автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Особенности формирования лигноуглеводной матрицы хвойных на примере можжевельника

На правах рукописи 005535734

Зубов Иван Николаевич

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЛИГНОУГЛЕВОДНОЙ МАТРИЦЫ ХВОЙНЫХ НА ПРИМЕРЕ МОЖЖЕВЕЛЬНИКА

Специальность 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева, химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

2 4 ОКТ 2013

Архангельск 2013

005535734

Работа выполнена в лаборатории химии растительных биополимеров федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт экологических проблем Севера Уральского отделения Российской академии наук

Научные руководители:

заслуженный деятель науки РФ,

доктор химических наук, профессор Боголицын Константин Григорьевич

кандидат технических наук, Гусакова Мария Аркадьевна

доктор химических наук, профессор, профессор кафедры органической химии СПбГЛТУ

Миловидова Любовь Анатольевна

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства института теоретической и прикладной химии САФУ имени М.В. Ломоносова

Официальные оппоненты:

Пономарев Дмитрий Андреевич,

Ведущая организация

Институт биологии Коми НЦ УрО РАН

Защита состоится «15» ноября 2013 года в Ю00 часов в ауд. 1220 на заседании диссертационного совета Д 212.008.02 при ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» (САФУ) по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке САФУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан « УЬ » октября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук, доцент

Т.Э. Скребец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Состав, строение и свойства лигноуглеводных композитов формируются на на-ноуровне при непосредственном участии мультиферментативных комплексов в процессе биосинтеза древесного вещества. В дальнейшем это предопределяет поведение растительных полимеров при химических и физических воздействиях. Активность ферментативных комплексов клетки зависит от внешних условий, к которым относятся абиотическое, биотическое и антропогенное воздействия. В связи с этим, изучение вопросов биосинтеза компонентов клеточных оболочек, их самоорганизации, а также влияние на эти процессы комплекса внешних и внутренних факторов приобретают все большую актуальность.

С современных позиций древесное вещество рассматривается как бионаноком-позит. Основу древесины как хвойных, так и лиственных видов составляют полисаха-ридные компоненты (целлюлоза, гемицеллюлозы и пектиновые вещества), а также полифенол нерегулярного строения - лигнин. Функции лигнина в древесине заключаются в непосредственном его участии в процессах биосинтеза и формирования надмолекулярной структуры древесного вещества, придании жесткости углеводной композиции клеточной стенки и защите растения от патогенов. Во многом это определяется функциональной природой и физико-химическими свойствами лигнина. Основной трудностью при изучении лигнинов является невозможность их выделения в неизменном виде в силу высокой лабильности, что делает предпочтительным использование неразрушающих методов анализа древесного вещества.

Применение современных методов исследования и высокоточной приборной базы позволит получить новые данные и уточнить имеющиеся сведения о распределении лигнина в клеточной стенке, его связи с полисахаридами, а также особенностях строения и надмолекулярной структуры лигноуглеводной матрицы.

Целью данной работы является изучение особенностей формирования состава и структуры древесного вещества хвойных на примере можжевельника обыкновенного (Jurtiperus Communis L.).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• обосновать выбор биообъекта и региона исследования;

• изучить компонентный состав древесины можжевельника различных природно-климатических зон и определить приоритетные факторы формирования компонентов древесного вещества;

• определить влияние ферментативного (пероксидазного) катализа на химические процессы формирования древесины можжевельника;

• исследовать функциональную природу и физико-химические свойства лигнина в процессе биосинтеза и формирования древесного вещества;

• изучить особенности ультрамикростроения и надмолекулярной структуры лигноуглеводной матрицы, а также влияние на процесс их формирования химической природы компонентов древесины.

Научная новизна

Получены новые сведения об особенностях компонентного состава древесины можжевельника обыкновенного различных природно-климатических зон Европейского Севера России. Определены приоритетные факторы формирования компонентов древесного вещества. Установлено, что интенсивность биохимических процессов образования углеводной составляющей древесного вещества можжевельника определяется температурным режимом региона.

Получены новые данные о функциональной природе, физико-химических свойствах и молекулярно-массовых характеристиках малоизмененных препаратов на-тивного лигнина можжевельника. Показана значительная роль растительных перок-сидаз как регуляторов биохимических процессов в биосинтезе и функционализации лигнина.

Методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии получены новые экспериментальные данные об особенностях строения древесного вещества можжевельника. Доказана спиральная ориентация микрофибрилл в слоях вторичной клеточной стенки. Получено подтверждение глобулярной структуры макромолеку-лярных образований лигнина с нецеллюлозными полисахаридами.

Практическая значимость

Предложена усовершенствованная методика исследования строения лигно-углеводной матрицы древесины методом сканирующей электронной микроскопии, включающая стадию криомеханической пробоподготовки. Проведена доработка и адаптация методики определения параметра активности пероксидазы в растительном сырье.

На защиту выносятся

• Влияние абиотических факторов на компонентный состав древесины можжевельника обыкновенного.

• Роль пероксидазы в процессах биосинтеза и функционализации лигнина.

• Результаты исследования функциональной природы, молекулярно-массовых характеристик и реакционной способности диоксанлигнинов из разновозрастной древесины можжевельника.

• Данные по ультрамикростроению и надмолекулярной структуре древесной матрицы хвойных.

Личный вклад автора Автор принимал участие в формулировке целей и задач исследования, получении основного массива экспериментальных данных, их интерпретации, подготовке публикаций по теме диссертационной работы.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на: IV Международной молодежной конференции «Экология-2011» (Архангельск); XIV Молодежной конференции по органической химии (Екатеринбург, 2011); IV Международной конференции «Физикохимия растительных полимеров» (Архангельск, 2011); V Всероссийской конференции с международным участием «Новые достижения в химии и

ренции с международным участием «Экология и геологические изменения в окружающей среде северных регионов» (Архангельск, 2012); V Международной конференции «Физикохимия растительных полимеров» (Архангельск, 2013).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 научных трудов, из них 3 статьи в журналах, входящих в список ВАК.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, включающей 3 раздела, выводов и списка литературы. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, включая 37 рисунков, 3 схемы и 16 таблиц. Список литературы содержит 172 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В литературном обзоре дана краткая характеристика комплекса абиотических факторов и их влияния на особенности состава и структуры древесного вещества. Рассмотрены: морфологические особенности строения древесины хвойных пород; состав, строение и особенности биосинтеза основных компонентов клеточной стенки; характеристика ферментов класса оксидоредуктаз, их роль в растительных организмах и процессе лигнификации; методы анализа компонентов клеточной стенки и древесного вещества в целом.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 1. Можжевельник как биообъект исследования

Химический состав древесины не является строго постоянным и меняется под воздействием ряда факторов, в числе которых абиотические, биотические и антропогенные. Абиотические (факторы неживой природы) играют определяющую роль в процессах распределения растительности, а также формирования состава и структуры древесного вещества. Для оценки их влияния на процесс биосинтеза лигноуглеводной матрицы необходимо исключить (минимизировать) биотическое и антропогенное воздействия. Достичь этого возможно при использовании в качестве биообъекта исследования стрессоустойчивого вида, обладающего низкой заболеваемостью, длительным периодом жизни и обширным географическим ареалом. Одним из немногих биообъектов, отвечающих заданным условиям, является можжевельник обыкновенный (Juniperus Communis L).

