем строении черты биологических предшественников, к которым относятся входящие
в состав липидов алканы, стероиды, терпеноиды, токоферолы и родственные им
соединения, позволяет фиксировать вклад в состав торфа той или иной группы
представителей исходной биомассы, геохимические условия осадконакопления, местные
и региональные изменения климата и экологического состояния окружающей среды.
На территории Западной Сибири расположены крупнейшие в мире болотные
системы, содержащие огромные запасы торфа. Однако, несмотря на многолетние
исследования болот в этом регионе, которым посвящены работы [1-45], сохраняется их
недостаточная изученность. В литературе практически отсутствуют данные об
особенностях индивидуального состава и содержании в верховых и низинных торфах
юго-восточной части Западной Сибири, в произрастающих на соответствующих участках
болотных растениях и в биомассе аборигенных бактерий таких органических соединений
как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), кислородсодержащие
токоферолы, стероиды, сескви-, ди- и тритерпеноиды. Эти данные позволяют уточнить и
дополнить геохимические индикаторы палеоклиматических реконструкций, проследить
направленность трансформации биомаркеров при переходе их из био- в геосферу и
последующую эволюцию в различных геохимических условиях. Кроме того,
закономерности формирования состава и распределения в торфах этих биологически
активных соединений будут способствовать определению путей рационального
использования торфов отдельных залежей. В связи с этим изучение химического состава
биомаркеров и ПАУ в болотных растениях, торфах и бактериях представляет собой
актуальную задачу.
Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ
Института химии нефти СО РАН по теме «Комплексное исследование антропогенного
воздействия на природные объекты Западно-Сибирского региона с применением данных
наземного и дистанционного исследования территорий, биотестирования почв, воды,
донных отложений, торфов и состава органического вещества исследуемых объектов» (№
гос. регистрации 0370-2014-0006), поддержана грантами РФФИ 12-05-00870 и 15-05-
03910.
Целью работы является определение особенностей индивидуального состава
биомаркеров и ПАУ болотных растений, торфа и бактерий и направленности их
трансформации в различных видах торфа в зависимости от состава исходной
растительной биомассы, микробного воздействия, кислотности среды торфонакопления,
глубины залегания торфа, степени его разложения, а также температуры окружающей
среды.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать особенности химического состава биомаркеров и ПАУ болотных
растений, торфов различного генезиса и аборигенных бактерий.
2. Определить влияние состава исходной растительной биомассы и условий
торфонакопления на состав биомаркеров торфа.
3. Изучить микробное воздействие на процессы торфообразования.
4. Определить направленность изменения состава биомаркеров и ПАУ торфа по мере
увеличения глубины его залегания и степени его разложения.
5. Определить влияние температуры окружающей среды на содержание и состав
биомаркеров торфа.
Объектами исследования являются болотные растения, торфа различного
генезиса и биомасса бактерий. Предметом исследования – химический состав
органических соединений их липидов, а также факторы его формирования.
Фактический материал и методы исследования. В основу работы положены
образцы выращенной биомассы бактерий, болотных растений и торфов, отобранных в
ходе экспедиций Института почвоведения и агрохимии СО РАН и совместных экспедиций
Института Химии Нефти (ИХН) и Института Мониторинга Климатических и
Экологических Систем (ИМКЭС) СО РАН в рамках проекта РФФИ № 12-05-00870 и №
11-05-93112, а также торф, подвергнутый стимулированному микробному окислению в
течение 150 суток. Всего в работе были проанализированы 13 образцов растений, 51
образец верхового и низинного торфов и биомасса бактерий.
Групповой и индивидуальный состав липидов растений, бактерий и торфов был
определен методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС). Определение
ботанического состава торфов и степени их разложения было проведено к.б.н. Ю.И.
Прейс. Эксперимент по стимулированному микробному окислению низинного торфа
болота Тёмное был проведен к.б.н. Л.И. Сваровской.
Положения, выносимые на защиту:
1. Отдельные классы болотных растений различаются содержанием и составом н-
алканов и циклических изопреноидов. Состав преобладающих в растениях н-
алканов практически без изменений наследуется торфами соответствующих видов,
а циклические изопреноиды претерпевают в процессе торфообразования
трансформации с образованием углеводородных, насыщенных или
кетозамещенных структур.
2. Микробное окисление торфа приводит к значительному снижению концентраций
всех классов биомаркеров и ПАУ, при этом среди них возрастает доля
полициклических структур с длинными алкильными заместителями. За счет
протекания реакций дегидрирования и микросомального окисления в составе
циклических изопреноидов повышается доля ненасыщенных структур и
соединений со спиртовыми группами.
