Химия твердого топлива, 2023, № 2-3, стр. 26-34

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Отбор проб торфа осуществляли с помощью торфяного пробоотборочного бура ТБГ-1 на верховых и низинных болотах южно-таежной подзоны Западной Сибири из скважин глубиной 1 м (табл. 1). Пробы торфа были отобраны на глубине 30–60 см, чтоб исключить антропогенное воздействие.

Болото Центральное расположено на третьей надпойменной террасе реки Кеть в Колпашевском районе Томской области. Отбор проб осуществляли в мочажине в пределах грядово-мочажинного комплекса. Травяно-кустарничковый ярус исследуемого участка болота образован Andromeda polifolia, Scheuchzeria palustris, Rhynchospora alba, моховой ярус – Sphagnum majus и Sphagnum balticum. Мощность торфяной залежи 1.7 м.

Болото Большое расположено на третьей надпойменной террасе реки Обь в Парабельском районе Томской области. Отбор проб осуществляли в пределах не нарушенного сосново-кустарничково-сфагнового фитоценоза с низкой сосной. Древесный ярус на исследуемом участке болота образован Pinus sylvestris; травяно-кустарничковый ярус – Ledum palustre, Chamaedaphne calyculata, Andromeda polifolia, Vaccinium uliginosum, Oxicoccus microcarpus, Eriophorum vaginatum, Rubus chamaemorus, Drosera rotundifolia; моховой ярус – Sphagnum fuscum. Торфяная залежь в точке отбора пробы – верхового типа, мощностью 2.7 м.

Бакчарское болото (северо-восточные отроги Большого Васюганского болота) расположено в междуречье рек Бакчар и Икса (бассейн р. Чая) в Бакчарском районе Томской области. Отбор проб осуществляли в пределах сосново-кустарничково-сфагнового фитоценоза с низкой сосной (П3), а также осоково-сфагновой топи (П5). Древесный ярус в пределах сосново-кустарничково-сфагнового фитоценоза (П3) образован сосной (проективное покрытие 40%), травяно-кустарничковый ярус – Ledum palustre, Chamaedaphne calyculata, Andromeda polifolia, Vaccinium uliginosum, Eriophorum vaginatum, Oxicoccus microcarpus, Rubus chamaemorus. Моховой ярус состоит из сфагновых мхов (Sphagnum fuscum 80%, Sphagnum divinum 10%, Sphagnum angustifolium 10%). В пределах осоково-сфагновой топи (П5) кустарничковый ярус представлен Andromeda polifolia, Oxycoccus palustris Chamaedaphne calyculata, проективное покрытие яруса – 10%. В травяном ярусе встречаются Eriophorum vaginatum, Carex rostrate с проективным покрытием 70%. Моховой ярус представлен различными видами сфагновых мхов Sphagnum balticum, Sphagnum divinum, проективное покрытие 60%. Мощность торфяной залежи на обоих участках составляет 2.85 м.

Болото Ишколь расположено на левобережной притеррасной пойме р. Чулым в Асиновском районе Томской области в 100 км на северо-восток от г. Томска. Отбор проб проводили в пределах лиственнично-осокового кустарничково-гипнового болота. Древесный ярус представлен разреженной Larix sibirica. Из кустарничков преобладают Betula humilis и Betula nana, Andromeda polifolia и Oxicoccus microcarpus. Из травянистых растений доминируют Eriophorum vaginatum и Carex rostrata, присутствует Dactylorhiza fuchsii и Menyanthes trifoliata. В моховом покрове доминируют зеленые мхи. Мощность торфяной залежи 2.2 м, она сложена осоково-гипновым и древесным низинными торфами.

