Иммобилизация лакказы на глинистых минералах как перспективный способ связывания углерода в почвах

Понимание механизмов, обеспечивающих накопление и стабилизацию углерода в почвах, необходимо для сохранения и повышения их секвестрационного потенциала, а также внедрения практик устойчивого землепользования при переводе почв в сельскохозяйственное использование. Целью работы было выявить роль фермента лакказы в связывании ароматического углерода минеральными фазами почв при концентрациях фенольных субстратов, близких к природным условиям. Лакказу гриба белой гнили древесины Cerrena unicolor (ВКМ F-3196) сорбировали на иллите и каолините, модифицированном гидроксидом алюминия – каолинит-Al(OH)x. В качестве абиогенного катализатора сравнения был взят один из распространенных природных оксидов марганца (IV) – пиролюзит b- MnO₂. Окислительная активность минеральных фаз с 1 мМ АБТС (диаммониевая        соль       2,2'-азино-бис-(3-этилбензтиозолин-6- сульфокислоты) при рН 4.5 составляла для пиролюзита 124 Ед/г, иллита – 0.25 Ед/г и отсутствовала у модифицированного каолинита. Активность лакказы, иммобилизованной на модифицированном каолините и иллите, составляла 1.17 и 0.82 Ед/г соответственно. Эквимолярную смесь галловой, протокатеховой, п-гидроксибензойной, сиреневой, ванилиновой, феруловой кислот (0.01 мМ каждой в 0.01 М KNO₃, pH 4.7) инкубировали с минеральными фазами в течение 1, 24 и 72 часов. Убыль кислот определяли методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии, а растворенного углерода – на ТОС-L анализаторе. Наибольшая реакционная способность при взаимодействии со всеми минералами установлена для галловой кислоты (40–100% убыль за сутки) и в меньшей степени – протокатеховой (19–100% убыль за сутки). п-Гидроксибензойная кислота реагировала только с иллитом, а ванилиновая – только с пиролюзитом (50% убыль за сутки). Значимая трансформация сиреневой и феруловой кислот (80–100% за сутки) выявлена только в присутствии пиролюзита и комплекса “модифицированный каолинит-лакказа”. При меньшей (на 2 порядка) окислительной активности и меньшей (в 3 раза) площади поверхности (18 м²/г vs 54 м²/г у b-MnO₂), комплекс каолинит-Al(OH)x- лакказа связывал за сутки количество углерода, сопоставимое с пиролюзитом (6.5 г/кг), а за трое суток – в 1.1 раза большее (7.3 г/кг). При близкой к комплексу модифицированный каолинит-лакказа активности и высокой площади поверхности (100 м²/г), количество углерода, связанного с иллитом в присутствии лакказы было в 3 раза меньше (1.7 г/кг). Лакказа усиливала связывание углерода с модифицированным каолинитом и иллитом в 2–3 раза. Результаты работы показывают важную роль лакказы и гидроксидов металлов в стабилизации С_орг. Сохранение и повышение природного уровня активности лакказ в почвах за счет регулирования рН и влажности, а также внесение препаратов лакказы в иммобилизованной форме в почвы может быть перспективным подходом для повышения секвестрационного потенциала почв агроландшафтов и обусловливает необходимость дальнейших исследований в данной области.

1. Заварзина А.Г., Ермолин М.С., Демин В.В., Федотов П.С. Взаимодействие смеси фенольных кислот с модифицированным каолинитом в статических и динамических условиях // Почвоведение. 2018. № 8. С. 1004–1013.

2. Заварзина А.Г., Ермолин М.С., Демин В.В., Федотов П.С. Влияние уксусной кислоты и ацетат-ионов на сорбцию-десорбцию смеси фенольных кислот модифицированным каолинитом // Почвоведение. 2020. № 8. С. 948–958.