Архангельская область (АО) и Ненецкий автономный округ (НАО) характеризуются разнообразием природных ландшафтов, с различным геологическим строением и климатическими особенностями, что совместно с широким распространением можжевельника обыкновенного позволяет использовать эти территории в качестве региона проведения исследований. На основе справочных данных произведен выбор районов отбора, расположенных в различных природно-климатических зонах АО и НАО (рис. 1).

Первый район отбора проб расположен в зоне тундры (субарктический пояс, 67°10' с.ш.), а районы 2-5 в зоне северной тайги (умеренно климатический пояс, 65°11-63°16' с.ш.). Распределение точек отбора по широте позволяет оценить влияние климата на процесс формирования особенностей компонентного состава древесного вещества. На вышеуказанных участках был произведен отбор представительных образцов древесины и хвои можжевельника. Количество образцов древесины, их возраст и ключевые климатические характеристики районов отбора представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика образцов древесины и районов исследования

Район 1 2 3 4 5

Количество образцов, шт 3 16 4 4 4

Возраст образцов, лет 72-90 17-140 90-115 68-107 59-113

Средняя температура июля, °С 12,6 15,6 15,6 12,0 15,9

Число дней в году с устойчивой температурой выше 5°С 100 120 120 140 130

Сумма температур выше 5иС 950 1500 1500 1200 1600

Примечание: Отбор представительных проб древесины произведен согласно ГОСТ 16128-70.

2. Компонентный состав древесины можжевельника

Компонентный состав древесины во многом определяет особенности ее строения и свойства. Однако в литературе имеются лишь незначительные сведения о содержании основных компонентов в древесине можжевельника.

Согласно представленным данным (таблица 2), древесина можжевельника обладает специфическим компонентным составом и по соотношению лигнин-целлюлоза занимает промежуточное положение между хвойными и лиственными породами. Пониженное содержание целлюлозы (в среднем 38-41%), не характерное для хвойных пород, совместно с высоким содержанием лигнина (в среднем 30-32%) может слу-

жить объяснением высокой плотности, гидрофобности и устойчивости древесного вещества можжевельника.

Таблица 2 - Компонентный состав некоторых видов хвойных и лиственных пород древесины

Вид древесины Содержание, % к а.с.д.

лигнин Класона целлюлоза по методу Юоршнера вещества экстрагируемые:

горячей водой диэтиловым эфиром / спирто-бензольной смесью

Литературные данные (Никитин Н.И., 1962; Гелес И.С., 2007)

Ель 27,0 - 29,6 46,1 -53,1 1,1-3,0 0,9-1,5/2,3-2,6

Сосна 27,1 -36,5 46,6-51,9 2,6 - 4,6 4,1-4,6/5,0-7,9

Лиственница 23,1-25,5 39,5-45,8 5,1-22,6 0,8-1,8/2,5-3,3

Береза 19,5-23,8 31^18,8 1,4-3,5 0,9-2,4/3,3

Дуб 22,5 37,1 7,0 0,5/-

Можжевельник 21,7; 35,18 48,3 0,22 6,3/-

Экспериментальные данные

Можжевельник | 28,6-34,2 | 36,4-47,0 | 0,74-4,98 | (2,20-7,70)*

Примечание: экспериментальные данные, определенные по стандартным методикам (Оболенская A.B., 1991); * в качестве органического растворителя использовался этанол.

Древесина можжевельника обыкновенного, произрастающего в Архангельской области, служит субстратом лишь для 2 видов дереворазрушающих грибов, в то время как для сосны и осины характерно 126 и 212 видов соответственно. Возможно, что повышенная биотическая устойчивость можжевеловых деревьев также связана с высоким содержанием экстрактивных веществ, количество которых в исследуемых образцах достигает 7,7 %.

Стоит отметить, что компонентный состав исследованных образцов древесины варьируется в довольно широком диапазоне. Вероятно, это вызвано различными климатическими условиями произрастания можжевельника (рис. 2). Одним из наиболее значимых климатических параметров для растительных организмов является длительность безморозного периода (количество дней с температурой > 0°С). Данный параметр определяет продолжительность периода вегетации, однако для приарктиче-ских территорий предпочтительнее использовать другую величину - число дней в году с устойчивой температурой выше 5°С. 50 1

1100 и 120

130 в 140

Рис.2 - Зависимость изменения содержания основных компонентов в древесине можжевельника, (% к а.с.д.) от числа дней в году с устойчивой температурой вьппе 5°С.

Лигнин

Целлюлоза Экстрактивные вещества

Примечание: данные получены на образцах древесины можжевельника в возрастном диапазоне 70-90

Из результатов, приведенных на графике, видно, что содержание целлюлозы в древесине можжевельника увеличивается с ростом количества безморозных дней в регионе и достигает максимума в более «мягких» климатических условиях зоны северной тай-

ги. Объяснением этому может служить большая продолжительность вегетационного периода и интенсификация процесса биосинтеза целлюлозы. Для лигнинной составляющей и экстрактивных веществ подобной зависимости не наблюдается. Вероятно, содержание этих компонентов, служащих защитным барьером растительного организма, определяется другими факторами. Анализ данных, представленных на рисунке 3 (а,б), позволяет сделать вывод о том, что содержание этих компонентов, выполняющих защитные функции в растительных организмах, определяется продолжительностью процессов биосинтеза.

36 -1

34 -

32

30

28

Содержание лигнина, %

10 8 6 4 2

Содержание ЭВ, %

50 70 90 110 130 Возраст древесины, лет

150

50 70 90 110 130 Возраст древесины, лет

150

Рис. 3 - Возрастная изменчивость содержания лигнина (а) и экстрактивных веществ (б) в древесине можжевельника обыкновенного.

В процессе роста и развития можжевеловых деревьев в условиях Европейского Севера идет активный процесс лигнификации древесного вещества, что подтверждается ростом содержания лигнинных компонентов, максимальное количество которых наблюдается в возрасте 90-110 лет (рис. За). Далее наблюдается снижение концентрации лигнина, одновременно с этим происходит рост количества экстрактивных веществ в древесине можжевельника. Вероятно, в возрасте 90-110 лет происходит нарушение окислительно-восстановительного баланса. Оксикоричные кислоты, образующиеся в этот период, вступают преимущественно в окислительные процессы, что вызывает снижение интенсивности образования трех оксикоричных спиртов, и, напротив, рост количества образующихся экстрактивных веществ, таких как флаво-ноиды и стильбены.

Таким образом, экспериментально показано, что древесина можжевельника обладает специфичным для хвойных пород химическим составом. Содержание основных компонентов древесины варьируется в широком диапазоне. Для углеводной составляющей древесного вещества определяющим фактором является температурный режим региона, в то время как содержание лигнинных веществ определяется возрастом древесины.

