Задачи на выведение формулы органического вещества: Химия, часть С. Задача С5. Определение формул органических веществ

«Решение задач на нахождение формулы органического вещества»

Цель: применение алгоритма при решении задач на вывод формул.

Задачи:

• расширить знания учащихся о способах решения задач;
• закрепить навыки работы с алгоритмами;
• показать взаимосвязь химии и математики.

ХОД УРОКА

1. Оргмомент

Учитель знакомит класс с темой урока, целью и задачами урока.

2. Повторение общих формул органических веществ.

Учитель предлагает учащимся назвать общие формулы алканов, алкенов, алкинов, циклоалканов, алкадиенов, типы гибридицациии атомов углерода, характерные изомерии для каждого класса.

3. Составление алгоритма для решения задач на нахождение формулы вещества по продуктам сгорания  вещества, если дана относительная плотность.

АЛГОРИТМ №1.

1. Вычисляем молярную массу вещества.

М(в) = D(x)*М(х)  (1)

2. Вычисляем количество атомов С:

а) если СО₂ дано по массе:

n(C) =        (2)

б) если СО₂ дано в объеме:

n(C) =        (3)

3. Вычисляем количество атомов Н:

Так как в молекуле Н₂О 2 моля Н, тогда формулу умножаем на 2 (это применимо и к N)

n(Н) = 2        (4)

4. Вычисляем молярную массу полученного вещества.

5. Если молярная масса полученного вещества равна молярной массе вещества (1), тогда задача решена правильно; если молярная масса полученного вещества отличается от молярной массы вещества (1), вычисляем разность и определяем количество атомов кислорода, если вещество кислородосодержащие, или азота, если вещество азотосодержащее.

Пример:

При сгорании органического вещества массой 2, 37 г образовалось 3,36 г оксида углерода(IV)  (н.у.), 1,35 г воды и азот. Относительная плотность этого вещества по воздуху равна 2,724. Выведите молекулярную формулу вещества.

Дано: 

m ( в-ва) = 2,37г
V (CO₂) = 3,36 л
m (H₂O) = 1,35 г
D (возд.) = 2,724.
_________________

Найти:

CxHyNz
М(возд) = 29 г/моль
М(Н₂О) = 18 г/моль
Vm = 22,4л/моль

Решение:

1. Применяем формулу (1)

M(в-ва) = 29 г/моль * 2,724 =79 г/моль.

Находим количество атомов С по формуле (3)

n(C) =  = 5

2. Находим количество атомов Н по формуле (4)

n(Н) = 2 = 5

3. Вычисляем молярную массу С₅Н₅.

М(С₅

Н₅) = 12 * 5 + 1 * 5 = 65г/моль

4. Вычисляем количество атомов азота (5)

79 – 65 = 14. т.к. атомная масса азота – 14, значит в данной формулу один атом N.

Ответ: С₅Н₅N

4. Составление алгоритма нахождение молекулярной формулы вещества по его относительной плотности и массовой доле элементов в соединении.

АЛГОРИТМ № 2

1. Вычисляем молярную массу вещества.

М(в) = D(x)*М(х)       (1)

2. Вычисляем количество атомов элемента:

а) если w дана в процентах:

n(Э) =        (2)

б) если w дана в долях:

n(Э) =        (3)

3. Вычисляем молярную массу полученного вещества.

4. Если молярная масса полученного вещества равна молярной массе вещества (1), тогда задача решена правильно; если молярная масса полученного вещества отличается от молярной массы вещества (1), вычисляем разность и определяем количество атомов кислорода, если вещество кислородосодержащие, или азота, если вещество азотосодержащее.

Пример:

Выведите формулу вещества, содержащего 82,75% углерода  и 17,25 % водорода. Относительная плотность паров этого вещества по воздуху равна 2.

Дано:

w(C) = 82,75%
w(H) = 17,25%
D(возд) = 2
______________

Найти:

СхНу
M(воздуха) = 29г/моль

М(С₄Н₁₀) =12 * 4 + 1 * 10 = 58г/моль

Решение:

1. Применяем формулу (1)

M(в-ва) = 29 г/моль * 2 =58 г/моль.

2.  Находим количество атомов С по формуле (2)

n(С) = = 4

3. Находим количество атомов  Н по формуле (2)

n(Н) = = 1

4. Вычисляем молярную массу С₄Н₁₀

М(С₄Н₁₀) = 12 * 4 + 1 * 10 = 58г/моль

5. Вычисленная молярная масса совпадает с (1), задача решена.

Ответ: С₄Н₁₀

5. Закрепление материала

Учащиеся решают задачи самостоятельно, по необходимости консультируются с учителем.

Задача 1. При сгорании 11,2 г. Углеводорода получили оксид углерода массой 35,2 г и воду массой 14,4 г. Относительная плотность этого углеводорода по воздуху равна 1,93. Выведите молекулярную формулу.

Задача 2. При сжигании 2.2 г. вещества получили 4,4 г оксида углерода и 1,8 г. воды. Относительная плотность вещества по водороду равна 44.  Определите молекулярную формулу вещества.

Задача 3. Выведите формулу вещества, содержащего 81,8% углерода и 18,2 % водорода, если относительная плотность по водороду равна 22.

Задача 4. Определите молекулярную формулу углеводорода, если массовая доля углерода равна 85,75, а водорода –14,3%. Относительная плотность этого вещества по азоту примерно равна 2.

6. Домашнее задание

Гара Н.Н., Горбусева Н. И. Сборник задач. – М.:Дрофа, 2010.
Задачи: 1.5;  1.17;  2.10;  2.27.

Решение задач на вывод формулы органического вещества по продуктам сгорания

Вывод формул веществ по продуктам сгорания.

1. Проанализировать состав продуктов сгорания и сделать вывод о качественном составе сгоревшего вещества:

Н₂О  Н, СО₂  С, SO₂  S, P₂O₅  P, Na₂CO₃  Na, C; HCl  H, Cl

Наличие кислорода в веществе требует проверки. Обозначить индексы в формуле через

x, y, z. Например: С_х Н_у О_z (?).

2. Найти количества веществ продуктов сгорания по формулам:

 = m / M и  = V / V_m

3. Найти количества элементов, содержавшихся в сгоревшем веществе.

Например:

(С) = (СО₂), (Н) = 2 ∙ (Н₂О), (Na) = 2 ∙ (Na₂CO₃), (C) = (Na₂CO₃) и т.д.

4. Если сгорело вещество неизвестного состава, то обязательно нужно проверить, содержался ли в нём кислород. Например: C_x, H_y, O_z

(?),

m(O) = m _{в – ва} – (m(C) + m(H)

Предварительно нужно найти: m(C) = (C) ∙ 12 _{г / моль,} m(H) = (H) ∙ 1 _{г / моль}

Если кислород содержался, найти его количество: (О) = m(O) / 16 _{г / моль}

5. Найти соотношения индексов по соотношению количеств элементов. Например:

x : y : z = (С) : (Н) : (О)

Числа привести к целым, разделив их наименьшее.

6. Если известны данные для нахождения истинной молярной массы вещества, найти её по формулам: M =  ∙ V_m, M₁ =

D₂ ∙ M₂

7. Написать простейшую формулу и найти её молярную массу. Сравнить истинную молярную массу с простейшей и увеличить индексы в нужное число раз.

Задача № 1.

При сгорании 7,2 г вещества образовалось 9,9 г углекислого газа и 8,1 г воды. Плотность паров этого вещества по водороду равна 16. Определите молекулярную формулу вещества.

Ответ: СН₃ОН.

Задача № 2.

При сгорании газа, не содержащего кислород, выделилось 2,24 л углекислого газа, 1,8 г воды и 3,65 г хлороводорода. Определить формулу сгоревшего вещества.

Ответ: CH₃Cl.

Задача № 3.

При сгорании вторичного амина симметричного строения выделилось 0,896 л (н.у.) углекислого газа, 0,99 г воды и 0,112 л (н.у.) азота. Установите молекулярную формулу этого амина.

Ответ: (C₂H₅)

2NH.

Задача № 4.

При полном сгорании органического вещества, не содержащего кислород, выделилось 4,48 л (н.у.) углекислого газа, 1.8 г воды и 4 г фтороводорода. Установите молекулярную формулу сгоревшего соединения.

Ответ: C₂H₄F₂.

Задача № 5.

При сгорании 0,62 г газообразного органического вещества выделилось 0,448 л углекислого газа, 0,9 г воды и 0.224 л азота (объёмы газов измерены при н. у.). Плотность вещества по водороду 15,50. Установите его молекулярную формулу.

Ответ: СН₃NH_2.

«Решение задач на нахождение формулы органического вещества» (10 класс)

Тема: «Решение задач на нахождение формулы органического вещества» (10 класс)

Цель: применение алгоритма при решении задач на вывод формул.

Задачи:

• расширить знания учащихся о способах решения задач;

• закрепить навыки работы с алгоритмами;

• показать взаимосвязь химии и математики.

ХОД УРОКА

1. Оргмомент

Учитель знакомит класс с темой урока, целью и задачами урока.

2. Повторение общих формул органических веществ.

Учитель предлагает учащимся назвать общие формулы алканов, алкенов, алкинов, циклоалканов, алкадиенов, типы гибридицациии атомов углерода, характерные изомерии для каждого класса.

3. Составление алгоритма для решения задач на нахождение формулы вещества по продуктам сгорания  вещества, если дана относительная плотность.

АЛГОРИТМ №1.

1. Вычисляем молярную массу вещества.

М(в) = D(x)*М(х)  (1)

2. Вычисляем количество атомов С:

а) если СО₂ дано по массе:

n(C) =        (2)

б) если СО₂ дано в объеме:

n(C) =        (3)

3. Вычисляем количество атомов Н:

Так как в молекуле Н₂О 2 моля Н, тогда формулу умножаем на 2 (это применимо и к N)

n(Н) = 2         (4)

4. Вычисляем молярную массу полученного вещества.

5. Если молярная масса полученного вещества равна молярной массе вещества (1), тогда задача решена правильно; если молярная масса полученного вещества отличается от молярной массы вещества (1), вычисляем разность и определяем количество атомов кислорода, если вещество кислородосодержащие, или азота, если вещество азотосодержащее.

Пример:

При сгорании органического вещества массой 2, 37 г образовалось 3,36 г оксида углерода(IV)  (н.у.), 1,35 г воды и азот. Относительная плотность этого вещества по воздуху равна 2,724. Выведите молекулярную формулу вещества.

Дано: 

m ( в-ва) = 2,37г
V (CO₂) = 3,36 л
m (H₂O) = 1,35 г
D (возд.) = 2,724.
_________________

Найти:

CxHyNz
М(возд) = 29 г/моль
М(Н₂О) = 18 г/моль
Vm = 22,4л/моль

Решение:

1. Применяем формулу (1)

M(в-ва) = 29 г/моль * 2,724 =79 г/моль.

Находим количество атомов С по формуле (3)

n(C) =  = 5

2. Находим количество атомов Н по формуле (4)

n(Н) = 2  = 5

3. Вычисляем молярную массу С₅Н₅.

М(С₅Н₅) = 12 * 5 + 1 * 5 = 65г/моль

4. Вычисляем количество атомов азота (5)

79 – 65 = 14. т.к. атомная масса азота – 14, значит в данной формулу один атом N.

Ответ: С₅Н₅N

4. Составление алгоритма нахождение молекулярной формулы вещества по его относительной плотности и массовой доле элементов в соединении.

АЛГОРИТМ № 2

1. Вычисляем молярную массу вещества.

М(в) = D(x)*М(х)       (1)

2. Вычисляем количество атомов элемента:

а) если w дана в процентах:

n(Э) =         (2)

б) если w дана в долях:

n(Э) =         (3)

3. Вычисляем молярную массу полученного вещества.

4. Если молярная масса полученного вещества равна молярной массе вещества (1), тогда задача решена правильно; если молярная масса полученного вещества отличается от молярной массы вещества (1), вычисляем разность и определяем количество атомов кислорода, если вещество кислородосодержащие, или азота, если вещество азотосодержащее.

Пример:

Выведите формулу вещества, содержащего 82,75% углерода  и 17,25 % водорода. Относительная плотность паров этого вещества по воздуху равна 2.

Дано:

w(C) = 82,75%
w(H) = 17,25%
D(возд) = 2
______________

Найти:

СхНу
M(воздуха) = 29г/моль

М(С₄Н₁₀) =12 * 4 + 1 * 10 = 58г/моль

Решение:

1. Применяем формулу (1)

M(в-ва) = 29 г/моль * 2 =58 г/моль.

2.  Находим количество атомов С по формуле (2)

n(С) =  = 4

3. Находим количество атомов  Н по формуле (2)

n(Н) =  = 1

4. Вычисляем молярную массу С₄Н₁₀

М(С₄Н₁₀) = 12 * 4 + 1 * 10 = 58г/моль

5. Вычисленная молярная масса совпадает с (1), задача решена.

Ответ: С₄Н₁₀

5. Закрепление материала

Учащиеся решают задачи самостоятельно, по необходимости консультируются с учителем.

Задача 1. При сгорании 11,2 г. Углеводорода получили оксид углерода массой 35,2 г и воду массой 14,4 г. Относительная плотность этого углеводорода по воздуху равна 1,93. Выведите молекулярную формулу.

Задача 2. При сжигании 2.2 г. вещества получили 4,4 г оксида углерода и 1,8 г. воды. Относительная плотность вещества по водороду равна 44.  Определите молекулярную формулу вещества.

Задача 3. Выведите формулу вещества, содержащего 81,8% углерода и 18,2 % водорода, если относительная плотность по водороду равна 22.

Задача 4. Определите молекулярную формулу углеводорода, если массовая доля углерода равна 85,75, а водорода –14,3%. Относительная плотность этого вещества по азоту примерно равна 2.

6. Домашнее задание

Конспект урока «Решение задач на нахождение молекулярной формулы органических веществ по массовым долям и относительной плотности газов» 10 класс

находите сначала соотношение атомов в молекуле (или другой структурной единице

вещества), т.е. его простейшую формулу.

Мы с вами познакомились с первым классом органических веществ. Это алканы.

Какова общая формула класса? ( С

n

H

2n+2

)

Вы уже имеете представление о разнообразии веществ этого класса. Наша цель сегодня

познакомиться с методами определения молекулярной формулы вещества по массовым

долям и относительной плотности газа.

Какую информацию несет молекулярная формула? ( качественную и количественную)

Часто используется при решении задач понятие эмпирическая формула. Как вы понимает

слово эмпирический ? (основанный на опыте, опирающийся на непосредственные

наблюдения, эксперимент)

Эмпирическая формула любого вещества – это формула, которая выражает простейшее

целочисленное отношение элементов, содержащихся в данном веществе. Эмпирические

формулы иногда называют простейшими формулами. Для вывода эмпирической формулы

вещества достаточно знать его количественный состав ( массовые доли элементов).

Молекулярная (истинная) формула — формула, в которой отражается реальное число

атомов каждого вида, входящих в молекулу вещества.

Например, С

6

Н

6

— истинная формула бензола.

Что такое массовая доля? (массовая доля элемента — это его содержание в веществе в

процентах по массе)

Например, в веществе состава С

2

Н

4

содержится 2 атома углерода и 4 атома водорода. Если

взять 1 молекулу такого вещества, то его молекулярная масса будет равна:

Мr(С

2

Н

4

) = 2 • 12 + 4 • 1 = 28 и там содержится 2 • 12 углерода.

Чтобы найти массовую долю углерода в этом веществе, надо его массу разделить на массу

всего вещества:

ω(C) = 12 • 2 / 28 = 0,857 или 85,7%.

Если вещество имеет общую формулу С

х

Н

у

О

z

, то массовые доли каждого их атомов так

же равны отношению их массы к массе всего вещества. Масса х атомов С равна — 12х,

масса у атомов Н — у, масса z атомов кислорода — 16z.

Тогда

ω(C) = 12 • х / (12х + у + 16z)

Если записать эту формулу в общем виде, то получится следующее выражение:

ω(х.э.) =





хэ





вво

Что такое относительная плотность вещества? ( D — это величина, которая показывает, во

сколько раз газ Мr

1

тяжелее газа Mr

2

. )

D=Mr

1

/ Mr

2

D(O₂)=Mr(газа)/Mr(O₂)

D(H₂)= Mr(газа)/Mr(H₂)

Алгоритм решения задач на вывод формулы вещества по массовым долям элементов Егоркина М.Л. учитель химии ГБОУ Гимназия Ar(C)

1 Алгоритм решения задач на вывод формулы вещества по массовым долям элементов Егоркина М.Л. учитель химии ГБОУ Гимназия Обозначить формулу вещества с помощью индексов х, у z. и т.д. по числу элементов в молекуле. СхНуОz 2. Если в условии не дана массовая доля одного элемента, вычислить еѐ как разность 100% и массовых долей всех остальных элементов. 3. Принять массу вещества за 100 г, тогда масса элементов будет соответствовать их массовым долям. 4. Рассчитать количество каждого элемента. 5. Найти отношение индексов Х: У:Z как отношение. Привести частные от деления к отношению целых чисел. Определить простейшую формулу вещества. 6. В задачах на нахождение формул органических веществ часто требуется сравнить относительную молекулярную массу простейшей формулы М r с истинной по условию задачи (чаще всего плотности по воздуху или по водороду). Отношение этих масс дает число, на которое надо умножить индексы простейшей формулы. Пример Вывести, молекулярную формулу углеводорода, который содержит 85,7% углерода и имеет плотность по водороду, равную 21. Решение. Выразим формулу вещества С х Н у. ω(н) = ,7 = 14,3%. Пусть масса вещества равна 100г, тогда m(с)= 85,7г, m(h) = 14,3г. m(c) 85,7 Количество вещества углерода n(c)= Ar(C) = = 7,14Моль водорода = 12 = 14,3 (Н)= Ar(Н) m(н) 1 = 14,3 Моль Отношение атомных факторов х;у = n(c):n(h)= 7,14:14.3 = 1:2 Простейшая формула СН 2,М r (СН 2 ) = 14. М r (CxHy)= 2 Д Н2 = 21 2 =42 42:14 = 3,. следовательно, истинная формула вещества /СН 2 / 3 = С 3 Н 6 ЗАДАЧИ 1.Найти молекулярную формулу вещества, содержащего 93,75%-С, 6,25%- Н, если плотность его паров по воздуху — 4, Установить молекулярную формулу вещества. по следующим данным.: а) 75% — С, 25% — Н, Дн2: = 8. б) 80% — С, 20% — Н, Дн2: = Найти молекулярную формулу вещества, содержащего 54,4%.- С, 36,4%- О, 9,1%;- Н, если плотность его паров по водороду Установить молекулярную формулу вещества, если известно, что оно содержит 51,9%-С, 9,7%- Н, 38,38%- Сl. Плотность его паров по водороду-46,25. 5.Вывести молекулярную формулу хлорпроизводного углеводорода, которое содержит 89,9%— С1, 10,1% — С. Плотность этого веществу по водороду — 118,5. 6.Вывести молекулярную формулу вещества, содержащего 58,% углерода, 4,1% водорода, 11,4% азота и 26% кислорода. Плотность паров этого вещества по водороду — 61,5. 7. Установите простейшую формулу муравьиной кислоты, если известно, что массовые отношения в ней водорода, углерода и кислорода равны 1:6: В натуральном жемчуге массовые отношения кальция, углерода и кислорода равны 10:3:12. Какова простейшая химическая формула жемчуга? 9. Определите молекулярную формулу кальциевой селитры, в которой 24,39% кальция, 17,07% азота, 58,54% кислорода. Относительная молекулярная масса кальциевой селитры равна Определите молекулярную формулу тиосульфата натрия, в котором массовая доля натрия 29,1%, серы 40,5%, кислорода 30,4%. Относительная молекулярная масса тиосульфата натрия Этиловый спирт содержит 52,18% углерода, 13,04% водорода, 34,78% кислорода. Плотность паров спирта по водороду равна 23. Определите формулу этилового спирта. 12. В оксиде молибдена отношение массы молибдена к массе атомарного кислорода равно 2. Определите простейшую формулу этого оксида. 13. Образец соединения фосфора и брома массой 81,3 г содержит фосфор массой 9,3 г. Определите простейшую формулу этого соединения. 14. Выведите молекулярную формулу газообразного вещества, если оно содержит 40% С, 53,33% О и 6,67% Н. 1 л этого вещества (н.у.) имеет массу 1,34 г. 15. Установите молекулярную формулу газообразного соединения, содержащего 20% углерода, 26,7% кислорода и 53,3% серы и имеющего плотность по азоту 2,143. Приведите структурную формулу этого соединения и укажите вид гибридизации атомных орбиталей углерода.

2 16. Оксид азота содержит 30,4% азота. Определите молекулярную формулу оксида, если известно, что 12,65 г его при температуре 20 С и давлении 912 мм рт. ст. занимают объем 5,5 л. 17. Органическое вещество имеет следующий массовый состав: 40% углерода, 53,3% кислорода, 6,7% водорода. 15 г этого вещества при температуре 18 С и давлении 610 мм рт.ст. занимают объем 14,9 л. Определите молекулярную формулу этого вещества. 18. Органическое вещество имеет следующий процентный состав: 38,7% углерода, 51,6% кислорода, 9,7% водорода. 20,62 г паров этого вещества при температуре 35 С и давлении 2 атм. занимают объем 4,2 л. Определите молекулярную формулу вещества. 19. В некотором органическом веществе массовая доля углерода равна 85,71%, водорода — 14,29%, 42 г этого вещества при температуре 127 С и давлении 5 атм. занимают объем 3,28 л. Определите молекулярную формулу вещества. Алгоритм решения задач на вывод формул органических веществ по продуктам сгорания. 1. Обозначить формулу вещества с помощью индексов Х.У, Z и т.д. по числу элементов в молекуле. Если продуктами горения являются СО 2 и Н 2 О, то вещество может содержать 3 элемента ( С х Н у О Z ). Частный случай: продуктом горения кроме СО 2 и Н 2 О является азот (N 2 ) для азотсодержащих веществ (С х Н у О z N m ) или HCl для галогенсодержащих веществ. 2. Составить уравнение реакции горения без коэффициентов. 3. Найти количество вещества каждого из продуктов сгорания. 4. Рассчитать количество вещества атомов углерода и водорода. 5. Если не сказано, что сжигаемое вещество- углеводород, рассчитать массы углерода и водорода в продуктах сгорания. Найти массу кислорода в веществе по разности массы исходного вещества и m (C) + m (H). Вычислить количество вещества атомов кислорода. 6. Соотношение индексов х:у:z равно соотношению количеств веществ n (C) :n (H) :n (O) приведенному к отношению целых чисел. 7. При необходимости по дополнительным данным в условии задачи привести полученную эмпирическую формулу к истинной. В задачах на нахождение формул органических веществ часто требуется сравнить относительную молекулярную массу простейшей формулы Мr с истинной по условию задачи (чаще всего плотности по воздуху или по водороду). Отношение этих масс дает число, на которое надо умножить индексы простейшей формулы. ЗАДАЧИ. 1. При сжигании 0.46 г органического вещества было получено 0,88 г оксида углерода (IV) и 0,54 г воды. Плотность паров вещества по водороду равна 23. Определите его молекулярную формулу. 2. При сгорании органического вещества массой 3,9 г, относительная плотность паров которого по воздуху равна 2, 69, образовался оксид углерода (IV) объѐмом 6, 72 л (н.у.) и вода массой 2,7 г воды. Какова формула вещества? 3. При сжигании углеводорода образовалось 22 г углекислого газа и 4,5 г воды. Определите молекулярную формулу углеводорода, зная, что он содержит 2 атома углерода. 4. При сгорании органического вещества массой 2,3 г образовались оксид углерода (IV) массой 4,4 г и вода массой 2,7 г. Относительная плотность паров этого вещества по воздуху равна Определите его молекулярную формулу. 5. При сжигании 1,8 г органического вещества образовалось 2, 016 л оксида углерода (IV) (н.у.) и 2,16 г водяных паров. Напишите структурные формулы и названия всех возможных изомеров этого вещества, если известно, что 1 л его паров при нормальных условиях имеет массу 2, 679 г. 6. При полном окислении 0,9 г гомолога этиленгликоля в токе кислорода образовалось 1,76 г оксида углерода (IV) и 0.9 г воды. Определите молекулярную формулу вещества. 7. Порцию органического вещества массой 18,5г сожгли в избытке кислорода. В результате реакции образовался углекислый газ объемом 16,8л н.у. и вода массой 13,5г. Плотность паров органического вещества по воздуху равна 2,552. Выведите формулу вещества. 8. При сжигании 4,4 г углеводорода получили 13,2 оксида углерода (IV). Относительная плотность вещества по воздуху равна 1,52. Определите молекулярную формулу этого вещества. 9. При сжигании 3,3 г хлорсодержащего органического вещества получено 1,493 л диоксида углерода и 1,2 г воды. После превращения всего.хлора, содержащегося в данном количестве вещества, в хлорид серебра ; — получено 9,56 г АgСl. Плотность паров вещества по водороду равна 49, 5. Определить истинную формулу исследуемого вещества. 10. При сгорании органического вещества количеством вещества 0.03 моль образовались оксид углерода (IV) и вода количеством вещества 0.15 моль каждое. Относительная плотность паров этого вещества по водороду равна 51. Определите молекулярную формулу этого вещества. 11. При полном сжигании 1,5 г органического вещества получено 1,12 л углекислого газа /н.у./ и 0,9 г воды. Плотность паров этого вещества по водороду 45. Выведите молекулярную формулу исследуемого вещества. 12. Напишите молекулярную формулу вещества, плотность которого по водороду равна -15, если при сжигании 0,3 г его образуется 448 см 3 диоксида углерода /н.у./ и 0,54 г воды. 13. Найти молекулярную формулу вещества, если в результате сжигания 3,2 г его образовалось 9,9 г углекислого газа и 4,5 г воды. Плотность паров этого вещества по водороду — 64.

3 14. Относительная плотность паров кислородсодержащего органического соединения по гелию равна 25,5. При сжигании 15,3 г. этого вещества образовалось 20,16 л СО 2 и 18,9 г Н 2 О. Выведите молекулярную формулу этого вещества. 15. При сгорании 0,31г газообразного органического вещества выделилось 0,224л углекислого газа, 0,45г воды и 0,112л азота. Плотность вещества 1,384г/л. Установите молекулярную формулу этого соединения и назовите его. 16. При полном сгорании 4,4 г углеводорода в кислороде образуется 6,72л углекислого газа н.у. Установите молекулярную формулу углеводорода. 17. При сжигании 3,36 м 3 неизвестного газа было получено 6,72 м 3 оксида углерода (IV) и 5,4 кг воды. Плотность газа по водороду 14(н.у.). Определить какой газ сжигали.