Болото Самара расположено в Бакчарском районе на террасе р. Бакчар. Растительность представляет собой березово-сосново-травяно-сфагновый фитоценоз. Древесно-кустарничковый ярус представлен Pinus sylvestris и Salix cinerea. Кустарничковый ярус образован исключительно Betula nana, в травяном ярусе преобладает болотное разнотравье с участием Comarum palustre, Menyanthes trifoliata, Typha latifolia и Petasítes frigidus. Моховой покров кочек образован Sphagnum divinum и Sphagnum fuscum. В понижениях Sphagnum rubellum, Sphagnum divinum, Dicranum polysetum, Calliergonella cuspidata, Calliergon cordifolium. Мощность торфяной залежи составляет 4 м.

Ботанический состав и степень разложения торфа определяли по ГОСТ 28245.2-89 [4]. При отборе проб торфа параллельно проводили определение рН, EC, ОВП, О₂, СО₂ в болотных водах. Минерализацию болотных вод определяли по сумме ионов после проведения полного макрокомпонентного анализа в Лабораторно-аналитическом центре СибНИИСХИТ-филиала СФНЦА РАН. Величину рН вод измеряли с помощью полевого прибора рН-200 фирмы HM Digital (США), окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) определяли прибором ORP-200 фирмы HM Digital (США). Определение содержания растворенного O₂ в болотных водах проводили с использованием оксиметра HI 9146 фирмы HANNA (Германия). Определение СО₂ в болотных водах проводили титрованием проб раствором NaOH в присутствии сегнетовой соли и индикатора фенолфталеин (ФР.1.31.2005.01580). Электропроводность вод (ЕС) определяли с помощью кондуктометра HI 8733 фирмы HANNA (Германия). Химическое потребление кислорода (ХПК) определяли бихроматным методом согласно ГОСТ 31859-2012 [5].

Для анализа состава органического вещества (ОВ) образцы торфа были высушены и измельчены. Органические соединения сконцентрированы путем экстракции 7% раствором метанола в хлороформе при 60°С. Их состав исследовали методом хромато-масс-спектрометрии с использованием магнитного хромато-масс-спектрометра DFS фирмы “Thermo Scientific” (Германия), аттестованного с погрешностью определения не более 5%. Режим работы хроматографа: кварцевая капиллярная хроматографическая колонка фирмы “Agilent” с внутренним диаметром 0.25 мм, длиной 30 м, толщина фазы 0.25 мкм, неподвижная фаза – TR-5MS; газ-носитель – гелий, температура испарителя 250°С, температура интерфейса 250°С. Индивидуальные соединения идентифицировали по масс-фрагментограммам в программе X-Calibur 10 с использованием компьютерной библиотеки масс-спектров NIST.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В работе исследован состав торфов верховых и низинных болот южно-таежной подзоны Западной Сибири, отличающихся положением в рельефе, происхождением, характером питания, кислотностью и минерализацией водной среды. Для низинных болот характерно грунтовое питание, для верховых – атмосферное [6]. Низинные болота располагаются на пониженных участках рельефа в поймах и террасах рек, по берегам озер, в местах выхода подземных вод. Верховые болота находятся на плоских водоразделах и питаются преимущественно за счет атмосферных осадков.

Воды верховых болот характеризуются низкой минерализацией, которая варьирует в диапазоне 24.7–30.6 мг/дм³, тогда как в низинных болотах отмечено увеличение минерализации вод в среднем в 5–19 раз (табл. 2). По величине рН воды верховых болот кислые (среднее рН = 4.26), низинные болота имеют реакцию среды, близкую к нейтральной. Окислительно-восстановительный потенциал в исследуемых водах верховых болот практически не отличается и свидетельствует об устойчивых окислительных условиях (ОВП > 0), тогда как в низинных болотах отмечается восстановительная обстановка. Содержание О₂ в водах верховых болот варьирует от 0.14 до 0.51 мг/дм³, а в водах низинных болот изменяется в более широком диапазоне – от 0.13 до 0.80 мг/дм³. Содержание органических веществ в исследуемых болотных водах по величине ХПК, а также концентрации СО₂ имеет более сложную динамику, что определяется их генетическими особенностями и интенсивностью водообмена. Так, повышенными величинами ХПК характеризуются пробы, отобранные в пределах верховых болот Центральное, Большое и Бакчарское (П3), а максимальные значения отмечены в водах низинного болота Самара, что вероятно свидетельствует о характерных для него тенденциях смены растительного покрова и типа водно-минерального питания. Снижение величин ХПК вод до 94.0–98.5 мгО/л отмечается в водах низинного болота Ишколь, а также на участке осоково-сфагновой топи Бакчарского болота. Воды Бакчарского болота, а также низинного болота Самара характеризуются низкими концентрациями СО₂ (25.4–47.9 мг/дм³), тогда как в водах верховых болот Центральное, Большое, а также Ишколь, концентрации увеличиваются в среднем в 2–4 раза.