3. Заварзина А.Г., Демин В.В., Белова О.В., Леонтьевский А.А., Лисов А.В. Гетерофазный синтез гуминовых веществ иммобилизованной лакказой в проточных условиях при низких концентрациях субстрата // Почвоведение. 2022. № 7. С. 843–859.

4. Иванов А.Л., Когут Б.М., Семенов В.М., Тюрина Оберландер М., Ваксман Шанбахер Н. Развитие учения о гумусе и почвенном органическом веществе: от Тюрина и Ваксмана до наших дней // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2017. Вып. 90. С. 3–38. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2017-90-3-38

5. Иванов А.Л., Савин И.Ю., Столбовой В.С., Духанин Ю.А., Козлов Д.Н., Баматов И.М. Глобальный климат и почвенный покров – последствия для землепользования России // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2021. Вып. 107. С. 5–32. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2021-107-5-32.

6. Колчанова К.А., Толпешта И.И., Изосимова Ю.Г. Сорбция фульвокислоты на подфракциях ила, выделенных из минеральных горизонтов торфянисто-подзолисто-глееватой почвы // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2024. C. 37–72. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2024-SPYC-37-72.

7. Кононова М.М. Органическое вещество почвы. М.: Изд-во АН СССР. 1963. 315 с.

8. Семенов В.М., Тулина А.С., Семенова Н.А., Иванникова Л.А. Гумификационные и негумификационные пути стабилизации органического вещества в почве (обзор) // Почвоведение. 2013. № 4. С. 393–407.

9. Соколова T.A., Дронова Т.Я., Толпешта И.И. Глинистые минералы в почвах. М., 2005. 336 с.

10. Ahn M.Y., Zimmerman A.R, Martinez C.E., Archibald D.D., Bollag J-M., Dec J. Characteristics of Trametes villosa laccase adsorbed on aluminum hydroxide // Enzyme and Microbial Technology. 2007. Vol. 41. P. 141–148. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2006.12.014.

11. Baldrian P. Fungal laccases-occurrence and properties // FEMS Microbiology Reviews. 2006. No. 30. P. 215–242.

12. Batjes N.H. Total carbon and nitrogen in the soils of the world // European Journal of Soil Science. 2014. Vol. 65. P. 10–21. DOI: https://doi.org/10.1111/ejss.12114_2.

13. Bui V.K.H., Truong H.B., Hong S., Li X., Hur J. Biotic and abiotic catalysts for enhanced humification in composting: A comprehensive review //Journal of Cleaner Production. 2023. Vol. 402. Р. 136832.

14. Chang R.R., Wang S.L., Liu Y.T., Chan Y.T., Hung J.T., Tzou Y.M., Tseng K.J. Interactions of the products of oxidative polymerization of hydroquinone as catalyzed by birnessite with Fe (hydr) oxides–an implication of the reactive pathway for humic substance formation // Rsc Advances. 2016. Vol. 6(25). Р. 20750–20760.

15. Chiorcea‐ Paquim A., Enache T.A., De Souza Gil E., Oliveira‐ Brett A.M. Natural phenolic antioxidants electrochemistry: towards a new food science methodology // Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 2020. P. 1–47. DOI: https://doi:10.1111/1541-4337.12566.

16. De Nobili M., Bravo C., Chen Y. The spontaneous secondary synthesis of soil organic matter components: A critical examination of the soil continuum model theory // Applied Soil Ecology. 2020. Vol. 154. P. 103655.

17. Eichlerová I., Šnajdr J., Baldrian P. Laccase activity in soils: considerations for the measurement of enzyme activity // Chemosphere. 2012. Vol. 88. P. 1154–1160.

18. Feng S., Su Y., Dong M., He X., Kumaresan D., O’Donnell A.G., Wu J., Chen X. Laccase activity is proportional to the abundance of bacterial laccaselike genes in soil from subtropical arable land // World J. Microbiol. Biotechnol. 2015. Vol. 31. P. 2039–2045.

