Агрохимик РУДН нашел доказательства гипотезы «железного колеса»

Почвы влажных тропических лесов на юге Чили богаты органическим и неорганическим азотом (N). Несмотря на большое количество осадков (более 5 000 мм в год), неорганический азот – в основном, в составе группы NO3 – практически не вымывается из почвы. Одна из теорий, объясняющих это явление, – гипотеза «железного колеса». Согласно ей, NO3 c помощью содержащегося в почве железа превращается в NO2 и в таком виде соединяется с органическими веществами. Так азот переходит из неорганических в органические соединения.  

Гипотеза «железного колеса» была предложена в 2003 году, но с тех пор ни один эксперимент не смог однозначно ее подтвердить. Теория считалась ошибочной, а эксперименты – недостоверными. Агрохимик РУДН совместно с коллегами из Чили и Германии впервые показал, что гипотеза правдива. Это стало возможным благодаря новой технологии: ученые использовали автоматизированный аппарат для подготовки образца неорганического азота (SPIN) и квадрупольный масс-спектрометр.

Агрохимики подготовили три образца почвы – с высоким и низким содержанием железа и вовсе без него. На помещенный в масс-спектрометр образец подавалось переменное электрическое поле. Под его воздействием из образца вылетали заряженные частицы – ионы разных масс и зарядов. По траекториям ионов рассчитывалось соотношение массы иона к его заряду, и таким образом вычислялся исходный атомный состав в образце. Замеры проводились через 15 минут после добавления железа, затем через час, через сутки и через 5 суток.

Чтобы проследить путь азота из неорганических в органические соединения, авторы в буквальном смысле пометили атомы в NO3 с помощью изотопов азота 15N – атомов, содержащих в ядре на один нейтрон больше, чем «обычный» азот 14N. Химические свойства этих изотопов неразличимы, но масс-спектрометр легко отличает один от другого. Таким образом агрохимики смогли зафиксировать «перемещение» азота между веществами в составе почвы.

Уже через 15 минут после добавления железа количество NO3 сократилось на 20% в образце с низким содержанием железа и на 35% – с высоким. За то же время концентрация растворенного органического азота возросла от 0 миллиграмм на литр до 0.08, а через 5 дней – еще в 2 раза. В образце с низким содержанием железа процесс протекает аналогично, но медленнее. В контрольном образце – без добавления железа – превращение NO3 в органический азот не было зафиксировано вовсе.

«Наши результаты явно подтверждают предположение о переходе NO3 в растворенный органический азот согласно гипотезе железного колеса. Это объясняет, по крайней мере частично, почему NO3 так хорошо сохраняется в почве умеренных тропических лесов. Исследование стало возможным только благодаря новой технологии, которая позволила провести чистый анализ содержания железа и NO3 в почве, без искажения измерений», – рассказал Яков Кузяков, один из авторов исследования, доктор биологических наук, сотрудник РУДН.

В дальнейшем ученые планируют провести аналогичные исследования и для других типов почв, для которых применима гипотеза железного колеса. Авторы также подчеркивают, что эксперимент был проведен в лабораторных условиях, и его предстоит повторить в условиях естественной экосистемы.  

В исследовании принимали участие ученые из Университета де ла Фронтера (Чили) и Гёттингенского университета (Германия).

Результаты исследования в журнале Geochimica et Cosmochimica Acta