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 O-alkyl C (polysaccharides) Carbonyl C Aromatische C (o.a. lignine) Alkyl C (lipiden)

Pyrolyse-GC/MS Interpretation ΔT Macromolecuul Structure determination I n t e r p a i o Interpretation P y r o l s i ΔT Detection / Identification Detection/identification Thermische afbraak (600 oC) onder inerte omstandigheden

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 L F H E B

Pyrolyse-GC/MS (onder beuk)  = 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)

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 Cutine Suberine C16 en C18 ook C20 en langer

THM van B horizont onder beuk  = vetzuur; □ = ω-hydroxyvetzuur;  = α,ω-divetzuur;  = alcohol (allen als methyl ester en/of methyl ether)

C input in minerale bodem Bioturbatie Inspoeling Ondergrondse biota (plant) Alkyl C 13C-NMR

 = 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 Nierop et al. (2003)

Ester-gebonden lipiden met GC/MS: vegetatie vs. bodem Wortels Legenda (als TMS esters en/of ethers):  = 1-alcohol  = vetzuur  = ω-hydroxyvetzuur  = α,ω-divetzuur  = dihydroxyvetzuur  = trihydroxyvetzuur  = dihydroxy-α,ω-divetzuur Dui-Ck

in subhorizont onder eikenbos met GC/MS Dui-Ck Ester-gebonden lipiden in 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 Dui-C1 pH age HvK-C1

(Paleo)podzols (14C tot 4000 jaar BP) Defensiedijk THM van 4B  = 1-alcohol  = vetzuur  = ω-hydroxyvetzuur  = α,ω-divetzuur Suberine (Calluna?) (Van Mourik et al., in prep.???)

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!