4 Алгоритм решения задач на вывод формул органических веществ по продуктам сгорания. 1. Обозначить формулу вещества с помощью индексов Х.У, Z и т.д. по числу элементов в молекуле. Если продуктами горения являются СО 2 и Н 2 О, то вещество может содержать 3 элемента ( С х Н у О Z ). Частный случай: продуктом горения кроме СО 2 и Н 2 О является азот (N 2 ) для азотсодержащих веществ (С х Н у О z N m ) или HCl для галогенсодержащих веществ. 2. Составить уравнение реакции горения без коэффициентов. 3. Найти количество вещества каждого из продуктов сгорания. 4. Рассчитать количество вещества атомов углерода и водорода. 5. Если не сказано, что сжигаемое вещество- углеводород, рассчитать массы углерода и водорода в продуктах сгорания. Найти массу кислорода в веществе по разности массы исходного вещества и m (C) + m (H). Вычислить количество вещества атомов кислорода. 6. Соотношение индексов х:у:z равно соотношению количеств веществ n (C) :n (H) :n (O) приведенному к отношению целых чисел. 7. При необходимости по дополнительным данным в условии задачи привести полученную эмпирическую формулу к истинной. В задачах на нахождение формул органических веществ часто требуется сравнить относительную молекулярную массу простейшей формулы Мr с истинной по условию задачи (чаще всего плотности по воздуху или по водороду). Отношение этих масс дает число, на которое надо умножить индексы простейшей формулы. Алгоритм решения задач на вывод формулы вещества по массовым долям элементов 1. Обозначить формулу вещества с помощью индексов х, у z. и т.д. по числу элементов в молекуле. СхНуОz 2. Если в условии не дана массовая доля одного элемента, вычислить еѐ как разность 100% и массовых долей всех остальных элементов. 3. Принять массу вещества за 100 г, тогда масса элементов будет соответствовать их массовым долям. 4. Рассчитать количество каждого элемента. 5. Найти отношение индексов Х: У:Z как отношение. Привести частные от деления к отношению целых чисел. Определить простейшую формулу вещества. 6. В задачах на нахождение формул органических веществ часто требуется сравнить относительную молекулярную массу простейшей формулы М r с истинной по условию задачи (чаще всего плотности по воздуху или по водороду). Отношение этих масс дает число, на которое надо умножить индексы простейшей формулы. Пример Вывести, молекулярную формулу углеводорода, который содержит 85,7% углерода и имеет плотность по водороду, равную 21. Решение. Выразим формулу вещества С х Н у. ω(н) = ,7 = 14,3%. Пусть масса вещества равна 100г, тогда m(с)= 85,7г, m(h) = 14,3г. m(c) Количество вещества углерода = 85,7 n(c)= Ar(C) = 7,14Моль водорода = 12 = 14,3 (Н)= Ar(Н) m(н) = 14,3 Моль 1 Простейшая формула СН 2,М r (СН 2 ) = 14. Отношение атомных факторов х;у = n(c):n(h)= 7,14:14.3 = 1:2 М r (CxHy)= 2 Д Н2 = 21 2 =42 42:14 = 3,. следовательно, истинная формула вещества /СН 2 / 3 = С 3 Н 6

5 10 класс Задача 1. Газовую смесь, полученную при разложении некоторого нитрата А, пропустили в раствор гидроксида калия. В поглотительном растворе были обнаружены нитрат- и нитрит-ионы. Масса твердого остатка В после разложения нитрата относится к массе исходного нитрата как 4 : 9. При прокаливании вещества В в токе CO был получен темный порошок С, масса которого относится к массе В как 7 : 10. Определите вещества А, В и С и напишите уравнения всех упомянутых реакций. Задача 2. Даны правые части уравнений химических реакций. Каждое из них описывает взаимодействие двух веществ. Запишите эти уравнения полностью. = NaOH + NH 3 = I 2 + 2FeCl 2 + 2KCl = CO 2 + 2HCl = 2FeSO 4 + 2H 2 + 9CO = Fe(NO 3 ) 3 + 2NO + CO 2 = 2NaHSO 4 + SO 2 + S + 2H 2 O = 2K 2 CO 3 + O 2 = 2Cu(NO 3 ) 2 + 2NO 2 + 3H 2 O = 4Al(OH) 3 + 3CH 4 = LiCl + AlCl 3 + 4H 2 Задача 3. При нагревании зеленого вещества А образуются 3 оксида: В, С, D, причем эти оксиды в обычных условиях находятся в различных агрегатных состояниях. При взаимодействии А с избытком соляной кислоты образуются В и С, а также вещество Е, которое может быть получено взаимодействием D с соляной кислотой ( в этой реакции образуется также и С ). Определить вещества А Е, написать уравнения реакций. Изменится ли состав продуктов термического разложения А, если нагревание проводить в присутствии водорода? Задача 4. Два юных химика поспорили о том, чем пахнет фтористый аммоний. Один утверждал, что эта соль имеет сильный резкий запах аммиака, второй говорил, что запах, конечно, резкий, но очень слабый и аммиак может уловить только очень чуткий нос. На следующий день каждый из них принес на встречу свою банку с веществом, но у одного она была полиэтиленовая, а у другого стеклянная. К их взаимному удивлению, оба оказались правы, но внимательно рассмотрев банки, они догадались о причине различия запахов. Напишите уравнения реакций, которые помогут Вам установить, что они увидели, из какой банки запах был сильнее и почему трудно уловить, чем именно пахнет вторая банка. Чем грозит хранение фтористого аммония в одной из этих банок? Задача 5. Очевидно, Вы знаете, что могут существовать вещества одинакового качественного и количественного состава, химического строения, но различающиеся расположением некоторых атомов или групп атомов в пространстве, то есть стереоизомеры. Одним из видов стереоизомерии, является оптическая, которая существует у тех молекул органических соединений, которые содержат атомы углерода с четырьмя различными заместителями. Например, бром(хлор)фторметан: (в формулах знаком * выделены такие асимметрические атомы С). Эти молекулы являются зеркальным отражением друг друга, однако, как ни старайтесь, совместить их друг с другом не сможете! Выделенный атом углерода называют оптическим центром молекулы. В окружающем нас мире существует множество подобных объектов. Например, Ваши руки, казалось бы, очень похожи, но правую перчатку Вы не сможете надеть на левую руку. В основном свойства оптических изомеров одинаковы, но они могут иметь, например, разный вкус или запах. Лимонен и карвон являются примерами соединений, оба оптических изомера которых встречаются в природе. Один изомер лимонена пахнет апельсинами, другой лимонами, а карвон может пахнуть семенами тмина или мятой. На рисунке изображены формулы этих двух веществ:

6 H 3 C H 3 C C CH C CH 3 3 H H 2 C 2 C O лимонен карвон 1. Изобразите полные структурные формулы лимонена и карвона, покажите все атомы и связи. 2. В каждой молекуле отметьте (*) оптический центр. 3. Напишите уравнения реакций полного гидрирования лимонена и карвона. 4. Имеют ли продукты их гидрирования оптические изомеры? Объясните Ваш ответ. Задача 6 В раковинах двухстворчатых моллюсков встречаются кристаллы минерала А длиной свыше 7 см, а в тропиках обитают морские ежи, имеющие длинные иголки из этого минерала. Длительное прокаливание минерала приводит к потере 44 % от его первоначальной массы и выделяется газ, относительная плотность которого по водороду 22. Определите состав минерала, если известно, что он состоит из трех элементов, один из которых металл, а другой кислород. Задача 7. В трех склянках находятся образцы металлов алюминия, цинка и серебра. Этикетки от склянок утеряны. Чтобы определить, в какой склянке находится каждый их металлов, проведена серия испытаний действием концентрированных соляной и азотной кислот и концентрированным водным раствором гидроксида калия. Результаты наблюдений представлены в таблице (знак «+» означает, что реакция идет, знак отсутствие реакции): Номер образца металла РЕАГЕНТЫ Азотная кислота Соляная кислота Гидроксид натрия Какие металлы обозначены в таблице под номерами 1, 2, 3? Приведите уравнения химических реакций 11 класс Задача 1. Некий злоумышленник похитил одну тонну медного купороса, для того чтобы электролизом выделить медь и сдать ее в пункт приема цветных металлов. Электролизер с рабочим током 0,1 А он устроил у себя дома в ванной. Сколько меди злоумышленник может получить максимально? Сколько времени у него это займет? Почему злоумышленник неуважительно вспоминал некоего Фарадея, число которого 96500? Что останется в ванной после завершения процесса? Задача 2. При подготовке контрольной работы учитель, экономя время, записал задание в виде следующей схемы: 1 2 B C A + 6 D Известно, что вещество B кристаллическое бесцветное токсичное вещество, обладающее выраженными бактерицидными свойствами, его применяют для синтеза красителей, лекарственных препаратов и высокомолекулярных соединений. C бесцветная жидкость, неограниченно растворимая в воде, применяется преимущественно в качестве растворителя. Натриевая соль кислоты D используется как консервант в пищевой промышленности и стабилизатор при производстве полимеров. 1. Вместо схем напишите структурные формулы веществ, участвующих в превращениях. 2. Запишите уравнения реакций 1 6, укажите условия их протекания. 3. Назовите вещества А, В, С и D. Задача 3.

7 Навеску соли двухвалентного металла весом 9.53 г. растворили в воде и раствор поделили на две равные части. К обеим частям добавили раствор аммиака, при этом выпал белый осадок. Осадок, полученный из первой части раствора, высушили на воздухе, его вес составил 2.92 г, последующее прокаливание на воздухе привело к уменьшению веса до 2.02 г. Ко второй половине осадка добавили избыток хлорида аммония, при этом осадок растворился. К полученному раствору прибавили избыток раствора гидрофосфата натрия в результате чего выпал белый осадок весом 6.87 г. Определите вещества, напишите уравнения реакций. Задача 4. Белое твердое вещество A растворяется в воде с образованием кислого раствора. При взаимодействии A с концентрированной H 2 SO 4 происходит выделение газа с молярной массой 20 г/моль, содержащего элемент X. Определите вещество A, если известно, что массовая доля элемента X в нем равна 48,7%. Почему раствор А в воде имеет кислую реакцию? Задача 5. В лаборатории торгинспекции проанализировали фальсифицированную водку «Кристалл». В результате ее фракционной перегонки выделен плохо растворимый в воде продукт X, кипящий на 30 С выше, чем этанол. При реакции раствора содержащего 0,37 г продукта X в 10 мл гексана с избытком металлического натрия выделилось около 60 мл горючего газа (1 атм, 20 С). Продукт X взаимодействует с избытком концентрированной серной кислоты при нагревании: при этом получается легко сжижаемый газ Y. При реакции Y с хлороводородом образуется монохлорид Z. При анализе продуктов радикального бромирования Z удалось обнаружить только одно монохлормонобромпроизводное. Определите состав и возможное строение X, Y, Z ; приведите уравнения реакций и условия их проведения. Задача 6. Хлорирование толуола на свету при нагревании приводит к образованию смеси трех органических веществ. Навеску этой смеси (1,00 г) кипятили несколько часов в растворе гидроксида натрия. При этом были получены смесь органических продуктов реакции и водный раствор, из которого после обработки избытком раствора нитрата серебра выделено 1,86 г хлорида серебра. При добавлении к органическим продуктам последней реакции аммиачного раствора оксида серебра получено 0,65 г черного осадка. Считая, что все указанные реакции идут количественно, определите состав смеси продуктов хлорирования толуола. Задача 7. Вещества A, B, C, D, E, F, G, H, I генетически связаны между собой следующим образом. Определите вещества A I, напишите уравнения реакций, если известно: А простое вещество красного цвета; H нерастворимое в воде, взрывчатое в сухом состоянии бинарное соединение; раствор С имеет ярко-синий цвет.

8

«Решение задач на вывод формулы органического вещества» (10 класс).

Тема урока: «Решение задач на нахождение молекулярной формулы органических веществ по массовым долям и относительной плотности газов».

Цели урока: познакомить обучающихся с задачами данного типа и показать способы решения задач на нахождение молекулярной формулы органических веществ по массовым долям и относительной плотности газов.

Задачи урока:

— научить алгоритму решения задач данного типа;

— развивать умения осуществлять самоконтроль и взаимоконтроль;

— создать на уроке атмосферу поиска и сотрудничества,

— развивать навыки химического мышления, логики учащихся;

— формировать у учащихся предметные компетенции, основанные на знаниях, умениях и навыках в рамках раздела «Решение задач на вывод молекулярной формулы вещества».

Ход урока.

I. Организационный этап.

Умение решать химические задачи – важная составляющая знаний по предмету. Один из типов задач в курсе 10 класса – это задачи на нахождение молекулярной формулы органических веществ по массовым долям и относительной плотности газов. Подобные задания входят в ЕГЭ.

II. Актуализация знаний.

Этот вид расчетов чрезвычайно важен для химической практики, т.к. позволяет на основании экспериментальных данных определить формулу вещества (простейшую и молекулярную). На основании данных качественного и количественного анализов вы находите сначала соотношение атомов в молекуле (или другой структурной единице вещества), т.е. его простейшую формулу.
Какую информацию несет молекулярная формула? (качественную и количественную)

Часто используется при решении задач понятие эмпирическая формула. Как вы понимает слово эмпирический? (основанный на опыте, опирающийся на непосредственные наблюдения, эксперимент).

Эмпирическая формула любого вещества – это формула, которая выражает простейшее целочисленное отношение элементов, содержащихся в данном веществе. Эмпирические формулы иногда называют простейшими формулами.

Для вывода эмпирической формулы вещества достаточно знать его количественный состав ( массовые доли элементов).

Молекулярная (истинная) формула — формула, в которой отражается реальное число атомов каждого вида, входящих в молекулу вещества.
Например, С6Н6 — истинная формула бензола.

Что такое массовая доля? (массовая доля элемента — это его содержание в веществе в процентах по массе)
Например, в веществе состава С2Н4 содержится 2 атома углерода и 4 атома водорода.

ω(х.э.) =

Если взять 1 молекулу такого вещества, то его молекулярная масса будет равна:
Мr(С2Н4) = 2 • 12 + 4 • 1 = 28

Чтобы найти массовую долю углерода в этом веществе, надо его массу разделить на массу всего вещества:
ω(C) = 12 • 2 / 28 = 0,857 или 85,7%.

При решении задач на вывод формулы органического вещества за формулу вещества мы принимаем выражение СхНуОz.

Если вещество имеет общую формулу СхНуОz, то массовые доли каждого их атомов так же равны отношению их массы к массе всего вещества.

Что такое относительная плотность вещества по газу? ( D — это величина, которая показывает, во сколько раз газ Мr1 тяжелее газа Mr2.)

D=Mr(соединения)/ Mr газа

Mr(соединения)= Mr газа* D

Алгоритм решения задач.

1. Вычисляем молекулярную массу вещества.

Мr(в) = D(x)*Мr(х)       (1)

2. Вычисляем массу и количество атомов каждого химического элемента, входящего в состав соединения.

m = ω* Mr(соединения)

n=m/M

3.Вычисляем количество атомов элемента:

а) если ω дана в процентах:

n(Э) =          (2)

б) если ω дана в долях:

n(Э) =          (3)

3. Записываем соотношение всех элементов в соединении и выводим молекулярную формулу. Вычисляем молекулярную массу полученного вещества.

4. Если молекулярная масса полученного вещества равна молекулярной массе вещества (1), тогда задача решена правильно; если молекулярная масса полученного вещества отличается от молекулярной массы вещества (1), вычисляем разность и определяем количество атомов.

Закрепление.

Выведите формулу вещества, содержащего 82,75% углерода  и 17,25 % водорода. Относительная плотность паров этого вещества по воздуху равна 2.

Дано:

ω(C) = 82,75%
ω(H) = 17,25%
D(возд) = 2
______________

Найти:

СхНу
Mr(воздуха) = 29

Решение:

1. Применяем формулу (1)

Mr(в-ва) = 29 * 2 =58

2.  Находим количество атомов С по формуле (2)

n(С) =   = 4

3. Находим количество атомов  Н по формуле (2)

n(Н) =   = 10

4. Вычисляем молярную массу С4Н10

Мr(С4Н10) =12 * 4 + 1 * 10 = 58

5. Вычисленная молекулярная масса совпадает с (1), задача решена.

Ответ: С4Н10

Домашнее задание: конспект, задача.

Вывести формулу органического соединения, содержащего 92,3% углерода и 7,7% водорода. Относительная плотность по водороду равна 13.

Неделя литовской культуры-2015

Дни литовской культуры проходят в гимназии с 2003 года, и это стало доброй традицией. За это время реализован не один образовательный проект, гимназия принимала видных деятелей культуры, искусства и литературы Литвы.

Гостями церемонии открытия Недели стали заместитель председателя ассоциации учителей литовского языка в Калининградской области Альгирдас Кормилавичус, фольклорный коллектив «Рутяле» (г. Гурьевск) под руководством Ирены Тирюбы, фольклорный коллектив (художественный руководитель Ирма Куркова) из пос. Переславское «Куполите». Ирена Тирюба рассказала о народных литовских инструментах и особенностях национального костюма.

В рамках реализации гимназического проекта «Неделя литовской культуры» состоялась открытая лекция Б.Н. Адамова для учащихся гимназии. Борис Николаевич Адамов — член правления и один из организаторов Калининградского клуба краеведов, автор книги «Кристионас Донелайтис. Время. Люди. Память». В лекции об известных литовцах Кёнигсберга он особое внимание уделил Людвигу Резе – литовскому поэту, критику, переводчику, профессору и ректору Кёнигсбергского университета.

Тренер баскетбольной команды БФУ им.И. Канта Гедиминас Мелунас провел мастер-класс для баскетбольной команды 5«А» класса. Ребятам были показаны новые техники и приемы игры в баскетбол, которые многому  их научили. Время пролетело очень быстро, но тренер обещал встретиться еще раз.

Учащиеся 10-х классов, слушатели Школы юного дипломата, совершили визит в Генеральное консульство Республики Литва. Это событие стало частью программы Дней литовской культуры в гимназии № 40. Учащихся встречали Генеральный консул господин Витаутас Умбрасас и атташе по культуре господин Романас Сенапедис, которые очень тепло и радушно отнеслись к гостям. На встрече обсуждались такие вопросы, как путь дипломата в профессию. Другой интересующей всех участников темой был вопрос молодежного международного сотрудничества. Учащиеся поделились своим впечатлениями от проектов с литовскими школами и гимназиями. Другим вопросом обсуждения стала деятельность консульства в сфере обмена культур на территории Калининградской области. 

10-я юбилейная Неделя Литовской культуры в гимназии № 40 завершилась 20 февраля 2015 г. Почетными гостями церемонии стали руководитель представительства МИД России в Калининграде Павел Анатольевич Мамонтов, Витаутас УМБРАСАС, министр-советник, исполняющий обязанности генерального консула Литовской Республики, заместитель председателя ассоциации учителей литовского языка в Калининградской области Альгирдас Кормилавичус, руководитель общественной кафедры «Образование и дипломатия» гимназии №40, главный специалист-эксперт Представительства МИД России в Калининграде Юлия Изидоровна Матюшина. Были подведены итоги Недели, награждены участники и победители различных конкурсов. В конкурсе чтецов «По следам  литовских поэтов» среди учащихся 5-11 классов победителями стали Булаев Дмитрий, ученик 6«С» класса, Балесная Мария, ученица 7«Б» класса, Даудова Деши, читавшая стихотворения на литовском языке. В фотоконкурсе «Путешествие по Литве» победителем конкурса стала творческая группа 8«О» класса (Волошина Тамара, Громазина Арина, Рубцова Лариса Владимировна). Дипломы победителям вручали руководитель представительства МИД России в Калининграде Павел Анатольевич Мамонтов и Витаутас Умбрасас, министр-советник, исполняющий обязанности генерального консула Литовской Республики. Ярким украшением Церемонии закрытия стало выступление народного коллектива лицея № 35 «Жюгелис (žiogelis)» (руководитель Альгирдас Кормилавичус) и музыкального коллектива гимназии № 40 «Канцона» (руководитель Н.В. Литвинова).

Список альбомов пуст.

Органический углерод — обзор

SOC находится в состоянии непрерывного оборота, когда он минерализуется, высвобождается и теряется в результате (или замещается) новыми поступлениями органического углерода в почвенные системы. Следовательно, статус SOC отражает чистый баланс поступлений и потерь органического углерода. Некоторые из процессов, которые увеличивают потери SOC, — это обработка паром, обработка почвы, сжигание или удаление стерни. Эти методы ведения сельского хозяйства могут снизить SOC за счет уменьшения поступления органического углерода в почву, увеличения разложения SOM или того и другого.Например, когда почва обрабатывается, агрегаты почвы нарушаются, и защищенный агрегатами ПОВ обнажается, что ускоряет потерю SOC из-за минерализации. Кроме того, потери SOC из-за эрозии поверхности почвы также могут иметь место, что сильно влияет на количество SOC, хранящегося в почве. Сохранение почвы под паром ранее считалось распространенной практикой борьбы с сорняками. Тем не менее, SOC быстро снижается в периоды залежи из-за отсутствия поступления углерода от растущих растений и повышенного разложения SOM после культивирования и / или выжигания стерни, особенно в условиях высокой влажности почвы.В сельском хозяйстве Австралии вероятны ежегодные потери от эрозии в размере 8 Mg SOC га ⁻¹ от сельскохозяйственных культур и до 80 Mg SOC га ⁻¹ от почв под чистым паром (Kane, 2015). С другой стороны, методы управления сельским хозяйством, которые увеличивают поступление органического углерода в почвенные системы, например, за счет повышения продуктивности и разнообразия растений или за счет применения внешних источников органического углерода и / или уменьшения потерь углерода, могут увеличить накопление SOC. Для поддержания равновесия между входами и выходами углерода был рекомендован ряд устойчивых методов управления сельским хозяйством для повышения SOC до оптимального уровня для адаптации к местным условиям, что является одним из основных компонентов 17 целей в области устойчивого развития Повестки дня на период до 2030 года. за устойчивое развитие (ФАО, 2017).Некоторые из ключевых методов управления включают консервативную обработку почвы, сохранение стерни, эффективное управление ландшафтом за счет увеличения разнообразия севооборотов и многолетних культур (покровные культуры и зеленые удобрения (ГМ) в севооборотах), комплексное внесение органических удобрений и неорганических питательных веществ, агролесоводство, комплексное » растение-животноводство »смешанные системы земледелия, внесение биоугля в почву и добавление глины в песчаную почву (рис. 7.1).

Рисунок 7.1. Обзор традиционных и новых методов управления секвестрацией углерода (C) в различных агроэкосистемах.Методы управления пахотными землями, такие как нулевая обработка почвы, покровные культуры, биоугля и добавление глины, продемонстрировали потенциал для значительного увеличения накопления органического углерода (SOC) в почве (см. Подробности в этой главе). Интеграция знаний о влиянии улучшенных методов управления на динамику SOC имеет решающее значение для улучшения прогнозов моделей и поддержки важных политических рамок, таких как инициатива «4 на 1000».

Границы | Минерализация почвенного органического вещества на основе стехиометрии питательных веществ в почвах под разным образом управляемых лесонасаждений

Введение

Минерализация органического вещества почвы (ПОВ) — важный процесс, в котором углерод (C) и питательные вещества преобразуются в CO ₂ и доступные для растений формы азота (N), фосфора (P) и серы (S) (Schimel). и Bennett, 2004; Chapin et al., 2011). Минерализация углерода тесно связана с высвобождением минерального азота, фосфора и серы и может быть обусловлена ​​потребностями микробов в углероде и питательных веществах для их поддержания, роста и производства внеклеточных метаболитов, включая ферменты (Jonasson et al., 1999; LeBauer и Treseder, 2008; Vitousek et al., 2010).

Органическое вещество почвы и растительный опад часто имеют соотношение органического углерода (ОС) к питательным веществам, значительно превышающее стехиометрию микробного углерода (McGroddy et al., 2004).Это приводит к стехиометрическому дисбалансу, несмотря на то, что микробы нуждаются в углероде и питательных веществах в избытке по сравнению с их простой биомассой для производства энергии и внеклеточных ферментов. Соответственно, микробы используют относительно больше SOM и минерализуют больше OC для удовлетворения своих потребностей в питательных веществах на участках с большим соотношением ОС к питательным веществам, чем на участках с более высоким содержанием питательных веществ. Это, вероятно, также требует более высоких вложений внеклеточных ферментов, что приводит к снижению эффективности использования углерода (CUE) и повышению эффективности использования питательных веществ (Tracy et al., 1990; Mooshammer et al., 2014a). Соответственно, соотношение ОС к питательным веществам в различных органических материалах и ПОВ в верхних слоях почвы лиственных лесов, как было показано, положительно связано с минерализацией углерода и отрицательно с минерализацией азота (Janssen, 1996; Bengtsson et al., 2003).

В качестве альтернативы, избыток OC может также оставаться в почвенном растворе в виде растворенного органического углерода (DOC) после распада крупных макромолекул, когда рост микробов ограничивают питательные вещества, а не углерод (Hessen and Anderson, 2008).При ограничении питательных веществ микробная минерализация органической S из сульфатных эфиров и органического P может также происходить независимо от минерализации OC, тем самым отделяя C от минерализации P и S (McGill and Cole, 1981). Разделение C и N можно также наблюдать в почвах с ограниченным содержанием азота, где N-содержащие мономеры, такие как аминокислоты, аминосахара и нуклеиновые кислоты, деполимеризуются посредством ферментативных реакций и непосредственно поглощаются микробами без предварительного преобразования в неорганические питательные вещества (Schimel and Беннетт, 2004).

Несмотря на то, что обширные исследования изучали влияние свойств почвы и стехиометрии подстилки на минерализацию ПОВ, несколько экспериментальных исследований касались взаимодействия между скоростью минерализации углерода и различными питательными веществами в разных почвах одновременно (Коваленко и Лоу, 1975; Трейси и др., 1990 ; Бриджем и др., 1998). В частности, несколько исследований связывают отношения OC-нутриентов в SOM с соотношениями минерализованного C-к-нутриентам (Burke et al., 1989), что может быть лучшим индикатором эффективности использования микробного C и питательных веществ, чем скорость минерализации углерода и питательных веществ отдельно.Следовательно, всестороннее исследование влияния стехиометрии питательных веществ на минерализацию ПОВ и потенциальное высвобождение доступных питательных веществ растениями все еще отсутствует.

Практики управления лесами, такие как выбор пород деревьев, прореживание, рубка и удаление валежной древесины, могут изменить соотношение углерода к питательным веществам в лесных почвах и, как следствие, минерализацию ПОВ и высвобождение доступных для растений питательных веществ (Bauhus et al. ., 1998; Вестердал, Раулунд-Расмуссен, 1998; Джонсон, Кертис, 2001; Нейв и др., 2010). В отличие от экспериментальных условий, различные аспекты управления лесным хозяйством могут различаться независимо друг от друга в реальных ландшафтах, что затрудняет сравнение различных классов управления лесным хозяйством. Одним из способов количественной оценки интенсивности лесопользования в реальных ландшафтах являются индексы управления лесами, такие как индекс интенсивности лесоводства (SMI) (Schall and Ammer, 2013). Он основан на двух разных компонентах, описывающих наиболее важные управленческие решения. Первый компонент оценивает риск потери древостоя (SMI _r ) в результате стихийных бедствий до того, как древостой достигает возраста 180 лет, и связан с идентичностью древесных пород и возрастом древостоя.Более высокие значения интенсивности управления характерны для молодых еловых лесов и небольшие значения для неуправляемых буковых лесов. Второй компонент указывает плотность древостоя (SMI _d ) и измеряет фактическую общую базальную площадь деревьев на участке относительно его потенциальной максимальной плотности (Schall and Ammer, 2013). Эти индексы предлагают потенциальный способ распутать (i) эффекты, связанные с различиями видов деревьев, такими как химический состав и качество подстилки, и (ii) влияние уборки урожая и интенсивности прореживания, например количество внесенной подстилки, но до сих пор не учитывались. протестирован для этой цели.Влияние управления лесами на свойства ПОВ и минерализацию может еще больше различаться в зависимости от регионов с разными свойствами почвы и плодородием (Вестердал и др., 1995). Ранее было показано, что региональные различия в климате, топографии и абиотических условиях почвы влияют на биотические свойства почвы (Birkhofer et al., 2012) и, следовательно, вероятно, также на трансформацию углерода в почве и питательных веществ.

Общая цель этого исследования заключалась в изучении того, как стехиометрия почвы и управление лесами влияют на минерализацию углерода, азота, фосфора и серы в лесных экосистемах умеренного пояса.Исследование основано на образцах верхнего слоя почвы, взятых на 150 лесных участках трех регионов Германии [Schwäbische Alb (ALB), Hainich-Dün (HAI) и Schorfheide-Chorin (SCH)] в рамках Исследовательского исследования биоразнообразия, где большое- Были созданы масштабные и долгосрочные исследовательские площадки для изучения воздействия землепользования и управления на множество экологических процессов (Fischer et al., 2010). Инкубацию почвы проводили в контролируемых условиях в течение 14 дней для определения скорости дыхания CO ₂ и NO ₃ ^— , NH ₄ ⁺ , SO ₄ ^2– и PO ₄ ^3– выпущены в качестве индикаторов чистых скоростей минерализации углерода и биогенных веществ, а также скорости выщелачивания DOC.Таким образом, мы проверили следующие гипотезы:

1. В почвах с увеличивающимся соотношением ОС к питательным веществам микробиологическое поглощение питательных веществ требует больше энергии и приводит к удалению «избыточного» углерода, что достигается за счет увеличения скорости дыхания и производства DOC на единицу микробной биомассы.

2. Повышение ограничения по питательным веществам на участках с высоким соотношением ОС к питательным веществам в почве приводит к общему снижению чистого выброса питательных веществ в почвенный раствор по мере того, как больше питательных веществ иммобилизуется.Соответственно, отношения высвобождения CO ₂ к питательным веществам должны увеличиваться с увеличением соотношения OC к питательным веществам в почве в результате увеличения производства CO ₂ на микробную биомассу (h2), но темпы высвобождения питательных веществ должны снижаться с увеличением ограничения по питательным веществам.

3. Более интенсивное ведение лесного хозяйства, при котором предпочтение отдается коротковоротным хвойным породам лиственным древесным породам, повлияет на минерализацию ПОВ за счет увеличения соотношения содержания органического углерода к питательным веществам в почве. Это приводит к относительному увеличению высвобождения CO ₂ на OC, но к снижению минерализации питательных веществ и, таким образом, к увеличению отношения CO ₂ к высвобождению питательных веществ с хвойным покровом и увеличению SMIr.Увеличение объемов лесозаготовок и рубок ухода на более интенсивно используемых участках должно привести к уменьшению поступления подстилки и, таким образом, повлиять на общую скорость минерализации, но не на их стехиометрию.

Материалы и методы

Учебный регион

Участки исследования распределены по трем регионам Германии: (i) SCH в низинах северо-восточной Германии; (ii) HAI в холмистой местности Центральной Германии; и (iii) ALB в низкогорном хребте юго-западной Германии (Fischer et al., 2010). Исследуемые регионы различаются по климату и почвенным материалам и, соответственно, имеют разные доминирующие типы почв. Почвы в регионе ALB сформировались в основном на юрских известняках и представляли собой богатые глиной лептосоли или камбизоли (Рабочая группа IUSS WRB, 2014). Почвы в регионе HAI имели суглинистую или глинистую структуру из-за преобладающего геологического субстрата лёсса над известняком. Основными типами почв были лювисоли и стагнозоли. В регионе SCH почвы имели песчаную структуру, поскольку геологический субстрат был ледниковым до тех пор, пока не был покрыт ледниково-речным или эоловым песком.Почвы были классифицированы как аренозоли или камбисоли. Почвы в SCH содержали небольшое количество глины, в то время как содержание глины было промежуточным в HAI и высоким в почвах ALB. Несмотря на то, что структура почвы различалась в разных регионах исследования, не было значительных различий в структуре почвы между хвойными и лиственными лесами во всех регионах исследования (Таблица 1; Solly et al., 2014).

Таблица 1. pH почвы, содержание песка, ила и глины, органического углерода (C) и концентрации микробного углерода в различных регионах исследования и управлениях (среднее значение ± стандартная ошибка).

В каждом районе исследования было отобрано 50 участков леса, в результате чего получилось 150 участков исследования. В лесах преобладали европейский бук ( Fagus sylvatica ), дуб ( Quercus robur и Quercus petraea ), ель обыкновенная ( Picea abies ) или сосна обыкновенная ( Pinus sylvestris ) с различной интенсивностью хозяйствования. . К ним относятся неуправляемые леса, одновозрастные леса и разновозрастные насаждения (Schall et al., 2018). Чтобы определить влияние различных функциональных типов деревьев, леса были разделены на участки лиственных и хвойных на основе доминирующих видов деревьев.

Интенсивность ведения лесного хозяйства

Помимо использования широких категорий хвойных и лиственных лесов, эффекты управления лесами изучались с использованием индекса SMI (Schall and Ammer, 2013). Для расчета SMI оценивались средние значения двух компонентов: (i) риск потери древостоя (SMI _r ) и (ii) густота древостоя (SMI _d ). Компонент риска (SMI _r ) количественно оценивает влияние идентичности древесных пород и возраста древостоя на вероятность потери древостоя.Он рассчитывается как вероятность потери древостоя в возрасте до 180 лет (P ₁₈₀ ), которая используется в качестве эталона для старовозрастных лесов, в зависимости от уже достигнутого возраста (t ₀ ):

SMIr = P180⁢ (t0) = 1-S⁢ (180) S⁢ (t0)

, где S определяется как видоспецифическая функция выживания. SMI _r для ели европейской и сосны обыкновенной выше, чем для бука европейского, и нелинейно уменьшается с возрастом древостоя. Компонент плотности насаждений (SMI _d ) количественно определяет отклонение фактического поголовья насаждений от несущей способности участка, отражая интенсивность рубок и рубок ухода.Рассчитывается как:

SMId = 1-GGnat, не более

, где G — фактическая базальная площадь ( G в м ² га ^–1 ) стенда на определенном участке, а G _{nat, max} — пропускная способность участка , т. е. максимальная естественная базальная площадь. SMI _d является высоким для молодняка и уменьшается по мере накопления биомассы за счет роста древостоя, модулируемого интенсивностью прореживания. Подробное описание SMI и его компонентов приведено в Schall and Ammer (2013).

Отбор проб почвы и основные свойства почвы

Пробы минеральной почвы (0–10 см) на каждом участке леса были отобраны в мае 2011 и 2014 гг. Каждый раз с помощью пробоотборника с разрезной трубкой (диаметром 5 см) на двух 40-метровых разрезах отбирали в общей сложности 14 кернов почвы. Органические слои были удалены с помощью металлического каркаса размером 225 см ² перед бурением. Затем мы подготовили составной образец минеральной почвы для каждого лесного участка, смешав верхние 10 см минеральной почвы. В данном исследовании использовались только образцы минеральной почвы.Образцы почвы просеивали до <2 мм. Одну аликвоту минеральной почвы держали в поле влажной и хранили при -20 ° C, вторую аликвоту сушили на воздухе.