В образцах торфа идентифицированы группы и отдельные представители ациклических (табл. 3) и циклических (табл. 4) структур. Их усредненное суммарное содержание варьирует от 94 мкг/г в низинных торфах до 240 мкг/г – в верховых. Содержание ациклических соединений в верховых и низинных торфах сопоставимо и составляет в среднем 54 и 64 мкг/г соответственно. Содержание циклических разностей изменяется в более широких пределах, достигая 253–367 мкг/г в верховых фускум-торфах с содержанием Sphagnum fuscum ≥90% и снижаясь до 11 мкг/г в низинном осоково-гипновом торфе (табл. 4). В целом в верховых торфах доминируют циклические структуры, а в низинных – преобладают ациклические.

Среди ациклических органических соединений в торфах идентифицированы группы соединений: н-алканы, н-алкан-2-оны, жирные кислоты, метиловые эфиры жирных кислот, н-альдегиды (табл. 3), а также представители ациклических изопреноидов: тритерпен сквален, являющийся промежуточным продуктом в метаболизме тритерпеноидов и стероидов, а также дитерпеноиды фитон и изомеры фитола. В верховых торфах среди ациклических соединений преобладают н-алканы (табл. 3), их относительное содержание составляет 25–48%, в низинных торфах доминируют н-алкан-2-оны (47–54 отн. %). Такие компоненты, как жирные кислоты и н-альдегиды, в большинстве верховых торфов более распространены по сравнению с низинными. Максимальное содержание биологически активного сквалена зафиксировано в верховом торфе болота Центральное, содержание фитона и фитола незначительно повышено в низинном торфе болота Самара.

Анализ молекулярно-массового распределения (ММР) н-алканов (рис. 1) показал доминирование высокомолекулярных нечетных гомологов С₂₁–С₃₃ во всех исследованных образцах торфа. Торфа исследуемых верховых болот состоят из Sphagnum fuscum на 85–95% (Центральное, Большое, Бакчарское П3); из Sphagnum divinum на 55% и Sphagnum balticum на 10% (Бакчарское П5). В составе алканов верхового торфа преобладают гомологи: С₂₅, характерный для Sphagnum fuscum, и С₂₃, доминирующий в Sphagnum divinum и Sphagnum balticum. Такое распределение н-алканов в различных сфагновых торфах и мхах показано в работах [7–11]. В отличие от торфа, отобранного на участке осоково-сфагновой топи Бакчарского болота (П5), в котором преобладающим алканом является С₂₃, в торфе на участке низкого ряма Бакчарского болота (П3), наряду с высоким содержанием С_25, определено максимальное количество С₃₁. Подобное распределение встречается в некоторых сфагновых торфах [12]. В низинных осоково-гипновом (Ишколь) и осоковом (Самара) торфах доминируют алканы С₂₃–С₂₇ и С₂₇ соответственно.

Рис. 1.

Молекулярно-массовое распределение н-алканов, н-алкан-2-онов и метиловых эфиров жирных кислот в торфах.

