Abstract (English):
Amino acids are important records of geochemical processes in sedimentary rocks. The knowledge about changing the composition of amino acids is important for our understanding of genetics of organic compounds in the geological records. In the presented work, compositions of amino acids in natural solid bitumens, graphites and some synthesized carbonaceous materials were investigated. We determined that the content of amino acids decreases with increasing temperature of the formation of natural carbonaceous substances. the content of aliphatic amino acids gradually increases with increasing degree of transformation in the carbonization (dehydrogenation) series, mainly due to glycine, alanine and leucine. The revealed changes in the amino acid composition of natural carbonaceous substances are associated with the genesis of the initial organic matter, as with as the content of carbonaceous matter and its interaction with the mineral component. We showed that the selection of dominant individual amino acids without involvement of statistical methods did not allow distinguishing some types of natural carbonaceous materials. At the same time, lots of amino acids were identified by statistical methods, statistically significantly distinguishing all the studied types of solid natural bitumen and graphite.

Keywords:
natural solid bitumens; graphites; aminoacids; glassy carbon, carbon black Mann — Whitney U test; Generalized Dicriminant Analysis, Classification Trees Method

Введение

Твердые битумы широко распространены в природе и отличаются разнообразием химического состава и свойств. При этом их классификации в основном опираются на эмпирические вещественно-геолого-генетические характеристики, поскольку их структурные исследования затруднены атомарной и молекулярной разупорядоченностью [7, 21]. На сегодня исследователями активно используются несколько классификаций природных битумов [10, 27, 31, 33, 34]. Для диагностики углеродистого вещества в рамках этих классификаций используется совокупность признаков, включающих химические и физические свойства. Ключевую роль играет химический состав, прежде всего атомные соотношения С/О и С/Н, характеризующие карбонизацию и дегидрогенизацию углеводородного вещества в ходе преобразования. Однако битумы с разными условиями залегания часто имеют сходные признаки, что затрудняет установление их генетического типа, а при средних и высоких стадиях преобразования генетические следы зачастую вообще стираются [12]. В связи с этим поиски дополнительных параметров, которые могут быть использованы как для понимания процессов образования битумов, так и для их диагностики, остаются актуальными.

В элементном составе природных твердых битумов постоянно присутствует азот, причем его содержания в подобных объектах иногда достигают нескольких процентов. Одними из важнейших азотсодержащих компонентов живого вещества и природных объектов являются аминокислоты (АК). Присутствие аминокислот установлено в органическом веществе многих осадочных отложений и горных пород. Их сохранение в подобных объектах связано со способностью АК входить в структуру органических веществ и образовывать устойчивые связи с минеральными компонентами. Исследования показывают, что некоторые аминокислоты могут сохраняться даже при температурах выше 300 °С [35], особенно если они входят в состав полимерных компонентов органического вещества или образуют устойчивые органоминеральные комплексы [22]. При этом термальное воздействие способствует не только распаду аминокислот (прежде всего имеющих сложное строение), но и их образованию за счет реакций вторичного синтеза [1, 17].

Ранее для твердых битумов не проводились детальные сравнительные исследования изменения аминокислотного состава в последовательности карбонизации (дегидрогенизации). Работы по этой тематике сводились к изучению высокоуглеродистых пород докембрийского возраста (шунгитов и графитов), а основной целью этих исследований являлось установление источника происхождения идентифицированных АК [22, 32]. В ходе изучения аминокислотного состава в геологических объектах нами накоплен аналитический материал для различных твердых углеродистых веществ (УВ) — от асфальтитов до шунгитов [1, 16, 17, 23]. Изучение аминокислотного состава асфальтитов, керитов [16] и шунгитов [17] показало, что аминокислоты в органических минералоидах могут быть как наследованы от исходного органического вещества, так и синтезированы в процессах разрушения и новообразования аминокислот.