3. Механизм пероксидазного катализа биосинтеза лигнина

Формирование лигноуглеводной композиции древесного вещества можжевельника обусловлено особенностями биосинтеза индивидуальных компонентов клеточной стенки и ходом лигнификации. По современным представлениям процесс биосинтеза лигнина протекает по свободно радикальному механизму путем присоединения отдельных феноксильных радикалов к растущему полимеру. Важно отметить, что в биохимических реакциях участвуют монолигнолы, различающиеся редокс-состоянием. Значительная роль в процессе образования феноксильных радикалов и инициации лигнификации отводится растительным пероксидазам. Учитывая вышесказанное, процесс биосинтеза лигнина может быть представлен в виде следующей

общей схемы, составленной нами на основе литературных данных (Рогожин В.В., 2004):

Е + РкОН^ [Е-РкОН] -> РНО- (рекомбинация) -> Ь

1. Е+02 + ВН2 — Е-00~ + НВ- + Н* Е-00~ + £>#2 + Н* -> £ + #£>• + Н202

2. Е + Н202 ->Е,+ Н20 Р11,0Н^Р!г,0-+ Н*

Е, + РИ/0-+ Я+ц [Е-РИ/ОН] ->Е2 + РН,0-Рк2ОН^ Рк20~+ &

Еч + Рк20~+ [Е-РИ2ОН] + РИ20• + н2о,

3. Р^О- + РИ20• ... Ь схема 1

где Е - несвязанная форма фермента; 02 , Н202 - субстраты-окислители; йН2 - субстрат-восстановитель; Е-00~- фермент-субстратный комплекс; #£>• - радикал; Ей Е2- промежуточные полу-окисленные формы фермента; РУцОН - быстро и Рк2ОН - медленно окисляемый субстрат-восстановитель (монолигнол); РА/О" РИ20~- фенолят-анионы; Р^О-, РИ20- -феноксильные радикалы; [Е-РИОН] - промежуточный фермент-субстратный комплекс; Ь — макромолекула лигнина.

На начальном этапе биосинтеза лигнина в ходе реакций оксидазного окисления субстратов происходит образование пероксида водорода. Данный процесс является пусковым механизмом для последующего протекания пероксидазного цикла реакций фермента. Очевидно, что лимитирующим фактором для лигнификации древесного вещества является интенсивность образования активных фермент-субстратных комплексов Е]. Этот процесс напрямую зависит от концентрации образующегося пероксида. Скорость второй стадии зависит от химической природы окисляемых лигнин-ных соединений, их функционального состава и молекулярной массы.

Процесс образования феноксильных радикалов из неионизированных феноль-ных структур проходит через стадию образования фенолят-анионов. Количественной мерой данного процесса служит константа кислотной ионизации Ка. Чем выше значение Ка для субстрата-восстановителя (монолигнола), тем выше его реакционная способность в кислото-основных взаимодействиях. Как следствие, образуется большее количество фенолят-анионов данного типа, вступающих в дальнейшие окислительно-восстановительные взаимодействия. Критерием, характеризующим реакционную способность в процессе окисления фенолят анионов до феноксильных радикалов, является окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). Именно величина ОВП окисляемых субстратов характеризует их редокс состояние и может определять функциональную природу конечных лигнинных структур.

Согласно предложенной схеме активность растительных пероксидаз служит регулятором процессов биосинтеза и функционализации лигнина. Как следствие, динамика пероксидазной активности должна коррелировать с полученными экспериментальными данными о компонентном составе древесины (рис. За), а также должна отразиться на функциональной природе и физико-химических свойствах малоизменен-ных препаратов лигнина.

4. Активность пероксидазы как маркер процесса биосинтеза лигнина

В растениях пероксидазы представлены генетически разнородными белками с одинаковой активностью (Рогожин В.В., 2004). Этот факт позволяет использовать ак-

тивность пероксидазы хвои можжевельника как общий параметр активности всех изоформ растительных пероксидаз и провести оценку влияния данного параметра на ход процесса лигнификации.

Активность пероксидазы (АПО) хвои определяли при 25 °С по скорости окисления гваякола пероксидом водорода в среде калий-фосфатного буфера (рН 7.0) при длине волны 417 нм на спектрофотометре ЦУ-1800 (8Ыта<1ги). Полученные данные представлены на рисунке 4.

24 1 АПО

20 - |

16 - 5 5 | I *

12 $ * ^ Рис. 4 - Возрастная измен* 9 чивость средних значений

8 - в я* пероксидазной активности

4 _ ф хвои можжевельника.

0 Н-1-1-1-1-I-1-1-

0 20 40 60 80 100 120 140 Возраст дерева, лет

В растениях на ранних стадиях роста процессы биосинтеза наиболее интенсифицированы, а следовательно, для них характерен повышенный уровень активности ферментативных комплексов, вовлеченных в процесс формирования древесного биокомпозита. С увеличением возраста дерева процесс лигнификации в нем замедляется, что косвенно подтверждается снижением значений параметра активности пероксидазы, промежуточный минимум которых наблюдается в возрасте 45-50 лет. Этот возраст характеризуется как середина жизненного цикла большинства можжевеловых деревьев, произрастающих в этом регионе (Приморский район (АО), рис. 1). Возможно, что в этот период содержание хинонных форм полифенолов, служащих катализаторами биологических процессов, достигает некоторого критического значения, вследствие чего происходит рост пероксидазной активности. Максимальные значения АПО наблюдаются в возрасте 90 лет и соответствуют наибольшему содержанию лигнина в древесине можжевельника (рис. За.), что подтверждает значимую роль растительных пероксидаз в процессе лигнификации древесного вещества (схема 1).

Итак, зависимости изменения параметра АПО и содержания лигнина от продолжительности биосинтеза имеют схожий характер, что позволяет использовать АПО в качестве маркера биохимических процессов лигнификации и функционализа-ции лигнина. Для оценки возможности его использования в качестве диагностического признака качественных (структурных) изменений в лигнине необходимо провести анализ малоизмененных препаратов лигнина, выделенных из разновозрастной древесины можжевельника.

5. Изучение процесса фуикциоиализации лигнина можжевельника

Для изучения функциональной природы и физико-химических свойств лигнина можжевельника, а также динамики изменения этих характеристик в процессе роста и развития древесины было выделено и проанализировано 16 малоизмененных препаратов лигнина можжевельника из разновозрастных образцов древесины. Выделение представительных образцов лигнина проводили по методу Пеппера, выход препаратов диоксанлигнина (ДЛ) составил 25-35% от лигнина Класона.

Функциональный состав выделенных препаратов ДЛ можжевельника (ДЛМ) определен по стандартным методикам (Закис Г.Ф., 1975), молекулярно-массовые характеристики - методом ВЭЖХ, элементный состав - методом сжигания на элементном анализаторе Evro ЕА 3000 (конфигурация [CNHS]) (таблица 3, рис. 5). Полученные данные усреднены по 20-летним возрастным диапазонам, начиная с 50 до 150 лет. Выделение ДЛ из более ранней древесины не проводилось из-за малой биомассы образцов.