Во всех торфах н-алкан-2-оны представлены соединениями С₁₉–С₃₃ с преобладанием нечетных структур (рис. 1). В верховых торфах доминирует гомолог С₂₇, на который приходится около половины общего содержания н-алкан-2-онов, что характерно для сфагновых торфов в целом [10, 11]. В низинных торфах, образованных преимущественно осокой и гипновыми мхами, в равных количествах с С₂₇ присутствует гомолог С₂₅.

В ряду жирных кислот С₈–С₂₄ всех торфов: доминируют четные кислоты С₁₄–С₂₀ с преобладанием пальмитиновой кислоты, характерной для широкого ряда живых организмов. Обнаружены также метиловые эфиры жирных кислот С₁₇–С₃₁ с бимодальным распределением: максимумы приходятся на С₁₇ и С₂₅–С₂₇ (рис. 1). В верховых торфах преобладает гомолог С₁₇ (эфир пальмитиновой кислоты), а в низинных – С₂₅ и С₂₇ – эфиры тетракозановой и гексакозановой кислот, присутствующих в маслах и восках некоторых высших растений.

Таким образом, влияние условий торфообразования на состав ациклических разностей, идентифицированных в составе липидов верховых и низинных торфов, выражается в соотношении тех или иных групп идентифицированных соединений. Изменения в индивидуальном составе ациклических соединений, таких как н-алканы. н-алкан-2-оны, метиловые эфиры жирных кислот являются следствием разного состава растений-торфообразователей для верховых и низинных торфов. Повышенным содержанием биологически активного сквалена отличается фускум-торф болота Центральное.

В составе идентифицированных циклических соединений фускум-торфов преобладают пентациклические тритерпеноиды (табл. 4). Их содержание в торфах снижается от 279 до 64 мкг/г параллельно снижению (от 95 до 85%) вклада Sphagnum fuscum. В торфе с преобладанием Sphagnum divinum повышена доля стероидов, концентрация которых даже несколько выше ПЦТ (32 и 29 мкг/г соответственно). В осоковом низинном торфе, как и в большинстве исследованных торфов, в максимальной концентрации присутствуют ПЦТ, а в осоково-гипновом среди циклических структур преобладают стероиды. Содержание сесквитерпеноидов и дитерпеноидов существенно ниже, чем стероидов и ПЦТ. При этом в низинных торфах ДТ не зафиксированы. Витамин Е – группа токоферолов в максимальной концентрации присутствует в фускум-торфах, К₁ – фитонадион – в низинном осоковом торфе. Дигидроактинидиолид, являющийся аллелохимическим агентом [13, 14], отсутствует в фускум-торфах болот Центральное и Большое, а его максимальное количество отмечено в низинном осоково-гипновом торфе.

В составе ПЦТ идентифицированы две серии соединений. Это структуры, ядром которых являются пять сопряженных шестичленных кольца – пергидропицены (ПГП), и соединения, состоящие из пятичленного и четырех шестичленных колец. Последние относятся к классу гопаноидов (в большинстве С₃₀), отдельные представители которых различаются наличием и положением ненасыщенной связи в молекуле. Доля гопаноидов в составе ПЦТ верховых торфов варьирует от 8% в сфагнум-торфе болота Бакчарское до 22–28% в остальных, в среднем, 21%. В низинных торфах их относительное содержание несколько выше (31 и 32%). В составе гопаноидов всех исследованных торфов идентифицированы Δ¹⁷⁽²¹⁾ гопен и диплоптен (Δ²²⁽²⁹⁾). Гопены Δ¹² и Δ¹³⁽¹⁸⁾ с преобладанием в составе гопаноидов Δ¹³⁽¹⁸⁾ обнаружены в большинстве торфов, за исключением осоково-гипнового (болото Ишколь, характеризующееся высокой минерализацией и низким значением окислительно-восстановительного потенциала болотных вод), в котором, в отличие от остальных, в максимальной относительной концентрации присутствуют диплоптен и насыщенные гопанон, гопанол, а также гопаны С₃₀ и С₃₁ с конфигурацией 17β, 21β.