Основными задачами данного исследования являлись:

– определение качественного и количественного состава аминокислот в природных твердых битумах и их синтетических аналогах и выделение в них доминирующих аминокислот;

– выявление возможного изменения аминокислотного состава с ростом степени преобразованности в ряду карбонизации и температур формирования твердых битумов, а также в зависимости от исходного источника органического вещества;

– проверка статистической значимости различий аминокислотного состава разных типов природных УВ с помощью критерия Манна — Уитни, метода «деревья классификации» и обобщенного дискриминантного анализа.

 

Объекты исследования

Объекты исследований — образцы из ряда карбонизации (дегидрогенизации) природных твердых битумов — асфальтиты, кериты, антраксолиты и шунгиты I разновидности, природные графиты, а также стеклоуглерод и технический углерод (сажа), которые являются структурными аналогами шунгитов и антраксолитов [29].

Образцы были разделены на группы в соответствии с их физико-химической диагностикой по классификации В. А. Успенского [10] и происхождением (табл. 1). В первую группу вошли жильные и вкрапленные асфальтиты Тимано-Печорской провинции (ТПП); во вторую — кериты ТПП; в третью — высшие антраксолиты Новой Земли и Казахстана; в четвертую — шунгиты I разновидности из Карелии; в пятую — угольные графиты Таймыра и Кольского полуострова, в шестую — образцы технического углерода (сажа) Сосногорского ГПЗ и в седьмую — синтезированный стеклоуглерод марки «СУ-2000».

Все рассмотренные асфальтиты и кериты генетически связаны с нефтями. Битумы Тимано-Печорского бассейна локализованы в эродированных сводовых поднятиях и образуют погребенные залежи под поверхностями размывов (Ижемское, Бадъельское, Войское месторождения) либо естественные выходы некрупных скоплений и проявлений битумов (Акимъельское и Нижнеомринское проявления). Данные по структуре, химическому и минералогическому составу асфальтитов и керитов ТПП приведены в работах [9, 17]. Температуры образования керитов более высокие, чем асфальтитов, и составляют 200—300 ºС [5, 7, 15].

Проявления антраксолитов Новой Земли, сопряженные с сульфидным оруденением в доломитолитах и известняках среднего девона, связаны с различными типами высокотемпературной гидротермальной минерализации. Детальное описание строения и минерализации этих объектов приведено в работе [9]. Новоземельские антраксолиты относят к нафтидо-нафтоидам, в качестве источника их образования рассматриваются нефтяные углеводороды, которые находились в отложениях на пути мигрирующих гидротермальных растворов. Температуры образования антраксолитов оцениваются от ~300 ºС для Павловского рудопроявления до ~350 ºС за его пределами¹.

Антраксолиты золотосульфидного месторождения Бакырчик (Кызыловская зона, Восточный Казахстан) были сформированы в результате высокотемпературных гидротермальных процессов при температуре около 350 ºС. Месторождение расположено в центральной части Зайсанской складчатой системы и приурочено к черносланцевой толще, в пределах которой углеродсодержащие осадочные и вулканогенно-осадочные породы подверглись динамическому и гидротермальному воздействию. Источником антраксолита послужило метаморфизованное органическое вещество сапропелевой природы [3, 8].

Условия образования шунгитов I разновидности разных проявлений Карелии существенно отличаются [11]. Шунгиты проявлений Шуньга и Чеболакша образовались в результате выжимания битумов при динамометаморфизме с заполнением межпластовых трещин. На проявлениях Максово и Зажогино образование шунгитов связано с термальным возгоном на контакте с вулканической интрузией, причем шунгиты Зажогино были затем переотложены в кварц-хлорит-альбитовой жиле. Высокоуглеродистый шунгит проявления Нигозеро сформировался в результате высвобождения миграционного органического вещества из ловушек (трещин, полостей), вскрывавшихся после разрушения шунгитоносных пород, и его переотложения в составе терригенного материала [11]. В качестве исходного вещества шунгитового углерода Карелии чаще всего рассматриваются метаморфизованные сапропелевые водоросли [12]. Температуры формирования высокоуглеродистых шунгитов — от 330 ºС для Шуньги до 550—600 ºС для Максово и Зажогино [4, 11]. Причинами отсутствия полноценной графитизации шунгитов при довольно высоких температурах их образования являются недостаточное давление и влияние примесей [11]. В частности, полноценный рост графитовых кристаллитов мог быть остановлен на стадии наноразмерных стопок оксидированием краев графеновых сеток, что блокировало краевые углеродные атомы и препятствовало формированию больших по размеру фрагментов графеновых стопок и в дальнейшем графита [18]. Подтверждением этой гипотезы является относительно высокое содержание кислорода в шунгитах.