Таблица 3 - Характеристика препаратов ДЛМ

Возрастной диапазон, лет ОСН3, % с, % н, % о, % Эмпирическая формула фенилпропановой единицы (ФПЕ) P:G:S* Mw, а.е.м Mw/M„

50-70 17,2 64,4 6,0 29,6 С9Н,0.1зО2.4з(ОСНз),.04 17:61:22 7600 2,5

70-90 16,4 62,3 6,4 31,3 С.рНп^ОЫОСНзк.и 20:59:21 7800 2,7

90-110 16,7 62,4 5,9 31,7 С9Н 10,25О2,80(ОСНз)1,04 17:61:22 7750 2,7

110-130 16,9 62,6 6,0 31,4 С9Н1 о.4бОг,7з (ОСНэ) 1,05 17:61:22 7900 2,7

130-150 17,4 61,1 5,4 33,5 С9Н9.59Оз,04(ОСНз)1,1 i 13:64:23 9100 2,4

Примечание: * соотношение и-кумаровых, гваяцильных и сирингильных единиц лигнина.

3,0 -, %

2,5 -

2,0 - *

1,5 -

1,0 - *

0,5--

♦ СООН • ОН фен

5,0 п 4,5 4,0 -I 3,5

%

>со

50 70 90 110 130 Возраст древесины, лет

150

50 70 90 110 130 Возраст древесины, лет

150

Рис. 5 - Изменение функциональной природы ДЛМ с возрастом.

Полученные значения молекулярных масс и полидисперсность препаратов лигнина можжевельника соответствуют ДЛ хвойных. Причем максимальные значения среднемассовых молекулярных масс Mw характерны для лигнинов, выделенных из возрастной древесины, что свидетельствует об усилении процессов конденсации лигнина с возрастом.

Анализ функциональной природы выделенных препаратов ДЛ выявил повышенное содержание метоксильных групп, вероятно, вызванное присутствием сирингильных структур. Наличие последних подтверждено методом ИК-спектроскопии, так установлено, что полоса поглощения 1510 см"1 является суперпозицией двух полос 1514 и 1502 см"1, относящихся к колебаниям ароматических колец (G) и (S) типов. Соотношение интенсивностей полос поглощения G/S составляет примерно 2,8. Согласно данным элементного анализа препаратов ДЛМ и рассчитанным на его основе эмпирическим формулам ФПЕ, количество S-структур достигает максимума в возрасте 130-150 лет. Динамика изменения содержания гидроксильных и карбонильных функциональных групп в ДЛМ с возрастом имеет схожий характер и, также как содержание лигнина, характеризуется перегибом в области 90 - 110 лет (рис.5). В целом функциональный состав лигнинов не претерпевает значительных количественных изменений при увеличении возраста.

Методами ИК-спектроскопии, элементного и химического анализа установлено, что ДЛМ относится к композиционно неоднородным биополимерам, состоящим из мономерных единиц гваяцильного, сирингильного и и-кумарового типа в соотношении 61:22:17.

Фенольные гидроксильные группы являются активными реакционными центрами в макромолекулах лигнина. Их диссоциация в значительной мере определяет реакционную способность природного полимера в кислотно-основных и окислительно-восстановительных взаимодействиях. Мерой кислотно-основных свойств является константа диссоциации. Определение рКа препаратов ДЛМ проводили методом спек-трофотометрического титрования (Косяков Д.С., 2007).

Регрессионный анализ кривой спектрофотометрического титрования - зависимости оптической плотности от рН раствора, позволяет дифференцированно определить величины рКа трех основных типов фенольных структур лигнина (таблица 4).

Таблица 4 - Значения рКа основных типов фенольных структур ДЛМ из разновозрастной

древесины

Возрастной диапазон, лет pKal iS РК„2 V- рКаЗ ■5.

50-70 8,08 10,04 11,90

70-90 7,69 10,08 11,71

90-110 9,13 он 1 10,69 11,91 ш

110-130 8,67 10,59 11,78

130-150 7,32 9,72 11,66

Согласно полученным данным, структуры I типа имеют минимальные значения рКа в водной среде 7,32 - 9,13, что вызвано наличием сопряженной с бензольным кольцом карбонильной группы. Однако, согласно фотометрическим данным, полученным Де-методом, их содержание в выделенных препаратах ДЛМ незначительно и не превышает 8% от общего числа структур со свободным фенольным гидроксилом. Основная часть фенольных гидроксильных групп ДЛМ содержится в структурах II типа (до 55%),рКа которых изменяется в пределах 9,72 - 10,69. К структурам III типа, имеющим наибольшее значение рКа 11,66 - 11,91, относятся структуры с несопряженной «-карбонильной группой и с С-С связью в пятом положении, характерной для конденсированных структур лигнина.

Полученные данные свидетельствуют о значимом изменении величин рКа структур I и II типа в образцах ДЛМ, выделенных из разновозрастной древесины. Вероятно, это обусловлено изменением функциональной природы и молекулярно-массовых характеристик препаратов лигнина в процессе биосинтеза древесного вещества. При этом значения рКа структур III типа практически не изменяются. Таким образом, основной вклад в изменение значений константы кислотной ионизации ДЛМ вносят структуры I и II типа. Однако, учитывая данные об их количественном содержании в выделенных препаратах лигнина, можно сказать, что именно структуры II типа будут играть определяющую роль в формировании особенностей строения и физико-химических свойств лигнина.

Максимальные значения рКа2 характерны для лигнинов, выделенных из древесины можжевельника в возрасте 90-110 лет, следовательно, в данный период времени лигнин можжевельника характеризуется наименьшим значением Ка (примерно в 10 раз ниже, чем в возрасте 130-150 лет) и минимальной способностью к образованию фенолят-анионов, что частично объясняет замедление процессов биосинтеза лигнина (рис. За).

Эффективный потенциал лигнина (ф 02), как основной физико-химический параметр редокс состояния полимера, является интегральным показателем реакционной способности в окислительно-восстановительных взаимодействиях и зависит от его функциональной природы и макромолекулярных свойств. Эффективный потенциал препаратов ДЛМ определяли методом косвенной оксредметрии (Боголицын К.Г., 2010), для расчета значений использовали уравнение:

ф. -фНач ^ СоТ — 1П СоРзВ" , КТ 1п2сГо--4сГ + <3вн 2,303КТ

где (р 02 - эффективный потенциал органической окислительно-восстановительной системы (ОВС), В; фнач - стандартный (начальный) потенциал органической ОВС, В; Я -универсальная газовая постоянная 8,314-103 Дж/(К-моль); Т-абсолютная температура, К; Р - число Фарадея, 96487 Кл/моль; Сознач - начальная аналитическая концентрация феррици-анида, моль/л; Созравн - равновесная аналитическая концентрация окисленной формы, моль/л; С^ — суммарная концентрация форм ОВС, Се = С0знач + С04нач = С0зрав" +С04равн; Сдю-™4-начальная концентрация фенольных гидроксильных групп лигнина, моль/л.

Все изученные препараты лигнина обладают весьма высоким окислительным потенциалом 842-860 мВ, что соответствует лигнинам хвойных пород. Кроме того, прослеживается некоторая зависимость ОВП от молекулярной массы образца, так для высокомолекулярных образцов, выделенных из древесины можжевельника в возрасте 130-150 лет,

865 860 855 850 845 840

Рис. 6 - Изменение эффективного потенциала лигнина с возрастом дерева.