Для измерения pH высушенная на воздухе почва смешивалась с 0,01 М раствором CaCl ₂ в соотношении 1: 2,5. Затем дважды измеряли pH почвенной суспензии с помощью стеклянного электрода (pH-метр 538, WTW, Weilheim, Германия). Текстуру почвы определяли методом пипетки (DIN ISO 11277,2002). Анализ текстуры включал три основных этапа: (i) разрушение ПОВ с помощью перекиси водорода, (ii) диспергирование агрегатов почвы на дискретные единицы и (iii) разделение частиц почвы разного размера путем просеивания и осаждения.Общие концентрации C и N определялись методом сухого сжигания с использованием элементного анализатора (VarioMax, Elementar, Ханау, Германия). После удаления ОС путем прокаливания образцов почвы при 450 ° C в течение 16 ч тем же элементным анализатором определяли неорганический C (IC). Концентрации органического углерода рассчитывали как разницу между общим содержанием углерода и IC. Общие концентрации фосфора и серы определяли методом ICP-OES (Acros, Spectro, Kleve) после экстракции воздушно-сухой почвы царской водкой при температуре 96 ° C в течение 3 часов.Отношения OC к N, OC к P и OC к S в почве рассчитывались как отношение массы OC к массе общего N, общего P и общего S.

Микробный (биомасса) C был определен количественно с использованием метода фумигационной экстракции хлороформом (CFE), модифицированного Jenkinson and Powlson (1976) и Vance et al. (1987) в начале инкубации для изучения взаимосвязи между микробным углеродом и минерализацией питательных веществ. CFE выполняли путем извлечения двух отдельных аликвот почвы из одного и того же образца. Для экстракции общего DOC почвы без микробного C, 30 мл 0.Раствор 05 M K ₂ SO ₄ добавляли к 6 г свежей почвы в полиэтиленовых пробирках и встряхивали горизонтально в течение 30 минут с последующим центрифугированием (2890 × г ) в течение 2 минут. Супернатанты фильтровали с использованием фильтровальной бумаги Whatman N ° 1, предварительно промытой 50 мл 0,05 M K ₂ SO ₄ , и сразу хранили при 4 ° C перед анализом. Концентрации DOC в почве в экстрактах измеряли с помощью анализатора TOC («высокий TOC», Elementar Analysensysteme GmbH, Ханау). Для экстракции общего DOC почвы, включая микробный C, 6 г свежей почвы сначала окуривали в эксикаторе, содержащем CHCl ₃ , в течение 24 часов с последующей экстракцией DOC, которая проводилась таким же образом, как и нефумигированные почвы. .Концентрации микробной биомассы C рассчитывались как разница между DOC в фумигированных и нефумигированных почвах.

Инкубация почвы и минерализация питательных веществ с помощью микролизиметров

Для измерения минерализации азота, фосфора и серы образцы полевой влажной почвы (40 г) инкубировали в микролизиметрах (рис. 1) в темноте при 20 ° C в течение 14 дней. Все образцы доводили до 60% водоудерживающей способности (WHC) и предварительно инкубировали при 20 ° C в течение 4 дней. После 4 дней предварительной инкубации образцы почвы выщелачивали 80 мл 0.01 M CaCl ₂ раствор для удаления накопившихся за этот период питательных веществ. Микролизиметры были сконструированы в соответствии с методом Надельхоффера (1990) с использованием 250-миллилитровых двухкамерных фильтродержателей с приемником (Nalgene 300–4000 Polysulfone Graduated Filter Holder, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, США) и пластификатора высокой чистоты. -бесплатные трубки (Tygon S3 ^TM E-3603 Flexible Tubings, Saint-Gobain ^TM ). Небиоразлагаемые фильтры из стекловолокна с размером удерживаемых частиц 1.2 мкм (Glass Microfiber Filters, Sartorius, Göttingen, Germany) помещали на фильтрующий элемент микролизиметров. Содержание растворенного ОС в собранном фильтрате измеряли с помощью анализатора ТОС «high TOC» (Elementar Analysensysteme GmbH, Ханау), NH ₄ ⁺ и NO ₃ ^— с использованием анализа впрыска потока «Quikchem QC85S5» (Lachat Instruments, Hach Company, Лавленд, Колорадо, США) и SO ₄ ^2– с использованием ионной хроматографии «DX 500» (Thermo Fisher Scientific GmbH, Идштайн, Германия).Далее мы определяем высвободившийся CO ₂ и питательные вещества как чистую минерализацию, которая является важным показателем доступных для растений питательных веществ. Блоки микролизиметра были испытаны на герметичность под давлением с помощью вакуумного насоса. Чтобы избежать засорения образцов почвы на фильтре во время длительной инкубации, поверх фильтров из стекловолокна помещали 40 г промытого кислотой песка, а затем образцы почвы. Объем микролизиметра был рассчитан с использованием закона Бойля и следующего уравнения:

Рисунок 1. Дизайн инкубации почвы и выщелачивания питательных веществ с помощью микролизиметра. Образцы промывали слабым солевым раствором для удаления минерализованных во время инкубации питательных веществ. Колба для сбора используется для удержания фильтрата из нижней камеры микролизиметра с помощью вакуумного насоса. Смоляные мембраны использовали для улавливания фосфатов, минерализованных во время инкубации.

ВС = ПС × ВП (Патм-ПС)

, где V _S — объем микролизиметра, P _атм, — атмосферное давление, V _P — объем вакуумного насоса и P _S — давление в микролизиметре.

Показатели минерализации ОС были получены в результате независимой инкубации почв, проведенной в 2011 году для почв с тех же участков, которые были собраны по тем же протоколам отбора проб, что и в 2014 году. Минерализация ОС, тем не менее, показала сильную корреляцию с концентрациями ОС в почве, измеренными в почве. образцы, собранные в 2014 году, были сопоставимы с образцами, инкубированными в 2011 году (дополнительный рисунок 1). Инкубацию почвы на предмет минерализации ОС проводили в модифицированных емкостях для мармелада объемом 1 л с двумя выходами газа и измеряли через 7 и 14 дней инкубации с помощью дифференциального недисперсного инфракрасного (NDIR) CO ₂ -анализатора (LI- 6262, Ликор, Линкольн, штат Нью-Йорк, США).Коэффициент метаболизма (qCO ₂ ) был рассчитан путем деления средней скорости минерализации ОС через 14 дней на микробную биомассу С. Для измерения потенциалов минерализации азота, фосфора и серы, а также вымываемого ДОУ, образцы почвы выщелачивали. с 80 мл 0,01 М раствора CaCl ₂ . Для выщелачивания образца почвы в выходное отверстие верхней камеры вставляли короткую трубку с отверстиями, через которую подавалась промывочная вода для получения эффекта мягкого душа. Это было сделано для уменьшения нарушения почвенных агрегатов выщелачивающим раствором, которое могло бы засорить фильтр.Фильтрат от выщелачивания собирали с помощью вакуумного отсоса (700 мбар), используя каменные кувшины с двумя выходами для газа, модифицированными из стеклянных сосудов для мармелада; один прикреплен к вакуумному насосу, а другой — к нижней камере микролизиметров. Фильтрат, собранный при выщелачивании, немедленно замораживали и хранили при -20 ° C до анализа. После выщелачивания микролизиметры промывали синтетическим газом, не содержащим CO ₂ (20,5 об.% O ₂ , остальной N ₂ , Westfalen AG, Германия) в течение не менее 2 минут (фунт / кв. Дюйм) и герметично закрывали для дальнейшего использования. инкубация.В качестве контрольной обработки выщелачивания питательных веществ был установлен тот же микролизиметр, и пробы были взяты без образцов почвы.

Из-за потенциальной сорбции минерального P на поверхности почвы, мембраны из анионообменной смолы использовались для поглощения PO ₄ ^3– из почвенного раствора Kouno et al. (1995). Для каждого микролизиметра всего 6 полимерных мембран, разрезанных на полоски 2 × 1 см, были погружены на две недели в образцы почвы после предварительной инкубации. Чтобы избежать попадания минерализованного PO ₄ ^3–, полосы смолы удаляли с почвы, тщательно промывали деионизированной водой для удаления частиц почвы, прикрепленных к поверхности мембраны, и встряхивали в течение 2 часов (150 об / мин) в 20 мл раствора. 0.2 М азотная кислота (HNO ₃ ). PO ₄ ^3–, высвобожденный в кислотный раствор, был количественно определен колориметрически с использованием анализа впрыска потока (Murphy and Riley, 1962).

Статистический анализ

Статистический анализ проводился с использованием R версии 3.3.2 (R Core Team, 2016). Результаты по минерализации C, N, P и S и свойствам почвы представлены как среднее значение ± стандартная ошибка. Чтобы проверить, были ли уровни минерализации статистически разными для разных типов леса и управления, был использован дисперсионный анализ (ANOVA) с функцией «aov».Перед анализом ANOVA нормальность и однородность остаточных дисперсий проверяли визуально с помощью диагностических графиков. Данные, которые не соответствовали условиям нормальности и однородности остаточных дисперсий, были преобразованы в логарифмическую форму. Анализ избыточности (RDA) был выполнен с помощью функции «rda» рабочего пакета Vegan (Oksanen et al., 2006) для выявления корреляций между переменными отклика (степенью минерализации C, N, P и S) и переменными-предикторами. (содержание глины в почве, SOC, TN, TP, TS, микробный C, pH почвы, соотношения C: N, C: P и C: S, а также SMI _r и SMI _d ).Из двух графиков RDA были выбраны прогностические переменные, которые показали значительную корреляцию с минерализацией почвы, для проведения ковариационного анализа (ANCOVA) с использованием функции «aov» в R.

Результаты

Свойства почвы и соотношение углерода и питательных веществ

Свойства почвы в разных регионах исследования различались из-за различных исходных материалов и климатических условий. PH почвы, содержание глины, ОС и содержание микробного углерода увеличивались в порядке SCH

Таблица 2. Средние значения общих концентраций азота, фосфора и серы в почве и соотношений ОС: N, ОС: P и ОС: S в различных исследуемых регионах и управлениях (среднее значение ± стандартная ошибка).

Тип леса не оказал значительного влияния на содержание OC, общих питательных веществ или микробного углерода (Таблица 1). Тем не менее, он оказал влияние на стехиометрию питательных веществ в почве с более высокими отношениями ОС к N и ОС к S для почв под хвойными лесами, но в основном и только значительно в регионе SCH (Таблица 2). Соотношение OC и P не всегда зависело от типа леса.

Влияние района исследования и типа леса на скорость минерализации углерода, азота, фосфора и серы

Показатели минерализации C, N, P и S на грамм сухой массы почвы показали значительные различия между исследуемыми регионами и типами лесов (Рисунок 2).В соответствии с ОС почвы, средняя степень минерализации углерода увеличивалась в следующем порядке: SCH

Рисунок 2. Сравнение средних показателей минерализации (A) C, (B) N, (C) P и (D) S в различных исследуемых регионах и типах лесов. Планки погрешностей представляют собой SE средств. X — ось представляет исследуемые регионы, где ALB, Schwäbische-Alb; HAI, Хайних-Дюн; SCH, Schorfheide-Chorin. Значимые различия дисперсии между исследуемыми регионами обозначены строчными буквами, а между хвойными и лиственными лесами — ^∗ P <0.05 и ^∗∗ P <0,01. В число исследуемых участков вошли: ALB (лиственные леса, n = 38 и хвойный лес, n = 12), HAI (лиственные леса, n = 46 и хвойный лес, n = 4) и SCH: (лиственные леса, n = 28 и хвойные леса, n = 22).

При нормировании на количество OC в почве скорости выделения CO ₂ были самыми высокими в HAI и самыми низкими в ALB, при этом SCH демонстрировал промежуточные скорости.Нормализованные по ОС скорости выщелачивания питательных веществ были такими же, как и для нестандартизованных скоростей, когда минерализация фосфора наблюдалась в SCH, но для N и S теперь они увеличились с ALB

Тип леса повлиял на скорость высвобождения CO ₂ для регионов HAI и SCH, но эти различия больше не были значимыми, когда скорости были нормализованы по содержанию ОС в почве. Лиственные леса имели в среднем более высокие уровни минерализации азота и серы, чем хвойные леса, но эти различия были значительными только для выщелачивания азота в HAI и SCH, когда выражено на грамм почвы, и для выщелачивания азота в HAI и S-выщелачивании. в ALB при нормировании на ОС почвы (рисунки 2, 3). С другой стороны, выщелачивание фосфора было значительно выше в хвойных, чем в лиственных лесах, но только в регионе SCH и как для ненормированных, так и для нормальных показателей ОС.Соответственно, стехиометрические отношения минерализации ОС к N и ОС к S были выше для хвойных, чем лиственных лесов в ALB и HAI, в то время как минерализация ОС к P была значительно выше в лиственных, чем хвойных лесах в SCH (рис. ).

Рис. 3. Сравнение средних показателей минерализации C, N, P и S, нормализованных к значениям SOC в различных исследуемых регионах и типах лесов. Планки погрешностей представляют собой SE средств. X — ось представляет исследуемые регионы, где ALB, Schwäbische-Alb; HAI, Хайних-Дюн; SCH, Schorfheide-Chorin.Значительные различия в дисперсии между исследуемыми регионами обозначены строчными буквами, а между хвойными и лиственными лесами — ^∗ P <0,05 и ^∗∗ P <0,01. В число исследуемых участков вошли: ALB (лиственные леса, n = 38 и хвойный лес, n = 12), HAI (лиственные леса, n = 46 и хвойный лес, n = 4) и SCH. : (лиственные леса, n = 28 и хвойные леса, n = 22).

Рис. 4. Растворенный органический углерод (DOC) (A) на грамм почвы (сухой вес) и (B) на грамм выщелоченного SOC в различных исследуемых регионах и типах лесов. Планки погрешностей представляют собой SE средств. X — ось представляет исследуемые регионы, где ALB, Schwäbische-Alb; HAI, Хайних-Дюн; SCH, Schorfheide-Chorin. Значительные различия в дисперсии между исследуемыми регионами обозначены строчными буквами, а между хвойными и лиственными лесами — ^∗∗ P <0.01 и ^∗∗∗ P <0,001. В число исследуемых участков вошли: ALB (лиственные леса, n = 38 и хвойный лес, n = 12), HAI (лиственные леса, n = 46 и хвойный лес, n = 4) и SCH. (лиственные леса, n = 28 и хвойные леса, n = 22).

В дополнение к минерализации ПОВ наблюдался выброс DOC. Среди исследуемых регионов наибольшее вымывание DOC произошло в бедном питательными веществами SCH регионе, также после нормализации до OC почвы (Рисунок 4).В разных типах леса уровни выщелачивания ДОУ были в целом выше в хвойных, чем в лиственных лесах. Эти различия были значимыми для HAI ( P <0,001) и SCH ( P <0,01) для ненормализованных и только для SCH для нормализованных показателей ОК. Поскольку потоки DOC, однако, значительно меньше, чем потоки дыхания, они количественно менее важны для стехиометрических расчетов, чем выброс CO ₂ .

Влияние свойств почвы, микробной биомассы и интенсивности лесопользования

Анализ избыточности показал, что изучаемые регионы были сгруппированы вместе сильнее, чем типы леса, что указывает на различия, связанные с изучаемыми регионами (т.е. свойства почвы) оказывают более сильное влияние на минерализацию C, N, P и S, чем управление (Рисунок 6). OC, микробная биомасса C, общие концентрации N, P, S и pH почвы имели положительную корреляцию. Скорость минерализации углерода была четко отделена от минерализации азота, фосфора и серы. Напротив, минерализация C положительно коррелировала с OC и микробным C. Выщелачивание растворенных OC отрицательно коррелировало с pH почвы и было самым высоким на песчаных и кислых почвах в SCH. Точно так же высокая минерализация фосфора была связана с песчаными почвами в SCH и положительно коррелировала с выщелачиванием DOC.Скорость минерализации азота положительно коррелировала со скоростью минерализации S, и обе отрицательно коррелировали с минерализацией P. Индекс густоты насаждений SMI _d показал очень слабую связь со всеми изученными свойствами почвы или степенью минерализации, в то время как SMI _r был отрицательно связан с минерализацией азота и серы, что предполагает меньшее выщелачивание азота и серы при более высокой интенсивности управления и, следовательно, более высокий вклад хвойных пород.

Влияние исследуемого региона, микробного углерода и управления лесами было дополнительно изучено с использованием линейных моделей (Таблица 3).Результаты показали, что изучаемый регион (42–59%) объясняет большую часть вариаций в минерализации углерода и фосфора, а также выщелачивание DOC на разных участках. Однако для азотной и серной минерализации влияние изучаемых регионов было меньше (8 и 18%). После учета различий в исследуемых регионах, почвенный микробный C показал значительное влияние на все минерализованные питательные вещества, включая вымывание DOC. Кроме того, рисковый компонент интенсивности лесоводства (SMI _r ) оказал значительное влияние на выщелачивание DOC, а также на минерализацию азота и серы.Также наблюдались значительные эффекты взаимодействия между SMIr и микробным C на минерализацию азота и серы.

Таблица 3. Результаты лучших моделей прогнозирования чистых скоростей минерализации почвы (C, N, P и S).

Реакция микробной минерализации ПОВ на отношения OC-N в почве

Микроорганизмы предположительно являются основной движущей силой наблюдаемых темпов минерализации ПОВ на участках наших исследований. В то время как микробная биомасса C была в целом положительно связана с OC почвы (Рисунок 6), отношение микробного C к OC почвы было меньше в бедном питательными веществами регионе SCH, чем в других регионах (Таблица 1 и Рисунок 7D), поэтому мы также протестировали стехиометрия влияет на скорость минерализации микробов как индикаторы CUE и активности микробов.Корреляция между минерализацией C и N, приведенной к микробному C и отношениям C: N почвы, показана на Рисунке 7. Минерализация углерода, выщелачивание DOC и минерализация N на единицу микробного C были положительно коррелированы с C: N почвы (Рисунки 7A – C). Углерод и азот, минерализованные на один микробный C, были явно выше в почвах SCH по сравнению с двумя другими регионами и были выше в хвойных, чем в лиственных лесах в пределах SCH. Нормализованные по ОС концентрация микробного углерода отрицательно коррелировали с концентрацией ОС в почве, что указывает на то, что бедные питательными веществами почвы могут поддерживать только меньшее микробное сообщество при том же количестве ПОВ, чем почвы, богатые питательными веществами (рис. 7D).

Обсуждение

Удаление микробов «лишнего» углерода через дыхание и производство DOC

Теория добычи питательных веществ предполагает, что помимо концентраций ОС в почве, минерализация ОС также может быть обусловлена ​​стехиометрией почвы. Действительно, мы обнаружили, что, хотя абсолютные скорости высвобождения CO ₂ были меньше в SCH из-за относительно более низких концентраций SOC в этой области (Рисунок 4), скорости высвобождения CO ₂ , нормированные на микробную биомассу C, были выше по сравнению с в двух других регионах и увеличивались с увеличением отношения OC-N в почве (рис. 7A).Более высокое высвобождение углерода в бедных питательными веществами участках можно объяснить более значительными затратами энергии почвенными микроорганизмами на усвоение питательных веществ и внеклеточными ферментами, что снижает CUE микробов (Manzoni et al., 2012). Теория добычи питательных веществ также утверждает, что микробы разлагают более устойчивые OC на участках с высоким соотношением OC к питательным веществам, чтобы получить доступ к питательным веществам (Craine et al., 2007; Chen et al., 2014). Соответственно, в предыдущем исследовании на тех же сайтах мы наблюдали, что отношение бета-глюкозидазы к фенолоксидазе было меньше при SCH, чем ALB и HAI (Herold et al., 2014), что указывает на присутствие и деградацию более стойкого углерода в бедных питательными веществами почвах SCH (Sinsabaugh and Follstad Shah, 2011). В дополнение к стехиометрии почвы, различия в микробном сообществе могли повлиять на удаление микробного углерода и CUE в наших исследуемых регионах, поскольку сообщества с высоким соотношением грибов к бактериям, как ожидалось в регионе SCH, имели общий CUE меньшего размера (Silva-Sánchez et al., 2019).

Мы также наблюдали высокое производство DOC в SCH (Рисунок 4).Соответственно, кажется, что с увеличением содержания C: N в почве дополнительный SOC, который либо не требуется для производства энергии, либо имеет мало доступной энергии, не только вдыхается как «избыточное» дыхание, но не полностью разлагается и выделяется в виде DOC в почвенный раствор. . Положительная связь между производством DOC и отношениями C: N в почве для участков с небольшой минеральной сорбционной способностью DOC наблюдалась и раньше (Gödde et al., 1996; Kindler et al., 2011; Camino-Serrano et al., 2014). Поскольку связь между DOC и C: N в почве в основном определялась SCH в нашем исследовании (Рисунок 6), возможно, для возникновения дополнительного выброса C необходимо либо критическое соотношение C: N около 15, либо, как предполагалось ранее, Выщелачивание DOC может быть ограничено песчаными участками с низким pH и низкой сорбционной способностью DOC (Kalbitz and Knappe, 1997).Соответственно, высокие отношения OC-N в почве и, следовательно, стехиометрия почвы повлияли на разложение SOC на наших участках за счет увеличения минерализации до CO ₂ и увеличения неполного разложения до DOC. Оба могут быть результатом микробных стратегий, направленных на повышение доступности, минерализации и поглощения питательных веществ на участках с низкой доступностью питательных веществ.

Влияние стехиометрии на минерализацию питательных веществ

Мы предположили, что вымывание питательных веществ будет снижаться с уменьшением содержания питательных веществ или увеличением соотношения углерода и питательных веществ в почве.В соответствии с общими меньшими общими концентрациями азота в почве (таблица 2), минерализация азота в SCH была меньше, чем в двух других регионах (рисунок 2B). Однако, при нормировании на ОС или микробную биомассу, уровни минерализации азота в SCH превышали таковые в других регионах (рис. 7C). Это не согласуется с теорией добычи питательных веществ, согласно которой повышение эффективности использования азота микробами (ЭИА) можно было бы ожидать в почвах с увеличением отношения OC к N (Mooshammer et al., 2012, 2014a).Тем не менее, большинство наших почв должно быть ниже или около предполагаемого порогового значения отношения OC-N для ресурсов, равного 20, выше которого микробы, как ожидается, переключатся с ограничения C на N (Mooshammer et al., 2014b). Меньшие отношения OC-N, приобретающие внеклеточные ферменты в бедных питательными веществами почвах SCH по сравнению с другими регионами, указывают на то, что микроорганизмы уже начали вкладывать больше ферментов в поглощение N при соотношении OC-N в почве <20 (Herold et al. , 2014). Эти инвестиции могли бы компенсировать более низкий доступный ресурс N и способствовать высокой скорости высвобождения N на микробную биомассу в SCH по сравнению с другими регионами.Кроме того, более длительное время оборота питательных веществ в микробной биомассе, что снизило бы потребность в питательных веществах и их усвоение, могло бы помочь объяснить чистую минерализацию питательных веществ, несмотря на высокое соотношение ОС к питательным веществам в субстрате (Spohn et al., 2016).

В отличие от минерализации азота, сложноэфирные связи могут быть расщеплены с помощью внеклеточных ферментов для минерализации серы, что делает ее независимой от поглощения ПОВ микробами и минерализации углерода (McGill and Cole, 1981; Chapin et al., 2011). Однако в целом очень схожие модели минерализации серы и азота в нашем исследовании предполагают, что это не был доминирующий путь минерализации серы на участках наших исследований.Это указывает на то, что для питания микробов серой не требовалась минерализация серы, превышающая уровень С, и что S, вероятно, также не была сильно ограничена.

В отличие от азота и серы, абсолютные скорости высвобождения фосфора показали почти противоположную картину минерализации ОС, с самой высокой минерализацией фосфора в SCH и наименьшей в HAI (Рисунки 2, 3). Было показано, что низкая доступность фосфора в почве увеличивает его усвоение микробами из органических источников фосфора, главным образом за счет активности фосфатазы, что увеличивает минерализацию фосфора (Olander and Vitousek, 2000).Используя подход фракционирования Хедли, Alt et al. (2011) показали, что, несмотря на низкие концентрации общего фосфора, в почвах SCH были более высокие доли общего фосфора в доступной для растений форме (NaHCO ₃ -P), чем в двух других регионах (около 30% в SCH и <10% в HAI и ALB. ), что предполагает более высокий вклад активно рециркулируемого P в SCH. В то время как специфическая активность фосфатазы (нормализованная по ОС), как сообщалось, была меньше при SCH, чем ALB и HAI, соотношение ферментов, приобретающих C-to-P, также было меньше, что позволяет предположить, что микроорганизмы инвестировали относительно больше в P, чем в приобретение C при SCH. , несмотря на меньшее содержание OC.Это указывает на то, что предпочтительная мобилизация и рециркуляция P из органических ресурсов на участках с низким содержанием фосфора способствовали наблюдаемым более низким отношениям минерализации OC к P в SCH, чем ALB и HAI. На более богатых участках этот процесс может быть менее актуальным, поскольку дополнительный P также может быть получен из неорганических источников (Lang et al., 2017).

Соответственно, для всех изученных питательных веществ более высокие отношения ОК к питательным веществам в почвах не привели к соответствующему увеличению скорости минерализации ОК и питательных веществ, как предполагалось изначально.В отличие от наших ожиданий, нормализованное по ОС высвобождение питательных веществ было увеличено, а не уменьшено в регионе с наибольшим содержанием питательных веществ. По крайней мере, для образцов, в которых содержание питательных веществ явно не ограничено, микробные механизмы мобилизации питательных веществ, по-видимому, способны компенсировать меньшее содержание питательных веществ в почве.

Общее контрастное поведение минерализации азота и фосфора по регионам и типам лесов, тем не менее, стало неожиданным результатом нашего исследования. Mooshammer et al. (2012) наблюдали отрицательную связь между почвенным C: N и фосфатазой, а также между почвенным C: P и протеазной активностью.Они предположили, что производство ферментов, приобретающих P, было благоприятным в условиях с высоким содержанием N (низкий C: N), и больше ферментов, поглощающих N, производилось на участках с высоким содержанием P (низкий C: P). Хотя настоящее исследование скорее предполагает высокую минерализацию фосфора на участках с высоким содержанием углерода в почве и высокую минерализацию азота на участках с высоким содержанием углерода в почве по регионам (рисунок 6), выявляя потенциальные механизмы, объясняющие противоположное поведение азота (и серы) и Скорость минерализации фосфора кажется интересной задачей будущего.

Влияние лесоуправления на минерализацию ПОВ

Мы предположили, что управление лесным хозяйством повлияет на КПО и минерализацию питательных веществ через влияние древесных пород на стехиометрию ПОВ, а также через влияние лесозаготовок и прореживания на поступление ОВ в почву. Хотя мы не обнаружили влияния уборки урожая и прореживания на стехиометрию высвобождения углерода в питательные вещества, что согласуется с нашими ожиданиями, мы также не наблюдали влияния индекса плотности насаждений (SMI _d ) на индивидуальную скорость минерализации (Таблица 3 ).Однако ожидалось, что они увеличатся с увеличением плотности насаждений и биомассы. Возможно, это так, потому что общие различия в SMI _d были небольшими на разных участках, поэтому невозможно было изучить весь возможный диапазон интенсивности промысла (дополнительный рисунок 2). В конце концов, даже несмотря на то, что ожидается, что интенсивность рубок и прореживание будут влиять на запасы углерода в почве, определение их роли в неэкспериментальных лесах остается проблемой, возможно, из-за небольшого воздействия на изначально высокие вариации в запасах углерода в больших лесных почвах (Grüneberg et al. ., 2013; Wäldchen et al., 2013; Кларк и др., 2015). То же самое могло бы быть верно и для минерализации ПОВ, если бы участки не были нарушены в последнее время.

Выбор видов деревьев может влиять на степень минерализации углерода через различия в количестве и качестве подстилки, при этом обычно более высокое соотношение ОС к питательным веществам у хвойных, чем у лиственных насаждений (Vesterdal et al., 2012). Однако такое влияние древесных пород на стехиометрию почвы наблюдалось только для региона SCH в нашем исследовании (Таблица 1 и Рисунок 2).Более высокая минерализация C в хвойных лесах в ALB и HAI, но меньшая в SCH больше не наблюдалась, когда нормы были нормализованы к ОС почвы (Рисунок 3). Это говорит о том, что различия в содержании ОС в почве между участками, которые, возможно, были вызваны не только древесными породами, но и другими свойствами почвы, такими как содержание глины, способствовали влиянию видов на минерализацию ОС. Однако меньшая микробная биомасса на один ОС в участках хвойных, чем лиственных лесов в SCH (рис. 7D) могла способствовать снижению минерализации ОС в почвах хвойных лесов, что также наблюдалось в предыдущих исследованиях (Raich and Tufekciogul, 2000).

В отличие от минерализации ОС, на скорость выщелачивания ДОУ в большей степени влияли типы леса в регионах с более высокой скоростью выщелачивания почв под хвойными, чем лиственными насаждениями, особенно в SCH (Рисунок 4). Это было подтверждено результатами линейной модели, в которой видоспецифический компонент риска индекса управления лесами (SMIr) значительно повлиял на производство DOC (Таблица 3b). Это ранее наблюдалось как в лабораторных, так и в полевых исследованиях (Kalbitz and Knappe, 1997; Camino-Serrano et al., 2014). При нормализации к ОС тип леса наиболее сильно повлиял на скорость выщелачивания DOC в SCH, что позволяет предположить, что помимо ОС, наблюдаемый результат может быть обусловлен C: N, pH и общим химическим составом подстилки. Кроме того, различия в микробных сообществах между типами леса, например более высокая биомасса грибов в хвойных лесах (Awad et al., 2019), могут быть важны для производства DOC, как предполагалось ранее (Møller et al., 1999).

Сообщалось, что химический состав подстилки различных видов деревьев сильно различается, что влияет на минерализацию почвенного азота (Gower and Son, 1992; Hobbie, 1992; Reich et al., 1997). Поэтому мы предположили, что более высокое соотношение C: N в почве под хвойными, чем под лиственными участками, может также привести к более высокой минерализации ОС по сравнению с азотом в минеральных почвах нашего исследования. Однако отношения C: N в почве различались только в SCH между видами деревьев, но не в ALB и HAI (таблица 2). Тем не менее, уровень минерализации азота и серы был выше в лиственных лесах, чем в хвойных (Рисунки 2B, D), и в значительной степени связан с видоспецифическим компонентом индекса лесоуправления (SMIr) (Таблицы 3c, e).Этот результат согласуется с предыдущими исследованиями в бореальных лесах, где наблюдалась более высокая минерализация азота в минеральной почве, а также в лесной подстилке под лиственными насаждениями по сравнению с хвойными насаждениями (Côté et al., 2000; Jerabkova et al., 2006) . В соответствии с этим результатом, скорость высвобождения углерода в питательные вещества была выше в хвойных, чем лиственных лесах, в более плодородных регионах ALB и HAI (Рисунки 5A – C). Только в SCH, регионе с наблюдаемыми видоспецифическими различиями в почвенном C: N, не наблюдалось различий между скоростями высвобождения углерода в питательные вещества между видами (Рисунки 5A – C).Соответственно, минерализация азота и серы, по-видимому, контролируется не просто стехиометрией ПОВ в лесных почвах, но, возможно, другими компонентами химического состава подстилки, а также различиями в микробном сообществе.

Рисунок 5. Сравнение средней скорости минерализации от углерода к питательным веществам: (A) C: N минерализация, (B) C: S минерализация и (C) C: P минерализация в разных лесах типы. Планки погрешностей представляют собой SE средств. X — ось представляет исследуемые регионы, где ALB, Schwäbische-Alb; HAI, Хайних-Дюн; SCH, Schorfheide-Chorin. Значительные различия в дисперсии между исследуемыми регионами обозначены маленькими буквами, а между хвойными и лиственными лесами обозначены как ^∗ P <0,05, ^∗∗ P <0,01 и ^∗∗∗ P <0,001. В число исследуемых участков вошли: ALB (лиственные леса, n = 38 и хвойный лес, n = 12), HAI (лиственные леса, n = 46 и хвойный лес, n = 4) и SCH. (лиственные леса, n = 28 и хвойные леса, n = 22).