19. Giardina P., Faraco V., Pezzella C., Piscitelli A., Vanhulle S., Sannia G. Laccases: a never-ending story // Cell. Mol. Life Sci. 2009. Vol. 67(3). P. 369–385.

20. Hao W., Flynn S.L., Alessi D.S., Konhauser K.O. Change of the point of zero net proton charge (pHPZNPC) of clay minerals with ionic strength // Chemical Geology. 2018. Vol. 493. P. 458–467.

21. 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 // Journal of Soils and Sediments. 2018. Vol. 18(4). P. 1212–1231.

22. Huang P.M., Hardie A.G. Formation mechanisms of humic substances in the environment // Biophysico-Chemical Processes Involving Natural Nonliving Organic Matter in Environmental Systems. Ch. 2. Hoboken: John Wiley & Sons, 2009. P. 84–98.

23. Husnain S.M., Asim U., Yaqub A., Shahzad F., Abbas N. Recent trends of MnO 2-derived adsorbents for water treatment: a review // New Journal of Chemistry. 2020. Vol. 44(16). Р. 6096–6120.

24. Janusz G., Pawlik A., Świderska-Burek U., Polak J., Sulej J., JaroszWilkołazka A., Paszczyński A. Laccase properties, physiological functions, and evolution // Int. J. Mol. Sci. 2020. Vol. 21. P. 966.

25. Kleber M., Eusterhues. K., Keiluweitk M., Mikutta C, Mikutta R, Nico P.S. Mineral-organic associations: formation, properties and relevance in soil environments // Advances in Agronomy. 2015. Vol. 130. P. 1–140.

26. Kosmulski M. Compilation of PZC and IEP of sparingly soluble metal oxides and hydroxides from literature // Advances in Сolloid and Interface Science. 2009. Vol. 152(1–2). Р. 14–25.

27. Kriaa A., Hamdi N., Srasra E. Proton adsorption and acid-base properties of Tunisian illites in aqueous solution // Journal of Structural Chemistry. 2009. Vol. 50. Р. 273–287.

28. Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter // Nature. 2015. Vol. 528. P. 60–68.

29. Li Q., Wang L., Fu Y., Lin D., Hou M., Li X., … Wang Z. Transformation of soil organic matter subjected to environmental disturbance and preservation of organic matter bound to soil minerals: a review // Journal of Soils and Sediments. 2023. Vol. 23(3). Р. 1485–1500.

30. Lisova Z.A., Lisov A.V., Leontievsky A.A. Two laccase isoforms of the basidiomycete Cerrena unicolor VKM F-3196. Induction, isolation and properties // J. Basic Microbiol. 2010. Vol. 50. No. 1. P. 72–82.

31. Long Y., Jin H., Li H., Zhu N., Sun E., Shan C., ... Cao Y. Trace MnFe2O4 Boosts Polyphenol-Maillard Reaction and Humification Process for ValueAdded Composting: Integrated Effect of Chemical and Enzymatic Catalysis // ACS ES&T Engineering. 2024. Vol. 4(12). Р. 3067–3079.

32. Lützow M.V., Kögel‐ Knabner I., Ekschmitt K., Matzner E., Guggenberger G., Marschner B., Flessa H. Stabilization of organic matter in temperate soils: mechanisms and their relevance under different soil conditions–a review // European journal of soil science. 2006. Vol. 57(4). Р. 426–445.

33. Naidja A., Huang P.M., Bollag J.-M. Activity of tyrosinase immobilized on hydroxyaluminum–montmorillonite complexes // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 1998. Vol. 115. Р. 305–316.

34. Niu Q., Meng Q., Yang H., Wang Y., Li X., Li G., Li Q. Humification process and mechanisms investigated by Fenton-like reaction and laccase functional expression during composting // Bioresource Technology. 2021. Vol. 341. Р. 125906.