Изученные асфальтиты из гипергенной последовательности карбонизации (дегидрогенизации) образуются из нефти при гидротермальном нагреве и представляют собой нафтиды. Кериты и антраксолиты — представители метаморфической последовательности карбонизации (дегидрогенизации) с повышенным содержанием углерода в сравнении с асфальтитами. Изученные кериты являются нафтидами, а источник высших антраксолитов либо преобразованное нефтяное вещество (нафтидо-нафтоид), либо сапропелевое органическое вещество. При этом образование новоземельских высших антраксолитов происходило при сравнительно более низких температурах гидротерм, а карельских — при более высоких температурах зеленосланцевого метаморфизма и вулканических интрузий.

Графиты полуострова Таймыр образовались из углей в результате контактового метаморфизма, минимальная температура формирования графитовой фазы — 550 °С² [19]. Графит проявления Петспакша (Кольский п-ов, Лапландский пояс) сформирован на стадии раннепротерозойского метаморфизма и имеет метасоматический генезис [2]. Предполагается, что источником углерода в метасоматитах частично являлось первичное органическое вещество пород, при решающем вкладе глубинного высококислотного флюида. Температуры формирования пород в Лапландском поясе составляют около 600 °С при давлении 450—550 МПа.

Методика получения технического углерода на Сосногорском ГПЗ и его структурно-вещественные характеристики подробно описаны [6]. При канальном методе получения технического углерода термическое разложение природного газа происходит при температуре около 800—900 °С, при печном методе газовоздушная смесь разогревается до 1200—1250 °С.

Стеклоуглерод марки СУ-2000 получен путем карбонизации сетчатых полимеров — отверждения, пиролиза и высокотемпературной обработки при температуре 2000 ºС [14]. Сетчатые полимеры представляют собой термореактивные смолы на основе фурилового спирта, который является производным фурфурола, получаемого при кислотно-термической обработке различных сельскохозяйственных отходов и древесины.

Методы исследования

Идентификация и определение содержания аминокислот в образцах выполнены на газовом хроматографе GC-17A (Shimadzu, капиллярная колонка Chirasil-L-Val). Для извлечения аминокислот из образцов применяли кислотный гидролиз в 6М HCl при 105 °С в течение 12 часов. Выделенные из гидролизата аминокислоты очищали от примесей и переводили в N-пентафторпропионовые изопропиловые эфиры соответствующих аминокислот. Определялись содержания D- и L-форм 14 аминокислот (аланин — Ala, валин — Val, глицин — Gly, изолейцин — Ile, лейцин — Leu, аспарагиновая кислота — Asp, глутаминовая кислота — Glu, треонин — Thr, серин — Ser, фенилаланин — Phe, тирозин — Tyr, пролин — Pro, лизин — Lys, метионин — Met). Подробно методика изложена в работе [17].

Статистическая обработка данных проведена с использованием программы Statistica 6.0. Статистический анализ проводился по абсолютным содержаниям 14 аминокислот. Использовался заданный уровень значимости 0.05. Критериями Краскела — Уоллиса и Манна — Уитни показаны различия природных углеродистых веществ по аминокислотному составу. Для выявления информативных аминокислот и построения по ним модели классификации природных углеродистых веществ были использованы непараметрические методы — обобщенный дискриминантный анализ (ОДА) и деревья классификации. Использование непараметрических статистических критериев и методов анализа данных обусловлено малыми объёмами выборок образцов разных групп природных углеродистых веществ. Статистический анализ был применен только для пяти природных групп углеродистых веществ. Стеклоуглерод и технический углерод были исключены из анализа ввиду недостаточного количества образцов.