Рисунок 6. Двухуровневый график анализа избыточности (RDA), показывающий чистые скорости минерализации C, N, P и S (мкг DW ^–1 день ^–1 ) в качестве переменных откликов и свойств почвы (органический C, микробный C , pH почвы, общие концентрации N, P и S и отношения C: N, C: P и C: S в почве) и SMI в качестве переменных-предикторов. Регионы исследования обозначены: ALB, Schwäbische-Alb; HAI, Хайних-Дюн; SCH, Schorfheide-Chorin.

Рис. 7. Корреляция между (A) C минерализацией на микробный C, (B) DOC, выщелоченным на микробный C, (C) N минерализацией на микробный C и (D) микробного C на микробный C на органический C и соотношение C: N в почве.Регионы исследования обозначены: ALB, Schwäbische-Alb; HAI, Хайних-Дюн; SCH, Schorfheide-Chorin.

Интересно, что в отличие от минерализации азота и серы, минерализация фосфора также зависела от типа леса, но с более высокой минерализацией фосфора в хвойных лесах, чем в лиственных (рис. 2С). Это наблюдалось только в регионе SCH с самым низким содержанием фосфора в почве, но, очевидно, с самой высокой мобилизацией фосфора. Это приводит к меньшей минерализации OC в P в хвойных лесах, чем в лиственных лесах на SCH.Mooshammer et al. (2012) наблюдали отрицательную связь между C: P и P-минерализацией подстилки, но соотношение C: P лиственных и хвойных лесов не различается в SCH в этом исследовании. На разных участках не наблюдалось никакой связи между P-минерализацией и соотношением C: P почвы (Рисунок 6). Это может быть связано с тем, что мы использовали общий P для наших стехиометрических расчетов, в то время как общий органический P или P в неминеральной защищенной органической фракции может быть лучшим индикатором для стехиометрических соображений. В целом, наши результаты показывают, что управление лесным хозяйством может влиять на стехиометрию почвы посредством выбора пород деревьев, особенно в бедных питательными веществами регионах, но этот эффект не связан со стехиометрией почвы.

Резюме и заключение

Наши результаты подтверждают предположение, что на основе микробной биомассы на минерализацию углерода в лесных почвах влияют различия в стехиометрии ПОВ. Когда микробная активность явно переключается с ограничения содержания углерода на ограничение по питательным веществам с увеличением соотношения ОС и питательных веществ в почве, высвобождается больше CO ₂ и DOC. Это указывает на то, что в бедных питательными веществами почвах, с возможно большим вкладом более устойчивых ОС, некоторые ОС также не полностью разлагаются и выщелачиваются вместо минерализации.

Однако это не привело к ожидаемому нами увеличению скорости минерализации органических удобрений в питательные вещества при снижении содержания питательных веществ в почве. Вместо этого уровни минерализации почвенного азота, серы и фосфора были довольно постоянными или даже увеличивались в зависимости от ОС почвы от участков с высоким плодородием к участкам с низким плодородием. Возможно, это было связано с тем, что большинство участков не были сильно ограничены питательными веществами, поэтому меньшее содержание питательных веществ могло быть компенсировано увеличением отношения ферментов, усваивающих питательные вещества к C. Высокие скорости высвобождения фосфора в регионе с наибольшим содержанием фосфора, вероятно, связаны с тем, что большая часть общего фосфора находится в более легкодоступных и органических формах в песчаных почвах региона SCH, чем в более богатых глиной других регионах.

Влияние лесоуправления наблюдалось только на состав древесных пород, но не на интенсивность прореживания или лесозаготовок, возможно, потому, что последнее не оказало сильного влияния на общее содержание ОВ на исследуемых участках. Воздействие древесных пород различается между богатыми и бедными питательными веществами регионами, с более высокой минерализацией азота и серы в лиственных, чем хвойных лесах, в богатых питательными веществами регионах HAI и ALB, и более высоким высвобождением DOC и P в хвойных лесах песчаного и бедного питательными веществами региона SCH. В отличие от нашей гипотезы, эти результаты не соответствовали ожидаемому влиянию древесных пород на стехиометрию ОВ почвы.Таким образом, наблюдаемое влияние видов деревьев на стехиометрию и минерализацию ПОВ, вероятно, также зависело от других факторов, таких как общее качество или химический состав подстилки, состав почвенного микробного сообщества и региональные различия в других свойствах почвы. Неожиданное контрастирующее поведение P в результате минерализации азота и серы для эффектов как региональных, так и древесных, указывает на то, что не только взаимодействия между C и круговоротом питательных веществ в почвах, но также и между питательными веществами до сих пор полностью не изучены.

Заявление о доступности данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору, а также через базу данных проекта Biodiversity Exploratories.

Авторские взносы

HG был первым автором и ответственным за написание этой рукописи, разработал и провел эксперимент, получил данные в лаборатории, проанализировал и обсудил данные. IS и MS разработали эксперимент, а также рассмотрели и отредактировали черновики рукописи.PS и CA предоставили свой опыт в области управления лесами, а также рассмотрели и отредактировали черновики рукописи. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Финансирование

Работа финансировалась Приоритетной программой DFG 1374 «Инфраструктура-Биоразнообразие-Исследования» (SCHR 1181/22) и Обществом Макса Планка.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/ffgc.2020.00099/full#supplementary-material

РИСУНОК S1 | Корреляция между выбросом CO ₂ из проб, отобранных в 2011 г., и органическим углеродом почвы из проб, отобранных в 2014 г. Районы исследования обозначены: ALB, Schwäbische-Alb; HAI, Хайних-Дюн; SCH, Schorfheide-Chorin.

РИСУНОК S2 | Сравнение (a) риска (SMIr) и (b) компонента плотности (SMId) индекса интенсивности лесохозяйственного управления (SMI) между типами лесов в разных регионах исследования.Планки погрешностей представляют собой SE средств. Ось X представляет исследуемые регионы, где ALB, Schwäbische-Alb; HAI, Хайних-Дюн; SCH, Schorfheide-Chorin. На существенные различия между хвойными и лиственными лесами указывают значения ^∗ P <0,05, ^∗∗ P <0,01 и ^∗∗∗ P <0,001. Количество исследуемых участков составило: ALB (лиственные леса, n = 38 и хвойный лес, n = 12), HAI (лиственные леса, n = 46 и хвойный лес, n = 4) и SCH (лиственные леса, n = 28 и хвойные леса, n = 22).

Список литературы

Альт, Ф., Эльманн, Ю., Герольд, Н., Шрумпф, М., и Вилке, В. (2011). Распределение фосфора в пастбищных и лесных почвах Германии в зависимости от типа землепользования, интенсивности управления и pH, связанного с землепользованием. Z. Pflanzenernähr. Боденк. 174, 195–209. DOI: 10.1002 / jpln.201000142

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Awad, A., Majcherczyk, A., Schall, P., Schröter, K., Schöning, I., and Schrumpf, M. (2019). Эктомикоризная и сапротрофная биомасса почвенных грибов определяется различными факторами и варьируется в широколиственных и хвойных лесах умеренного пояса. Soil Biol. Biochem. 131, 9–18. DOI: 10.1016 / j.soilbio.2018.12.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баухус, Дж., Паре, Д., и Коте, Л. (1998). Влияние видов деревьев, возраста древостоя и типа почвы на микробную биомассу почвы и ее активность в южном бореальном лесу. Soil Biol. Biochem. 30, 1077–1089. DOI: 10.1016 / s0038-0717 (97) 00213-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bengtsson, G., Bengtson, P., and Månsson, K.Ф. (2003). Скорость валовой минерализации, иммобилизации и нитрификации азота в зависимости от соотношения C / N почвы и микробной активности. Soil Biol. Biochem. 35, 143–154. DOI: 10.1016 / s0038-0717 (02) 00248-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Биркхофер, К., Шёнинг, И., Альт, Ф., Герольд, Н., Кларнер, Б., и Мараун, М. (2012). Общие взаимосвязи между абиотическими свойствами почвы и почвенной биотой в пространственных масштабах и различных типах землепользования. PLoS One 7: e43292.DOI: 10.1371 / journal.pone.0043292

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бриджем, С. Д., Апдеграфф, К., и Пастор, Дж. (1998). Углеродная, азотная и фосфорная минерализация в северных болотах. Экология 79, 1545–1561. DOI: 10.1890 / 0012-9658 (1998) 079 [1545: cnapmi] 2.0.co; 2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Берк И., Райнерс В. и Шимель Д. (1989). Круговорот органики в полынном степном ландшафте. Биогеохимия 7, 11–31. DOI: 10.1007 / BF00000895

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Камино-Серрано, М., Гилен, Б., Люссарт, С., Киаис, П., Вика, С., и Генет, Б. (2014). Связь изменчивости растворенного органического углерода в почвенном растворе с климатом, типом почвы и типом растительности. Global Biogeochem. Циклы 28, 497–509. DOI: 10.1002 / 2013gb004726

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чапин, И. Ф. С. И., Матсон, П.А., Витаусек П. М. (2011). Принципы экологии наземных экосистем. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer Science + Business Media LLC.

Google Scholar

Чен Р., Сенбайрам М., Благодатский С., Мячина О., Диттерт К., Лин X. и др. (2014). Наличие углерода и азота в почве определяет эффект грунтовки: микробное извлечение азота и теории стехиометрического разложения. Glob. Чанг. Биол. 20, 2356–2367. DOI: 10.1111 / gcb.12475

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кларк, Н., Гундерсен, П., Йонссон-Белязид, У., Хьёнаас, О. Дж., Перссон, Т., и Сигурдссон, Б. Д. (2015). Влияние различной интенсивности лесозаготовок на запасы углерода в лесных почвах в бореальных и северных лесных экосистемах умеренного пояса. Для. Ecol. Manag. 351, 9–19. DOI: 10.1016 / j.foreco.2015.04.034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коте, Л., Браун, С., Паре, Д., Файлз, Дж., И Баухус, Дж. (2000). Динамика углеродной и азотной минерализации в зависимости от типа древостоя, возраста древостоя и состава почвы в бореальной смешанной древесине. Soil Biol. Biochem. 32, 1079–1090. DOI: 10.1016 / s0038-0717 (00) 00017-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Крейн, Дж. М., Морроу, К., Фирер, Н. (2007). Ограничение микробного азота увеличивает разложение. Экология 88, 2105–2113. DOI: 10.1890 / 06-1847.1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

DIN ISO 11277 (2002). Качество почвы — Определение гранулометрического состава минерального грунта — Метод просеивания и осаждения. Женева: ISO.

Google Scholar

Фишер М., Боссдорф О., Гокель С., Гензель Ф., Хемп А. и Хессенмёллер Д. (2010). Проведение крупномасштабных и долгосрочных функциональных исследований биоразнообразия: исследования биоразнообразия. Basic Appl. Ecol. 11, 473–485. DOI: 10.1016 / j.baae.2010.07.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гёдде М., Дэвид М. Б., Христос М. Дж., Каупенйоханн М. и Вэнс Г. Ф. (1996). Мобилизация углерода из лесной подстилки под красной елью на северо-востоке U.S.A. Soil Biol. Biochem. 28, 1181–1189. DOI: 10.1016 / 0038-0717 (96) 00130-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гауэр, С. Т., и Сон, Ю. (1992). Различия в динамике азота почвы и опадной листвы для пяти лесных насаждений. Почвоведение. Soc. Являюсь. J. 56, 1959–1966. DOI: 10.2136 / sssaj1992.03615995005600060051x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Грюнеберг Э., Шёнинг И., Хессенмёллер Д., Шульце Э.-Д. и Вайссер В.W. (2013). Органический слой и содержание глины контролируют запасы органического углерода в почве в долях плотности немецких буковых лесов, управляемых по-разному. Для. Ecol. Manag. 303, 1–10. DOI: 10.1016 / j.foreco.2013.03.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Херольд, Н., Шёнинг, И., Бернер, Д., Хаслвиммер, Х., Канделер, Э., и Михальзик, Б. (2014). Вертикальные градиенты потенциальной активности ферментов в профилях почвы на участках лесов преобладали европейский бук, ель обыкновенная и сосна обыкновенная. Pedobiologia 57, 181–189. DOI: 10.1016 / j.pedobi.2014.03.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гессен, Д. О., Андерсон, Т. Р. (2008). Избыток углерода в водных организмах и экосистемах: физиологические, экологические и эволюционные последствия. Лимнол. Oceanogr. 53, 1685–1696. DOI: 10.4319 / lo.2008.53.4.1685

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хобби, С. Э. (1992). Влияние видов растений на круговорот питательных веществ. Trends Ecol. Evol. 7, 336–339. DOI: 10.1016 / 0169-5347 (92) -v

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рабочая группа IUSS WRB (2014 г.). Всемирная справочная база почвенных ресурсов 2014 г., обновление 2015 г. Международная система классификации почв для наименования почв и создания легенд для почвенных карт . Доклад о мировых почвенных ресурсах № 106, Рим: ФАО.

Google Scholar

Янссен, Б. Х. (1996). Минерализация азота в зависимости от соотношения C: N и разлагаемости органических материалов. Почва растений 181, 39–45. DOI: 10.1007 / bf00011290

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дженкинсон, Д. С., и Паулсон, Д. С. (1976). Влияние биоцидных обработок на метаболизм в почве — V. Soil Biol. Biochem. 8, 209–213. DOI: 10.1016 / 0038-0717 (76) ^-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джерабкова, Л., Прескотт, К. Э., Кищук, Б. Э. (2006). Доступность азота в почве и лесной подстилке контрастных типов бореальных смешанных лесов. Банка. J. For. Res. 36, 112–122. DOI: 10.1139 / x05-220

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джонсон, Д. У., и Кертис, П. С. (2001). Влияние ведения лесного хозяйства на запасы углерода и азота в почве: метаанализ. Для. Ecol. Manag. 140, 227–238. DOI: 10.1016 / s0378-1127 (00) 00282-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Йонассон, С., Михельсен, А., и Шмидт, И. К. (1999). Взаимодействие круговорота питательных веществ и динамики углерода в Арктике, интеграция почвенных микробных и растительных процессов. Прил. Ecol. 11, 135–146. DOI: 10.1016 / s0929-1393 (98) 00145-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kalbitz, K., and Knappe, S. (1997). Einfluß der Bodeneigenschaften auf die Freisetzung der gelösten organischen Substanz (DOM) aus dem Oberboden. Z. Pflanzenernaehr. Боденк. 160, 475–483. DOI: 10.1002 / jpln.19971600407

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Киндлер, Р., Сименс, Дж. А. Н., Кайзер, К., Уолмсли, Д. К., Бернхофер, К., и Бухманн, Н. (2011). Выщелачивание растворенного углерода из почвы является важным компонентом чистого углеродного баланса экосистемы. Glob. Чанг. Биол. 17, 1167–1185. DOI: 10.1111 / j.1365-2486.2010.02282.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Куно К., Тучия Ю. и Андо Т. (1995). Измерение фосфора микробной биомассы почвы методом анионообменной мембраны. Soil Biol. Biochem. 27, 1353–1357. DOI: 10.1016 / 0038-0717 (95) 00057-l

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коваленко, С.Г. и Лоу Л. Э. (1975). Минерализация серы из четырех почв и ее связь с почвенным углеродом, азотом и фосфором. Банка. J. Soil. Sci. 55, 9–14. DOI: 10.4141 / cjss75-002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ланг, Ф., Крюгер, Дж., Амелунг, В., Уиллболд, С., Фроссар, Э. и Бюнеман, Э. К. (2017). Обеспечение почвенным фосфором контролирует стратегии питания фосфором экосистем буковых лесов в Центральной Европе. Биогеохимия 136, 5–29. DOI: 10.1007 / с10533-017-0375-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

ЛеБауэр, Д. С., Треседер, К. К. (2008). Ограничение чистой первичной продуктивности по азоту в наземных экосистемах распространяется во всем мире. Экология 89, 371–379. DOI: 10.1890 / 06-2057.1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Манцони С., Тейлор П., Рихтер А., Порпорато А. и Агрен Г. И. (2012). Экологический и стехиометрический контроль эффективности использования углерода микробами в почвах. New Phytol. 196, 79–91. DOI: 10.1111 / j.1469-8137.2012.04225.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

МакГилл, В. Б., и Коул, К. В. (1981). Сравнительные аспекты круговорота органических соединений азота, серы и фосфора через органическое вещество почвы. Geoderma 26, 267–286. DOI: 10.1016 / 0016-7061 (81)

-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

McGroddy, M.E., Daufresne, T., and Hedin, L.O. (2004). Масштабирование стехиометрии C: N: P В лесах по всему миру: значение соотношений наземного типа красного поля. Экология 85, 2390–2401. DOI: 10.1890 / 03-0351

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мёллер, Дж., Миллер, М., и Кьёллер, А. (1999). Взаимодействие грибков и бактерий на листьях бука: влияние на разложение и качество растворенного органического углерода. Soil Biol. Biochem. 31, 367–374. DOI: 10.1016 / s0038-0717 (98) 00138-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mooshammer, M., Wanek, W., Hämmerle, I., Fuchslueger, L., Hofhansl, F., и Knoltsch, A. (2014a). Корректировка эффективности использования азота микробами к углероду: дисбаланс азота регулирует круговорот азота в почве. Nat. Commun. 5: 3694.

Google Scholar

Mooshammer, M., Wanek, W., Zechmeister-Boltenstern, S., and Richter, A. (2014b). Стехиометрические дисбалансы между сообществами земных разлагателей и их ресурсами: механизмы и последствия адаптации микробов к их ресурсам. Фронт. Microbiol. 5:22. DOI: 10.3389 / fmicb.2014.00022

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Моосхаммер М., Ванек В., Шнекер Дж., Вильд Б., Лейтнер С. и Хофхансл Ф. (2012). Стехиометрический контроль круговорота азота и фосфора при разложении опада буковых листьев. Экология 93, 770–782. DOI: 10.1890 / 11-0721.1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мерфи Дж. И Райли Дж. П. (1962). Модифицированный однократный метод определения фосфатов в природных водах. Анал. Чим. Acta 27, 31–36. DOI: 10.1016 / s0003-2670 (00) 88444-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Надельхоффер, К. Дж. (1990). Микролизиметр для измерения минерализации азота и микробного дыхания в аэробных почвенных инкубациях. Почвоведение. Soc. Являюсь. J. 54, 411–415. DOI: 10.2136 / sssaj1990.03615995005400020019x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нэйв, Л. Э., Вэнс, Э. Д., Суонстон, К. У. и Кертис, П. С. (2010).Влияние урожая на запасы углерода в почве в лесах умеренного пояса. Для. Ecol. Manag. 259, 857–866. DOI: 10.1016 / j.foreco.2009.12.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Oksanen, J. F., Blanchet, G., Friendly, M., Kindt, R., Legendre, P., McGlinn, D., et al. (2006). веган: Пакет «Экология сообщества». Пакет R версии 1.8-3.

Google Scholar

Оландер, Л. П., и Витоусек, П. М. (2000). Регулирование активности почвенной фосфатазы и хитиназы за счет доступности азота и фосфора. Биогеохимия 49, 175–191.

Google Scholar

R Основная команда (2016). Язык и среда для статистики. Вена: Фонд R для статистических вычислений.

Google Scholar

Raich, J. W., and Tufekciogul, A. (2000). Растительность и дыхание почвы: корреляции и ограничения. Биогеохимия 48, 71–90.

Google Scholar

Райх, П. Б., Григал, Д. Ф., Абер, Дж. Д., и Гауэр, С.Т. (1997). Минерализация азота и продуктивность В 50 насаждениях лиственных и хвойных пород на разнообразных почвах. Экология 78, 335–347. DOI: 10.1890 / 0012-9658 (1997) 078 [0335: nmapih] 2.0.co; 2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шалл П. и Аммер К. (2013). Как количественно оценить интенсивность ведения лесного хозяйства в лесах Центральной Европы. евро. J. For. Res. 132, 379–396. DOI: 10.1007 / s10342-013-0681-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schall, P., Шульце, Э.-Д., Фишер, М., Аяссе, М., и Аммер, К. (2018). Взаимосвязь между управлением лесами, структурой древостоев и продуктивностью в различных типах центральноевропейских лесов. Basic Appl. Ecol. 32, 39–52. DOI: 10.1016 / j.baae.2018.02.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шимел, Дж. П., и Беннет, Дж. (2004). Минерализация азота: вызовы меняющейся парадигмы. Экология 85, 591–602. DOI: 10.1890 / 03-8002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сильва-Санчес, А., Соарес, М., и Руск, Дж. (2019). Проверка зависимости роста микробов и эффективности использования углерода от доступности азота, pH и качества органических веществ. Soil Biol. Biochem. 134, 25–35. DOI: 10.1016 / j.soilbio.2019.03.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Синсабау, Р. Л., и Фоллстад Шах, Дж. Дж. (2011). Экоэнзиматическая стехиометрия разложения стойкого органического вещества: обратная гипотеза скорости роста. Биогеохимия 102, 31–43.DOI: 10.1007 / s10533-010-9482-x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Солли, Э. Ф., Шёнинг, И., Бох, С., Канделер, Э., Мархан, С., и Михальцик, Б. (2014). Факторы, контролирующие скорость разложения тонкой корневой подстилки в лесах и лугах умеренного пояса. Почва растений 382, ​​203–218. DOI: 10.1007 / s11104-014-2151-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Спон, М., Клаус, К., Ванек, В., и Рихтер, А. (2016). Эффективность использования углерода микробами и время оборота биомассы в зависимости от глубины почвы — последствия для круговорота углерода. Soil Biol. Biochem. 96, 74–81. DOI: 10.1016 / j.soilbio.2016.01.016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Трейси, П. В., Вестфол, Д. Г., Петерсон, Г. А., Эллиот, Э. Т., и Коул, К. В. (1990). Минерализация углерода, азота, фосфора и серы при вспашке и почвенной обработке почвы. Почвоведение. Soc. Являюсь. J. 54, 457–461. DOI: 10.2136 / sssaj1990.03615995005400020028x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вэнс, Э. Д., Брукс, П.С., и Дженкинсон, Д. С. (1987). Экстракционный метод измерения микробной биомассы почвы C. Soil Biol. Biochem. 19, 703–707. DOI: 10.1016 / 0038-0717 (87)

-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вестердал, Л., Далсгаард, М., Фелби, К., Раулунд-Расмуссен, К., и Йоргенсен, Б. Б. (1995). Влияние прореживания и свойств почвы на накопление углерода, азота и фосфора в лесной подстилке ельников обыкновенной. Для. Ecol. Manag. 77, 1–10.DOI: 10.1016 / 0378-1127 (95) 03579-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вестердал, Л., Эльберлинг, Б., Кристиансен, Дж. Р., Каллесен, И., и Шмидт, И. К. (2012). Дыхание почвы и скорость круговорота углерода в почве у шести распространенных европейских видов деревьев различаются. Для. Ecol. Manag. 264, 185–196. DOI: 10.1016 / j.foreco.2011.10.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вестердал Л. и Раулунд-Расмуссен К. (1998). Химический состав лесной подстилки под семью видами деревьев по градиенту плодородия почвы. Банка. J. For. Res. 28, 1636–1647. DOI: 10.1139 / x98-140

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Витаусек, П. М., Пордер, С., Хоултон, Б. З., и Чедвик, О. А. (2010). Ограничение земного фосфора: механизмы, последствия и азотно-фосфорные взаимодействия. Ecol. Прил. 20, 5–15. DOI: 10.1890 / 08-0127.1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wäldchen, J., Schulze, E.-D., Schöning, I., Schrumpf, M., and Sierra, C.(2013). Влияние изменений в управлении лесами за последние 200 лет на нынешние запасы органического углерода в почве. Для. Ecol. Manag. 289, 243–254. DOI: 10.1016 / j.foreco.2012.10.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Органическое вещество почвы в системах земледелия

Ayotte, J. D., S.M. Фланаган, У. Завтра. Октябрь 2007 г. Обнаружение урана и радона-222 в ледниковых и коренных водоносных горизонтах на севере Соединенных Штатов, Отчет о научных исследованиях за 1993-2003 гг. 2007-5037, Технический отчет.

Буол, С.В., Р.Дж. Саутард, Р. Грэм, П.А. Макдэниел. 2003. Генезис и классификация почв. Айова Стейт Пресс.

DeJong-Hughes, J., A.L.M. Daigh. 2017. Руководство по обработке почвы в Верхнем Среднем Западе. Публикация по расширению Университета Миннесоты. Доступно по адресу: https://extension.umn.edu/soil-and-water/soil-management-and-health#upper-midwest-tillage-guide-1233360

.

ДеЙонг-Хьюз, Дж., Д. Франзен, А. Вик. 2015. Снижение ветровой эрозии для долгосрочной рентабельности. Публикация по расширению Университета Миннесоты.Доступно по адресу: https://extension.umn.edu/soil-management-and-health/reduce-wind-erosion-long-term-profitability

.

Харгроув, W.W. и Р.Дж. Люксмор. 1988. Содержание органического вещества в почве в Соединенных Штатах, Источник: Новая национальная карта растительных экорегионов с высоким разрешением, составленная эмпирическим путем с использованием многомерной пространственной кластеризации, выпущенная Министерством сельского хозяйства США, общественное достояние.

Ховард, П.Дж.А., Д.М. Говард. 1990. Использование органического углерода и потерь при возгорании для оценки органического вещества почвы в различных типах почв и горизонтах.Биология и плодородие почв 9: 306-310.

Hudson, B.D. 1994. Органическое вещество почвы и доступная водоемкость. Журнал охраны почв и воды март / апрель, т. 49 нет. 2. С. 189–194.

Дженкинсон, Д.С. 1977. Биомасса почвы. NZ Soil News 25: 213-218.

Lamb, J., S. Huerd, K. Moncada. Университет Миннесоты. Руководство по управлению рисками для производителей органических продуктов. Глава 3. Здоровье почвы. На сайте: https://organicriskmanagement.umn.edu/

Лауэр, Дж.Июль 2006 г. Опасения по поводу засухи в связи с началом опыления кукурузы. Университет Висконсина. Полевые культуры 28.493 — 42. Интернет по адресу: http://128.104.50.45/Pubs/Default.aspx

Олдфилд, E.E., С.А.Вудс, М.А. Брэдфорд. 2018. Прямое влияние органического вещества почвы на продуктивность аналогично тому, которое наблюдается с органическими добавками. Обычная статья в растительной почве. На сайте: https://doi.org/10.1007/s11104-017-3513-5

Ovington, J.D., D. Haitkamp, ​​D.B. Лоуренс. 1963. Биомасса растений и продуктивность экосистем прерий, саванн, дубовых лесов и кукурузных полей в центральной Миннесоте.Экология 44: 52-63.

Пол, E.A., H.P. Коллинз, С. Ливитт. 2001. Динамика устойчивого почвенного углерода сельскохозяйственных почв Среднего Запада, измеренная по естественному содержанию ¹⁴ C. Геодерма 104: 239-256.

Сильвия, Д.М., Дж. Дж. Фурманн, П. Хартель, Д.А. Зуберер. 2005. Принципы и применения почвенной микробиологии. Пирсон.

Вейл Р.Р., Северная Каролина Брэди. 2017. Природа и свойства почв. Пирсон.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Глава 9 — Органические соединения кислорода — Химия

Глава 9 — Органические соединения кислорода

Вступительное эссе

9.1 Введение в соединения, содержащие кислород

9.2 Спирты и фенолы

Классификация спиртов

Свойства спиртов

Гликоли

Фенолы

9,3 эфиров

Свойства эфиров

9,4 Альдегиды и кетоны

Свойства альдегидов и кетонов

Альдегиды

Кетоны

Точки кипения и растворимость

Альдегиды и кетоны в природе

9.5 Карбоновые кислоты и сложные эфиры

Свойства карбоновых кислот и сложных эфиров

Карбоновые кислоты

Сложные эфиры

Точки кипения, точки плавления и растворимость

Обычно используемые карбоновые кислоты и сложные эфиры

9.6 Реакции кислородсодержащих соединений

Спирты

Реакции обезвоживания (устранения)

Реакции окисления

Альдегиды и кетоны

Реакции окисления

Реакции восстановления

Реакции присоединения со спиртами (полуацетали и гемикетали)

Реакции с образованием ацеталей или кетов

Карбоновые кислоты

9.8 Ссылки

---

Вступительное эссе

Фото: А. Савин

Вернуться к началу

---

9.1 Введение в составы, содержащие кислород

В этой главе вы познакомитесь с основными органическими функциональными группами, содержащими кислород. Сюда входят спирты, фенолы, простые эфиры, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и сложные эфиры. На рисунке 9.1 представлены основные органические функциональные группы для этих соединений и суффикс ИЮПАК, который используется для обозначения этих соединений.Хотя вам не нужно официально называть полные структуры, вы должны иметь возможность идентифицировать функциональные группы, содержащиеся в соединениях, на основе их названий IUPAC. Например, спирт представляет собой органическое соединение с гидроксильной (-ОН) функциональной группой на алифатическом атоме углерода. Поскольку -ОН является функциональной группой всех спиртов, мы часто представляем спирты общей формулой ROH, где R представляет собой алкильную группу. В рекомендациях по номенклатуре ИЮПАК суффикс «-ол» используется для обозначения простых соединений, содержащих спирты.Примером является этанол (CH ₃ CH ₂ OH).

Рисунок 9.1 Общие органические функциональные группы, содержащие кислород. Суффиксы ИЮПАК, используемые для обозначения простых органических молекул, отмечены в таблице

.

Вернуться к началу

---

9.2 Спирты и фенолы

Классификация спиртов

Некоторые свойства и реакционная способность спиртов зависят от числа атомов углерода, присоединенных к конкретному атому углерода, который присоединен к группе -ОН.На этом основании спирты можно разделить на три класса.

• Первичный (1 °) спирт — это спирт, в котором атом углерода (красный) с группой ОН присоединен к одному другому атому углерода (синему). Его общая формула — RCH ₂ OH.

• Вторичный (2 °) спирт — это спирт, в котором атом углерода (красный) с группой ОН присоединен к двум другим атомам углерода (синему). Его общая формула: R ₂ CHOH.

• Третичный (3 °) спирт — это спирт, в котором атом углерода (красный) с группой ОН присоединен к трем другим атомам углерода (синим цветом).Его общая формула: R ₃ COH.

Свойства спиртов

Спирты можно рассматривать как производные воды (H ₂ O; также обозначается как HOH).

Как и связь H – O – H в воде, связь R – O – H изогнута, а часть -OH в молекулах спирта полярна. Эта взаимосвязь особенно очевидна для небольших молекул и отражается в физических и химических свойствах спиртов с низкой молярной массой. Замена атома водорода алкана на группу ОН позволяет молекулам связываться посредством водородных связей (рис.9.2).

Рисунок 9.2 Межмолекулярная водородная связь в метаноле. Группы ОН в молекулах спирта делают возможным образование водородных связей.