50 70 90 110 130 150

характерны максимальные значения по-Возраст древесины, лет г ,

тенциала (рис. 6).

Эффективный окислительный потенциал зависит от логарифма отношения концентраций lg (Cox/Cred), что позволяет судить об изменении относительного содержания фенольных (Cred) и хинонных (Сох) форм лигнина. Так, высокие значения ОВП лигнинов в 50-летней древесине свидетельствуют о промежуточном максимуме относительного содержания хинонных форм, что косвенно подтверждает их роль - активаторов пероксидазы. Рост активности пероксидазы (рис. 4) интенсифицирует биосинтез лигнина. Этот процесс сопровождается снижением относительного содержания хинонных структур и приводит к уменьшению значений эффективного потенциала, минимум значений которого наблюдается в возрасте 90-110 лет и соответствует максимальному содержанию лигнина.

Таким образом, изменение содержание лигнина в процессе роста можжевеловых деревьев действительно связано с нарушением окислительно-восстановительного баланса, регулятором которого служит фермент пероксидаза. Снижение концентрации лигнина по достижении возраста 90-100 лет объясняется преобладанием окислительных и дегидрогенизационных процессов с образованием хинонных форм и повышением термодинамической неравновесности в древесной матрице можжевельника и также подтверждается динамикой ферментативной активности.

6. Ультрамикростроение и надмолекулярная структура древесной матрицы

Функциональная природа и физико-химические свойства лигнина определяют конформационные особенности макромолекул, их связь с углеводами и распределе-

13

_

ние полимера в клеточной стенке в процессах биосинтеза и формирования древесного вещества. Для изучения ультрамикростроения и надмолекулярной структуры можжевельника нами были проведены микросопические исследования с применением современного высокоточного оборудования.

В данном разделе представлены новые экспериментальные данные об особенностях строения и структуры древесного вещества можжевельника. Снимки древесины получены на сканирующем электронном микроскопе SEM Sigma VP ZEISS и атомно-силовом микроскопе ACM Multimod 8 Bruker. По результатам проведенных микроскопических исследований сделаны следующие основные выводы.

Наряду с первичной (Р) и вторичной (S) оболочками, для клеточной стенки древесины можжевельника характерно наличие третичной оболочки - бородавчатого слоя (W), несвойственного для древесины хвойных пород (рис. 7). Наличие бородавчатого слоя может служить объяснением присутствия в лигнине можжевельника си-рингильных структур в количестве до 23%.

Рис. 7 - Расположение слоев клеточной стенки древесины можжевельника и ориен-

Рис. 8 - Спиральная структура клеточной стенки трахеиды.

Рис. 9 - Микрофибриллы целлюлозы на Рис. 10 - Поверхность слоя S1 клеточной сколе слоя S2 клеточной стенки древесины стенки на радиальном сколе образца древеси-можжевельника. ны можжевельника после обработки водой.

Методом SEM с применением предварительной криомеханической обработки получены снимки, подтверждающие разнонаправленную спиральную ориентацию микрофибрилл целлюлозы в различных слоях вторичной оболочки. Подобное расположение способствует большей механической устойчивости клеточной стенки (рис. 8). Для этого исследуемые образцы древесины (надсеченные по периметру) охлаждались в жидком азоте, после чего производился скол. Для повышения контрастности

снимков на поверхность исследуемых образцов наносилось золото-палладиевое покрытие.

Различное строение слоев связано с особенностями формирования микрофибрилл целлюлозы и их компоновкой. Анализ (рис. 10) позволяет сделать вывод о том, что формирование кристаллов слоя возможно лишь при наслаивании отдельных молекул целлюлозы на одно основание, причем каждая последующая молекула должна повторять «дефекты» предыдущих. Рост микрофибрилл 82, напротив, осуществляется вдоль, а не поперек. Можно предположить, что одна молекула фермента, катализирующая синтез целлюлозы из глюкозы, обеспечивает удлинение сразу нескольких макромолекул целлюлозы, о чем свидетельствуют изгибы, переплетения и раздвоения микрофибрилл (рис. 9). Также для микрофибрилл целлюлозы характерен большой диапазон размеров, например, их диаметр в слое Б2 может колебаться от 20 до 300 нм и более.

до обработки водой после обработки водой

Рис. 11 - Поверхность слоя 81 на радиальном сколе образца древесины можжевельника.

Первичная оболочка клеточной стенки можжевельника (рис. 11) состоит из отдельных разнонаправленных целлюлозных волокон толщиной до 50 нм, помещенных в твердый раствор гемицеллюлоз в лигнине. Последний представляет собой частицы глобулярной формы (диаметр 5-60 нм), растворимые в водных растворах щелочей, диоксане и других растворителях. Лигнин в таком твердом растворе по своей функциональной природе и полимолекулярным свойствам отличается от лигнина, находящегося в жесткой композиции сеток.

Полученные экспериментальные данные согласуются с основными положениями физико-химической модели формирования лигноуглеводной матрицы (Боголи-цынК.Г„ 2004,2010).

В целом, результаты проведенных исследований подтверждают значимую роль растительных пероксидаз в процессах биосинтеза, функционализации и формировании физико-химических свойств лигнина, что определяет его распределение в клеточной стенке, связь с полисахаридами матрикса, а также особенности ультрамикро-строения и надмолекулярной структуры древесного вещества

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. С использованием методов сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии получены новые экспериментальные данные по ультрамикростроению и надмолекулярной структуре древесной матрицы хвойных, подтверждающие возможность рассмотрения древесного вещества как нанокомпозита, основой которого служат целлюлозные нанофибрилы (20 - 50 нм) и лигноуглеводные образования глобулярной формы (диаметр 5-60 нм).

2. Лигнификация древесины происходит как ферментативный радикальный окислительно-восстановительный процесс, характеризующийся изменением соотношения и-кумаровых: гваяцильных: сирингильных (17:61:22) структур лигнина, а также функциональной природы, реакционной способности (рКа2 = 9.72 - 10,69; ф*02 = 842 - 860 мВ) и молекулярно-массовых характеристик лигнина можжевельника.

3. Показана значительная роль растительных пероксидаз в процессах биосинтеза и формирования структуры лигнина.

4. Получены новые данные по компонентному составу древесины можжевельника обыкновенного (Juniperus Communis L.) арктических и приарктических территорий Европейского Севера России. Установлено, что климатические факторы, в первую очередь, определяют ход биосинтеза углеводной составляющей древесного вещества можжевельника, что выражается в повышенном содержании целлюлозы. Для лигнинной составляющей древесины можжевельника определяющим фактором является продолжительность биосинтеза.

