Accumulatie van alifatische biopolymeren (suberine) in zure
zandige bodems
Klaas Nierop
Departement Aardwetenschappen - Geochemie Faculteit Geowetenschappen
Inhoud
Korte historie organische stof chemie Moleculaire technieken (NMR, pyrolyse) Organische stof in zandige bodems
beginnende podzol (Hulshorster Zand/Leuvenumse Bos) podzolloze bodem (Amsterdamse Waterleiding Duinen) paleopodzol (Defensiedijk)
Humus
Fulvozuren Huminezuren Humine
Humus vorming: polyfenol theorie
Humus molecuul
?
13C-NMR (Kernspinresonantie)
13C-NMR van organische stof
Alkyl C (lipiden)
O-alkyl C (polysaccharides)Aromatische C
(o.a. lignine)
Carbonyl C
Pyrolyse-GC/MS
Macromolecuul
Structuredetermination
Pyrolysis
ΔT Inte
rpre
tatio
n
Inte
rpre
tatio
n
Thermische afbraak (600 oC) onder inerte omstandigheden Detection / IdentificationDetection/identification
RT: 0.00 - 50.99
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Time (min)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Re
lative
Ab
un
da
nce
39.67
40.40
40.7216.00
25.72
39.3920.30
39.2513.47
28.2918.07 24.2236.84
14.23 21.5936.4011.03
8.88 26.84 32.6212.753.85
7.22 30.65
32.871.9841.0222.70 35.576.27
5.77 41.309.00
41.5443.50
45.17 47.59
NL:3.46E7
TIC MS HVK60
HVK60 #1117 RT: 19.62 AV: 1 NL: 2.57E6T: {0,0} + c EI det=350.00 Full ms [ 45.00-500.00]
50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
m/z
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Re
lativ
e A
bu
nd
an
ce60.1
57.173.1
70.156.169.1
98.197.1 137.174.147.1 61.189.1 174.0115.1 131.1 182.181.1 102.1 138.153.1 157.0149.1121.168.1 107.1 159.1 194.1168.1 190.1 196.1
Algemene bouwstenen
Specifieke bouwstenen
Specifiekere bouwstenen
Zelfs lego humificeert…
Promotieonderzoek in Wageningen
Theorie podzolisatie kennen we nu wel, maar hoe zit het nu met de organische stof (chemie)?
Onderzoek in Hulshorster Zand/ Leuvenumse Bos
Zand
Algen ‘mat’
Mosveld en vliegden
Dennenbos + gras/bosbes
Beuk
Beginnende podzol
F
L
HE
B
Pyrolyse-GC/MS (onder beuk)
Fiber
Wateroplosbare organische stof
B horizont
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
nnn
n
n
nn
nn
n
n
n
n
n
n
n
n
nn
n
n
nn
n
n
nn
Rel
ativ
e in
tens
iteit
Retentietijd
= polysaccharides; = fenolen; = lignine; = lipiden
Pyrolyse
Nadeel: verbindingen met veel polaire groepen zijn minder of zelfs helemaal niet zichtbaar.
Oplossing: toevoeging van methylerings reagents (TMAH), oftewel ‘Thermally assisted Hydrolysis and Methylation (THM)’
THM van B horizont onder beuk
= vetzuur; □ = ω-hydroxyvetzuur; = α,ω-divetzuur;
= alcohol (allen als methyl ester en/of methyl ether)
Retention time
Rel
ativ
e in
tens
ity
C22
9,10,18-trimethoxy-C18 vetzuur
□
□
□
□
□
□
□
:
9,16
en
10,1
6-di
met
hoxy
-C1
6 v
etzu
ur
C24
C22
C24
C24
C28 C30C22
C20
C20
C20
C18
C18:1
C22
C16
C16
C18
C18:1
OCH3
COOCH3
OCH3
OCH3
COOCH3
OCH3
C16
Ester-gebonden lipiden: cutine en suberine
Cutine (cuticula van bladeren, naalden, vruchten)
Suberine (bast, wortels, knollen)
Bernards, Can. J. Bot. 80, 227-240 (2002)
Bouwstenen cutine en suberine
O
OH OH
O
OH
O
OH
Cutine Suberine
O
OH
OH
OH
OH
C16 en C18 ook C20 en langer
O
OH OH
O
O
OH OH
OH
THM van B horizont onder beuk
= vetzuur; □ = ω-hydroxyvetzuur; = α,ω-divetzuur;
= alcohol (allen als methyl ester en/of methyl ether)
Retention time
Rel
ativ
e in
tens
ity
C22
9,10,18-trimethoxy-C18 vetzuur
□
□
□
□
□
□
□
:
9,16
en
10,1
6-di
met
hoxy
-C1
6 v
etzu
ur