Все идентифицированные молекулы ПГП содержат 8 метильных заместителей в обрамлении макроцикла и 1–2 ненасыщенные связи: Δ⁷, Δ¹², Δ¹⁴, Δ¹³⁽¹⁸⁾ и Δ^9(11),12. В соответствии с положением метильных заместителей ПГП подразделяются на олеанены, урсены и фриедоолеанены. Наряду с метильными, в 3-м положении макроцикла в части соединений присутствует карбонильная, спиртовая, или ацетатная группа. Во всех исследованных верховых торфах в составе ПГП доминирует тараксерен (углеводород Д-фриедоолеан-14-ен). В целом углеводороды являются основными представителями ПГП в большинстве верховых торфов, а доля соединений с функциональными группами не высока (15–35%). Только в фускум-торфе болота Бакчарское превалируют соединения с кислородсодержащим заместителем (68%). Преобладание этих соединений зафиксировано также в низинных торфах: 55% – в осоковом и 97% – в осоково-гипновом. При этом в фускум-торфе болота Бакчарское и в низинном осоковом торфе в близкой с Д-фриедоолеан-14-еном концентрации присутствует урс-12-ен-3-он, а в осоково-гипновом торфе урс-12-ен-3-он является основным представителем ПГП.

Стероиды в исследованных торфах представлены четырьмя группами соединений, в основе которых лежат молекулы холестана (С₂₇), эргостана (С₂₈), стигмастана (С₂₉) и ланостана (С_30–32) с различным положением, наличием, или отсутствием 1–2 ненасыщенных связей, карбонильного, спиртового, или ацетатного заместителя.

Анализ суммарного содержания соединений отдельных групп в составе стероидов (рис. 2) показывает, что во всех исследованных торфах доминируют стероиды С₂₉, а С₂₇ присутствуют в минимальном количестве. Повышенным относительным количеством С₂₈ отличается верховой магелланикум-торф осоково-сфагновой топи (ВБ5). Верховые торфа в целом отличаются от низинных существенно более высоким содержанием стероидов группы ланостана с максимальной концентрацией в торфе болота Большое, а повышенное количество стероидов С₂₇ присутствует в низинном осоково-гипновом и верховом магелланикум-торфе.

Рис. 2.

Состав стероидов в верховых и низинных торфах.

В составе стероидов С₂₉ фускум-торфов доминирует ситостерол (стигмаст-5-ен-3-ол) в концентрации 23–31 мкг/г сухого торфа, в магелланикум-торфе преобладает стигмастерол – стигмаста-5.22-диен-3-ол (6.2 мкг/г), а в низинных – насыщенный стигмастан-3-он (2.3 и 2.6 мкг/г). Основным компонентом стероидов С₂₈ всех исследованных верховых торфов является кампестерол – эргост-5-ен-3-ол (0.5–3.9 мкг/г), а в магелланикум-торфе, в близкой с ним концентрации (2.0 мкг/г), присутствует эргоста-5,22-диен-3-ол. В низинных торфах в составе стероидов С₂₈ преобладает эргостан-3-он (0.4 и 0.2 мкг/г). Стероиды С₂₇ верховых торфов обогащены холестеролом (0.2–0.6 мкг/г), низинные – холестан-3-оном (0.1 мкг/г). В магелланикум-торфе, как и среди С₂₈, наряду с холестеролом (холест-5-ен-3-олом) в идентичной концентрации (0.5 мкг/г) зафиксирован холеста-5,22-диен-3-ол. Таким образом, в составе С₂₉, С₂₈ и С₂₇ стероидов верховых торфов основную роль играют моно- и ди- ненасыщенные структуры, доминирующие в болотных растениях [10, 15]; в низинных торфах, вследствие восстановительных условий в водах низинных болот и гидрирования ненасыщенных связей исходных стеролов и стенонов доминируют насыщенные представители стероидов. Одновременно повышенная минерализация низинных болот могла способствовать окислению спиртовой группы до кетонной.