6. Предложена усовершенствованная методика исследования строения лигно-углеводной матрицы древесины методом сканирующей электронной микроскопии, включающая стадию криомеханической пробоподготовки. Проведена доработка и адаптация методики определения параметра активности пероксидазы в растительном сырье.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

1. Зубов И.Н. Влияние абиотических факторов на формирование лигноугле-водной матрицы древесины можжевельника [Текст] / И.Н. Зубов, С.С. Хвиюзов, М.А. Лобанова, М.А. Гусакова, К.Г. Боголицын // Известия вузов. Лесной журнал. -2012.-№1.-С. 113-120.

2. Боголицын К.Г. Ультрамикростроение и надмолекулярная структура древесной матрицы [Текст] / К.Г. Боголицын, Д.Г. Чухчин, И.Н. Зубов, М.А. Гусакова // Химия растительного сырья. - 2012. - №3. - С. 37-44.

3. Bogolitsyn К. Ultramicroscopic composition and supramolecular structure of wood matrix [Text] / K. Bogolitsyn, D. Chuhchin, I. Zubov, M. Gusakova // Russian Journal of Bioorganic Chemistry. - 2013. - Vol. - 39. - №7. - P. 671-676.

4. Боголицын К.Г. Можжевельник обыкновенный как объект для изучения биогеохимических аспектов формирования древесного вещества [Текст] / К.Г. Боголицын, М.А. Гусакова, С.С. Хвиюзов, И.Н. Зубов // Физикохимия расти-

тельных полимеров: материалы IV Междунар. конф. / под. ред. д-ра хим. наук, проф К.Г. Боголицына. - Архангельск. - 2011. - С. 28-31.

5. Хвиюзов С.С. Исследование лигнина можжевельника Juniperus [Текст] / С.С. Хвиюзов, К.Г. Боголицын,М.А. Гусакова, И.Н. Зубов // Физикохимия растительных полимеров: материалы IV Междунар. конф. / под. ред. д-ра хим. наук, проф К.Г. Боголицына. - Архангельск. - 2011. - С. 135-136.

6. Зубов И.Н. Активность пероксидазы хвои можжевельника различных природно-климатических [Текст] / И.Н. Зубов, К.Г. Боголицын, М.А. Гусакова, С.С. Хвиюзов, М.А. Лобанова // Физикохимия растительных полимеров: материалы IV Междунар. конф. / под. ред. д-ра хим. наук, проф К.Г. Боголицына. - Архангельск. -2011.-С. 118-121.

7. Хвиюзов С.С. Физико-химические свойства лигнина можжевельника Juniperus [Текст] / С.С. Хвиюзов, И.Н. Зубов, М.А. Лобанова, М.А. Гусакова, К.Г. Боголицын // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы 5 Всероссийской конференции с международным участием. -Барнаул. - 2012. - С. 92-93.

8. Bogolitsyn K.G. Biochemical aspects of formation of the lignin-carbohydrate matrix of coniferous wood: case study of Juniper [Text] / K.G. Bogolitsyn, M.A.Gusakova, I.N. Zubov, M.A. Lobanova, S.S. Hviyuzov //Proceedings 12th European workshop on lignocellulosics and pulp EWLP - Espoo, Finland. - 2012. - P. 362-365.

9. Боголицын К.Г. Морфология древесной матрицы можжевельника [Текст] / К.Г. Боголицын, И.Н. Зубов, М.А. Гусакова, Д.Г. Чухчин, С.С. Хвиюзов, А.А. Красикова // Физикохимия растительных полимеров: материалы V Междунар. конф. / под. ред. д-ра хим. наук, проф К.Г. Боголицына. - Архангельск. - 2013. - С. 74-77.

10. Зубов И.Н. Химический состав древесины хвойных экологически «чистых» территорий Европейского севера России [Текст] / И.Н. Зубов, С.С. Хвиюзов, М.А. Гусакова, К.Г. Боголицын // IV Международная молодежная конференция «Эко-логия-2011», материалы докладов. - Архангельск. -2011.-312 с.

11. Зубов И.Н. Сравнительная характеристика химического состава древесины можжевельника гетеротермальных зон [Текст] / И.Н. Зубов, К.Г. Боголицын, М.А. Гусакова, С.С. Хвиюзов, М.А. Лобанова // Материалы всероссийской конференции с международным участием «Экология и геологические изменения в окружающей среде северных регионов» посвященная памяти чл.-корр. РАН Ф.Н. Юдахина. -Архангельск. - 2012. - С. 97-100.

Автор диссертации выражает глубокую благодарность: коллективу лаборатории Химии растительных биополимеров ИЭПС УрО РАН за поддержку и помощь в проводимых исследованиях; коллективу ЦКП НО «Арктика» и особенно Чухчину Д.Г. за проведение целого ряда исследований и помощь в интерпретации полученных результатов; коллективу лаборатории Комплексного анализа наземной и космической информации для экологических целей ИЭПС УрО РАН, а также Сурсо М.В. за помощь в проведении дендрологических исследований.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим направлять по адресу: 163002. Россия, г. Архангельск, набережная Северной Двины, д. 17, САФУ, диссертационный совет Д 212.008.02.

Подписано в печать 10.10.2013. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1891.

Издательско-полиграфический центр им. В.Н. Булатова ФГАОУ ВПО САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт экологических проблем Севера Уральского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

Зубов Иван Николаевич

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЛИГНОУГЛЕВОДНОЙ МАТРИЦЫ ХВОЙНЫХ НА ПРИМЕРЕ МОЖЖЕВЕЛЬНИКА

Специальность 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева, химия древесины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

^ Научные руководители: 00 Заслуженный деятель науки РФ,

СО со

^ доктор химических наук,

СО Сч1 профессор К.Г. Боголицын;

т— кандидат технических

СЧ|

О наук М.А. Гусакова

о -ъ^^э

Архангельск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДРЕВЕСНОГО ВЕЩЕСТВА 7

1.1 Влияние природных факторов на процессы биосинтеза и лигнификации 7

1.2 Морфологические особенности древесины хвойных пород 9

1.3 Структура и биосинтез основных компонентов клеточной стенки древесины 13

1.3.1 Формирование надмолекулярной структуры клеточной стенки 13

1.3.2 Структура и биосинтез полисахаридов 16

1.3.3 Биосинтез лигнина и лигнификация 19 1.3.3 Активность пероксидазы как маркер процесса биосинтеза лигнина 24

1.4 Методы анализа компонентов клеточной стенки 26

1.4.1 Классификация методов • 26

1.4.2 Рентгенографические исследования 27

1.4.3 Микроскопия 28

1.4.4 Метод инфракрасной спектроскопии 30

1.5 Выводы, цели и задачи 35

2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНОВ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА БИООБЪЕКТА ИСС ЛЕДОВ АНИЯ 37

