Современные подходы к изучению строения почвенного органического вещества

Целью работы было кратко изложить основные подходы к изучению строения органического вещества почв, позволяющие получить наиболее полное описание этого уникального природного феномена. Основное внимание уделено подходам, реализуемым в Почвенном институте им. В.В. Докучаева, примеры которых опубликованы в настоящем спецвыпуске. Современные методы можно разделить на две большие группы: исследовательские и рутинные. Исследовательские методы это недавно внедренные или внедряемые в научную практику технические решения и подходы. Рутинные – широко применяемые для изучения почвенного органического вещества. Преимущество первых – это перспектива получения новых уникальных данных, вторых – возможность формирования хорошо воспроизводимых, сопоставимых, перспективных для многомерного анализа наборов данных. В качестве исследовательских в работе рассмотрены масс- спектрометрия ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье и методы ядерного магнитного резонанса на ядрах 13С и 1Н с преобразованием Фурье. В качестве рутинных описаны наиболее перспективные для анализа строения почвенного органического вещества методы: оптические (спектроскопия в ультрафиолетовом и видимом диапазоне и флуоресцентная спектроскопия), инфракрасная спектроскопия и пиролиз с газовой хроматографией и масс-детекцией.

1. Жеребкер А.Я., Перминова И.В., Константинов А.И., Воликов А.Б., Костюкевич Ю.И., Кононихин А.С., Николаев Е.Н. Выделение гуминовых веществ из пресных вод на твердофазных картриджах и их исследование методом масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье // Журнал Аналитической Химии. 2016. Вып. 71(4). С. 390–396.

2. Караванова Е.И. Водорастворимые органические вещества: фракционный состав и возможности их сорбции твердой фазой лесных почв // Почвоведение. 2013. № 8. С. 924–936.

3. Ковалевский Д.В., Пермин А.Б., Перминова И.В., Коннов Д.В., Петросян В.С. Количественное определение обменных и скелетных протонов гумусовых кислот с помощью спектроскопии ПМР // Вестник Московского университета. Серия 2 (Химия). 1990. Т. 40. C. 375–380.

4. Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии. М.: Техносфера, 2015. 704 с.

5. Макаров А.А. Ловушка Orbitrap как фундамент для создания новых методов и технологий // Аналитика. 2021. № 4. С. 260–268.

6. Орлов Д.С., Садовникова Л.K., Суханова Н.И. Химия почв. М.: Высш. шк., 2005. 558 с.

7. Перминова И.В. Анализ, классификация и прогноз свойств гуминовых кислот: Дисс. … док. хим. н. М.: МГУ, 2000. 359 с.

8. Фарходов Ю.Р., Ярославцева Н.В., Холодов В.А. Методические аспекты определения жирных кислот в почве методом термохимолиза // Почвоведение. 2021. № 8. С. 927–934.

9. Холодов В.А., Константинов А.И., Кудрявцев А.В., Перминова И.В. Строение гуминовых кислот почв зонального ряда по данным спектроскопии ЯМР 13С // Почвоведение. 2011. № 9. С. 1064–1073.

10. Холодов В.А., Н. В. Ярославцева Н.В., Зиганшина А.Р., Данченко Н.Н., Данилин И.В., Фарходов Ю.Р., Жидкин А.П. Водоэкстрагируемое органическое вещество почв разной степени смытости и намытости на малом водосборе в центральной лесостепи Среднерусской возвышенности: намытые почвы в днище балки // Почвоведение. 2024. № 7. С. 921–935. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X24070018.

11. Холодов В.А., Фарходов Ю.Р., Ярославцева Н.В., Айдиев А.Ю., Лазарев В.И., Ильин Б.С., Иванов А.Л., Куликова Н.А. Термолабильное и термостабильное органическое вещество черноземов разного землепользования // Почвоведение. 2020. № 8. С. 970–982.

12. Чуков С.Н., Лодыгин Е.Д., Абакумов Е.В. Использование 13С ЯМРспектроскопии в исследовании органического вещества почв (обзор) // Почвоведение. 2018. № 8. С. 952–964. DOI: https://doi.org/10.1134/S0032180X18080026.

13. Adair E., Afonso C., Bell Nicholle G.A., Davies A.N., Delsuc M.-A., Godfrey R., Goodacre R., Hawkes J.A., Hertkorn N., Jones D., Lameiras P., Guennec A.L., Lubben A., Nilsson M., Paša-Tolić L., Richards J., Rodgers R.P., Rüger C.P., Schmitt-Kopplin P., Schoenmakers P.J., Sidebottom P., Staerk D., Summerfield S., Uhrín D., van Delft P., van der Hooft Justin J.J., van Zelst Fleur H.M., Zherebker A. High resolution techniques: general discussion // Faraday Discussions. 2019. Vol. 218. P. 247– 267.