Доминирующим соединением ряда ланостана в фускум-торфах является ацетат ланостерола (2.9–7.5 мкг/г), в магелланикум-торфе преобладает обтусифолиол (4.14-диметилэргоста-8.24(28)-диен-3-oл) в концентрации 4.7 мкг/г, в низинных торфах – ланоста-8.24-диен-3-он (0.3 и 0.5 мкг/г).

Сесквитерпеноиды присутствуют в исследованных торфах в очень малых количествах (табл. 4). В их составе в фускум-торфах преобладает калакорен, в магелланикум-торфе – γ-селинен, в низинных торфах – δ-кадинен и циклосативен.

Содержание дитерпеноидов, присутствующих только в верховых торфах, не превышает 2.1 мкг/г (табл. 4). В их состав входят обладающие антимикробной активностью [16] производные смоляных кислот: пимаровой, абиетиновой и дегидроабиетиновой, а в фускум-торфе болота Бакчарское 69% ДТ приходится на трахилобан, потенциально обладающий антивозрастными и противоопухолевыми свойствами [17].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Верховые и низинные торфа, залегающие в южно-таежной подзоне Западной Сибири в пределах Томской области, характеризуются высоким содержанием и большим разнообразием ациклических и циклических органических соединений. В низинных осоковом и осоково-гипновом торфах преобладают ациклические структуры, среди которых доминируют н-алкан-2-оны. Их индивидуальный состав, а также состав н-алканов и метиловых эфиров жирных кислот в большинстве исследованных торфов определяется составом растений-торфообразователей. В верховых торфах доминируют циклические структуры, из них в максимальном количестве присутствуют пентациклические тритерпеноиды, содержание которых возрастает с увеличением вклада в состав торфообразующих растений Sphagnum fuscum. Кроме того, верховые торфа отличаются от низинных существенно более высоким относительным содержанием в составе стероидов соединений группы ланостана. В целом среди стероидов верховых торфов основную роль играют доминирующие в болотных растениях моно- и диненасыщенные структуры: ситостерол (в фускум-торфах) и стигмастерол (в магелланикум-торфе), в низинных торфах в максимальной концентрации присутствует насыщенный стигмастан-3-он. Наблюдаемые отличия в составе органических соединений верховых и низинных торфов могут быть связаны с различными гидрохимическими показателями болот. Так, преобладание насыщенных представителей стероидов в низинных торфах отвечает восстановительным условиям в водах низинных болот, приводящим к гидрированию ненасыщенных связей исходных биологических стеролов, а окислению спиртовой группы до кетонной способствует повышенная минерализация этих вод.

Полученные результаты могут быть использованы для выбора направлений рационального применения торфяного сырья, поскольку некоторые идентифицированные органические соединения являются биологически активными веществами. Так, все исследованные верховые торфа болот Центральное, Большое и Бакчарское характеризуются высокой концентрацией многочисленных пентациклических тритерпеноидов и стероидов, способных воздействовать на различные физиологические функции организмов. В них присутствуют обладающие антимикробной активностью дитерпеноиды – производные смоляных кислот: пимаровой, абиетиновой и дегидроабиетиновой, а также трахилобан, обнаруженный в фускум-торфе болота Бакчарское, а в фускум-торфе болота Центральное отмечено повышенное содержание биологически активного сквалена.

Максимальные концентрации токоферолов, известных антиоксидантов, зафиксированы в фускум-торфах, витамина К₁ – в низинном торфе болота Самара, а повышенное количество дигидроактинидиолида, являющегося аллелохимическим агентом, – в низинном торфе болота Ишколь.