---

Напомним, что физические свойства в значительной степени определяются типом межмолекулярных сил. В таблице 9.1 перечислены молярные массы и точки кипения некоторых распространенных соединений. Из таблицы видно, что вещества с одинаковой молярной массой могут иметь совершенно разные точки кипения.

Таблица 9.1 Сравнение молярной массы и температуры кипения

Алканы неполярны и поэтому связаны только через относительно слабые лондонские дисперсионные силы (LDF). Температуры кипения алканов с одним-четырьмя атомами углерода настолько низки, что все эти молекулы являются газами при комнатной температуре. Напротив, если мы проанализируем соединения, которые содержат функциональную группу спирта, даже метанол (только с одним атомом углерода) будет жидкостью при комнатной температуре. Поскольку спирты обладают способностью образовывать водородные связи, их точки кипения значительно выше по сравнению с углеводородами сопоставимой молярной массы.Температура кипения — это грубая мера количества энергии, необходимой для отделения молекулы жидкости от ближайших соседей. Если молекулы взаимодействуют посредством водородных связей, для разрушения этого межмолекулярного притяжения необходимо подавать относительно большое количество энергии. Только тогда молекула может перейти из жидкости в газообразное состояние.

Другая интересная тенденция очевидна в таблице 9.1: поскольку молекулы спирта имеют больше атомов углерода, они также имеют более высокие температуры кипения.Это связано с тем, что молекулы могут иметь более одного типа межмолекулярных взаимодействий. Помимо водородных связей, молекулы спирта также имеют LDF, которые возникают между неполярными частями молекул. Как мы видели с алканами, чем больше углеродная цепь, тем больше LDF присутствует в молекуле. Как и в случае с алканами, повышенное количество ЛДФ в спиртосодержащих молекулах также вызывает повышение температуры кипения.

Помимо образования водородных связей между собой, спирты также могут вступать в водородные связи с молекулами воды (Рисунок 9.3). Таким образом, в то время как углеводороды нерастворимы в воде, небольшие спирты с одним-тремя атомами углерода полностью растворимы. Однако с увеличением длины цепи растворимость спиртов в воде снижается; молекулы становятся больше похожими на углеводороды и менее на воду. Спирт 1-деканол (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ OH), содержащий 10 атомов углерода практически не растворяется в воде.Мы часто обнаруживаем, что граница растворимости в семействе органических соединений находится у четырех или пяти атомов углерода.

Рисунок 9.3 Водородная связь между молекулами метанола и молекулами воды. Водородная связь между ОН метанола и молекулами воды определяет растворимость метанола в воде.

Вернуться к началу

---

Гликоли

Молекулы, содержащие две функциональные группы спирта, часто называют гликолями .Этиленгликоль, один из простейших гликолей, имеет два основных коммерческих применения. Он используется в качестве сырья при производстве полиэфирных волокон и составов антифризов. Добавление двух или более групп -ОН к углеводороду существенно увеличивает температуру кипения и растворимость спирта. Например, для этиленгликоля температура кипения составляет 197,3 ^o ° C, по сравнению с этанолом, который имеет точку кипения 78 ^o ° C. Таким образом, этиленгликоль является полезным охлаждающим веществом для автомобильных двигателей.

Рисунок 9.4 Свойства этиленгликоля. Этиленгликоль часто используется в качестве охлаждающего агента в смесях антифризов из-за его низкой температуры замерзания и высокой температуры кипения.

---

Этиленгликоль ядовит для людей и других животных, с ним следует обращаться осторожно и утилизировать надлежащим образом. Как прозрачная жидкость со сладким вкусом, она может привести к случайному проглатыванию, особенно домашними животными, или может быть преднамеренно использована в качестве орудия убийства. Этиленгликоль трудно обнаружить в организме, и он вызывает симптомы, включая интоксикацию, тяжелую диарею и рвоту, которые можно спутать с другими болезнями или заболеваниями.Его метаболизм производит оксалат кальция, который кристаллизуется в головном мозге, сердце, легких и почках, повреждая их; в зависимости от уровня воздействия, накопление яда в организме может длиться недели или месяцы, прежде чем вызвать смерть, но смерть от острой почечной недостаточности может наступить в течение 72 часов, если человек не получит надлежащего лечения от отравления. Некоторые смеси антифризов на основе этиленгликоля содержат горький агент, такой как денатоний, для предотвращения случайного или преднамеренного употребления.Типичные смеси антифризов также содержат флуоресцентный зеленый краситель, который упрощает обнаружение и удаление пролитого антифриза.

---

Фенолы

Соединения, в которых группа -ОН присоединена непосредственно к ароматическому кольцу, называются фенолами и в химических уравнениях могут обозначаться как ArOH. Фенолы отличаются от спиртов тем, что в воде они обладают слабой кислотностью. Подобно реакциям кислотно-щелочной нейтрализации двойного вытеснения, они реагируют с водным гидроксидом натрия (NaOH) с образованием соли и воды.

ArOH (водн.) + NaOH (водн.) → ArONa (водн.) + H ₂ O

Простейшее соединение, содержащее фенол, C ₆ H ₅ OH, само называется фенолом. (Старое название, подчеркивающее его легкую кислотность, было карболовой кислоты ). Фенол — это белое кристаллическое соединение, имеющее характерный («больничный запах») запах.

Рисунок 9,5 (слева) Структура фенола. (справа) Примерно два грамма фенола в стеклянном флаконе.Фото В. Оэлена.

Для вашего здоровья: фенолы и мы

Фенолы широко используются в качестве антисептиков (вещества, убивающие микроорганизмы на живых тканях) и в качестве дезинфицирующих средств (вещества, предназначенные для уничтожения микроорганизмов на неодушевленных предметах, таких как мебель или полы). Первым широко применяемым антисептиком был фенол. Джозеф Листер использовал его для антисептической хирургии в 1867 году. Однако фенол токсичен для людей и может вызвать серьезные ожоги при нанесении на кожу.В кровотоке это системный яд , что означает, что он проникает во все части тела и поражает их. Его серьезные побочные эффекты привели к поискам более безопасных антисептиков, ряд из которых был найден.

Рис. 9.6 Операция в 1753 году перед применением антисептиков. Картина написана Гаспаре Траверси.

---

В настоящее время фенол используется только в очень малых концентрациях в некоторых безрецептурных медицинских продуктах, таких как хлорасептик для горла.

Рис. 9.7 Фенол все еще используется в низких концентрациях в некоторых медицинских препаратах, таких как хлоразептик.

---

Более сложные соединения, содержащие фенольные функциональные группы, обычно встречаются в природе, особенно в виде растительных натуральных продуктов. Например, одними из основных метаболитов, обнаруженных в зеленом чае, являются полифенольные катехиновые соединения, представленные на рисунке 9.8А эпигаллокатехингаллатом (ЭКГК) и эпикатехином. Было показано, что употребление зеленого чая обладает химиопрофилактическими свойствами на лабораторных животных.Считается, что биологическая активность катехинов как антиоксидантных агентов способствует этой активности и другим преимуществам для здоровья, связанным с потреблением чая. Некоторые из биологически активных компонентов марихуаны, такие как тетрагидроканнабинол (THC) и каннабидиол (CBD), также являются фенольными соединениями (рис. 9B).

Рис. 9.8 Натуральные продукты растительного происхождения, содержащие фенольные функциональные группы. (A) Зеленый чай содержит соединения катехина, такие как галлат эпигаллокатехина (ECGC), и эпикатехины, которые, как считается, обеспечивают некоторые из противораковых преимуществ для здоровья, присущих зеленому чаю.(B) Марихуана содержит множество биологически активных фенольных соединений, включая галлюциногенный компонент марихуаны, тетрагидроканнабинол (THC) и метаболит каннабидиол (CBD). Каннабидиол не обладает психоактивными свойствами и в настоящее время изучается в качестве потенциального средства лечения синдромов рефракционной эпилепсии.

---

Упражнения по обзору концепции

1. Почему этанол (CH ₃ CH ₂ OH) более растворим в воде, чем 1-гексанол (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ OH) ?

2. Почему 1-бутанол (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ OH) имеет более низкую точку кипения, чем 1-гексанол (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ СН ₂ СН ₂ ОН)?

Ответы

1. Этанол имеет группу -ОН и только 2 атома углерода; 1-гексанол имеет одну группу -ОН для 6 атомов углерода и, таким образом, больше похож на (неполярный) углеводород, чем на этанол.

2. 1-гексанол имеет более длинную углеродную цепь, чем у 1-бутанола, и, следовательно, больше LDF, которые способствуют более высокой температуре кипения.

Упражнения

Выполните следующие упражнения, не обращаясь к таблицам в тексте.

1. Расположите эти спирты в порядке увеличения температуры кипения: 1-бутанол (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ OH), 1-гептанол (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ OH) и пропанол-1 (CH ₃ CH ₂ CH ₂ OH).

2. Что имеет более высокую точку кипения — бутан (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₃ ) или пропанол-1 (CH ₃ CH ₂ CH ₂ OH)?

3. Расположите эти спирты в порядке увеличения растворимости в воде: 1-бутанол (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ OH), метанол (CH ₃ OH) и 1-октанол (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ OH).

4. Расположите эти соединения в порядке увеличения растворимости в воде: 1-бутанол (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ OH), этанол (CH ₃ CH ₂ OH) и пентан. (Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ ).

Ответы на нечетные вопросы

1. 1-пропанол <1-бутанол <1-гептанол

3. 1-октанол <1-бутанол <метанол

Вернуться к началу

---

9.3 эфира

Эфиры — это класс органических соединений, которые содержат кислород между двумя алкильными группами. Они имеют формулу R-O-R ’, где R’s представляют собой алкильные группы. эти соединения используются в красителях, парфюмерии, маслах, восках и в промышленности.

Свойства эфиров

Связи C — O в простых эфирах полярны, и, следовательно, эфиры обладают суммарным дипольным моментом. Слабая полярность эфиров не оказывает заметного влияния на их температуры кипения, сравнимые с температурами кипения алкенов сопоставимой молекулярной массы.Эфиры имеют гораздо более низкие температуры кипения по сравнению с изомерными спиртами. Это связано с тем, что молекулы спиртов связаны водородными связями, в то время как молекулы эфира не могут образовывать водородные связи с другими молекулами эфира. Например, диэтиловый эфир (CH ₃ CH ₂ OCH ₂ CH ₃ ) имеет точку кипения 34,6 ^o ° C, тогда как н-бутанол (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ OH), четырехуглеродный спирт, имеет пионт кипения 117.7 ^или С.

Эфиры могут образовывать водородные связи с водой, однако, поскольку вода содержит частично положительные атомы водорода, необходимые для образования водородных связей. Таким образом, простые эфиры, содержащие до 3 атомов углерода, растворимы в воде из-за образования Н-связей с молекулами воды.

Растворимость простых эфиров уменьшается с увеличением числа атомов углерода. Относительное увеличение углеводородной части молекулы снижает тенденцию образования водородной связи с водой.Эфиры в значительной степени растворимы в более неполярных органических растворителях и фактически могут использоваться в качестве растворителя для растворения неполярных и умеренно полярных молекул. Кроме того, простые эфиры очень неактивны. Фактически, за исключением алканов, циклоалканов и фторуглеродов, простые эфиры, вероятно, являются наименее реакционноспособным обычным классом органических соединений. Таким образом, простые эфиры меньшего размера, такие как диэтиловый эфир (CH ₃ CH ₂ OCH ₂ CH ₃ ), широко используются химиками-органиками в качестве растворителей для различных органических реакций.Инертность эфиров по отношению к спиртам, несомненно, связана с отсутствием реакционной связи О – Н.

---

Для вашего здоровья — Ethers and Us

В середине 1800-х и начале 1900-х годов диэтиловый эфир использовался в качестве анестетика во время хирургических операций, в значительной степени заменяя хлороформ из-за пониженной токсичности. Общий анестетик действует на мозг, вызывая бессознательное состояние и общую нечувствительность к ощущениям или боли.Диэтиловый эфир (CH ₃ CH ₂ OCH ₂ CH ₃ ) был первым широко используемым общим анестетиком.

Рис. 9.9 Уильям Мортон, стоматолог из Бостона, ввел диэтиловый эфир в хирургическую практику в 1846 году. На этой картине изображена операция в Бостоне в 1846 году, в которой диэтиловый эфир использовался в качестве анестетика. Вдыхание паров эфира вызывает потерю сознания, подавляя активность центральной нервной системы. Источник: Картина Уильяма Мортона Эрнеста Борта.

---

Диэтиловый эфир относительно безопасен, поскольку существует довольно большой разрыв между дозой, обеспечивающей эффективный уровень анестезии, и смертельной дозой. Однако, поскольку он легко воспламеняется и имеет дополнительный недостаток, вызывающий тошноту, его заменили более новыми ингаляционными анестетиками, включая фторсодержащие соединения галотан и галогенированные эфиры, десфлуран, изофлуран и севофлуран. Галогенированные простые эфиры, изофлуран, десфлуран и севофлуран демонстрируют меньшие побочные эффекты по сравнению с диэтиловым эфиром.К сожалению, безопасность этих соединений для персонала операционной была поставлена ​​под сомнение. Например, женщины, работающие в операционных, подвергшихся воздействию галотана, чаще страдают выкидышами, чем женщины в общей популяции.

---

Простые эфиры также являются общими функциональными группами, обнаруженными в натуральных продуктах, и могут обладать уникальной биологической активностью. Фактически, было обнаружено, что некоторые очень большие соединения, содержащие несколько простых эфиров, называемые полиэфирами , вызывают нейротоксическое отравление моллюсками.В этом примере динофлаггелат, Karina brevis , который является возбудителем цветения водорослей красного прилива, производит класс высокотоксичных полиэфиров, называемых бреватоксинами. Бреватоксин А изображен на рисунке 9.10. Симптомы этого отравления включают рвоту и тошноту, а также различные неврологические симптомы, такие как невнятная речь.

Рисунок 9.10 Нейротоксическое отравление моллюсками. Динофлаггелат, Karina brevis , показанный в верхнем левом углу, является возбудителем вредоносного цветения водорослей красного прилива.Цветение морских водорослей может быть довольно обширным, как показано на фотографии красного прилива (вверху справа), происходящего недалеко от Сан-Диего, Калифорния. K. brevis производит класс полиэфиров, называемых бреватоксинами. Бреватоксин А показан в качестве примера. Моллюски и мышцы, питающиеся фильтром, загрязняются динофлаггелатом и могут вызвать нейротоксическое отравление моллюсками при употреблении в пищу. Красные приливы могут иметь серьезные экономические издержки, так как промыслы и промысел моллюсков должны быть закрыты до тех пор, пока уровни токсинов в коммерческих продуктах не вернутся к приемлемым уровням.

Вернуться к началу

---

9,4 Альдегиды и кетоны

Альдегиды и кетоны характеризуются наличием карбонильной группы (C = O), и их реакционную способность обычно можно понять, признав, что карбонильный углерод содержит частичный положительный заряд (δ +), а карбонильный кислород содержит частичный отрицательный заряд. (δ−). Альдегиды обычно более реакционноспособны, чем кетоны.

Карбонильная группа

A карбонильная группа представляет собой химически органическую функциональную группу, состоящую из атома углерода, связанного двойной связью с атомом кислорода -> [ C = O ] Простейшими карбонильными группами являются альдегиды и кетоны, обычно присоединенные к другому углеродному соединению.Эти структуры можно найти во многих ароматических соединениях, влияющих на запах и вкус.

Прежде чем углубляться в подробности, обязательно поймите, что сама сущность C = O известна как « c арбонильная группа », в то время как члены этой группы называются « карбонильные соединения . «.

Как обсуждалось ранее, мы понимаем, что у кислорода есть две неподеленные пары электронов. Эти электроны делают кислород более электроотрицательным, чем углерод.Тогда углерод является частично положительным (или электрофильный, = «любящий электроны»), а кислород частично отрицательным ( нуклеофильный = «любящий ядро ​​или протон»). Поляризуемость обозначается дельтой в нижнем регистре и положительным или отрицательным верхним индексом в зависимости от атома. Например, углерод будет иметь δ ⁺ , а кислород δ ^—.

---

Свойства альдегидов и кетонов

Альдегиды

В альдегидах к карбонильной группе присоединен атом водорода вместе с

• второй атом водорода
• или, чаще, углеводородная группа, которая может быть алкильной группой или группой, содержащей бензольное кольцо.

В этом разделе мы игнорируем те, которые содержат бензольные кольца. Ниже приведены некоторые примеры альдегидов

Обратите внимание, что все они имеют один и тот же конец молекулы. Отличается только сложность другой присоединенной углеродной группы. Когда вы пишете формулы для них, альдегидная группа (карбонильная группа с присоединенным атомом водорода) всегда записывается как -CHO — никогда как COH. Его легко спутать с алкоголем.Например, этанал записывается как CH ₃ CHO; метанал как HCHO.

Кетоны

В кетонах к карбонильной группе присоединены две углеродные группы. Опять же, это могут быть либо алкильные группы, либо группы, содержащие бензольные кольца. Обратите внимание, что к карбонильной группе кетонов никогда не присоединен атом водорода.

Пропанон обычно обозначается как CH ₃ COCH ₃ .

Точки кипения и растворимость

Метаналь, также известный как формальдегид (HCHO), представляет собой газ при комнатной температуре (точка кипения -21 ° C), а этаналь, также известный как ацетальдегид, имеет точку кипения + 21 ° C. Это означает, что этаналь кипит при температуре, близкой к комнатной. Более крупные альдегиды и кетоны являются жидкостями, температура кипения которых повышается по мере увеличения размера молекул. Величина точки кипения определяется силой межмолекулярных сил.В этих молекулах обнаружены две основные межмолекулярные силы:

• Лондонские силы дисперсии : Эти притяжения тем сильнее, чем длиннее молекулы и больше электронов. Это увеличивает размеры устанавливаемых временных диполей. Вот почему точки кипения увеличиваются с увеличением числа атомов углерода в цепях — независимо от того, говорите ли вы об альдегидах или кетонах.
• Диполь-дипольное притяжение : И альдегиды, и кетоны являются полярными молекулами из-за наличия двойной связи углерод-кислород.Помимо дисперсионных сил, между постоянными диполями на соседних молекулах также будет существовать притяжение. Это означает, что точки кипения будут выше, чем у углеводородов аналогичного размера, которые обладают только дисперсионными силами. Интересно сравнить три молекулы одинакового размера. Они имеют одинаковую длину и одинаковое (хотя и не одинаковое) количество электронов.

Поляризация карбонильных групп также влияет на температуру кипения альдегидов и кетонов, которая выше, чем у углеводородов аналогичного размера.Однако, поскольку они не могут образовывать водородные связи, их температуры кипения обычно ниже, чем у спиртов аналогичного размера. В таблице 9.2 приведены некоторые примеры соединений одинаковой массы, но содержащих разные типы функциональных групп. Обратите внимание, что соединения с более сильными межмолекулярными силами имеют более высокие температуры кипения.

Алканы <Альдегиды <Кетоны <Спирты

Таблица 9.2 Сравнение точек кипения и межмолекулярных сил

Из-за полярности карбонильной группы атом кислорода альдегида или кетона вступает в водородную связь с молекулой воды.

Таким образом, растворимость альдегидов и кетонов примерно такая же, как у спиртов и простых эфиров. Формальдегид (HCHO), ацетальдегид (CH ₃ CHO) и ацетон ((CH ₃ ) ₂ CO) растворимы в воде. По мере увеличения длины углеродной цепи растворимость в воде снижается. Граница растворимости находится примерно при четырех атомах углерода на атом кислорода. Все альдегиды и кетоны растворимы в органических растворителях и, как правило, менее плотны, чем вода.

Вернуться к началу

---

Альдегиды и кетоны в природе

Подобно другим кислородсодержащим функциональным группам, обсуждавшимся до сих пор, альдегиды и кетоны также широко распространены в природе и часто сочетаются с другими функциональными группами. Примеры встречающихся в природе молекул, которые содержат функциональную группу альдегида или кетона, показаны на следующих двух рисунках. Соединения на рисунке 9.11 обнаруживаются в основном в растениях или микроорганизмах, а также в соединениях на рисунке 9.12 имеют животное происхождение. Многие из этих молекулярных структур хиральны и имеют отчетливую стереохимию.

Когда хиральные соединения встречаются в природе, они обычно энантиомерно чисты, хотя разные источники могут давать разные энантиомеры. Например, карвон обнаружен как его левовращающий (R) -энантиомер в масле мяты курчавой, тогда как семена тмина содержат правовращающий (S) -энантиомер. В этом случае изменение стереохимии вызывает резкое изменение воспринимаемого запаха.Альдегиды и кетоны известны своим сладким, а иногда и резким запахом. Запах ванильного экстракта исходит от молекулы ванилина. Точно так же бензальдегид придает сильный запах миндаля. Благодаря приятным ароматам молекулы, содержащие альдегиды и кетоны, часто встречаются в парфюмерии. Однако не все ароматы приятны. В частности, 2-гептанон является частью резкого аромата голубого сыра, а (R) -Muscone является частью мускусного запаха гималайской кабарги.Наконец, кетоны присутствуют во многих важных гормонах, таких как прогестерон (женский половой гормон) и тестостерон (мужской половой гормон). Обратите внимание, как тонкие различия в структуре могут вызвать резкие изменения в биологической активности. Функциональность кетонов также проявляется в противовоспалительном стероиде кортизоне.

Рис. 9.11 Примеры молекул, содержащих альдегид и кетон, выделенных из растительных источников.

---

Рисунок 9.12 Примеры молекул, содержащих альдегид и кетон, выделенных из животных источников.

---

Для вашего здоровья: кетоны в крови, моче и дыхании

Кетоны образуются в организме человека как побочный продукт липидного обмена. Два общих метаболита, продуцируемых в организме человека, — это кетонсодержащая ацетоуксусная кислота и метаболит спирта, β-гидроксибутират. Ацетон также производится как продукт распада ацетоуксусной кислоты. Затем ацетон может выводиться из организма с мочой или в виде летучего продукта через легкие.

Обычно кетоны не попадают в кровоток в заметных количествах. Например, нормальная концентрация ацетона в организме человека составляет менее 1 мг / 100 мл крови. Вместо этого кетоны, которые вырабатываются во время метаболизма липидов внутри клеток, обычно полностью окисляются и расщепляются на углекислый газ и воду. Это потому, что глюкоза является основным источником энергии для тела, особенно для мозга. Глюкоза в контролируемых количествах попадает в кровоток печенью, где она перемещается по всему телу, обеспечивая энергию.Для мозга это основной источник энергии, поскольку гематоэнцефалический барьер блокирует транспорт больших липидных молекул. Однако во время голодания, когда глюкоза недоступна или при определенных болезненных состояниях, когда метаболизм глюкозы нарушен, например, при неконтролируемом сахарном диабете, концентрации кетонов в крови повышаются до более высоких уровней, чтобы обеспечить мозг альтернативным источником энергии. Однако, поскольку ацетоуксусная кислота и β-гидроксибутират содержат функциональные группы карбоновых кислот, добавление этих молекул в кровь вызывает закисление, которое, если его не контролировать, может вызвать опасное состояние, называемое кетоацидозом.Кетоацидоз может быть опасным для жизни событием. Кетоны легко обнаружить, так как ацетон выводится с мочой. В тяжелых случаях запах ацетона также может ощущаться в дыхании.

Вернуться к началу

---

9,5 Карбоновые кислоты и сложные эфиры

Карбоновые кислоты можно легко распознать, поскольку они имеют карбонильный углерод, который также непосредственно связан с функциональной группой спирта. Таким образом, карбонильный углерод также присоединен непосредственно к спирту.В сложноэфирной функциональной группе карбонильный углерод также непосредственно присоединен как часть простой эфирной функциональной группы.

Свойства карбоновых кислот и сложных эфиров

Карбоновые кислоты

Карбоновые кислоты — это органические соединения, которые включают карбоксильную функциональную группу, CO ₂ H. Название карбоксил происходит от того факта, что карбонильная и гидроксильная группы присоединены к одному и тому же атому углерода.

Карбоновые кислоты названы так потому, что они могут отдавать водород для образования карбоксилатного иона.Факторы, влияющие на кислотность карбоновых кислот, будут рассмотрены позже.

Сложные эфиры

Сложный эфир представляет собой органическое соединение, которое является производным карбоновой кислоты, в которой атом водорода гидроксильной группы заменен на алкильную группу. Структура представляет собой продукт карбоновой кислоты (R-часть) и спирта (R’-часть). Общая формула сложного эфира показана ниже.

Группа R может быть водородной или углеродной цепью.Группа R ‘должна быть углеродной цепью, поскольку атом водорода сделает молекулу карбоновой кислотой. Шаги по названию сложных эфиров вместе с двумя примерами показаны ниже.

Точки кипения, точки плавления и растворимость

Карбоновые кислоты могут образовывать димеры с водородными связями, температура кипения которых выше, чем у спиртов аналогичного размера (таблица 9.3).

Таблица 9.3 Сравнение температур кипения соединений аналогичного размера

Мелкие сложные эфиры имеют температуры кипения ниже, чем у альдегидов и кетонов с аналогичной массой (Таблица 9.3). Сложные эфиры, как и альдегиды и кетоны, являются полярными молекулами. однако их диполь-дипольные взаимодействия слабее, чем у альдегидов и кетонов, и они не могут образовывать водородные связи. Таким образом, их температуры кипения выше, чем у простых эфиров, и ниже, чем у альдегидов и кетонов аналогичного размера.

Карбоновые кислоты с низким молекулярным весом обычно жидкие при комнатной температуре, тогда как более крупные молекулы образуют воскообразные твердые вещества. Карбоновые кислоты с длиной углеродной цепи от 12 до 20 атомов углерода обычно называют жирными кислотами, поскольку они обычно содержатся в жирах и маслах.По сравнению с другими кислородсодержащими молекулами, карбоновые кислоты с короткой цепью обычно растворимы в воде из-за их способности образовывать водородные связи. По мере увеличения длины углеродной цепи растворимость карбоновой кислоты в воде снижается. Сложные эфиры также могут связываться водородом с водой, хотя и не так эффективно, как карбоновые кислоты, и поэтому они немного менее растворимы в воде, чем карбоновые кислоты аналогичного размера.

Карбоновые кислоты обычно имеют неприятный, резкий и даже прогорклый запах.Например, запах уксуса возникает из-за этановой кислоты (также известной как уксусная кислота). Запах тренажерных залов и немытых носков в значительной степени вызван бутановой кислотой, а гексановая кислота отвечает за сильный запах лимбургского сыра. Из-за своей кислой природы карбоновые кислоты также имеют кислый вкус, как это отмечается для уксуса и лимонной кислоты, содержащихся во многих фруктах. С другой стороны, сложные эфиры обладают приятным ароматом и ответственны за аромат многих фруктов и цветов. Сложные эфиры также могут иметь фруктовый привкус.

Практические задачи:

1. Какое соединение имеет более высокую точку кипения — CH ₃ CH ₂ CH ₂ OCH ₂ CH ₃ или CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOH? Объяснять.

2. Какое соединение имеет более высокую точку кипения — CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ OH или CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOH? Объяснять.

3. Какое соединение более растворимо в воде — CH ₃ COOH или CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₃ ? Объяснять.

4. Какое соединение более растворимо в воде — CH ₃ CH ₂ COOH или CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ COOH? Объяснять.

Ответы

1. CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOH из-за водородной связи (Нет межмолекулярной водородной связи с CH ₃ CH ₂ CH ₂ OCH ₂ CH ₃ .)

3. CH ₃ COOH, потому что он участвует в водородной связи с водой (Нет межмолекулярной водородной связи с CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₃ .)

---

Обычно используемые карбоновые кислоты и сложные эфиры

Карбоновые кислоты и сложные эфиры широко распространены в природе и используются для множества целей. Например, муравьи из семейства Formicidae используют простейшую карбоновую кислоту, муравьиную кислоту, как в качестве химической защиты, так и в качестве атаки для подчинения добычи (рис.9.13А). Разбавленный раствор уксусной кислоты (5%) содержится в уксусе и отвечает за кислый и острый вкус. Уксусная кислота также придает хлебу на закваске острый вкус и отвечает за кислый привкус вина. Лимонная кислота содержится во многих фруктах и ​​является причиной их кислого вкуса. Другие карбоновые кислоты, такие как ПАБК и гликолевая кислота, используются в косметической промышленности. ПАБК, продуцируемая растениями, грибами и бактериями, является обычным компонентом пищи и по структуре связана с витамином фолиевой кислоты.В 1943 году ПАБК был запатентован как одно из первых соединений, используемых при производстве солнцезащитного крема. Однако с середины 1980-х его использование перестало быть популярным из-за опасений, что он может увеличить клеточное УФ-повреждение, а также способствовать развитию аллергии. Гликолевая кислота является наименьшей из кислот класса α-гидроксикислот, и она нашла применение как в пищевой, так и в косметической промышленности. В пищевой промышленности он используется в качестве консерванта, а в индустрии ухода за кожей он чаще всего используется в качестве химического пилинга для уменьшения рубцов на лице от прыщей.

Рис. 9.13 Источники и использование обычных карбоновых кислот. (A) Муравьиная кислота — это защитный токсин, используемый муравьями семейства Formicidae. Фото Мухаммада Махди Карима (B) Уксус — это 5% раствор уксусной кислоты. На фотографии слева показаны различные сорта уксуса на рынке во Франции. Фото Жоржа Сегена (C) Лимонная кислота — обычный компонент фруктов, придающий им кислый вкус. Фотография лимонов, сделанная Андре Карватом (D). Пара-аминобензойная кислота (ПАБК) — карбоновая кислота, обычно встречающаяся в растениях и пищевых культурах, включая цельное зерно.Он был запатентован в 1943 году для использования в солнцезащитных средствах. Однако из-за проблем с безопасностью и аллергической реакции использование ПАБК для этой цели было прекращено. Фотография солнцезащитного крема предоставлена ​​HYanWong (E) Гликолевая кислота обычно используется в косметике в качестве химического пилинга, используемого для уменьшения рубцов от прыщей. На фото слева — до лечения, а справа — после нескольких процедур с гликолевой кислотой. Исследование гликолей предоставлено Джайшри Шарад.

---

Сложные эфиры легко синтезируются и в большом количестве естественным образом способствуют возникновению вкусов и ароматов многих фруктов и цветов.Например, сложный эфир метилсалицилата также известен как масло грушанки (рис. 9.14). Фруктовый аромат ананасов, груш и клубники обусловлен сложными эфирами, а также сладким ароматом рома.

Рис. 9.14. Фруктовые и приятные ароматы сложных эфиров можно найти в (A) масле грушанки, (B) аромате ананасов и (C) сладости рома. Фотография (A) Gaultheria procumbens , производителя масла грушанки предоставлена: LGPL (B) фото ананаса предоставлено: David Monniaux, и (C) Фотография рома предоставлена: Summerbl4ck

---

Сложные эфиры также составляют основную часть животных жиров и растительных масел в виде триглицеридов.Образование липидов и жиров будет более подробно описано в главе 11.