14. Barra I., Haefele S.M., Sakrabani R., Kebede F. Soil spectroscopy with the use of chemometrics, machine learning and pre-processing techniques in soil diagnosis: Recent advancese – A review // Trends in Analytical Chemistry. 2021. Vol. 135. P. 116166. DOI: https://doi.org/10.1016/j.trac.2020.116166.

15. Ceccanti B., Masciandaro G., Macci C. Pyrolysis-gas chromatography to evaluate the organic matter quality of a mulched soil // Soil & Tillage Research. 2007. Vol. 97. P. 71–78.

16. Challinor J.M. The development and applications of thermally assisted hydrolysis and methylation reactions // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2001. Vol. 61. P. 3–34.

17. Clabel J.L.H., Nicolodelli G., Senesi G.S., Montes C.R., Felicio Perruci N.A., Bezzon V.D.N., Balogh D.T., Milori D.M.B.P. Organo-mineral associations in a Spodosol from northern Brazil // Geoderma Regional. 2020. Vol. 22. e00303. DOI: https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2020.e00303.

18. Dangal S.R.S., Sanderman J., Wills S., Ramirez-Lopez L. Accurate and Precise Prediction of Soil Properties from a Large Mid-Infrared Spectral Library // Soil Systems. 2019. Vol. 3(11). DOI: https://doi.org/10.3390/soilsystems3010011.

19. Derenne S., Quenea K. Analytical pyrolysis as a tool to probe soil organic matter // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2015. Vol. 111. P. 108– 120.

20. Drozd J., Gonet S.S., Senesi N., Weber J. (Eds.) Еcosystems and in environmental processes. IHSS Polish.

21. Filep T., Zacháry D., Balog K. Assessment of soil quality of arable soils in Hungary using DRIFT spectroscopy and chemometrics // Vibrational Spectroscopy. 2016. Vol. 84. P. 16–23. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vibspec.2016.02.005/.

22. Fomina P.S., Proskurnin M.A., Mizaikoff B., Volkov D.S. Infrared Spectroscopy in Aqueous Solutions: Capabilities and Challenges // Critical Reviews in Analytical Chemistry. 2022. P. 1–18. DOI: https://doi.org/10.1080/10408347.2022.2041390.

23. Francioso O., Montecchio D., Gioacchini P., Cavani L., Ciavatta C., Trubetskoj O., Trubetskaya O. Structural differences of Chernozem soil humic acids SEC–PAGE fractions revealed by thermal (TG–DTA) and spectroscopic (DRIFT) analyses // Geoderma. 2009. Vol. 152. P. 264–268. DOI: https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2009.06.011.

24. Hertkorn N., Harir M., Koch B.P., Michalke B., Schmitt-Kopplin P. Highfield NMR spectroscopy and FTICR mass spectrometry: powerful discovery tools for the molecular level characterization of marine dissolved organic matter // Biogeosciences. 2013. Vol. 10(3). P. 1583–1624.

25. Hertkorn N., Permin A., Perminova I., Kovalevskii D., Yudov M., Petrosyan V., Kettrup A. Comparative Analysis of Partial Structures of a Peat Humic and Fulvic Acid Using One- and Two-Dimensional Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy // Journal of Environment Quality. 2017. Vol. 31(2). P. 375.

26. Khreptugova A.N., Konstantinov A.I., Mikhnevich T.A., Matsubara F., Gustafsson Ö., Semiletov I.P., Perminova I. V. Onboard Large-Scale Isolation and Characterization of Three Reference DOM Materials from Siberian Arctic Shelf Marine Water // ACS Omega. 2025. Vol. 10(7). P. 6406–6418. DOI: https://doi.org/10.1021/acsomega.4c06041.

27. Lado M., Sayegh J., Gadjnay A.G., Ben-Hur M., Borisover M. Heatinduced changes in soil water-extractable organic matter characterized using fluorescence and FTIR spectroscopies coupled with dimensionality reduction methods // Geoderma. 2023. Vol. 430. P. 116347. DOI: https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116347.