2.1 Обоснование выбора и характеристика биообъекта исследования 37

2.2 Архангельская область как регион проведения исследований 39

2.3 Характеристика тестовых площадок 43

3. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 46

3.1 Характеристика используемых реактивов и оборудования 46

3.2 Анализ древесины можжевельника 54

3.2.1 Отбор проб древесины . 54

3.2.2 Определение возраста древесины 54

3.2.3 Анализ компонентного состава древесины 55

3.2.4 Анализ элементного состава древесины 55

3.2.5 Электронно-микроскопические исследования 56

3.2.6 Характеристика объектов методом инфракрасной спектроскопии 56

3.3 Анализ хвои можжевельника 57

3.3.1 Отбор проб хвои 57

3.3.2 Определение параметра активности пероксидазы (АПО) хвои 57

3.4 Анализ почв и природных вод 58

3.4.1 Отбор проб почвы 58

3.4.2 Анализ почвенных вытяжек 59

3.4.3 Отбор проб воды 59

3.4.4 Методика определения катионного состава природных вод 59

3.4.5 Методика определения анионного состава природных вод 59

3.5 Выделение и анализ малоизмененных препаратов лигнина можжевельника 60

3.5.1 Методика выделения диоксанлигнина 60

3.5.2 Определение молекулярно-массовых характеристик диоксанлигнина 60

3.5.3 Определение функционального состава лигнина 61

3.5.4 Определение рКа основных фенольных структур лигнина 61

3.5.5 Методика определения окислительно-восстановительного потенциала препаратов лигнина 62 4. ФОРМИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРНОГО БИОКОМПОЗИТА ДРЕВЕСИНЫ МОЖЖЕВЕЛЬНИКА 64

4.1 Компонентный состав древесины можжевельника 64

4.1.1 Особенности компонентного состава древесины можжевельника и его сравнение с основными лесообразующими породами 64

4.1.2 Влияние климатических факторов на компонентный состав древесины можжевельника 66

4.1.3 Влияние подстилающих пород на компонентный состав древесины можжевельника 68

4.1.4 Возрастная изменчивость содержания основных компонентов древесины можжевельника 71

4.2 Механизм пероксидазного катализа биосинтеза лигнина 75

4.3 Активность пероксидазы хвои как маркер процесса биосинтеза лигнина 79

4.4 Состав, структура и свойства лигнина можжевельника 82

4.4.1 Отработка методики выделения представительных образцов лигнина 82

4.4.2 Изучение процесса функционализации лигнина можжевельника 84

4.5 Особенности морфологического строения древесины можжевельника 96

4.6 Ультрамикростроение и надмолекулярная структура древесной матрицы 98 5.ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ВЫВОДЫ) 106 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 107

ВВЕДЕНИЕ

Состав, строение и свойства лигноуглеводных композитов формируются на наноуровне при непосредственном участии мультиферментативных комплексов в процессе биосинтеза древесного вещества. В дальнейшем это предопределяет поведение растительных полимеров при химических и физических воздействиях. Активность ферментативных комплексов клетки зависит от внешних условий, к которым относятся абиотическое, биотическое и антропогенное воздействия. В связи с этим, изучение вопросов биосинтеза компонентов клеточных оболочек, их самоорганизации, а также влияние на эти процессы комплекса внешних и внутренних факторов приобретают все большую актуальность.

С современных позиций древесное вещество рассматривается как бионанокомпозит. Основу древесины как хвойных, так и лиственных видов составляют полисахаридные компоненты (целлюлоза, гемицеллюлозы и пектиновые вещества), а также полифенол нерегулярного строения - лигнин. Функции лигнина в древесине заключаются в непосредственном его участии в процессах биосинтеза и формирования надмолекулярной структуры древесного вещества, придании жесткости углеводной композиции клеточной стенки и защите растения от патогенов. Во многом это определяется функциональной природой и физико-химическими свойствами лигнина. Главной трудностью при изучении лигнинов является невозможность их выделения в неизменном виде в силу высокой лабильности, что делает предпочтительным использование неразрушающих методов анализа древесного вещества.

Таким образом, основным направлением представленной работы является получение новых знаний о структурных особенностях древесного вещества, распределении в нем компонентов, процессах биосинтеза последних и факторах их определяющих. Изучению этих вопросов посвящен ряд работ, однако данную работу от всех остальных отличают следующие особенности:

- применение современных методов исследования и высокоточной приборной базы позволит получить новые данные и уточнить имеющиеся сведения о распределении лигнина в клеточной стенке, его связи с полисахаридами, а также особенностях строения и надмолекулярной структуры лигноуглеводной матрицы;

- изучение влияния абиотических факторов на процесс формирования лигноуглеводной матрицы, а наиболее остро оно проявляется в суровых стрессовых арктических условиях;

- выбор биообъекта исследования, характеризующегося широким географическим ареалом распространения, высокой стрессоустойчивостью, низкой заболеваемостью и как следствие длительным периодом жизни, что позволяет минимизировать влияние неблагоприятных факторов.

1 БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДРЕВЕСНОГО ВЕЩЕСТВА

1.1 Влияние природных факторов на процессы биосинтеза и лигнификации

Древесина - чрезвычайно сложная многокомпонентная полимерная композиция, представляющая собой наиболее масштабное, естественно возобновляемое природное сырье и источник ценнейших химических компонентов широкого спектра назначения [1].

Химический состав древесины одной и той же породы не является строго постоянным и меняется в зависимости от ряда факторов, которые в большей или меньшей степени влияют не только на видовой состав лесов, но и на компонентный состав отдельных видов, произрастающих в различных условиях [2-14]. Все факторы можно подразделить на три основные группы:

1. абиотические факторы, или факторы неживой природы. Включают в себя климат, геологию, эдафический фактор и др.;

2. биотические факторы. Представляют собой совокупность сложных взаимосвязей между растениями и животными;

3. антропогенные или факторы человеческой культуры.

Все вышеперечисленные позиции, так или иначе, влияют на растения. Однако, абиотические факторы оказывают определяющее воздействие на естественное распределение и развитие растительности на нашей планете.

Комплекс абиотических факторов: климат, геологическое строение, рельеф и особенности почв региона обеспечивают распределение растительности по зонам. Известно, что климат, главным образом, температура и осадки, контролирует динамику формирования и развития лесных экосистем. Температура воздуха определяет длину вегетационного периода растительных организмов. Продолжительность периода вегетации в совокупности с освещенностью определяет интенсивность биосинтеза компонентов древесного вещества в процессе фотосинтеза. Таким образом, температурный режим определяет годичный прирост древесины, количество весенних и осенних клеток, их состав, строение и свойства [2,5,10-12].

Годовое количество осадков и суммарное испарение формируют баланс влаги на территории. Так, значение коэффициента увлажнения (отношение суммы

осадков к испарению) превышающее единицу, ведет к переувлажнению почв и возможному их заболачиванию и, как следствие, снижению качества, заболеваниям, гниению и возможной постепенной смене видового состава древесины. Недостаток влаги также оказывает неблагоприятное воздействие. Отсутствие осадков может привести к возникновению лесных пожаров, поражению корневой системы хвойных пород сосновой губкой и насекомыми и дальнейшей гибели дерева [15,16].

Эдафические факторы также имеют немаловажное значение. Почва (почвенный раствор) является основным источником поступления в растительный организм важнейших макро- и микроэлементов. Последние, являясь неотъемлемой составляющей растительной клетки, входят в состав ферментативных изокомплексов - регуляторов защитных механизмов, окислительно-восстановительных процессов, и биосинтеза в целом [17,18]. Так, например, по мнению авторов [18] повышенное содержание ионов Са может служить ингибитором синтеза целлюлозы

В размещении почв четко выражена зональность, на фоне которой нередко различима большая пестрота почвенного покрова, связанная с характером материнских пород, формами рельефа и условиями увлажнения [19]. Т.е. геологические факторы через напочвенную подстилку влияют на распространение определенных видов растительности, а от состава почвенных растворов зависит интенсивность синтеза компонентов древесного вещества.