 

Результаты и их обсуждение

Качественный и количественный состав аминокислот

Наибольший разброс в содержании аминокислот установлен для асфальтитов (табл. 2). Причем в асфальтитах, вкрапленных в известняках, содержания аминокислот на порядок выше (0.21—0.88 мг/г образца), чем в образцах, заполняющих пустоты и трещины (0.04—0.06 мг/г). В керитах и антраксолитах содержания аминокислот меняются в пределах от 0.02 до 0.10 мг/г; в шунгитах I разновидности, графитах и стеклоуглероде они чуть меньше и составляют 0.02—0.07 мг/г. Наиболее низкие содержания аминокислот установлены в техническом углероде (менее 0.01 мг/г).

Ранее на примере шунгитов I разновидности было показано, что с ростом температуры формирования шунгитового вещества происходит снижение содержания аминокислот, что свидетельствует о разрушении АК под действием высоких температур [17]. Так, для образцов месторождений Максово и Чеболакша, на углеродное вещество которых температурное воздействие достигало 500—600 °С, характерны самые низкие содержания аминокислот среди всех изученных шунгитов I разновидности.

В асфальтитах среди индивидуальных аминокислот повышенные содержания установлены для серина, глицина, глутаминовой кислоты и аланина. В керитах доминируют серин, глицин, глутаминовая кислота и фенилаланин. Образец тиокерита отличается появлением метионина — аминокислоты, содержащей серу.

В высших антраксолитах и шунгитах I разновидности более половины аминокислотного состава приходится на аминокислоты с алифатическими группами (глицин, аланин и лейцин), причем основная доля этих АК — новообразованные [17]. Также повышенные содержания АК характерны для серина и глутаминовой кислоты. Среди шунгитов I разновидности наиболее «специфический» состав АК установлен для переотложенного антраксолита месторождения Нигозеро, где преобладают аминокислоты с алифатическими и кислыми группами, резко увеличивается содержание пролина (до 10 %).

Ранее было показано, что основная часть АК в шунгитах образована при трансформации исходных аминокислот, а также за счет синтеза из газообразных продуктов в условиях повышенных температур формирования пород. В меньшей степени на аминокислотный состав повлияла контаминация шунгитового вещества с современными микроорганизмами. И только несколько аминокислот преимущественно простого строения, вероятно, унаследованы от исходного органического вещества шунгитовых пород [17].

В угольных графитах, как и в стеклоуглероде, доля алифатических аминокислот продолжает расти. От природных твердых битумов графиты и стеклоуглерод отличаются отсутствием или крайне низкими содержаниями АК с кислыми группами (аспарагиновая, глутаминовая кислоты) и высокой долей гидроксильных аминокислот (серин). Среди аминокислот доминируют глицин, аланин, лейцин и серин. Скорее всего, такой состав АК связан не только с высокими температурами образования этих соединений, но и с отличным от природных битумов первичным источником ОВ, основную долю которого составляло гумусовое вещество. Несмотря на то, что стеклоуглерод был получен в ходе химического синтеза, исходным материалом для него также служило растительное вещество, что, возможно, и объясняет присутствие в нем большого спектра аминокислот.

В техническом углероде было обнаружено только три аминокислоты: глицин, аланин и лейцин. Все они относятся к самым простым алифатическим аминокислотам и, вероятно, являются побочными продуктами, образующимися при термическом разложении природного газа.

В образцах установлено преобладание L-форм аминокислот (табл. 2), что подтверждает данные ранее проведенных исследований [17, 22, 32]. При этом показано, что преобладание L-форм аминокислот в высокопреобразованных природных объектах не является доказательством загрязнения образца современными микроорганизмами и что степень рацемизации аминокислот в природных объектах в значительной степени зависит от окружающей обстановки, в которой сохранялись аминокислоты [22]. Существуют экспериментальные работы, которые подтверждают отсутствие процессов рацемизации аминокислот при их взаимодействии с минеральной поверхностью [24, 25]. Кроме того, L-аминокислоты более склонны к полимеризации на поверхности минералов, в том числе на силикатах, чем D-формы [26, 36].