Вернуться к началу

---

9.6 Реакции кислородсодержащих соединений

Спирты

Функциональные группы спирта могут участвовать в нескольких различных типах реакций. В этом разделе мы обсудим два основных типа реакций. Первые — это реакции дегидратации, а вторые — реакции окисления.Спирты также могут участвовать в реакциях присоединения и замещения с другими функциональными группами, такими как альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты. Эти типы реакций будут обсуждаться более подробно в разделах, посвященных альдегидам, кетонам и карбоновым кислотам.

Реакции обезвоживания (устранения)

В главе 8 мы узнали, что спирты могут образовываться в результате гидратации алкенов во время реакций присоединения. Мы также узнали, что может иметь место и обратная реакция.Спирты могут быть удалены или удалены из молекул посредством процесса обезвоживания (или удаления воды). Результатом реакции элиминирования является образование алкена и молекулы воды.

Реакции элиминирования, которые происходят с более сложными молекулами, могут привести к более чем одному возможному продукту. В этих случаях алкен образуется в более замещенном положении (у углерода, который имеет больше атомов углерода и меньше атомов водорода).Например, в реакции ниже спирт не является симметричным. Таким образом, существует два возможных продукта реакции элиминирования, вариант 1 и вариант 2. В варианте 1 алкен образуется с углеродом, который имеет наименьшее количество присоединенных атомов водорода, тогда как в варианте 2 алкен образуется с углеродом, имеющим большинство атомов водорода присоединены. Таким образом, вариант 1 будет основным продуктом реакции, а вариант 2 — второстепенным продуктом.

---

Реакции отщепления спирта с использованием небольших 1 ^o спиртов также могут быть использованы для получения простых эфиров.Для получения простого эфира, а не алкена, температура реакции должна быть снижена, и реакция должна проводиться с избытком спирта в реакционной смеси. Например:

2 Канал 3 Канал 2 -OH + H 2 SO 4	130 ºC	CH 3 CH 2 -O-CH 2 CH 3 + H 2 O
CH 3 CH 2 -OH + H 2 SO 4	150 ºC	CH 2 = CH 2 + H 2 O

В этой реакции необходимо использовать избыток спирта и поддерживать температуру около 413 К.Если спирт не используется в избытке или температура выше, спирт предпочтительно подвергнется дегидратации с образованием алкена. Дегидратация вторичных и третичных спиртов для получения соответствующих эфиров неэффективна, поскольку в этих реакциях слишком легко образуются алкены.

---

Реакции окисления

Некоторые спирты также могут подвергаться реакциям окисления. Помните, что в окислительно-восстановительных реакциях окисляемый компонент реакции теряет электроны (LEO), в то время как молекула, получающая электроны, восстанавливается (GER).В органических реакциях поток электронов обычно следует за потоком атомов водорода. Таким образом, молекула, теряющая водород, обычно также теряет электроны и является окисленным компонентом. Молекула, набирающая электроны, сокращается. Для спиртов могут быть окислены как первичные, так и вторичные спирты. С другой стороны, третичные спирты не окисляются. Во многих реакциях окисления окислитель показан над стрелкой реакции как [O]. Окислитель может быть металлом или другой органической молекулой.В реакции окислителем является молекула, которая восстанавливается или принимает электроны.

В реакциях окисления спирта водород из спирта и водород, связанный с углеродом, к которому присоединен спирт, вместе со своими электронами удаляются из молекулы окислителем. Удаление атомов водорода и их электронов приводит к образованию карбонильной функциональной группы. В случае первичного спирта результатом является образование альдегида.В случае вторичного спирта результатом является образование кетона. Обратите внимание, что для третичного спирта углерод, присоединенный к спиртовой функциональной группе, не имеет присоединенного к нему атома водорода. Таким образом, он не может подвергаться окислению. Когда третичный спирт подвергается воздействию окислителя, реакции не происходит.

Обратите внимание, что для первичного спирта, который подвергается окислению, он все еще сохраняет атом водорода, который присоединен к карбонильному углероду во вновь образованном альдегиде.Эта молекула может подвергаться вторичной реакции окисления с окислителем и водой, чтобы добавить еще один атом кислорода и удалить карбонильный атом водорода. Это приводит к образованию карбоновой кислоты.

---

Для вашего здоровья: физиологические эффекты спиртов

Метанол довольно ядовит для человека. Проглатывание всего 15 мл метанола может вызвать слепоту, а 30 мл (1 унцию) — смерть. Однако обычная смертельная доза составляет от 100 до 150 мл.Основная причина токсичности метанола заключается в том, что у нас есть ферменты печени, которые катализируют его окисление до формальдегида, простейшего члена семейства альдегидов:

Формальдегид быстро вступает в реакцию с компонентами клеток, коагулируя белки почти так же, как при варке яйца. Это свойство формальдегида объясняет большую часть токсичности метанола.

Органические и биохимические уравнения часто записываются, показывая только органические реагенты и продукты.Таким образом, мы сосредотачиваем внимание на органическом исходном материале и продукте, а не на балансировании сложных уравнений.

Этанол окисляется в печени до ацетальдегида:

Ацетальдегид, в свою очередь, окисляется до уксусной кислоты (HC ₂ H ₃ O ₂ ), нормального компонента клеток, которая затем окисляется до диоксида углерода и воды. Даже в этом случае этанол потенциально токсичен для человека. Быстрое употребление 1 pt (около 500 мл) чистого этанола убило бы большинство людей, а от острого отравления этанолом ежегодно умирает несколько сотен человек — часто тех, кто участвует в каком-то соревновании по выпивке.Этанол свободно проникает в мозг, где он угнетает центр контроля дыхания, что приводит к отказу дыхательных мышц в легких и, как следствие, к удушью. Считается, что этанол действует на мембраны нервных клеток, вызывая ухудшение речи, мышления, познания и суждения.

Медицинский спирт обычно представляет собой 70% -ный водный раствор изопропилового спирта. Он имеет высокое давление пара, а его быстрое испарение с кожи производит охлаждающий эффект. При проглатывании он токсичен, но, по сравнению с метанолом, хуже всасывается через кожу.

---

Напишите уравнение окисления каждого спирта. Используйте [O] над стрелкой, чтобы указать окислитель. Если реакции не происходит, напишите «нет реакции» после стрелки.

1. Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ ОН

Раствор

Первый шаг — определить класс каждого алкоголя как первичный, вторичный или третичный.

1. Этот спирт имеет группу ОН на атоме углерода, который присоединен только к одному другому атому углерода, так что это первичный спирт. При окислении сначала образуется альдегид, а при дальнейшем окислении образуется карбоновая кислота.

2. Этот спирт имеет группу ОН на атоме углерода, который присоединен к трем другим атомам углерода, поэтому это третичный спирт. Никакой реакции не происходит.

3. Этот спирт имеет группу ОН на атоме углерода, который присоединен к двум другим атомам углерода, так что это вторичный спирт; окисление дает кетон.

Напишите уравнение окисления каждого спирта. Используйте [O] над стрелкой, чтобы указать окислитель. Если реакции не происходит, напишите «нет реакции» после стрелки.

---

Вернуться к началу

Альдегиды и кетоны

В этом разделе мы обсудим первичные реакции альдегидов и кетонов. К ним относятся реакции окисления и восстановления, а также реакции сочетания со спиртами.

Реакции окисления

Как показано выше в разделе, посвященном спиртам, альдегиды могут подвергаться окислению с образованием коарбоновой кислоты. Это связано с тем, что карбонильный атом углерода все еще сохраняет атом водорода, который можно удалить и заменить атомом кислорода. Кетоны, с другой стороны, не содержат атом водорода, связанный с карбонильным атомом углерода. Таким образом, они не могут подвергаться дальнейшему окислению. Как отмечалось выше, кетоны, которые подвергаются действию окислителя, не вступают в реакцию.

Реакции восстановления

Реакции восстановления с альдегидами и кетонами превращают эти соединения в первичные спирты в случае альдегидов и вторичные спирты в случае кетонов. По сути, это реакции, обратные реакциям окисления спирта.

Например, с альдегидом этанал получается первичный спирт, этанол:

Обратите внимание, что это упрощенное уравнение, где [H] означает «водород из восстановителя».В общих чертах, восстановление альдегида приводит к первичному спирту.

Восстановление кетона, такого как пропанон, даст вам вторичный спирт, такой как 2-пропанол:

Восстановление кетона приводит к вторичному спирту.

---

Реакции присоединения со спиртами

Альдегиды и кетоны могут реагировать со спиртовыми функциональными группами в реакциях присоединения (комбинации).Эти типы реакций обычны по своей природе и очень важны в процессе циклизации молекул сахара. Мы вернемся к этому вопросу в главе 11 во введении к основным макромолекулам тела.

Когда к альдегиду добавляется спирт, получается полуацеталь ; когда к кетону добавляется спирт, получается гемикеталь .

В приведенной выше реакции B: относится к основанию, которое присутствует в растворе и может действовать как акцептор протонов.В этой реакции обычное основание активирует спирт в реакции (кислород спирта показан красным). Кислород спирта тогда заряжается отрицательно, потому что он переносит лишние электроны от водорода. Теперь он может действовать как нуклеофил и атаковать карбонильный углерод альдегида или кетона. Когда кислород спирта образует связь с карбонильным углеродом альдегида или кетона, это замещает одну из двойных связей карбонильной группы. Оксиен из карбонила затем вытягивает водород из обычной кислоты, присутствующей в растворе.На этой диаграмме обычная кислота обозначена как H-A. При этом образуется спирт на месте карбонильной группы альдегида или кетона. Исходная спиртовая группа теперь выглядит как эфирная функциональная группа. Таким образом, вы можете распознать полуацетали и гемикетали в природных продуктах как атом углерода, который одновременно связан как со спиртовой, так и с простой эфирной функциональной группой. Если этот углерод также имеет водородную связь с ним, он происходит из альдегида и называется полуацеталем .Если центральный углерод связан с двумя другими атомами углерода (обозначенными выше R ₁ и R ₃ выше) в дополнение к атомам кислорода, молекула произошла от кетона и называется полукеталем .

Приставка « hemi» (половина) используется в каждом термине, потому что, как мы вскоре увидим, может произойти второе добавление нуклеофила спирта, что приведет к образованию видов, называемых ацеталей и кеталей .

Образование полуацеталей и гемикеталей в биологических системах является обычным явлением и часто происходит спонтанно (без присутствия катализатора или фермента), особенно в случае простых молекул сахара.Из-за спонтанности реакций они также очень обратимы: полуацетали и гемикетали легко превращаются обратно в альдегиды и кетоны плюс спирт. Механизм обратного превращения полуацеталя в альдегид показан ниже:

Практические задачи:

---

Реакции с образованием ацеталей или кеталов

Когда полуацеталь (или гемикеталь) подвергается нуклеофильной атаке со стороны второй молекулы спирта, результат называется ацеталем (или кеталем ).

В то время как образование полуацеталя из альдегида и спирта (этап 1 выше) является нуклеофильным присоединением, образование ацеталя из полуацеталя (этап 2 выше) представляет собой реакцию нуклеофильного замещения с исходным карбонилом кислород (показан синим) выходит в виде молекулы воды. Поскольку вода покидает молекулу во второй реакции (стадия 2), эта реакция также известна как реакция дегидратации . Реакция замещения, происходящая на второй стадии, не происходит спонтанно и не является легко обратимой.Внутри биологических систем для образования ацеталя или кеталя потребуется фермент. Обратите внимание, что и ацеталь, и кеталь выглядят как центральный углерод, связанный с двумя функциональными группами простого эфира. Если этот центральный углерод также связан с водородом, то это ацталь, а если он связан с двумя атомами углерода, это кеталь. Обратная реакция будет включать разложение ацеталя или кеталя с использованием гидролиза или проникновения воды в молекулу.

Практические задачи:

---

Вернуться к началу

Карбоновые кислоты

Кислотность карбоновых кислот

Согласно определению кислоты как «вещества, которое отдает протоны (ионы водорода) другим вещам», карбоновые кислоты являются кислыми, потому что водород в группе -COOH может быть передан другим молекулам.В растворе в воде ион водорода передается от группы -COOH к молекуле воды. Например, с этановой кислотой (как показано ниже) вы получаете этаноат-ион, образованный вместе с ионом гидроксония, H ₃ O ⁺ .

CH ₃ COOH + H ₂ O ⇌ CH ₃ COO ^— + H ₃ O ⁺

Эта реакция обратима, и в случае этановой кислоты (уксусной кислоты) не более 1% кислоты прореагировало с образованием ионов за один раз.

Таким образом, карбоновые кислоты являются слабыми кислотами.

Карбоновые кислоты и образование солей

Из-за своей кислой природы карбоновые кислоты могут реагировать с более химически активными металлами с образованием ионных связей и образования солей. Реакции такие же, как и с кислотами, такими как соляная кислота, за исключением того, что они, как правило, довольно медленнее.

2CH ₃ COOH (водн.) + Mg (s) → (CH ₃ COO) ₂ Mg + H ₂

В указанной выше реакции разбавленная этановая кислота реагирует с магнием.Магний реагирует с образованием бесцветного раствора этаноата магния и выделяется газообразный водород. Если вы используете магниевую ленту, реакция будет менее интенсивной, чем такая же реакция с соляной кислотой, но с порошком магния обе протекают так быстро, что вы, вероятно, не заметите большой разницы.

Пример проблемы:

Напишите уравнение для каждой реакции.

1. ионизация пропионовой кислоты (CH ₂ CH ₂ COOH) в воде (H ₂ O)
2. нейтрализация пропионовой кислоты водным гидроксидом натрия (NaOH)

Решение:

1. Пропионовая кислота ионизируется в воде с образованием пропионат-иона и иона гидроксония (H ₃ O ⁺ ).

   CH ₃ CH ₂ COOH (водн.) + H ₂ O (ℓ) → CH ₃ CH ₂ COO ^— (водн.) + H ₃ O ⁺ (водн.)

2. Пропионовая кислота реагирует с NaOH (водн.) С образованием пропионата натрия и воды.

   CH ₃ CH ₂ COOH (водн.) + NaOH (водн.) → CH ₃ CH ₂ COO ^— Na ⁺ (водн.) + H ₂ O (ℓ)

Образование сложных эфиров из карбоновых кислот и спиртов

Сложный эфир может быть образован путем объединения карбоновой кислоты со спиртом в присутствии сильной кислоты или в присутствии фермента в биологических системах.В реакции этерификации гидроксильная группа карбоновой кислоты действует как уходящая группа и образует молекулу воды в конечном продукте. Он заменен группой -OR из спирта.

Реакция обратимая. В качестве конкретного примера реакции этерификации бутилацетат может быть получен из уксусной кислоты и 1-бутанола.

Более подробно: конденсационные полимеры

Коммерчески важной реакцией этерификации является конденсационная полимеризация, при которой происходит реакция между дикарбоновой кислотой и двухатомным спиртом (диолом) с удалением воды.Такая реакция дает сложный эфир, который содержит свободную (непрореагировавшую) карбоксильную группу на одном конце и свободную спиртовую группу на другом конце. Затем происходят дальнейшие реакции конденсации с образованием полиэфирных полимеров.

Самый важный полиэфир, полиэтилентерефталат (ПЭТ), производится из мономеров терефталевой кислоты и этиленгликоля:

Из молекул полиэстера получаются отличные волокна, которые используются во многих тканях. Вязаная полиэфирная трубка, которая является биологически инертной, может использоваться в хирургии для восстановления или замены пораженных участков кровеносных сосудов.ПЭТ используется для изготовления бутылок для газировки и других напитков. Из него также образуются пленки, называемые майларом. В магнитном покрытии майларовая лента используется в аудио- и видеокассетах. Синтетические артерии могут быть изготовлены из ПЭТ, политетрафторэтилена и других полимеров.

Практические задачи:

Завершите следующие реакции:

Гидролиз сложных эфиров

Обратную реакцию образования сложного эфира можно использовать для разложения сложных эфиров на карбоновую кислоту и спирт.Эта реакция требует включения воды в сложноэфирную связь, и поэтому называется реакцией гидролиза .

Сложный эфир нагревают с большим избытком воды, содержащей сильный кислотный катализатор. Как и при этерификации, реакция обратима и не доходит до завершения.

В качестве конкретного примера бутилацетат и вода реагируют с образованием уксусной кислоты и 1-бутанола. Реакция обратима и не доходит до завершения.

Практические задачи:

---

Вернуться к началу

9.7 Краткое содержание главы

Гидроксильная группа (ОН) является функциональной группой спиртов . Спирты представлены общей формулой ROH. Спирты получают из алканов путем замены одного или нескольких атомов водорода на группу ОН. Первичный (1 °) спирт (RCH ₂ OH) имеет группу ОН на атоме углерода, присоединенную к еще одному атому углерода; вторичный (2 °) спирт (R ₂ CHOH) имеет группу ОН на атоме углерода, присоединенную к двум другим атомам углерода; и третичный (3 °) спирт (R ₃ COH) имеет группу ОН на атоме углерода, присоединенную к трем другим атомам углерода.

Способность вступать в водородные связи значительно увеличивает точки кипения спиртов по сравнению с углеводородами сопоставимой молярной массы. Спирты также могут вступать в водородную связь с молекулами воды, а спирты, содержащие до четырех атомов углерода, растворимы в воде.

Многие спирты можно синтезировать путем гидратации алкенов. Обычные спирты включают метанол, этанол и изопропиловый спирт. Метанол довольно ядовит. Это может вызвать слепоту или даже смерть. Этанол можно получить из этилена или получить путем ферментации.Это «алкоголь» в алкогольных напитках. Иногда люди по ошибке пьют метанол, думая, что это алкогольный напиток. Иногда недобросовестные бутлегеры продают метанол ничего не подозревающим покупателям. В любом случае результаты зачастую трагичны.

Когда вода удаляется из спирта на стадии дегидратации, результатом является либо алкен, либо простой эфир, в зависимости от условий реакции. Первичные спирты окисляются до альдегидов или карбоновых кислот, а вторичные спирты окисляются до кетонов.Третичные спирты не окисляются легко.

Спирты, содержащие две группы ОН на соседних атомах углерода, называются гликолями .

Фенолы (ArOH) представляют собой соединения, имеющие группу ОН, присоединенную к ароматическому кольцу.

Простые эфиры (ROR ′, ROAr, ArOAr) представляют собой соединения, в которых атом кислорода присоединен к двум органическим группам. Молекулы эфира не имеют группы ОН и, следовательно, межмолекулярной водородной связи. Следовательно, простые эфиры имеют довольно низкие температуры кипения для данной молярной массы.Молекулы эфира имеют атом кислорода и могут вступать в водородную связь с молекулами воды. Молекула эфира имеет примерно такую ​​же растворимость в воде, как и спирт, изомерный с ней.

Карбонильная группа , двойная связь углерод-кислород, встречается повсеместно в биологических соединениях. Он содержится в углеводах, жирах, белках, нуклеиновых кислотах, гормонах и витаминах — органических соединениях, важных для живых систем.

Карбонильная группа является определяющей особенностью альдегидов и кетонов .В альдегидах по крайней мере одна связь в карбонильной группе представляет собой связь углерод-водород; в кетонах обе доступные связи у карбонильного атома углерода являются связями углерод-углерод. Альдегиды синтезируются окислением первичных спиртов. Альдегид можно дополнительно окислить до карбоновой кислоты. Кетоны получают окислением вторичных спиртов. Мягкие окислители окисляют альдегиды до карбоновых кислот. Кетоны этими реагентами не окисляются.

Альдегиды и кетоны могут реагировать со спиртами с образованием полуацеталей и гемикеталей соответственно.Эти реакции происходят без добавления катализатора и могут двигаться как в прямом, так и в обратном направлении. Гемиацетали и гемикетали могут вступать в реакцию с дополнительной молекулой спирта с образованием ацеталей и кеталей. Образование ацеталя или кеталя требует удаления воды и называется реакцией дегидратации. Эти реакции требуют катализатора или фермента, чтобы они происходили. Обратная реакция, которая расщепляет ацеталь с образованием полуацеталя и спирта, требует добавления молекулы воды и называется гидролизом.

Карбоновая кислота (RCOOH) содержит функциональную группу COOH, называемую карбоксильной группой , которая имеет группу ОН, присоединенную к карбонильному атому углерода. Сложный эфир (RCOOR ‘) имеет группу OR’, присоединенную к карбонильному атому углерода.

Карбоновая кислота образуется при окислении альдегида с тем же числом атомов углерода. Поскольку альдегиды образуются из первичных спиртов, эти спирты также являются исходным материалом для карбоновых кислот.

Карбоновые кислоты имеют сильный, часто неприятный запах. Это высокополярные молекулы, которые легко образуют водородные связи, поэтому имеют относительно высокие температуры кипения.

Карбоновые кислоты — слабые кислоты. Они реагируют с основаниями с образованием солей и с карбонатами и бикарбонатами с образованием газообразного диоксида углерода и соли кислоты.

Сложные эфиры — это соединения с приятным запахом, отвечающие за аромат цветов и фруктов. У них более низкие температуры кипения, чем у сопоставимых карбоновых кислот, потому что, хотя молекулы сложного эфира в некоторой степени полярны, они не могут участвовать в водородных связях.Однако с водой сложные эфиры могут образовывать водородные связи; следовательно, сложные эфиры с низкой молярной массой растворимы в воде. Сложные эфиры могут быть синтезированы путем этерификации , в которой карбоновая кислота и спирт объединяются в кислых условиях. Сложные эфиры представляют собой нейтральные соединения, которые подвергаются гидролизу , реакции с водой. В кислых условиях гидролиз по существу является обратным этерификации.

Рисунок 9.15 Сводка важных реакций с кислородом.

---

Фармер С., Ройш В., Александер Э. и Рахим А. (2016) Органическая химия. Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Core/Organic_Chemistry

Ball, et al. (2016) MAP: Основы химии ГОБ. Либретексты. Доступно по ссылке: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Introductory_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_The_Basics_of_GOB_Chemistry_(Ball_et_al.)/14%3A_Organic_Compounds_of_Oxygen/14.10%3A_Proounds_of_Oxygen/14.10%3A_Android

McMurray (2017) MAP: Органическая химия.Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Organic_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Organic_Chemistry_(McMurry)

Содербург (2015) Карта: органическая химия с биологическим акцентом. Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Organic_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis_(Soderberg)

Антифриз. (2017, 5 января). В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 06:07, 21 апреля 2017 г., с https: // en.wikipedia.org/w/index.php?title=Antifreeze&oldid=758484047

Этиленгликоль. (2017, 4 апреля). В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено в 06:09, 21 апреля 2017 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ethylene_glycol&oldid=773769112

.

2,5 Органические соединения, необходимые для функционирования человека — анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определение органических молекул, необходимых для функционирования человека
• Объясните химию, лежащую в основе сродства углерода к ковалентным связям в органических соединениях
• Приведите примеры углеводов и определите основные функции углеводов в организме
• Обсудить липиды, важные для функционирования человека
• Опишите структуру белков и обсудите их важность для функционирования человека
• Определите строительные блоки нуклеиновых кислот и роли ДНК, РНК и АТФ в функционировании человека

Органические соединения обычно состоят из групп атомов углерода, ковалентно связанных с водородом, обычно с кислородом, а также часто с другими элементами.Созданные живыми существами, они встречаются по всему миру, в почвах и морях, в промышленных продуктах и ​​в каждой клетке человеческого тела. Четыре типа, наиболее важные для структуры и функций человека, — это углеводы, липиды, белки и нуклеотиды. Прежде чем исследовать эти соединения, вам нужно сначала понять химию углерода.

Химия углерода

То, что делает органические соединения повсеместными, — это химический состав их углеродного ядра. Вспомните, что атомы углерода имеют четыре электрона в своей валентной оболочке, и что правило октетов диктует, что атомы имеют тенденцию реагировать таким образом, чтобы заполнить свою валентную оболочку восемью электронами.Атомы углерода не завершают свою валентную оболочку, отдавая или принимая четыре электрона. Вместо этого они легко обмениваются электронами через ковалентные связи.

Обычно атомы углерода делятся с другими атомами углерода, часто образуя длинную углеродную цепь, называемую углеродным скелетом. Однако, когда они делятся, они не делят все свои электроны исключительно друг с другом. Скорее, атомы углерода имеют тенденцию делить электроны с множеством других элементов, одним из которых всегда является водород. Углеродные и водородные группы называются углеводородами.Если вы изучите фигуры органических соединений в оставшейся части этой главы, вы увидите несколько с цепочками углеводородов в одной области соединения.

Для заполнения четырех «вакансий» углерода возможно множество комбинаций. Углерод может делить электроны с кислородом, азотом или другими атомами в определенной области органического соединения. Более того, атомы, с которыми связаны атомы углерода, также могут быть частью функциональной группы. Функциональная группа — это группа атомов, связанных прочными ковалентными связями, которые, как правило, действуют в химических реакциях как единое целое.Вы можете думать о функциональных группах как о сплоченных «кликах», члены которых вряд ли разделятся. Для физиологии человека важны пять функциональных групп: гидроксильная, карбоксильная, амино, метильная и фосфатная группы (таблица 2.1).

Таблица 2.1: Функциональные группы, важные в физиологии человека

Функциональная группа	Структурный Формула	Важность
Гидроксил	-O-H	Гидроксильные группы полярны. Они являются компонентами всех четырех типов органических соединений, обсуждаемых в этой главе.Они участвуют в реакциях дегидратационного синтеза и гидролиза.
Карбоксил	О-С-ОН	Карбоксильные группы находятся в жирных кислотах, аминокислотах и ​​многих других кислотах.
Амино	—N — H 2	Аминогруппы находятся в аминокислотах, строительных блоках белков.
Метил	—C — H 3	Метильные группы находятся в аминокислотах.
Фосфат	—P — O 4 2–	Фосфатные группы находятся в фосфолипидах и нуклеотидах.

Сродство углерода к ковалентной связи означает, что многие отдельные и относительно стабильные органические молекулы легко образуют более крупные и сложные молекулы. Любая большая молекула обозначается как макромолекула (макро- = «большой»), и все органические соединения в этом разделе соответствуют этому описанию.Однако некоторые макромолекулы состоят из нескольких «копий» единичных единиц, называемых мономером (моно- = «один»; -мер = «часть»). Подобно бусам в длинном ожерелье, эти мономеры связываются ковалентными связями с образованием длинных полимеров (поли- = «много»). Среди органических соединений много примеров мономеров и полимеров.

Мономеры образуют полимеры путем дегидратационного синтеза (см. Рисунок 2.4.1). Как было отмечено ранее, в результате этой реакции выделяется молекула воды. Каждый мономер вносит свой вклад; один отдает атом водорода, а другой отдает гидроксильную группу.Полимеры разделяются на мономеры путем гидролиза (-lysis = «разрыв»). Связи между их мономерами разрываются из-за пожертвования молекулы воды, которая вносит атом водорода в один мономер и гидроксильную группу в другой.

Углеводы

Термин углевод означает «гидратированный углерод». Напомним, что корень гидро- указывает на воду. Углевод — это молекула, состоящая из углерода, водорода и кислорода; в большинстве углеводов водород и кислород находятся в тех же относительных пропорциях два к одному, что и в воде.Фактически, химическая формула «общей» молекулы углевода: (CH ₂ O) _n .

Углеводы называются сахаридами, что означает «сахара». В организме важны три формы: моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды — это мономеры углеводов. Дисахариды (ди- = «два») состоят из двух мономеров. Полисахариды — это полимеры, которые могут состоять из сотен и тысяч мономеров.

Моносахариды

Моносахарид представляет собой мономер углеводов. Для организма важны пять моносахаридов. Три из них представляют собой гексозные сахара, названные так потому, что каждый из них содержит шесть атомов углерода. Это глюкоза, фруктоза и галактоза, показанные на рис. 2.5.1 a . Остальные моносахариды — это два пентозных сахара, каждый из которых содержит пять атомов углерода. Это рибоза и дезоксирибоза, показанные на рисунке 2.5.1 б .

Рисунок 2.5.1 Пять важных моносахаридов

Дисахариды

Дисахарид представляет собой пару моносахаридов. Дисахариды образуются путем дегидратационного синтеза, и связывающая их связь называется гликозидной связью (глико- = «сахар»). Три дисахарида (показаны на рисунке 2.5.2) важны для человека. Это сахароза, обычно называемая столовым сахаром, лактозой или молочным сахаром, и мальтоза или солодовый сахар.Как вы можете понять по их обычным названиям, вы потребляете их в своем рационе, однако ваше тело не может использовать их напрямую. Вместо этого в пищеварительном тракте они расщепляются на составляющие их моносахариды посредством гидролиза.

Рисунок 2.5.2 — Три важных дисахарида: Все три важных дисахарида образуются путем дегидратационного синтеза.

Внешний веб-сайт

Посмотрите это видео, чтобы понаблюдать за образованием дисахарида. Что происходит, когда вода встречает гликозидную связь?

Полисахариды

Полисахариды могут содержать от нескольких до тысячи и более моносахаридов.Для организма важны три (рис. 2.5.3):

• Крахмалы — это полимеры глюкозы. Они образуют длинные цепи, называемые амилозой, или разветвленные цепи, называемые амилопектином, которые хранятся в растительных продуктах и ​​относительно легко перевариваются.
• Гликоген также является полимером глюкозы, но он хранится в тканях животных, особенно в мышцах и печени. Он не считается диетическим углеводом, потому что после убоя в тканях животных остается очень мало гликогена, однако человеческий организм сохраняет избыток глюкозы в виде гликогена, опять же, в мышцах и печени.
• Целлюлоза, полисахарид, который является основным компонентом клеточной стенки зеленых растений, является компонентом растительной пищи, называемым «клетчаткой». У людей целлюлоза / клетчатка не усваиваются, однако пищевые волокна имеют много преимуществ для здоровья. Это помогает вам чувствовать себя сытым, поэтому вы меньше едите, способствует здоровью пищеварительного тракта, а диета с высоким содержанием клетчатки, как считается, снижает риск сердечных заболеваний и, возможно, некоторых форм рака.

Рисунок 2.5.3 — Три важных полисахарида: Три важных полисахарида — это крахмал, гликоген и клетчатка.

Функции углеводов

Организм получает углеводы из растительной пищи. Зерновые, фрукты, бобовые и другие овощи обеспечивают большую часть углеводов в рационе человека, хотя лактоза содержится в молочных продуктах.

Хотя большинство клеток организма могут расщеплять другие органические соединения в качестве топлива, все клетки организма могут использовать глюкозу. Более того, нервные клетки (нейроны) головного и спинного мозга и периферической нервной системы, а также красные кровяные тельца могут использовать глюкозу только в качестве топлива.При расщеплении глюкозы для получения энергии образуются молекулы аденозинтрифосфата, более известного как АТФ. Аденозинтрифосфат (ATP) состоит из сахара-рибозы, основания аденина и трех фосфатных групп. АТФ высвобождает свободную энергию, когда его фосфатные связи разрываются, и, таким образом, поставляет готовую энергию в клетку. В присутствии кислорода (O2) вырабатывается больше АТФ, чем в путях, в которых кислород не используется. Общая реакция преобразования энергии глюкозы в энергию, запасенную в АТФ, может быть записана:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂ → 6 CO ₂ + 6 H ₂ O + ATP

Углеводы не только являются важным источником топлива, но и присутствуют в структуре клеток в очень малых количествах.Например, некоторые молекулы углеводов связываются с белками с образованием гликопротеинов, а другие соединяются с липидами с образованием гликолипидов, оба из которых находятся в мембране, которая окружает содержимое клеток организма.