Химизм почв частично определяется минеральным скелетом, частично органическим веществом. Большая часть минеральных компонентов представлена в почве кристаллическими структурами - устойчивыми продуктами выветривания материнской породы. Песок и алеврит состоят главным образом из кварца (8Ю2), кремнезем служит источником силикат-ионов (8Ю44"), а карстовые породы и известняки - источник ионов кальция (Са2+) [20].

Химический состав и влажность почв - основные условия, определяющие распространение деревьев. Помимо количества осадков, влажность почв зависит от рельефа. Кроме того, на влажность почв влияет ее структура, т.е. размеры составляющих ее частиц, степень их агрегированное™, или слипания, и количество присутствующего органического вещества [20-24].

Таким образом, от почвы зависит не только устойчивость, видовой состав, быстрота роста лесонасаждений, продуктивность лесов, успешность их возобновления на конкретной территории, но и особенности компонентного состава видов.

В целом, комплекс абиотических факторов обеспечивает распределение растительности по зонам, определяет длину вегетационного периода, интенсивность синтеза основных компонентов клеточной стенки их качественные и количественные характеристики, а также надмолекулярную структуру древесного вещества. Компонентный состав и надмолекулярная структура определяют особенности макро- и микростроения древесных тканей, их свойства и функции в растительном организме.

1.2 Морфологические особенности древесины хвойных пород

Состав древесины хвойных и лиственных пород неодинаков и имеет ряд существенных различий. Так, например, хвойные породы в среднем характеризуются более высоким содержанием целлюлозы и лигнина, и, напротив, пониженным содержанием гемицеллюлоз [1,2,8,14,18]. Как следствие макро- и микростроение древесины хвойных и лиственных пород также неодинаково и имеет свои особенности.

Хвойная древесина является длинноволокнистым материалом (длина волокон примерно в 3 раза больше, чем у лиственной древесины) и имеет более простое и упорядоченное строение (рисунок 1.1), по сравнению с лиственными породами [2,25-26]. Основу древесины хвойных пород составляют трахеиды 9095%, содержание остальных элементов древесины незначительно, так на паренхимные клетки приходится 4-6% и эпителиальные клетки смоляных ходов лишь 0,2-0,7% [2,27-29].

Как видно из рисунка 1.1 ранние и поздние трахеиды в пределах одного годичного слоя сильно отличаются друг от друга (рисунок 1.2). Ранние трахеиды образуются в начале вегетационного периода, имеют широкую внутреннюю полость, тонкие стенки с многочисленными порами и выполняют как проводящую, так и механическую функции [25].

Рисунок 1.1 - Схема микроскопического строения древесины сосны: 1 -годичный слой; 2 - сердцевинный луч; 3 - вертикальный смоляной ход; 4 - ранние трахеиды; 5 - поздние трахеиды;6 - окаймленная пора; 7 - лучевые трахеиды [2].

Во второй половине вегетационного периода камбиальным слоем формируются поздние трахеиды, для которых характерны узкая полость, и утолщенная клеточная стенка, в связи с чем их основной функцией в древесине является механическая [25,29-33].

Характерной особенностью всех трахеид являются окаймленные поры, присутствующие в клеточных стенках и обеспечивающие связь клеток между собой. Поздние трахеиды имеют поры меньших размеров и в значительно меньшем количестве. Так, одна ранняя трахеида сосны содержит в среднем 70 пор, в то время как поздняя всего 17. Диаметр окаймленных пор у разных пород колеблется от 8 до 31 мкм, диаметр отверстия — от 4 до 8 мкм [2]. В ядровой и спелой древесине хвойных пород окаймленные поры по существу выключены из действия и поэтому такая древесина становится труднопроницаемой для воды [29].

Размеры и толщина стенок трахеид одного дерева увеличивается в направлении от сердцевины к коре до определенного возраста (разного у различных пород), после чего остаются неизменными или несколько убывают [2]. Так, диаметр ранних трахеид сосны достигает максимума в 40 лет и в дальнейшем уже почти не изменяется. Однако ряд работ [34-35] свидетельствуют о значимом влиянии климатических условий на величину данных параметров, что подтверждается корреляцией зависимостей диметра трахеид, толщины ее клеточной стенки, их количеством в годичном слое от климата в регионе.

Основной функцией паренхимных клеток древесины является запасающая. Вероятно, с этим и связано их низкое процентное содержание в хвойных породах, большая часть питательных веществ которых, находится в хвое. Паренхима хвойных составляет основу сердцевинных лучей, имеющих вид плоских радиально направленных лент. Формирование сердцевидных лучей происходит в камбиальном слое и возможно в любой год жизни дерева. Они, как правило, однорядны по ширине (до 3-5) и могут составлять до 15 клеточных рядов в высоту [27].

Большинство хвойных пород древесины имеют смоляные ходы, представляющие собой каналы, образованные паренхимой и клетками эпителия. Различают вертикальные и горизонтальные смоляные ходы, совокупность которых образует единую смолоносную систему дерева. Вертикальные смоляные ходы окружены клетками эпителия, паренхимой и слоем трахеид, наличие которых, придает смоляному ходу прочность [2]. Горизонтальные смоляные ходы, как правило, проходят по сердцевинным лучам и обычно образованы несколькими слоями клеток. Но некоторые виды древесины не имеют смоляных ходов, что ставит под вопрос наличие и расположение эпителиальной ткани, а так же места локализации и пути перемещения смолы.

Таким образом, основой древесины хвойных пород являются трахеиды, клеточные стенки которых состоят из двух структурных частей: тонкой первичной (Р) и вторичной (S) оболочек, принципиально различающихся как по составу, так и по строению (рисунки 1.2, 1.3) [2,25-31,36]. Вторичная стенка в свою очередь состоит из трех слоев Sb S2 и S3, постепенно откладывающихся в процессе роста.

Первичные оболочки соседних клеток соединены между собой межклеточным веществом и вместе образуют сложную срединную пластинку (Р+М+Р).

Рисунок 1.2 - Схема организации клеточной стенки трахеиды хвойных: М - межклетное вещество; Р - первичная оболочка; - внешний слой вторичной оболочки; 82 - средний слой вторичной оболочки; 83 - внутренний слой вторичной

оболочки, Ь - люмен [2,28].

Рисунок 1.3 - Соотношение основных компонентов в слоях клеточной стенки древесины хвойных пород. М - межклетное вещество; Р - первичная оболочка; Secondary wall - вторичная оболочка [2,28].

Как видно из рисунка 1.3, основу клеточной стенки составляют целлюлоза, нецеллюлозные полисахариды и лигнин. Помимо основных компонентов в клеточной стенке содержится воск, суберин, кутин и различные минеральные компоненты, а также белки, представленные как структурными компонентами, так и ферментами [17