C24
C22
C24
C24
C28 C30C22
C20
C20
C20
C18
C18:1
C22
C16
C16
C18
C18:1
OCH3
COOCH3
OCH3
OCH3
COOCH3
OCH3
C16
C input in minerale bodem
Bioturbatie Inspoeling Ondergrondse biota (plant)
13C-NMR
Alkyl C
Fiber
Wateroplosbare organische stof
B horizont
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
nnn
n
n
nn
nn
n
n
n
n
n
n
n
n
nn
n
n
nn
n
n
nn
Rel
ativ
e in
tens
iteit
Retentietijd
= polysaccharides;
= fenolen;
= lignine;
= lipiden
Nierop & Buurman, 1999
Leuvenum
Wateroplosbare organische stof: veel aromatische verbindingen (lignine en andere polyfenolen)
B horizonten: veel ‘alifatische’ componenten, met name suberines
Dus: de C in de jonge B horizonten bestaat voornamelijk uit de meeste resistente componenten van (oud) wortelmateriaal
Wateroplosbare organische stof spoelt voornamelijk door de B horizont heen en slaat neer als fiber
Zandige subhorizonten in Amsterdamse Waterleiding Duinen (AWD)
Zeer kleine hoeveelheden aan verweerbare mineralen (zelfs Al/Fe), geen podzolvorming
Grote pH gradient Verwaarloosbare bioturbatie Zelfde plant input (wortels)
Duivendrift
Hoek van Klaas
Jonge Duinen
Ontkalkings-diepte: 25 cm
Oude Duinen
Ontkalkings-diepte: 115 cm
14C>600 BP
Lipiden fractionering organische stof
Extractie m.b.v. organisch oplosmiddel Extraheerbare (vrije) lipiden Soxhlet extractie/ASE in DCM/MeOH (9:1)
Basische hydrolyse (verzeping)
Ester-gebonden verbindingen
1M KOH in MeOH op 70 oC (1 uur)(Vergelijk NaOH extractie humus!)
Opbrengsten vrije en ester-gebonden lipiden
pH (CaCl2) Free Ester-bound(weight %) (weight %)
Oak roots 7.03 10.42Dui-Ck 6.9 1.47 2.90Dui-C1 4.3 3.68 4.09HvK-C1 3.8 10.16 12.61
Nierop et al. (2003)
Retention time
Re
lativ
e in
tens
ity
C18:1
C18
C16
C22C16
C24
C16
C18:1
C18
C16
C24
C22
C16
C20C16
C9C9
C1
8:1
(11
)
C16
C8C8
C1
8:1
(9)
C18
C1
8:1
(11
)C
18
:1(1
1)
C1
8:1
(9)
C18
C18
C1
8:1
(10
)
C16
Legenda (als TMS esters en/of ethers): = 1-alcohol = vetzuur = ω-hydroxyvetzuur = α,ω-divetzuur = dihydroxyvetzuur = trihydroxyvetzuur
= dihydroxy-α,ω-divetzuur
Ester-gebonden lipiden met GC/MS: vegetatie vs. bodem
Wortels
Dui-Ck
Dui-Ck
HvK-C1
Dui-C1
Retention time
Re
lativ
e in
tens
ity
C18:1
C18:
C18
C16
C22C16
C24
C16
C18:1
C18
C16
C24
C22
C16
C20C16
C8
C16
C16C18
C22
C20
C18:1
C24
C16
C9
C9C9
C9
C8
C9
C16
C14
C16
C9
C8C8
C8C8
C22C1
8:1
(9) C18
C1
8:1
(11
)
C1
8:1
(9)
C18
C1
8:1
(11
C1
8:1
(10
)
C1
8:1
(9)
C18
C18
C18
C18
OH
COOH
OH
OCH3
COOH
OH
COOH
OCH3
OH
CO OH
age
pH
Ester-gebonden lipidenin subhorizont onder eikenbos met GC/MS
Legenda (als TMS esters en/of ethers):
= 1-alcohol = vetzuur = ω-hydroxyvetzuur = α,ω-divetzuur = dihydroxyvetzuur = trihydroxyvetzuur = dihydroxy-α,ω-divetzuur
(Paleo)podzols (14C tot 4000 jaar BP)
(Van Mourik et al., in prep.???)
Retention time
Re
lativ
e in
ten
sity
C22
C24
C22
C16
C24
G
O O
C22
C24
Defensiedijk
Suberine (Calluna?)
THM van 4B
= 1-alcohol = vetzuur = ω-hydroxyvetzuur = α,ω-divetzuur
Conclusies
Organische stof van “Humic substances, which constitute 70-80% of organic matter in mineral soils, are dark-coloured partly aromatic, acidic, hydrophilic, molecularly flexible polyelectrolyte materials.” (Schnitzer)
naar vooral alifatische bio(macro)moleculen In zure, zandige bodems breekt aromatische
componenten (lignine) snel af, en accumuleren en preserveren suberines (ook in podzol B horizonten)
Onderschat de invloed en bijdrage van wortels niet!
Top Related