Липиды

A Липид — одно из очень разнообразных соединений, состоящих в основном из углеводородов. Немногочисленные атомы кислорода, которые они содержат, часто находятся на периферии молекулы. Их неполярные углеводороды делают все липиды гидрофобными.В воде липиды не образуют настоящий раствор, но они могут образовывать эмульсию, что является термином для смеси растворов, которые плохо смешиваются.

Триглицериды

Триглицерид — одна из наиболее распространенных групп пищевых липидов, наиболее часто встречающаяся в тканях организма. Это соединение, которое обычно называют жиром, образуется в результате синтеза двух типов молекул (рис. 2.5.4):

• Глицериновая основная цепь в основе триглицеридов, состоящая из трех атомов углерода.
• Три жирные кислоты, длинные цепи углеводородов с карбоксильной группой и метильной группой на противоположных концах, отходящие от каждого из атомов углерода глицерина.

Рисунок 2.5.4 — Триглицериды: Триглицериды состоят из глицерина, присоединенного к трем жирным кислотам посредством синтеза дегидратации. Обратите внимание, что глицерин отдает атом водорода, а каждая карбоксильная группа жирных кислот отдает гидроксильную группу.

Триглицериды образуются путем дегидратационного синтеза. Глицерин отдает атомы водорода из своих гидроксильных групп по каждой связи, а карбоксильная группа на каждой цепи жирной кислоты отдает гидроксильную группу.Таким образом высвобождаются три молекулы воды.

Цепи жирных кислот, которые не имеют двойных углеродных связей по длине и, следовательно, содержат максимальное количество атомов водорода, называются насыщенными жирными кислотами. Эти прямые жесткие цепи плотно соединяются друг с другом и при комнатной температуре являются твердыми или полутвердыми (рис. 2.5.5 a ). Например, масло и сало, а также жир, который содержится в стейке или в вашем собственном теле. Напротив, жирные кислоты с одной двойной углеродной связью изогнуты по этой связи (Рисунок 2.5.5 b ). Следовательно, эти мононенасыщенные жирные кислоты не могут плотно упаковываться вместе и являются жидкими при комнатной температуре. Полиненасыщенные жирные кислоты содержат две или более двойных углеродных связи и также являются жидкими при комнатной температуре. Растительные масла, такие как оливковое масло, обычно содержат как моно-, так и полиненасыщенные жирные кислоты.

Рисунок 2.5.5 — Формы жирных кислот: Уровень насыщения жирной кислоты влияет на ее форму. (а) Цепи насыщенных жирных кислот прямые. (b) Цепи ненасыщенных жирных кислот перекручены.

В то время как диета с высоким содержанием насыщенных жирных кислот увеличивает риск сердечных заболеваний, считается, что диета с высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот снижает этот риск. Это особенно верно в отношении ненасыщенных жирных кислот омега-3, содержащихся в холодноводной рыбе, такой как лосось. Эти жирные кислоты имеют свою первую двойную углеродную связь у третьего углеводорода от метильной группы (называемого омега-концом молекулы).

Наконец, считается, что транс- жирных кислот, содержащихся в некоторых обработанных пищевых продуктах, в том числе в некоторых маргаринах в палочках и тазах, даже более вредны для сердца и кровеносных сосудов, чем насыщенные жирные кислоты. Транс-жиры создаются из ненасыщенных жирных кислот (таких как кукурузное масло) при химической обработке для получения частично гидрогенизированных жиров.

Как группа, триглицериды являются основным источником топлива для организма. Когда вы отдыхаете или спите, большая часть энергии, используемой для поддержания вашей жизни, поступает из триглицеридов, хранящихся в ваших жировых (жировых) тканях. Триглицериды также способствуют длительной и медленной физической активности, такой как садоводство или походы, и дают небольшой процент энергии для энергичной физической активности.Пищевой жир также способствует усвоению и транспортировке неполярных жирорастворимых витаминов A, D, E и K. Кроме того, накопленный телесный жир защищает и смягчает кости и внутренние органы тела, а также действует как изоляция для сохранения тепла тела.

Жирные кислоты также являются компонентами гликолипидов, которые представляют собой соединения сахара и жира, обнаруженные в клеточной мембране. Липопротеины — это соединения, в которых гидрофобные триглицериды упакованы в белковые оболочки для транспортировки в жидкостях организма.

Фосфолипиды

Как следует из названия, фосфолипид представляет собой связь между глицериновым компонентом липида и молекулой фосфора.Фактически, фосфолипиды похожи по структуре на триглицериды. Однако вместо трех жирных кислот фосфолипид образуется из диглицерида, глицерина с двумя цепями жирных кислот (рис. 2.5.6). Третий сайт связывания на глицерине захватывается фосфатной группой, которая, в свою очередь, присоединяется к полярной «головной» области молекулы. Напомним, что триглицериды неполярны и гидрофобны. Это все еще справедливо для жирнокислотной части фосфолипидного соединения. Однако головка фосфолипида содержит заряды на фосфатных группах, а также на атоме азота.Эти заряды делают головку фосфолипида гидрофильной. Поэтому говорят, что фосфолипиды имеют гидрофобные хвосты, содержащие нейтральные жирные кислоты, гидрофильные головки, заряженные фосфатные группы и атом азота.

Рисунок 2.5.6 — Другие важные липиды: (a) Фосфолипиды состоят из двух жирных кислот, глицерина и фосфатной группы. (б) Стерины представляют собой липиды кольцевой формы. Здесь показан холестерин. (c) Простагландины получают из ненасыщенных жирных кислот. Простагландин E2 (PGE2) включает гидроксильные и карбоксильные группы.

Стероиды

Стероидное соединение (называемое стеролом) имеет в качестве своей основы набор из четырех углеводородных колец, связанных с множеством других атомов и молекул (см. Рис. 2.5.6 b ). Хотя и растения, и животные синтезируют стерины, наиболее важный вклад в структуру и функции человека вносит холестерин, который синтезируется печенью человека и животных и также присутствует в большинстве продуктов животного происхождения. Как и другие липиды, углеводороды холестерина делают его гидрофобным, однако он имеет полярную гидроксильную головку, которая является гидрофильной.Холестерин — важный компонент желчных кислот и соединений, которые помогают эмульгировать диетические жиры. На самом деле, корень слова «холе» относится к желчи. Холестерин также является строительным материалом для многих гормонов, сигнальных молекул, которые организм высвобождает для регулирования процессов на удаленных участках. Наконец, как и фосфолипиды, молекулы холестерина находятся в клеточной мембране, где их гидрофобные и гидрофильные участки помогают регулировать поток веществ в клетку и из нее.

Простагландины

Подобно гормону, простагландин является одной из группы сигнальных молекул, но простагландины являются производными ненасыщенных жирных кислот (см. Рисунок 2.5.6 c ). Одна из причин, по которой жирные кислоты омега-3, содержащиеся в рыбе, полезны, заключается в том, что они стимулируют выработку определенных простагландинов, которые помогают регулировать аспекты кровяного давления и воспаления и тем самым снижают риск сердечных заболеваний. Простагландины также повышают чувствительность нервов к боли. Один класс обезболивающих, называемых нестероидными противовоспалительными препаратами (НПВП), снижает действие простагландинов.

Белки

Вы можете ассоциировать белки с мышечной тканью, но на самом деле белки являются важнейшими компонентами всех тканей и органов.Белок представляет собой органическую молекулу, состоящую из аминокислот, связанных пептидными связями. Белки включают кератин в эпидермисе кожи, который защищает подлежащие ткани, и коллаген, находящийся в дерме кожи, в костях и мозговых оболочках, покрывающих головной и спинной мозг. Белки также являются компонентами многих функциональных химических веществ организма, включая пищеварительные ферменты в пищеварительном тракте, антитела, нейротрансмиттеры, которые нейроны используют для связи с другими клетками, и гормоны на основе пептидов, которые регулируют определенные функции организма (например, гормон роста ).В то время как углеводы и липиды состоят из углеводородов и кислорода, все белки также содержат азот (N), а многие из них содержат серу (S), помимо углерода, водорода и кислорода.

Микроструктура белков

Белки — это полимеры, состоящие из азотсодержащих мономеров, называемых аминокислотами. Аминокислота представляет собой молекулу, состоящую из аминогруппы и карбоксильной группы вместе с вариабельной боковой цепью. Всего 20 различных аминокислот вносят вклад почти во все тысячи различных белков, важных в структуре и функциях человека.Белки организма содержат уникальную комбинацию от нескольких десятков до нескольких сотен из этих 20 аминокислотных мономеров. Все 20 этих аминокислот имеют схожую структуру (рис. 2.5.7). Все они состоят из центрального атома углерода, с которым связаны следующие соединения:

• атом водорода
• щелочная (основная) аминогруппа Nh3 (см. Таблицу 2.1)
• кислая карбоксильная группа COOH (см. Таблицу 2.1)
• группа переменных

Рисунок 2.5.7 Структура аминокислоты

Обратите внимание, что все аминокислоты содержат как кислоту (карбоксильная группа), так и основание (аминогруппа) (амин = «азотсодержащий»).По этой причине они создают отличные буферы, помогая организму регулировать кислотно-щелочной баланс. Что отличает 20 аминокислот друг от друга, так это их вариабельная группа, которая называется боковой цепью или R-группой. Эта группа может различаться по размеру и может быть полярной или неполярной, что придает каждой аминокислоте свои уникальные характеристики. Например, боковые цепи двух аминокислот — цистеина и метионина — содержат серу. Сера не участвует в водородных связях, в отличие от всех других аминокислот.Это изменение влияет на способ сборки белков, содержащих цистеин и метионин.

Аминокислоты соединяются посредством синтеза дегидратации с образованием белковых полимеров (рис. 2.5.8). Уникальная связь, удерживающая аминокислоты вместе, называется пептидной связью. Пептидная связь — это ковалентная связь между двумя аминокислотами, образованная дегидратационным синтезом. Пептид, по сути, представляет собой очень короткую цепочку аминокислот. Нити, содержащие менее примерно 100 аминокислот, обычно называют полипептидами, а не белками.

Рисунок 2.5.8 — Структура аминокислоты: Различные аминокислоты соединяются вместе, образуя пептиды, полипептиды или белки посредством синтеза дегидратации. Связи между аминокислотами представляют собой пептидные связи.

Организм способен синтезировать большую часть аминокислот из компонентов других молекул, однако девять не могут быть синтезированы и должны потребляться с пищей. Они известны как незаменимые аминокислоты.

Считается, что

свободных аминокислот, доступных для построения белков, находятся в пуле аминокислот в клетках.Структуры внутри клетки используют эти аминокислоты при сборке белков. Однако, если конкретная незаменимая аминокислота недоступна в достаточном количестве в аминокислотном пуле, синтез белков, содержащих ее, может замедлиться или даже прекратиться.

Форма белков

Подобно тому, как вилкой нельзя есть суп и ложку нельзя использовать для разделки мяса, форма белка важна для его функции. Форма белка в основном определяется последовательностью аминокислот, из которых он состоит (рис. 2.5.9 a ). Последовательность называется первичной структурой белка.

Рисунок 2.5.9 — Форма белков: (a) Первичная структура — это последовательность аминокислот, составляющих полипептидную цепь. (b) Вторичная структура, которая может принимать форму альфа-спирали или бета-складчатого листа, поддерживается водородными связями между аминокислотами в различных областях исходной полипептидной цепи. (c) Третичная структура возникает в результате дальнейшего складывания и связывания вторичной структуры.(d) Четвертичная структура возникает в результате взаимодействий между двумя или более третичными субъединицами. Показанный здесь пример — гемоглобин, белок красных кровяных телец, который транспортирует кислород к тканям тела.

Хотя некоторые полипептиды существуют в виде линейных цепей, большинство из них скручены или свернуты в более сложные вторичные структуры, которые образуются, когда происходит связывание между аминокислотами с разными свойствами в разных областях полипептида. Наиболее распространенная вторичная структура — это спираль, называемая альфа-спиралью.Если вы возьмете веревку и просто скрутите ее в спираль, она не сможет удерживать форму. Точно так же цепочка аминокислот не могла бы поддерживать стабильную спиральную форму без помощи водородных связей, которые создают мосты между разными участками одной и той же цепи (см. Рис. 2.5.9 b ). Реже полипептидная цепь может образовывать бета-складчатый лист, в котором водородные связи образуют мостики между различными областями одного полипептида, который сам на себя свернут, или между двумя или более соседними полипептидными цепями.

Вторичная структура белков затем складывается в компактную трехмерную форму, называемую третичной структурой белка (см. Рис. 2.5.9 c ). В этой конфигурации аминокислоты, которые находились очень далеко в первичной цепи, могут быть сближены через водородные связи или, в белках, содержащих цистеин, через дисульфидные связи. Дисульфидная связь представляет собой ковалентную связь между атомами серы в полипептиде. Часто два или более отдельных полипептида связываются с образованием еще более крупного белка с четвертичной структурой (см. Рисунок 2.5.9 d ). Полипептидные субъединицы, образующие четвертичную структуру, могут быть одинаковыми или разными. Например, гемоглобин, белок, содержащийся в красных кровяных тельцах, состоит из четырех третичных полипептидов, два из которых называются альфа-цепями, а два — бета-цепями.

Когда они подвергаются воздействию высоких температур, кислот, оснований и некоторых других веществ, белки денатурируют. Денатурация — это изменение структуры молекулы с помощью физических или химических средств.Денатурированные белки теряют свою функциональную форму и больше не могут выполнять свою работу. Обычным примером денатурации белка является свертывание молока при добавлении кислого лимонного сока.

Вклад формы белка в его функцию трудно переоценить. Например, длинная и тонкая форма белковых нитей, из которых состоит мышечная ткань, важна для их способности сокращаться (укорачиваться) и расслабляться (удлиняться). В качестве другого примера, кости содержат длинные нити белка, называемого коллагеном, который действует как каркас, на котором откладываются костные минералы.Эти удлиненные белки, называемые волокнистыми белками, прочны, долговечны и обычно гидрофобны.

Напротив, глобулярные белки представляют собой глобулы или сферы, которые, как правило, обладают высокой реакционной способностью и гидрофильны. Белки гемоглобина, упакованные в эритроциты, являются примером (см. Рис. 2.59 d ), однако глобулярные белки широко распространены по всему телу, играя критическую роль в большинстве функций организма. Ферменты, ранее представленные в качестве белковых катализаторов, являются примерами этого.В следующем разделе более подробно рассматривается действие ферментов.

Белки действуют как ферменты

Если вы пытались напечатать бумагу, и каждый раз, когда вы нажимали клавишу на своем портативном компьютере, вам приходилось ждать шесть или семь минут с задержкой, прежде чем вы получали ответ, вы, вероятно, получили бы новый портативный компьютер. Точно так же без ферментов, катализирующих химические реакции, человеческое тело было бы нефункциональным. Он функционирует только потому, что функционируют ферменты.

Ферментативные реакции — химические реакции, катализируемые ферментами, — начинаются, когда субстрат связывается с ферментом.Субстрат является реагентом в ферментативной реакции. Это происходит на участках фермента, известных как активные центры (рис. 2.5.10). Любой фермент катализирует только один тип химической реакции. Эта характеристика, называемая специфичностью, обусловлена ​​тем фактом, что подложка с определенной формой и электрическим зарядом может связываться только с активным центром, соответствующим этой подложке.

Рисунок 2.5.10 — Этапы ферментативной реакции: (a) Субстраты приближаются к активным центрам фермента.(б) Субстраты связываются с активными центрами, образуя комплекс фермент-субстрат. (c) Изменения внутри комплекса фермент-субстрат облегчают взаимодействие субстратов. (d) Продукты высвобождаются, и фермент возвращается в свою первоначальную форму, готовую к другой ферментативной реакции.

Связывание субстрата дает фермент-субстратный комплекс. Вероятно, что ферменты ускоряют химические реакции отчасти потому, что комплекс фермент-субстрат претерпевает ряд временных и обратимых изменений, которые заставляют субстраты ориентироваться друг к другу в оптимальном положении, чтобы облегчить их взаимодействие.Это способствует увеличению скорости реакции. Затем фермент высвобождает продукт (продукты) и принимает первоначальную форму. Затем фермент может снова участвовать в процессе, пока остается субстрат.

Другие функции белков

В рекламе протеиновых батончиков, порошков и коктейлей говорится, что белок важен для построения, восстановления и поддержания мышечной ткани, но правда в том, что белки вносят свой вклад во все ткани тела, от кожи до клеток мозга.Кроме того, определенные белки действуют как гормоны и химические посредники, которые помогают регулировать функции организма. Например, гормон роста важен, помимо прочего, для роста скелета.

Как было отмечено ранее, основные и кислотные компоненты позволяют белкам действовать как буферы при поддержании кислотно-щелочного баланса, но они также помогают регулировать баланс жидкости и электролитов. Белки привлекают жидкость, и здоровая концентрация белков в крови, клетках и промежутках между клетками помогает обеспечить баланс жидкости в этих различных «отсеках».«Более того, белки клеточной мембраны помогают транспортировать электролиты в клетку и из клетки, поддерживая здоровый баланс этих ионов. Как и липиды, белки могут связываться с углеводами. Таким образом, они могут производить гликопротеины или протеогликаны, которые выполняют множество функций в организме.

Организм может использовать белки для получения энергии, когда потребление углеводов и жиров недостаточное, а запасы гликогена и жировой ткани истощаются. Однако, поскольку нет места для хранения белка, кроме функциональных тканей, использование белка для получения энергии вызывает разрушение тканей и приводит к истощению организма.

Нуклеотиды

Четвертым типом органических соединений, важных для структуры и функций человека, являются нуклеотиды (рис. 2.5.11). нуклеотид является одним из класса органических соединений, состоящих из трех субъединиц:

• одна или несколько фосфатных групп
• пентозный сахар: дезоксирибоза или рибоза
• азотсодержащее основание: аденин, цитозин, гуанин, тимин или урацил

Нуклеотиды могут быть собраны в нуклеиновые кислоты (ДНК или РНК) или энергетическое соединение аденозинтрифосфат.

Рисунок 2.5.11 — Нуклеотиды: (a) Строительными блоками всех нуклеотидов являются одна или несколько фосфатных групп, пентозный сахар и азотсодержащее основание. (б) Азотсодержащие основания нуклеотидов. (c) Два пентозных сахара ДНК и РНК.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты различаются по типу пентозного сахара. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — это нуклеотид, хранящий генетическую информацию. ДНК содержит дезоксирибозу (так называемую, потому что она имеет на один атом кислорода меньше, чем рибоза) плюс одну фосфатную группу и одно азотсодержащее основание.«Выбор» основания для ДНК — аденин, цитозин, гуанин и тимин. Рибонуклеиновая кислота (РНК) — это рибозосодержащий нуклеотид, который помогает проявить генетический код в виде белка. РНК содержит рибозу, одну фосфатную группу и одно азотсодержащее основание, но «выбор» основания для РНК — это аденин, цитозин, гуанин и урацил.

Азотсодержащие основания аденин и гуанин классифицируются как пурины. Пурин представляет собой азотсодержащую молекулу с двойной кольцевой структурой, которая вмещает несколько атомов азота.Основания цитозин, тимин (обнаруженный только в ДНК) и урацил (обнаруженный только в РНК) представляют собой пирамидины. Пирамидин представляет собой азотсодержащее основание с одинарной кольцевой структурой

Связи, образованные дегидратационным синтезом между пентозным сахаром одного мономера нуклеиновой кислоты и фосфатной группой другого мономера, образуют «каркас», из которого выступают азотсодержащие основания компонентов. В ДНК два таких скелета прикрепляются к выступающим основаниям посредством водородных связей. Они скручиваются, образуя форму, известную как двойная спираль (Рисунок 2.5.12). Последовательность азотсодержащих оснований в цепи ДНК образуют гены, которые действуют как молекулярный код, инструктирующий клетки по сборке аминокислот в белки. Человеческая ДНК имеет почти 22000 генов, запертых в 46 хромосомах внутри ядра каждой клетки (за исключением красных кровяных телец, которые теряют свои ядра во время развития). Эти гены несут в себе генетический код для построения тела и уникальны для каждого человека, кроме однояйцевых близнецов.

Рисунок 2.5.12 — ДНК: В двойной спирали ДНК две цепи соединяются посредством водородных связей между основаниями составляющих нуклеотидов.

Напротив, РНК состоит из одной цепи сахарно-фосфатного остова, усеянной основаниями. Информационная РНК (мРНК) создается во время синтеза белка для передачи генетических инструкций от ДНК к заводам-производителям белка клетки в цитоплазме и рибосомах.

Аденозинтрифосфат

Нуклеотид-аденозинтрифосфат (АТФ) состоит из рибозного сахара, аденинового основания и трех фосфатных групп (рис.13). АТФ классифицируется как высокоэнергетическое соединение, потому что две ковалентные связи, связывающие его три фосфата, хранят значительное количество потенциальной энергии. В организме энергия, высвобождаемая из этих высокоэнергетических связей, помогает питать деятельность организма, от сокращения мышц до транспортировки веществ в клетки и из клеток и до анаболических химических реакций.

Рисунок 2.5.13 Структура аденозинтрифосфата (АТФ)

Когда фосфатная группа отщепляется от АТФ, продуктами являются аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат (P _i ).Эту реакцию гидролиза можно записать:

ATP + H ₂ O → ADP + P _i + энергия

Удаление второго фосфата оставляет аденозинмонофосфат (АМФ) и две фосфатные группы. Опять же, эти реакции также высвобождают энергию, которая была сохранена в фосфатно-фосфатных связях. Они также обратимы, например, когда АДФ подвергается фосфорилированию. Фосфорилирование — это присоединение фосфатной группы к органическому соединению, в данном случае приводящее к АТФ.В таких случаях тот же уровень энергии, который был высвобожден во время гидролиза, необходимо реинвестировать в синтез энергии при дегидратации.

Клетки также могут передавать фосфатную группу от АТФ к другому органическому соединению. Например, когда глюкоза впервые попадает в клетку, фосфатная группа переносится из АТФ, образуя фосфат глюкозы (C ₆ H ₁₂ O ₆ -P) и АДФ. Как только глюкоза фосфорилируется таким образом, она может храниться в виде гликогена или метаболизироваться для получения немедленной энергии.

Обзор главы

Органические соединения, необходимые для функционирования человека, включают углеводы, липиды, белки и нуклеотиды. Эти соединения считаются органическими, потому что они содержат как углерод, так и водород. Атомы углерода в органических соединениях легко делятся электронами с водородом и другими атомами, обычно кислородом, а иногда и азотом. Атомы углерода также могут связываться с одной или несколькими функциональными группами, такими как карбоксилы, гидроксилы, амины или фосфаты. Мономеры представляют собой отдельные звенья органических соединений.Они связываются путем дегидратационного синтеза с образованием полимеров, которые, в свою очередь, могут разрушаться при гидролизе.

Углеводные соединения обеспечивают организм жизненно важным топливом. Их структурные формы включают моносахариды, такие как глюкоза, дисахариды, такие как лактоза, и полисахариды, включая крахмалы (полимеры глюкозы), гликоген (форма хранения глюкозы) и клетчатку. Все клетки тела могут использовать глюкозу в качестве топлива. Он превращается через реакцию окисления-восстановления в АТФ.

Липиды — это гидрофобные соединения, которые обеспечивают организм топливом и являются важными компонентами многих биологических соединений.Триглицериды являются наиболее распространенным липидом в организме и состоят из глицериновой основы, присоединенной к трем цепям жирных кислот. Фосфолипиды — это соединения, состоящие из диглицерида с фосфатной группой, присоединенной к голове молекулы. В результате получается молекула с полярными и неполярными областями. Стероиды — это липиды, образованные из четырех углеводородных колец. Самое главное — холестерин. Простагландины — это сигнальные молекулы, полученные из ненасыщенных жирных кислот.

Белки являются важнейшими компонентами всех тканей организма.Они состоят из мономеров, называемых аминокислотами, которые содержат азот, соединенный пептидными связями. Форма белка имеет решающее значение для его функции. Большинство белков тела глобулярны. Примером могут служить ферменты, катализирующие химические реакции.

Нуклеотиды — это соединения с тремя строительными блоками: одна или несколько фосфатных групп, пентозный сахар и азотсодержащее основание. ДНК и РНК — это нуклеиновые кислоты, которые участвуют в синтезе белка. АТФ — это основная молекула организма, передающая энергию.Удаление или добавление фосфатов высвобождает или тратит энергию.

Вопросы по интерактивной ссылке

Посмотрите это видео, чтобы понаблюдать за образованием дисахарида. Что происходит, когда вода встречает гликозидную связь?

Вода гидролизует или разрывает гликозидную связь с образованием двух моносахаридов.

Контрольные вопросы

Вопросы критического мышления

Если дисахарид мальтоза образован из двух моносахаридов глюкозы, которые представляют собой гексозные сахара, сколько атомов углерода, водорода и кислорода содержит мальтоза и почему?

Мальтоза содержит 12 атомов углерода, но только 22 атома водорода и 11 атомов кислорода, поскольку молекула воды удаляется во время ее образования путем дегидратационного синтеза.

Почему пищевые жиры перевариваются и всасываются, почему они не могут попадать непосредственно в кровоток?

Все липиды гидрофобны и не могут растворяться в водянистой среде крови. Они упакованы в липопротеины, внешняя белковая оболочка которых позволяет им переносить жиры в кровоток.

Сравнение методов измерения и оценки запасов углерода и изменений запасов углерода в наземных резервуарах углерода. Как сравнить точность и точность существующих методов? Протокол систематического обзора | Экологические свидетельства

Изменения в землепользовании и земном покрове, включая законную и незаконную вырубку лесов, являются одними из наиболее важных факторов, способствующих решению социальных и экологических проблем, с которыми сталкивается человечество в 21 веке.Только на обезлесение приходится около 12% мировых антропогенных выбросов парниковых газов (ПГ), тогда как еще 6% связаны с окислением торфа и пожарами на деградированных территориях торфяников [1]. Совокупное воздействие рубок и возобновления лесов на заброшенных землях является причиной 10–25% глобальных антропогенных выбросов [2, 3]. Ежегодные выбросы от обезлесения в Индонезии и Бразилии составляют четыре пятых годового целевого показателя сокращения Киотского протокола [4].

Увязка обезлесения с изменением климата в качестве меры по смягчению его последствий была одним из ключевых решений тринадцатой Конференции Сторон (КС) Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата.В Балийском плане действий согласованы:

«Активизация национальных / международных действий по смягчению последствий изменения климата, включая, среди прочего, рассмотрение… политических подходов и позитивных стимулов по вопросам, связанным с сокращением выбросов в результате обезлесения и деградации лесов в развивающихся странах; и роль сохранения, устойчивого управления лесами и увеличения запасов углерода в лесах в развивающихся странах »[5].

Эти действия теперь совместно именуются REDD +.

В рамках РКИК ООН инструмент REDD + (сокращение выбросов в результате обезлесения и деградации лесов), согласованный на КС-16 РКИК ООН в декабре 2010 г. [6], имеет решающее значение для развивающихся стран.

REDD + включает реализацию следующих действий по смягчению последствий:

1. а)

   Снижение выбросов от обезлесения;

2. (б)

   Снижение выбросов в результате деградации лесов;

3. (c)

   Сохранение запасов углерода в лесах;

4. (г)

   Устойчивое управление лесами; и

5. (е)

   Увеличение запасов углерода в лесах.

Это означает, что потенциально все лесные ресурсы в развивающихся странах подлежат подотчетным действиям по предотвращению изменения климата. Канкунское соглашение также предусматривает разработку надежных и прозрачных национальных систем мониторинга вышеуказанной деятельности по смягчению последствий. Как следствие, для реализации REDD + крайне важно определить пространственно-временные изменения запасов углерода. Получение полевых измерений и разработка моделей оценки для этого — дорогостоящая и трудоемкая задача.

В этом систематическом обзоре будут сравниваться методы измерения накоплений углерода и изменений накоплений углерода в ключевых пулах углерода и категориях / видах деятельности землепользования, определенных Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) и РКИК ООН ^a . Рисунок 1 иллюстрирует эти углеродные пулы и показывает основные потоки глобального углеродного баланса, которые рассматриваются в этом систематическом обзоре. Систематический обзор не предназначен для предоставления технических руководств, таких как те, которые изложены в Руководящих указаниях и рекомендациях Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) [7, 8], или как справочник методов, таких как GOFC-GOLD [ 9], но направлен на обеспечение исчерпывающего сравнительного обзора литературы в этой области, включая предоставление опубликованных данных о неопределенностях.

Рисунок 1

Основные углеродные пулы и потоки глобального углеродного баланса в гигатоннах углерода (ГтС) [10].

Запасы углерода в биомассе

Приведенное ниже обсуждение сосредоточено на тропических лесах, чтобы осветить текущие методологические вопросы, имеющие отношение к лесной науке в целом. Однако этот систематический обзор охватывает методы, используемые во всех типах лесов во всех биомах.

Ключевой задачей для успешного внедрения REDD + и аналогичных механизмов является надежная оценка запасов углерода биомассы в тропических лесах.Биомасса состоит примерно на 50% из углерода [11, 12]. Неопределенные оценки запасов углерода биомассы в тропических лесах, возникающие из-за трудного доступа, ограниченных инвентаризаций и их огромного размера [12–14], препятствуют точной оценке выбросов углерода в такой же степени, как и неопределенности в темпах обезлесения [15]. Представляющие интерес запасы углерода находятся как над землей, так и под землей.

Хотя надземная биомасса (AGB) на протяжении многих лет привлекала наибольшее внимание, резервуары мертвой древесины и подстилки могут быть такими же большими, как и надземная биомасса.Очень важно пересмотреть различные методы измерения валежника и подстилки. Бассейны с мертвой древесиной, включая стоячие мертвые деревья, упавшие древесные остатки, а также гниющую и сгоревшую древесину, представляют особый интерес для прогнозирования потерь углерода в результате разложения. Они также часто используются в качестве индикатора потерь углерода в результате разложения из-за вырубки леса [16] или пожара [17]. Сбор данных о стоячих мертвых деревьях часто осуществляется по тем же протоколам, что и для инвентаризации AGB, но в идеале он также должен включать данные об уровнях гниения.Древесные обломки чаще всего оцениваются с использованием метода пересечения линии, который измеряет только обломки, пересекающие трансекту (например, [16]), или через прямоугольные участки, на которых измеряются размеры каждой части обломков (например, [18]). Хотя в некоторых исследованиях рассматривалась плотность древесных остатков различных классов гниения [16, 19], более региональные и специфичные для биомов исследования могли бы помочь уточнить оценки содержания углерода в этом резервуаре (например, [20]).

Надежная оценка AGB должна учитывать пространственную изменчивость, показатели деревьев и лесов (аллометрические модели) и древесину.Было опубликовано множество исследований по оценкам AGB в тропических лесах по всему миру (например, [21–29]), тогда как объем литературы по оценке подземной биомассы в тропических районах относительно невелик (например, [30-40]). В самом деле, поскольку корневые системы имеют определенные особенности и требуют очень специфических процедур [41], измерения очень часто требуют времени и затрат, качественны, сосредоточены только на одном конкретном приложении и часто не репрезентативны для больших территорий, поскольку обычно включают небольшое количество корневые системы.В некоторых случаях, однако, новые методы (например, трехмерный анализ данных об архитектуре корня) могут использоваться для вычисления непрерывного пространственного распределения грубого объема корня, биомассы, внешней поверхности и удельной длины корня [41].