35. Olofsson M.A., Norstrom S.H., Bylund D. Evaluation of sampling and sample preparation procedures for the determination of aromatic acids and their distribution in a podzol soil using liquid chromatography-tandem mass spectrometry // Geoderma. 2014. Vol. 23. P. 373–380.

36. Remucal C.K., Ginder-Vogel M. A critical review of the reactivity of manganese oxides with organic contaminants // Environmental Science: Processes & Impacts. 2014. Vol. 16(6). Р. 1247–1266.

37. Ristig S., Cibura N., Strunk J. Manganese oxides in heterogeneous (photo) catalysis: possibilities and challenges // Green. 2015. Vol. 5(1–6). Р. 23–41.

38. Sarkar B., Singh M., Mandal S., Churchman G.J., Bolan N.S. Clay Minerals – Organic Matter Interactions in Relation to Carbon Stabilization in Soils // The Future of Soil Carbon. 2018. Р. 71–86. DOI: https://doi:10.1016/b978-0-12-811687-6.00003-1.

39. Simić A., Manojlović D., Šegan D., Todorović M. Electrochemical behavior and antioxidant and prooxidant activity of natural phenolics // Molecules. 2007. Vol. 12. P. 2327–2340.

40. Singh M., Sarkar B., Sarkar S., Churchman J., Bolan N., Mandal S., ... Beerling D.J. Stabilization of soil organic carbon as influenced by clay mineralogy // Advances in Agronomy. 2018. Vol. 148. Р. 33–84.

41. Sinsabaugh R.L. Phenol oxidase, peroxidase and organic matter dynamics of soil // Soil Biology and Biochemistry. 2010. Vol. 42. Р. 391–404.

42. Sjoblad R.D., Bollag J.M. Oxidative coupling of aromatic compounds by enzymes from soil microorganisms // Soil biochemistry. 1981. P. 113–152.

43. Stevenson F.J. Humus chemistry: genesis, composition, reactions. John Wiley & Sons. 1994.

44. Teixeira J., Gaspar A., Garrido E.M., Garrido J., Borges F. Hydroxycinnamic acid antioxidants: an electrochemical overview // BioMed research international. 2013. Vol. 1. Р. 251754.

45. Wang N., Zhang Q., Han W., Bai C., Hou B., Liu Y., Wang S. Chemical Characteristics of Dark-Brown Humic-like Substances Formed from the Abiotic Condensation of Maillard Precursors with Different Glycine Concentrations // Agronomy. 2022. Vol. 12. Р. 2199. DOI: https://doi.org/10.3390/agronomy12092199.

46. Whitehead D.C., Dibb H., Hartley R.D. Phenolic Compounds in Soil as Influenced by the Growth of Different Plant Species // The Journal of Applied Ecology. 1982. Vol. 19(2). Р. 579. DOI: https://doi:10.2307/2403490.

47. Zavarzina A.G. A mineral support and biotic catalyst are essential in the formation of highly polymeric soil humic substances // Eurasian Soil Science. 2006. Vol. 39. P. 48–53.

48. Zavarzina A.G., Kulikova N.A, Trubitsina L.I., Belova O.V., Pyatova M.I., Danilin I.V., Pogozhev P.I., Kuzyakov Y.V., Lisov A.V. Disentangling two and three domain laccases in soils: contribution of fungi, bacteria and abiotic processes to oxidative activities // Soil Biology and Biochemistry (under review).

49. Zhao Y., Xiang W., Ma M., Zhang X., Bao Z., Xie S., Yan S. The role of laccase in stabilization of soil organic matter by iron in various plantdominated peatlands: degradation or sequestration? // Plant and Soil. 2019. Vol. 443. P. 575–590.

50. Zou J., Huang J., Yue D., Zhang H. Roles of oxygen and Mn (IV) oxide in abiotic formation of humic substances by oxidative polymerization of polyphenol and amino acid // Chemical Engineering Journal. 2020. Р. 124734. DOI: https://doi:10.1016/j.cej.2020.124734.