Таким образом, результаты исследования аминокислотного состава ожидаемо показали резкое отличие природных битумов и графита от технического углерода. С ростом температуры формирования углеродистых веществ растет содержание алифатических аминокислот, в основном за счет глицина, аланина и лейцина. Различия в составе аминокислот рассмотренных углеродистых веществ зависят прежде всего от соотношения в образцах углеродистого вещества и минеральной составляющей. Хорошо заметно, что в УВ с высокой долей углерода, образованных при температурах около 350 °С и выше, уменьшаются содержания кислых аминокислот при росте количества гидроксильных. Можно предположить, что на состав АК углеродистых веществ оказывает влияние и исходный состав органического вещества. Так, в шунгитах I разновидности, сформированных за счет сапропелевого ОВ, доля кислых аминокислот значительно выше, чем в веществах с гумусовым исходным материалом (угольные графиты).

Однако только по доминирующим аминокислотам невозможно наглядно отличить асфальтиты от керитов, высшие антраксолиты от шунгитов, а природные графиты от синтетического стеклоуглерода. В связи с этим нами была проведена оценка различий аминокислотного состава углеродистых веществ методами статистического анализа.

 

Статистический анализ аминокислотного состава

Критерии Краскела — Уоллиса и Манна — Уитни

Критерием Краскела — Уоллиса выявлены статистически значимые (p < 0.05) различия между пятью группами природных углеродистых веществ по содержаниям аминокислот Ala (H = 13.61, p = 0.009), Val (H = 13.62, p = 0.009), Gly (H = 13.19, p = 0.010), Leu (H = 10.63, p = 0.031), Asp (15.78, p = 0.003), Glu (H = 15.66, p = 0.004), Ser (H = 11.92, p = 0.018), Phe (H = 17.67, p = 0.001), Tyr (H = 16.52, p = 0.002), Pro (H = 16.95, p = 0.002), Lys (H = 9.64, p = 0.047). Питни с новым, пересчитанным критическим уровнем значимости 0.0051 показали, что ни одна аминокислота не различает попарно все исследуемые группы природных углеродистых веществ (табл. 3). Однако статистически значимые различия (p < 0.0051) выявлены между асфальтитами и антраксолитами — по Ala, Val, Gly; между асфальтитами и шунгитами — по Ala, Val, Gly, Glu, Phe, Tyr, Pro. Попарное сравнение, выполненное для каждой группы природных углеродистых веществ с остальными четырьмя группами с новым, пересчитанным критическим уровнем значимости 0.0127, выявило следующие различия в содержаниях аминокислот. Асфальтиты статистически значимо отличаются от антраксолитов (по Ala, Val, Gly, Ser, Phe, Tyr, Pro), шунгитов (по Ala, Val, Gly, Asp, Glu, Ser, Phe, Tyr, Pro, Lys), угольных графитов (по Asp, Glu, Pro) и не имеют значимых отличий от керитов при попарном сравнении. Кериты не отличаются статистически значимо от других групп природных углеродистых веществ по аминокислотному составу на основании результатов их попарного сравнения с другими группами. Антраксолиты, шунгиты, угольные графиты имеют различия с асфальтитами, каждый по своему набору аминокислот (перечислены выше), при этом антраксолиты и шунгиты отличаются между собой по содержанию изолейцина. Тем не менее при парном сравнении все группы, за исключением пары «кериты — угольные графиты», имеют статистически значимые различия (для уровня значимости 0.05). Согласно достигнутым значениям двухстороннего уровня значимости эти две группы не имеют различий ни по одной аминокислоте, хотя для одностороннего p значимые различия есть по содержаниям нескольких аминокислот. Возможно, это связано с малым количеством образцов в выборках этих групп.

 

Обобщенный дискриминантный анализ

В данной работе применен обобщенный дискриминантный анализ (ОДА), поскольку исходные требования использования классического дискриминантного анализа, в частности требование нормального распределения [13], для аминокислот не выполняются.