Несколько баз данных предоставляют согласованную информацию о наземной и подземной биомассе: например, Всемирная база данных по биомассе лесов и первичной продукции [30], база данных и география лесной биомассы Северной Евразии [42] и База данных компартментов Объединенный исследовательский центр Европейской комиссии.Подобные базы данных для тропических регионов были бы чрезвычайно ценными.

Большинство исследований AGB тропических лесов проводилось в бразильской Амазонии и Юго-Восточной Азии. В нескольких исследованиях сообщалось о AGB для лесов в Африке (но см. [28]). Большое количество опубликованных уравнений биомассы [43] указывает на существенные различия в биомассе тропических лесов [44].

Проблемы ошибок и систематической ошибки

Существует четыре типа неопределенности, связанной с оценками AGB для тропических лесов (адаптировано из Chave [45]):

• Неточные измерения переменных, включая приборные и калибровочные ошибки

• Неправильные аллометрические модели

• Неопределенность выборки (связанная с размером исследуемой области выборки и планом выборки)

• Низкая репрезентативность выборочной сети.

Виейра и др. . [46] продемонстрировали эффект неточного измерения высоты. Шток с диаметром на уровне груди (DBH) 20 см и высотой 13 м дал AGB 153,0 и 127,0 кг соответственно при использовании моделей Chave [47] и Scatena [48]). При том же DBH, но на один метр больше высоты, расчетные значения AGB составляют 164,1 и 136,6 кг, то есть увеличение примерно на 7% и 5% соответственно. Данные LiDAR (обнаружение света и дальность) большой площади (например,грамм. Геофизическая лазерная система высотомера — GLAS) и данные LiDAR небольшого размера (например, бортовой лазерный сканер — ALS) могут использоваться для получения косвенных оценок высоты деревьев, однако перепады высот, которые присутствуют в зоне покрытия, особенно для данных LiDAR большой площади, могут быть значительны по сравнению с преобладающей высотой дерева и затрудняют точную оценку высоты дерева [49]. Наземное лазерное сканирование также может использоваться для косвенной оценки высоты деревьев на уровне участка; однако по мере того, как высота дерева, частота ветвления и плотность насаждений увеличиваются, качество информации, полученной от наземного лазерного сканера, снижается в результате присущих эффектов окклюзии и увеличения расстояния между точками, а также связанной с этим неопределенности относительно того, являются ли самые высокие отраженные сигналы эхом от источника. верхушки деревьев или эхо внутри кроны деревьев.Поэтому из-за этих проблем с качеством данных использование данных LiDAR небольшого размера для получения высоты дерева было бы предпочтительнее [49].

Еще одна важная ошибка — неправильный выбор аллометрической модели, связанный с репрезентативностью отбора проб биомассы. Аллометрические уравнения связывают легко измеряемые переменные организма (такие как диаметр и высота) с атрибутами, которые труднее оценить (такими как объем, площадь листьев и биомасса). Они нацелены на облегчение крупномасштабной оценки сложных параметров [50], например, путем предоставления наземных ориентиров для дистанционного зондирования или оценки региональной биомассы.Высота и диаметр являются наиболее распространенными зависимыми переменными для оценки биомассы деревьев, но, поскольку высоту отдельных деревьев было трудно измерить, большинство аллометрических моделей для тропических лесов основаны только на диаметре дерева [51, 52]. Хотя есть случаи, когда высота является ключевой независимой переменной для объяснения вариаций биомассы (например, в пальмах), измерения DBH, которые обычно используются для деревьев, объясняют более 95% вариаций биомассы деревьев даже в тропических регионах, богатых видами. леса [53].

В настоящее время аллометрические уравнения почти полностью основаны на измерениях в Юго-Восточной Азии и Южной Америке. Некоторые уравнения доступны для африканских видов деревьев или типов лесной растительности [54], но нет аллометрии, основанной на деструктивно отобранных деревьях для Центральной Африки [47]. Уравнения биомассы для Северной Америки перечислены у Тер-Микаэляна и Корзухина [55], а для Европы — в Зианисе и др. . [50] (2005 г.). Подобные базы данных для других частей мира были бы очень ценными.

Большинство работ по биомассе основано на 10–30 пробах деревьев на вид, что слишком мало для оценки биомассы в крупных странах в тропиках. Точность оценки биомассы в конечном итоге зависит от точности исходных измерений, используемых для разработки инструментов оценки биомассы, таких как аллометрические модели, коэффициенты расширения биомассы (BEF) и общие уравнения [56, 57] и отношение объема к биомассе по конкретной группе видов. модели [58]. В Европе были собраны большие наборы данных, на основе которых были разработаны общие модели после нескольких небольших кампаний по измерению биомассы.Такое богатство не было воспроизведено в других частях мира в такой степени. Таким образом, отсутствие репрезентативности является основным недостатком текущих уравнений биомассы.

Выборка достаточного количества деревьев для получения информации о видах и распределении размеров в лесу (особенно в очень разнообразных тропических лесах) требует много времени и средств. Группирование всех видов, даже в богатых видами тропических лесов, дает уравнения регрессии с высоким r ² (обычно больше 0.95) [53]. Поэтому использование общих регрессионных уравнений, стратифицированных, например, по экологической зоне или группе видов (широколиственные или хвойные), может повысить точность и точность уравнений, поскольку они, как правило, основаны на большом количестве деревьев и охватывают более широкий диапазон диаметров. [53], за исключением тех случаев, когда встречаются уникальные формы растений (например, виды пальм и ранние колонизаторы), и рекомендуется разработка уравнений локальной регрессии.

Таким образом, существует очевидная потребность в исследованиях по конкретным странам и регионам для проверки достоверности и надежности аллометрических моделей.В идеале, в таких исследованиях должны использоваться хорошие данные экологических участков, но они часто бывают низкого качества или отсутствуют полностью. Таким образом, коммерческие данные инвентаризации, собранные частными компаниями, используются в качестве альтернативного и богатого источника данных по конкретным объектам. Они необходимы для улучшения методов оценки углерода в лесах, но, как правило, недоступны в опубликованной литературе или легко доступны для тех, кто владеет данными.

Руководства по измерению удельного веса древесины (WSG) в полевых условиях существуют, но для тропических регионов опубликованные данные WSG ограничиваются несколькими коммерческими породами древесины, которые составляют лишь часть лесной биомассы.Данные WSG по другим видам скудны или отсутствуют.

BEF, например, сильно зависят от структуры древостоя [59, 60] и характеристик участка [56, 61], и экстраполяция с BEF может привести к смещенным результатам по сравнению с уравнениями локальной биомассы [62], что указывает на важность репрезентативности и риски экстраполяции.

Более того, запас биомассы тропических лесов и его распределение остаются плохо решенными в региональном масштабе [15, 63, 64]. Еще предстоит достичь консенсуса в отношении того, сколько углерода выбрасывается в результате изменений в землепользовании в тропиках (см., Например, [1, 44, 65–69].Таким образом, существует острая необходимость в калибровке и улучшении методов определения биомассы тропических лесов и ее пространственного распределения [70].

Запасы углерода в почвах

Почвы являются крупнейшим резервуаром углерода земного углеродного цикла. Во всем мире они содержат в три или четыре раза больше органического углерода (1500 Гт на глубину 1 м, от 2500 Гт до 2 м), чем растительность (610 Гт), и в два или три раза больше углерода, чем атмосфера (750 Гт, см. Рисунок 1) [ 71]. Накопление углерода в почвах — это баланс между поступлением отмершего растительного материала (листьев, опада корней и гниющей древесины) и потерями в результате разложения и минерализации органического вещества («гетеротрофное дыхание»).В аэробных условиях большая часть углерода, попадающего в почву, возвращается в атмосферу посредством автотрофного корневого дыхания и гетеротрофного дыхания (вместе называемого «дыханием почвы» или «оттоком CO ₂ из почвы»). Скорость минерализации зависит от температуры, уровня влажности и химической среды с такими факторами, как pH, Eh, уровень азота и катионообменная способность минералов в почве, влияющая на скорость минерализации почвенного органического углерода (SOC) [72–78 ]. В анаэробных условиях, возникающих в результате постоянного высокого уровня воды, часть углерода, попадающего в почву, не полностью минерализуется и накапливается в виде торфа.

Го и Гиффорд провели метаанализ 74 публикаций о влиянии изменений в землепользовании на запасы углерода в почве [79]; (см. также последующее исследование Laganière и др. . [80]). Они признают возможную предвзятость своих выводов, поскольку большинство данных было получено только из четырех стран (Австралия, Бразилия, Новая Зеландия и США) и ограниченного числа исследований. Они указывают на необходимость более всестороннего анализа некоторых гипотез, выдвинутых в их исследовании: запасы углерода в почве уменьшаются после изменения землепользования от пастбища к плантации (-10%), естественного леса к плантации (-13%), естественного леса к урожаю. (-42%) и пастбища для сбора урожая (-59%).Запасы углерода в почве увеличиваются после перехода от естественного леса к пастбищу (+ 8%), от сельскохозяйственных культур к пастбищам (+ 19%), от сельскохозяйственных культур к плантациям (+ 18%) и от сельскохозяйственных культур к вторичным лесам (+ 53%). Большинство видов землепользования на торфяных почвах требует дренажа и связано с постоянной потерей запасов углерода в почве.

Одним из ограничений многих из этих исследований влияния изменения землепользования на уровни углерода в почве является то, что часто участки создавались для изучения других параметров, таких как плодородие почвы, и ранние экспериментальные протоколы не учитывали обширные измерения почвы. углерод по всему профилю почвы.Многие исследования измеряют изменение углерода только в верхних 20-30 см почвенного профиля и, следовательно, не показывают влияние выщелачивания и активности дождевых червей и т. Д. На перемещение углерода вниз по профилю. Кроме того, временная выборка измерений SOC, как правило, бывает разреженной и недостаточной по количеству и интервалу для оценки скорости разложения SOC и окончательного равновесия [81]. В этом отношении ценно измерение вихревой ковариации потока CO ₂ , если они охватывают более длительные периоды времени, охватывающие год или более [81].В этом отношении сеть fluxnet для долгосрочного наблюдения за вихрями представляет собой бесценный источник информации, как частично показано на Рисунке 2. [82, 83].

Рисунок 2

Расчетная минимальная обнаруживаемая разница (MDD) в инвентаризации почвенного органического углерода как функция дисперсии (σ2) и размера выборки (n). MDD — это наименьшее различие, которое может быть обнаружено (α = 0,05) между двумя средними кадастрами почвенного органического углерода с достоверностью 90% (1 — β) с учетом средней дисперсии (среднеквадратическая ошибка дисперсионного анализа) и размера выборки [82] .Использовано с разрешения из Journal of Environmental Quality, 1999 28: 1359–1365.

Минеральные почвы

Оценки изменений запасов почвенного органического углерода (ПОУ) применяются для определения долгосрочных потоков углерода и разработки стратегий связывания углерода. В настоящее время используются несколько подходов к оценке этих изменений запасов, которые могут дать противоречивые результаты.

В масштабе участка существует ряд методов для обнаружения изменений в запасах органического углерода в почве. Выше были отмечены повторные пробы почвы в диапазоне от лет до десятилетий, но, кроме того, долгосрочные измерения потоков, охватывающие сопоставимые периоды времени, либо с помощью почвенных камер, либо с помощью систем вихревой ковариации, могут дать оценки изменений запасов.Долгосрочная ковариация вихря играет важную роль в этом контексте, потому что, в зависимости от площади своего воздействия, она может дать целостную картину рассматриваемой экосистемы [81].

По сравнению с измерениями в камере, которые проводятся в масштабе участка или участка, измерения потока вихрей, таким образом, обеспечивают прямую связь с более высоким пространственным уровнем и позволяют проводить интегральный анализ. Однако существует ряд неопределенностей, связанных с этим методом, таких как коррекция u *, заполнение промежутков, фильтрация выбросов, адвекция и разделение потока и т. Д.[75, 84]. Только для оценки изменений запасов углерода в почве важны компоненты систематической неопределенности, такие как те, которые описаны, например, в Lasslop et al . [85].

Для увеличения масштаба оценок участков в масштабе ландшафта, страны или континента необходимо учитывать дополнительную информацию о пространственном расположении типов почв и земном покрове / землепользовании, что вносит дополнительные источники неопределенностей [81]. Одним из методов оценки запасов ПОУ в различных экосистемах является регрессионный подход, в котором региональные плотности ПОУ (масса ПОУ / площадь) связаны с рядом вспомогательных переменных, таких как температура, осадки, возрастной класс и история землепользования.В обновленной методике применяется географическая информационная система (ГИС) для расчета плотности SOC для каждого типа леса в регионе на основе почвенных баз данных и информации о земном покрове, полученной со спутников. Кэмпбелл и др. . (2008) показали большие различия в результатах обоих подходов и указали на необходимость использования прямых измерений SOC для определения абсолютных ошибок в обоих подходах [86]. Тот факт, что в прошлом методы использовались взаимозаменяемо, указывает на то, что ошибки будут сохраняться в литературе.Оба метода ценны для оценки запасов углерода в почве, но не для изменения запасов углерода, поскольку предикторы обоих параметров различны.

Согласно Mäkipää et al . [87] надежная инвентаризация изменения запасов углерода в Финляндии с повторным отбором проб углерода в почве займет 10 лет и будет стоить 8 миллионов евро. Такая высокая стоимость почти наверняка помешает более чем нескольким странам инвестировать в инвентаризацию углерода в почве; Реальность такова, что необходима комбинация моделей и дополнительных измерений.Независимо от применяемой методологии существует явная необходимость выявления неопределенностей, связанных с текущим пониманием запасов и изменений запасов [88]. Важно обратить особое внимание на изменения в запасах углерода в почве посредством прямых измерений и моделирования углерода в почве [89], а также на региональные вариации запасов углерода в почве.

Модели углерода в почве могут использоваться для оценки запасов углерода и изменения запасов, но их необходимо параметризовать и проверять для каждого вида землепользования, растительного покрова, климатических условий и типа почвы.Для этого необходимы измерения углерода почвы в профиле почвы, а также в пространстве. Кроме того, модели разделяют почвенный углерод на теоретические пулы с разной скоростью распада, и их проверка требует измерения типов почвенного углерода, которые могут быть связаны с этими пулами [90, 91]. Модели почвенного углерода также сталкиваются с проблемой инициализации из-за того, что модель разделяет почвенный углерод на пулы с разной скоростью распада. Чтобы смоделировать изменения углерода в почве, связанные с землепользованием или изменениями в управлении земельными ресурсами, необходимо знать начальную пропорцию этих разделов для первого землепользования.Для перехода от долгосрочного землепользования, такого как саванна или лес, к пахотным землям, модели углерода в почве предполагают, что в начале периода моделирования применяются условия равновесия, т. Е. Что вклад растений и запас углерода в почве находятся в равновесии с учетом местных климатических условий. Чтобы смоделировать изменение земного покрова или землепользования в постоянных или меняющихся климатических условиях, модели требуется так называемый период «раскрутки» для достижения состояния равновесия до того, как произойдет какой-либо переход. В случаях, когда предыдущее землепользование составляет менее 100 лет, история землепользования должна быть известна для того, чтобы это было сделано с учетом всех исторических изменений в землепользовании.В качестве альтернативы исходные резервуары могут быть оценены по фактическим измерениям запасов углерода в почве [90]. Существует ряд проблем и неопределенностей, связанных с этим предположением, и обсуждаются альтернативные методы. Поэтому очень важно количественно оценить эти эффекты при любом учете углерода в почве [88, 90, 92, 93].

Органические (торфяные) почвы

Только недавно наука признала важность органических (торфяных) почв для выбросов парниковых газов и изменения климата. Приблизительно 500 Гт углерода хранятся всего на 4 млн. Км ² (= 3%) земли, торфяники представляют собой самые плотные в мире запасы углерода на суше [94].В случае леса на торфяных болотах выбросы от окисления торфа и торфяных пожаров после осушения могут быть значительно больше и продолжительнее, чем выбросы над землей от вырубки или сжигания лесной растительности. Окисление торфа в настоящее время приводит к глобальным выбросам около 1,3 Гт CO ₂ в год, в то время как торфяные пожары вносят в среднем еще 0,6 Гт CO ₂ в год [93]. Во время засухи Эль-Ниньо 1997–1998 годов в результате торфяных пожаров в Юго-Восточной Азии было выброшено около 1,8 Гт CO ₂ [95–97], что эквивалентно 10% общих глобальных антропогенных выбросов за тот же год.

Многие переменные, связанные с окислением торфа, недостаточно изучены, и для многих из них существует мало надежных измерений. Неопределенность начинается с размеров торфяников по всему миру, особенно в тропиках, и с количества углерода, хранящегося в торфяном слое. Степень гумификации торфа оказывает сильное влияние на массу торфа и углерода на единицу объема, гидравлическую проводимость и способность удерживать влагу. Знание трехмерной топологии торфяников важно для гидрологии и моделирования, но глубина торфа и форма торфяника были измерены только в нескольких местах (например.g., картирование нефтегазовых компаний в лесах Борнео). Выборка достаточного количества мест для пространственного моделирования — занятие трудоемкое и дорогостоящее. Новые технологии могут сократить время и усилия.

Еще меньше известно о коэффициентах выбросов, которые необходимы для надежной оценки выбросов парниковых газов. Оценки выбросов от торфяных пожаров имеют большую неопределенность из-за очень изменчивой массы сгоревшего торфа и различных выбросов газов в зависимости от силы пожара, уровня грунтовых вод, влажности торфа и истории пожаров.Данные по большинству этих параметров немногочисленны или отсутствуют. Долгосрочные выбросы парниковых газов от биологического окисления торфа даже более значительны, чем выбросы от торфяных пожаров [97, 98]. Существует очень мало долгосрочных (> 1 года) измерений для оценки уровней выбросов при различных режимах управления водными ресурсами. Недавний обзор показывает, что осушенные торфяники выделяют в результате окисления торфа 9 CO ₂ т / га / год на каждые 10 см дополнительной глубины дренажа [97]. Роль тропических торфяных болот имеет решающее значение не только с точки зрения выбросов парниковых газов, но и для REDD +, поскольку их запасы углерода торфа в среднем в 10 раз больше, чем их запасы надземной биомассы [94], а значительные количества углерода выбрасываются за счет огонь и бактериальное разложение.Выбросы из осушенных торфяников происходят во всем мире. К крупнейшим эмитентам относятся Индонезия, Европейский Союз, Россия, Китай, США, Малайзия, Монголия, Беларусь и Уганда [98].

При оценке запасов углерода на суше важно проводить различие между подстилкой и почвой и обеспечивать сбор и анализ точных данных. Подстилка включает листья и другой опавший растительный материал (включая мелкие древесные остатки диаметром менее 2 см). Подстилка может быть эквивалентна лишь небольшой доле AGB в некоторых экосистемах (например,грамм. 2% для горных лесов в Мексике [99]), тогда как в других она может быть значительно выше (например, 30% на полях сахарного тростника). Исследованиями углерода в подстилке так же пренебрегали, как и исследованиями подземной биомассы, но это совокупность, которую необходимо принимать во внимание при оценке потерь углерода и перемещения между бассейнами [100]. Это важно для параметризации моделей углерода почвы. Некоторые оценки объема подстилки в лесах используют квадраты для оценки массы подстилки на единицу площади в заданный момент времени [100].Однако этот метод может иметь неточность из-за сложности различения подстилки и органического вещества почвы. Ловушки для подстилки, которые могут отслеживать поступление опадающей подстилки с течением времени, могут быть более точными при различении бассейнов. Доступно множество исследований, в которых рассматриваются скорости разложения и последствия для углеродных циклов [101, 102].

Запасы углерода в сельском хозяйстве и пахотных землях

Согласно Четвертому отчету об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), на сельское, лесное и другое землепользование (AFOLU) приходится примерно 30% общих антропогенных выбросов парниковых газов [103 ].Из них на сельское хозяйство приходится около 60% выбросов N ₂ O и 50% выбросов CH ₄ , тогда как вырубка лесов и изменения в землепользовании ответственны за большую часть выбросов CO ₂ [103]. Признано, что взаимосвязь между методами ведения сельского хозяйства, которые влияют на выбросы CO ₂ , CH ₄ и N ₂ O, может быть особенно сложной в системах земледелия и выпаса скота. Однако этот систематический обзор будет сосредоточен на измерениях углерода и даст рекомендации, что в будущих систематических обзорах следует рассматривать методы оценки других выбросов парниковых газов.Сельское хозяйство имеет потенциал для смягчения от 5,5 до 6 ГтCO ₂ э / год [103], что означает, что возникнет необходимость в точной и надежной оценке углерода для соблюдения требований международного мониторинга или торговых схем.

Смит и др. . проанализировать существующие методы, доступные для измерения компонентов углеродного баланса пахотных земель, и изучить некоторые инструменты, используемые для масштабирования углеродного баланса пахотных земель от экосистемного до континентального уровней [104]. Они подчеркивают сложный характер доказательств, которые необходимо собрать на каждом участке, прежде чем можно будет составить полный углеродный баланс.Они также указывают на «невозможность» масштабирования результатов с участков до континентального уровня (Европа находится в центре их обобщения), даже при наличии разветвленной сети участков, из-за отсутствия пространственно-четкой информации об управлении и почве для сельскохозяйственные системы. Однако они указывают на ценность таких данных по конкретным участкам для калибровки и проверки моделей экосистем для континентальных проекций.

Использование дистанционного зондирования для оценки запасов углерода

Интерес к возможности использования удаленного зондирования для определения запасов углерода в наземных системах, например, растет в последние годы [54, 70, 105–108].Дистанционное зондирование (космическое или воздушное) обычно обеспечивает непрерывную пространственную информацию по областям размером с ландшафт (размер зависит от характеристик датчика), в отличие от полевой инвентаризации, когда информация обычно ограничивается участками или небольшими участками. Запасы углерода можно оценить, применяя значения плотности углерода из наземных данных или национальных кадастров лесов к картам земного покрова / растительности, полученным с помощью данных дистанционного зондирования. Информация о пространственной растительности от оптических спутниковых датчиков может быть связана с наземными измерениями для оценки запасов углерода.Прямые измерения AGB ограничены небольшими лесными участками, поскольку аллометрические уравнения для конкретных участков не могут быть обобщены для леса или региона, а космические приборы не могут напрямую измерить биомассу тропических лесов. Использование данных космического радиолокатора обратного рассеяния становится популярным в качестве метода оценки древесной биомассы на больших территориях в тропиках из-за их способности проникать через лесной полог и всепогодного сбора данных.

В опубликованных исследованиях очень часто используются данные национальной инвентаризации лесов для проверки результатов оценок углерода с помощью дистанционного зондирования.Многие утверждают, что демонстрируют сильную корреляцию. Однако в литературе сообщается об ограничениях, в частности о слабой или отсутствующей взаимосвязи между обратным рассеянием радара и AGB, связанной с насыщением, и ошибками в геолокации: например, старые инструменты Глобальной системы позиционирования (GPS), используемые при составлении инвентаризаций, могут вносят неопределенность в определение местоположения «центра графика», направления по компасу и т. д. [52].

Существует ряд подходов к оценке AGB в более крупных пространственных масштабах с использованием данных дистанционного зондирования путем экстраполяции данных, полученных с полевых участков.Такие методы включают в себя многоступенчатую выборку, множественный регрессионный анализ, непараметрический метод k-ближайшего соседа (k-NN), нейронные сети или косвенные отношения между атрибутами леса, определенными с помощью дистанционного зондирования, и биомассой. Во все большем числе исследований используются изображения с высоким разрешением, такие как QuickBird, коммерческий спутник наблюдения Земли с высоким разрешением, запущенный в 2001 году, аэрофотоснимки или IKONOS, коммерческий спутник наблюдения Земли, запущенный в 1999 году для сбора общедоступных изображений высокого разрешения. с разрешением 1 и 4 метра для моделирования параметров деревьев или структур лесного полога, хотя они не применяются на больших площадях из-за стоимости и технических требований.Снимки со средним пространственным разрешением, такие как Landsat, широко используются с 1972 года. В тех случаях, когда оптические датчики имеют ограничения, используются данные радиообнаружения и определения дальности (радар), а также данные обнаружения света и дальности (LiDAR).

Большинство исследований оценок AGB не предоставили точных или точных оценок в отношении наземных данных [109]. Розенквист и др. . провели качественный обзор методов дистанционного зондирования для использования в рамках Киотского протокола, но не предоставили оценку их рабочего статуса для использования в национальном масштабе [110].Для Великобритании и стран с аналогичными требованиями к отчетности: Patenaude et al . выполнили количественные оценки точности и сравнительные затраты на оптические, радиолокационные и LiDAR методы отчетности о обезлесении посредством анализа классификации земного покрова и количественной оценки запасов углерода над землей в лесах [111].

Для точной оценки надземной лесной биомассы и запасов углерода на больших площадях требуется сетка участков грунтовых проб (с очень точным расположением или вложенной выборкой) вместе с картой типов растительности и / или классов покрытия.Классификация и составление карт могут быть выполнены либо на основе наземных проб, либо на основе спутниковых изображений или аэрофотосъемки. Более точная классификация растительности и более плотная сеть пробных площадей дадут более точные оценки при более высоких затратах.

Необходимость в междисциплинарном систематическом обзоре углерода земной поверхности

Совершенно очевидно, что в рамках государственных и корпоративных исследований предпринимались и предпринимаются самые разные усилия по предоставлению методов и данных для оценки запасов углерода в различных пулах.За десятилетия накоплен огромный объем знаний. Имеется большое количество научных и технических статей, но мониторинг лесов все еще «недостаточно точен для международного протокола, который бы управлял финансами на основе результатов мониторинга лесных площадей или хранилищ углерода в лесах» [112], и нет повод полагать, что для других пулов ситуация лучше. Адекватность существующих или потенциальных систем для надежной оценки запасов углерода на национальном, региональном или местном уровнях (в рамках REDD + или где-либо еще) систематически не оценивалась, равно как и не изучалась должным образом научная основа этих подходов.Утверждалось, что система REDD + должна допускать и учитывать вариативность методологий и точности. Последнее неизбежно при таких существенных различиях между странами и методами оценки, но гибкость должна сопровождаться знанием границ уверенности в этих переменных подходах, чтобы СВОД + было надежным, прозрачным и справедливым.

Совершенно очевидно, что существует потребность в критическом анализе точности и точности различных методов дистанционного зондирования в сравнении с наземными наблюдениями и среди других методов, а также их применимости в географически разнообразных регионах.

Разработка вопроса

На первом семинаре, проведенном в штаб-квартире ФАО в марте 2009 года, было решено, что следует предпринять международную инициативу с участием для определения возможностей использования научно-обоснованного подхода для проверки базы знаний по мониторингу углерода. Была выбрана контактная группа по проекту из 50 человек, представляющая ряд организаций, занимающихся академической, политической, консультационной и / или обучающей специализацией в разных странах.

Контактная группа участвовала в повторяющихся обсуждениях (в основном по электронной почте и телефону), чтобы выработать общее понимание проблем, которые необходимо решить, и разработать ряд возможных вопросов для обзора.Помимо дискуссий, группа делилась знаниями, в основном опубликованными статьями, а также «серой литературой» (отчеты о проектах и ​​документы для обсуждения), которые способствовали пониманию потенциального объема вопроса обзора. Вопросы обзора были дополнительно разработаны двумя аналитическими группами (одна встреча была лично, а другая — посредством телеконференции) во время встреч по изменению климата в Бонне в июне 2009 года.

Авторы обзора встретились в ноябре 2009 года на трехдневном семинаре в ФАО, Рим. чтобы точно сформулировать вопросы для обзора.

Общий вопрос обзора и три подвопроса, согласованные после этих обширных обсуждений, были дополнительно прояснены следующим образом:

Общий вопрос:

«Каким образом существующие методологии сравниваются по их способности измерять и оценивать наземные запасы углерода и изменения в накоплениях углерода. с точностью и точностью ? »

Где точность является относительной мерой точности оценки относительно истинных значений, точность является обратной величиной неопределенности измерения или оценки (например,g., стандартная ошибка выборочного среднего). Термин «методологии» включает методы (включая прямые измерения, план выборки, дистанционное зондирование и модели) и системы, которые объединяют методы для измерения и оценки запасов углерода.

Подвопросы:

1. 1.

   «Насколько точны и точны методы, используемые для преобразования измерений на месте в оценки запасов углерода на уровне участка или участка?»

Термин методологии включает прямые измерения переменных в поле (in situ) и методы, которые преобразуют их в оценки запасов углерода на уровне участка.«Участок» относится к пробному или оценочному участку. В этом вопросе также рассматривается географическая применимость методологий, разработанных на уровне участков, и изучается применимость методологий к различным категориям землепользования в различных средах, экосистемах и странах.

1. 2.

   «Насколько точны и точны методологии расчета запасов углерода для более крупных географических территорий (ландшафтный уровень) на основе данных на уровне участка?»

Термин «ландшафтный уровень» охватывает пространственные масштабы от участка до субнационального и национального уровней с помощью инвентаризации лесов, стратификации, других схем выборки и моделирования.В этом вопросе также рассматривается выборка и стратификация с помощью дистанционного зондирования и изучаются методологии, которые пытаются оценить изменения в углероде почвы при переустройстве землепользования.

1. 3.

   «Насколько точны и точны методы прямого дистанционного зондирования для оценки запасов углерода?»

Этот вопрос включает оценки запасов углерода на основе прямых измерений переменных приборами дистанционного зондирования в сочетании с полевыми измерениями и методологиями преобразования измерений в оценки запасов.Будут включены наземные измерения, такие как наземный LiDAR, и компоненты полевой биомассы будут идентифицированы из исходного материала, где эта информация доступна.

Первоначальный набор вопросов включал в себя понятие повторяемости , в дополнение к точности и прецизионности. Повторяемость — это мера практических аспектов использования данного метода для оценки углерода, включая стоимость, человеческий и / или технический потенциал. Однако на ранней стадии обзора во время пилотных поисков литературы стало ясно, что понятие «повторяемость» нелегко определить таким образом, чтобы не внести ненужную предвзятость в обзор и серьезно сократить количество статей, доступных для анализ наиболее важных вопросов, касающихся точности и точности.Было принято прагматичное решение удалить этот элемент вопроса для обзора (и подвопросов).

Цели

Основная цель этого систематического обзора состоит в том, чтобы собрать доказательства, относящиеся к вопросу:

Каким образом существующие методологии сравниваются по их способности измерять и оценивать наземные запасы углерода и изменения в накоплениях углерода с точностью и точностью?

Три выявленных второстепенных вопроса направлены на то, чтобы сфокусировать исследование и составление отчетов по обзору:

1. 1.

   Насколько точны и точны методы, используемые для преобразования измерений на месте в оценки запасов углерода на уровне участка или участка?

2. 2.

   Насколько точны и точны методологии получения оценок запасов углерода для более крупных географических территорий (ландшафтный уровень) на основе данных на уровне участков?

3. 3.