3. Образование и последующее разложение торфа в кислой среде стимулирует
повышение относительного содержания насыщенных структур и переход
спиртовых производных стероидов и пентациклических терпеноидов (ПЦТ) в
кетопроизводные за счет внутримолекулярной миграции атомов водорода.
4. Увеличение глубины залегания торфа одного ботанического состава в большинстве
сопровождается снижением доли кислородсодержащих соединений среди
стероидов, ди- и тритерпеноидов. Понижение температуры окружающей среды
способствует консервации биомаркеров в торфе.
Научная новизна работы.
 Получены новые данные о содержании и составе н-алканов, ПАУ, токоферолов,
стероидов, сескви-, ди и тритерпеноидов в западносибирских торфах различного
генезиса, в болотных растениях и биомассе бактерий.
 Впервые проведена комплексная оценка влияния состава исходной растительной
биомассы, микробного воздействия, кислотности среды торфонакопления, глубины
залегания торфа и степени его разложения, а также температуры окружающей
среды на направленность изменения состава ОВ в болотных фациях.
 Выявлены новые индикаторы температурных условий торфонакопления.
Практическая значимость.
1. Результаты исследования индивидуального и группового состава
биомаркеров и ПАУ вносят вклад в понимание процесса торфообразования,
а также могут явиться основой для определения оптимальных путей
использования торфа исследованных залежей.
2. Идентифицированные в торфе биологически активные соединения, такие
как токоферолы, стероиды и терпеноиды, свидетельствуют о
целесообразности использования некоторых видов торфа в качестве
подкормки для скота и создания на их основе лекарственных препаратов.
3. Полученные данные о влиянии на состав биомаркеров и ПАУ торфа условий
его накопления могут упростить задачу исследователей, проводящих
палеореконструкции на основе изучения торфяных залежей.
Достоверность результатов подтверждается дополняющими друг друга
экспериментальными данными, полученными автором с помощью современного
высокочувствительного аналитического метода газовой хроматографии-масс-
спектрометрии.
Обоснованность выводов обеспечивается глубиной проработки фактического
материала и литературы по теме диссертации и согласованностью с ними полученных
автором данных.
Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников, проведении
экспериментальных работ по пробоподготовке и экстракции образцов болотных растений
и торфов. Автором лично проведена обработка хроматограмм, идентификация
органических соединений и расчет их концентраций, а также дана интерпретация
полученных данных и сформулированы защищаемые положения.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации
докладывались на следующих научных конференциях: XIX и ХХ Международном
симпозиуме имени академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск,
2015 и 2016 гг.); на X Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу
(Томск, 2013); на IX Международной конференция «Химия нефти и газа» (Томск, 2015);
на Третьей международной научно-практической конференции «Проблемы изучения и
использования торфяных ресурсов Сибири» (Томск, 2015 г).
Тексты докладов приняты и опубликованы в сборниках: Всероссийской молодёжной
научной конференции с участием иностранных ученых – «Трофимуковские чтения»
(Новосибирск, 2013); XVII Международного симпозиума имени академика М. А. Усова
«Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2013); 51-ой Международной научной
студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск,
2013); 26th International Meeting on Organic Geochemistry (Costa Adeje, Tenerife – Spain,
2013); Четвертого Международного полевого симпозиума «Торфяники Западной Сибири
и цикл углерода: прошлое и настоящее» (Новосибирск, 2014); VI Всероссийской
конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного
сырья» (Барнаул, 2014); Международного симпозиума «Болота Северной Европы:
разнообразие, динамика и рациональное использование (Петрозаводск, 2015); VII
Международной научно-практической конференции «21 век: фундаментальная наука и
технологии» (North Charleston, USA, 2015), 71 International Symposium on Molecular
Spectroscopy (Urbana-Champaign, IL,USA, 2016).
Публикации. По теме диссертации всего опубликовано 31 работа (включая
тезисы), в том числе в журналах, рекомендованных ВАК – 7.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, 2
приложений и списка литературы, насчитывающего 141 наименование. Материал
диссертации изложен на 109 страницах, иллюстрирован 17 рисунками и содержит 25
таблиц.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность за руководство
диссертацией профессору О. В. Серебренниковой, кандидату биологических наук Ю. И.
Прейс за предоставленные образцы болотных растений и торфов, а также данные по
ботаническому составу торфов и степени их разложения, кандидату биологических наук
Н. Г. Коронатовой за предоставленные образцы торфов лесотундры, кандидату
биологических наук Л. И. Сваровской за проведение эксперимента по стимулированному
микробному окислению торфа, а также всему коллективу лаборатории природных
превращений нефти ИХН СО РАН за неоценимую помощь в написании диссертации.