С помощью ОДА установлено, что все изученные нами пять групп УВ различаются по аминокислотному составу. Наилучшая модель дискриминации природных углеродсодержащих материалов была получена методом «пошаговый с исключением», проведенным по абсолютным содержаниям (мг/г) 10 аминокислот Val, Gly, Ile, Leu, Asp, Glu, Ser, Phe, Tyr, Pro и их парным взаимодействиям, взятым в качестве исходных дискриминантных переменных. Во множество предикторов модели дискриминации вошли Gly, Ile, Leu, Phe, Tyr, Pro, Val*Gly, Val*Ile, Gly*Ile, Gly*Leu, Ile*Leu, Val*Asp, Gly*Asp, Leu*Asp, Val*Glu, Leu*Glu, Asp*Glu, Asp*Ser, Phe*Tyr. По ним дискриминация между группами природных углеродсодержащих материалов высоко статистически значима (статистика лямбда Уилкса = 2.45E-7 при уровне значимости p = 6.1E-15). Выявлено, что Gly, Ile, Val*Gly являются самыми сильными идентификаторами принадлежности образцов к асфальтитам. Аминокислота Phe является единственным определяющим признаком отнесения к керитам. Leu, Val*Asp, Val*Glu — наиболее информативные признаки принадлежности к шунгитам. Для угольных графитов определяющее значение имеют взаимодействия пар аминокислот Ile*Leu и Asp*Glu. Первостепенное влияние на принадлежность образцов к асфальтитам, шунгитам и угольным графитам имеет аминокислота Tyr. Взаимодействия пар аминокислот Leu*Glu и Phe*Tyr наиболее информативны для шунгитов и угольных графитов. При этом ни одна из аминокислот и ни одно их парное произведение не являются определяющими признаками в установлении принадлежности образцов к антраксолитам.

Согласно Хи-квадрат-критерию для удалённых корней, первые три канонических корня (дискриминантные функции) статистически значимы. Это позволяет уменьшить размерность пространства исходных данных с 14 определяемых аминокислот до 3 статистически значимых канонических корня с максимальным сохранением информации о различии-сходстве образцов разных типов углеродсодержащих веществ.

На рисунке 1, а фигуративными точками показано геометрическое расположение групп углеродистых веществ относительно друг друга на координатной плоскости канонических корней (дискриминантных функций) 1 и 2. Видно, что образцы различных групп четко отделяются друг от друга. Обе дискриминантные функции вносят свой вклад в различение групп углеродсодержащих материалов. ДФ1 в наибольшей степени влияет на классификацию керитов, ДФ2 — асфальтитов. Однако обе эти функции не различают чётко антраксолиты и шунгиты. Их хорошо разделяет дискриминантная функция 3 (рис. 1, b). Наибольший вклад ДФ3 вносит в классификацию угольных графитов. Однако на ДФ 3 приходится всего лишь 2 % всей дискриминирующей мощности, тогда как на ДФ1 и ДФ2 — 71 и 27 % соответственно. И хотя полученная модель дискриминации показала 100 % правильную классификацию образцов и апостериорные вероятности принадлежности образцов своей группе (с равными априорными вероятностями) высоки — от 0.999998 до 1.0, тем не менее оценки квадратов расстояний Махаланобиса указали на сходство между антраксолитами и шунгитами: между этими группами самое маленькое расстояние и оно не является статистически значимым (F = 1.45, p = 0.392). Однако, согласно критерию Манна — Уитни, антраксолиты статистически значимо отличаются от шунгитов (при их парном сравнении) по содержаниям двух аминокислот — Tyr и Ile: в антраксолитах содержания Tyr выше и отсутствует Ile. Расстояния Махаланобиса между остальными парами групп образцов заметно больше, и они статистически значимы. Наиболее сильно по ним отличаются кериты от антраксолитов и шунгитов.