28. Laub M., Demyan M.S., Nkwain Y.F., Blagodatsky S., Kätterer T., Piepho H.-P., Cadisch G. DRIFTS band areas as measured pool size proxy to reduce parameter uncertainty in soil organic matter models // Biogeosciences. 2020. Vol. 17. P. 1393–1413. DOI: https://doi.org/10.5194/bg-17-1393-2020.

29. Leinweber P., Schulten H.R. Advances in analytical pyrolysis of soil organic matter // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 1999. Vol. 49. P. 359–383.

30. Margenot A.J., Calderon F.J., Bowles T.M., Parikh S.J., Jackson L.E. Soil Organic Matter Functional Group Composition in Relation to Organic Carbon, Nitrogen, and Phosphorus Fractions in Organically Managed Tomato Fields // Soil Science Society of America Journal. 2015. Vol. 79. P. 772–782. DOI: https://doi.org/10.2136/sssaj2015.02.0070.

31. Moldoveanu S.C. Pyrolysis of Organic Molecules: Applications to Health and Environmental Issues. Amsterdam: Elsevier Science, 2019. 723 p.

32. Murphy K.R., Stedmon C.A., Graeber D., Bro R. Fluorescence spectroscopy and multi-way techniques. PARAFAC // Anal. Methods. 2013. Vol. 5(23). P. 6557–6566.

33. Olk D.C., Bloom P.R., Perdue E.M., McKnight D.M., Chen Y., Farenhorst A., Senesi N., Chin Y.-P., Schmitt-Kopplin P., Hertkorn N., Harir M. Environmental and Agricultural Relevance of Humic Fractions Extracted by Alkali from Soils and Natural Waters // Journal of Environment Quality. 2019. Vol. 48(2). P. 217.

34. OpenFluor, Lablicate GmbH. URL: https://openfluor.lablicate.com/home.

35. Peng Y., Ben-Dor E., Biswas A., Chabrillat S., Demattê J.A.M., Ge Y., Gholizadeh A., Gomez C., Guerrero C., Herrick J., Maynard J.J., Mouazen A.M., Ma Y., McBratney A.B., Minasny B., Ramirez-Lopez L., Robertson A.H.J., Viscarra Rossel R.A., Shi Z., Stenberg B., Wadoux A. M.J.- C., Winowiecki L.A., Zhang G. Spectroscopic solutions for generating new global soil information // The Innovation. 2025. Vol. 6(5). 100839. DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2025.100839.

36. Perminova I.V. Size exclusion chromatography of humic substances: Complexities of data interpretation at tributable to nonsize exclusion effects // Soil Sci. 1999. Vol. 164. P. 834–840.

37. Piccolo A. New insights on the conformational structure of humic substances as revealed by size exclusion chromatography // In: Drozd J., Gonet S. S., Senesi N., Weber J. (Eds.). The Role of Humic Substances in the Ecosystems and in Environmental Processes. IHSS-Polish Society of Humic Substances, Wroclaw, 1997. P. 19–35.

38. Piccolo A., Nardi S., Concher G. Macromolecular changes of humic substances induced by interaction with organic acids // European J. Soil Sci. 1996. Vol. 47. P. 319–328.

39. Pucher M., Wünsch U., Weigelhofer G., Murphy K., Hein T., Graeber D. StaRdom: Versatile software for analyzing spectroscopic data of dissolved organic matter in R // Water (Switzerland). 2019. Vol. 11. DOI: https://doi.org/10.3390/w11112366.

40. Simpson M.J., Simpson A.J. NMR of soil organic matter // Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry (Third Edition). 2017. P. 170–174.

41. Viscarra Rossel R.A., Behrens T., Ben-Dor E., Chabrillat S., Demattê J.A.M., Ge Y., Gomez C., Guerrero C., Peng Y., Ramirez-Lopez L., Shi Z., Stenberg B., Webster R., Winowiecki L., Shen Z. Diffuse reflectance spectroscopy for estimating soil properties: A technology for the 21st century // European Journal of Soil Science. 2022. Vol. 73. P. e13271. DOI: https://doi.org/10.1111/ejss.13271.

42. Wadoux A.M.J.-C., Román-Dobarco M., McBratney A.B. Perspectives on data-driven soil research // European Journal of Soil Science. 2021. Vol. 72. P. 1675–1689. DOI: https://doi.org/10.1111/ejss.13071.

43. Wünsch U.J., Murphy K.R., Stedmon C.A. The One-Sample PARAFAC Approach Reveals Molecular Size Distributions of Fluorescent Components in Dissolved Organic Matter // Environmental Science and Technology. 2017. Vol. 51(20). P. 11900–11908.