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!