Поскольку построенная модель дискриминации недостаточно хорошо разделяет образцы антраксолитов и шунгитов, то для них была построена своя модель дискриминации. Она была получена методом «пошаговый с исключением» с входными данными по 13 аминокислотам (без Met) и их парным взаимодействиям. В результате в модель дискриминации вошли предикторы Gly, Ile, Tyr, Gly*Tyr. По ним дискриминация между шунгитами и антраксолитами статистически значима (статистика лямбда Уилкса = 0.084 при уровне значимости p = 0.0005). Наибольший вклад в единственную дискриминантную функцию вносит произведение пар аминокислот Gly*Tyr. Расстояние Махаланобиса статистически значимо (F = 19.125, p = 0.0007). А 0.9996 ?? 1.0.

 

постериорные вероятности (с равными априорными вероятностями) варьируют от 0.9996 до 1.0. На рис. 2 фигуративными точками показано геометрическое расположение образцов антраксолитов и шунгитов относительно друг друга на оси дискриминантной функции. Видно, что образцы этих двух типов четко отделяются друг от друга.

Можно заметить, что не все аминокислоты, имеющие максимальные концентрации, вошли во множество информативных аминокислот, выделенное обобщенным дискриминантным анализом. Таким образом, ОДА позволяет выявлять множество аминокислот, по совокупности которых статистически значимо различаются образцы различных групп УВ.

 

Деревья классификации

Для выявления информативных аминокислот и построения по ним модели классификации углеродистых веществ был использован ещё один непараметрический метод — деревья классификации [32]. Построенное дерево классификации (рис. 3) показало 100 % правильную классификацию образцов по содержаниям аминокислот. Наиболее информативными аминокислотами, по которым построено дерево классификации, являются Tyr, Phe, Ile, Glu, Leu. Каждая из них статистически значимо (p < 0.05) различает некоторые пары типов углеродистых веществ согласно критерию Манна — Уитни (табл. 3), и все они входят в модель дискриминации, полученную обобщенным дискриминантным анализом.

Возможность использования классификации по аминокислотному составу природных углеродистых веществ была проверена на образце высшего керита (Ижемский район), который не был использован при статистической обработке данных. Обе модели классификации, полученные методами деревья классификации и ОДА, тоже отнесли этот образец к керитам.

Отметим, что полученные результаты демонстрируют возможности статистических методов для использования аминокислот в дискриминационных моделях углеродистых веществ. Однако в связи с малыми объемами выборок групп природных углеродистых веществ полученные числовые оценки классификационных признаков не являются достаточно устойчивыми и не могут рассматриваться как базовые при классификации новых образцов.

 

Заключение

Физико-химические процессы формирования природных твердых битумов, графитов и их синтетических аналогов не только определяют структурные и вещественные особенности углеродистых веществ, но и оказывают влияние на их аминокислотный состав.

Установлено, что с ростом температуры формирования природных углеродистых веществ происходит снижение содержания аминокислот. Исследования показали значительные отличия аминокислотного состава природных битумов от технического углерода. С ростом степени преобразованности в ряду карбонизации (дегидрогенизации) происходит постепенное увеличение содержания алифатических аминокислот, в основном за счет глицина, аланина и лейцина. Выявленные изменения аминокислотного состава природных углеродистых веществ связаны с генезисом исходного ОВ, а также с соотношением в них долей углеродистого вещества и минеральной составляющей. В УВ, сформированных за счет сапропелевого ОВ, доля кислых аминокислот значительно выше, чем в веществах с преимущественно гумусовым исходным материалом.

Примененные статистические методы показали, что отдельные типы твердых битумов, выделенные в соответствии с классификацией В. А. Успенского, отличаются также и по содержаниям аминокислот. Критерием Манна — Уитни выявлены различия по составу аминокислот (Ala, Val, Gly, Ile, Asp, Glu, Ser, Phe, Tyr, Pro, Lys) между некоторыми группами природных углеродистых веществ при попарных сравнениях каждой группы с остальными. Применение многомерных методов классификации — деревьев классификации и обобщенного дискриминантного анализа — позволило выявить информативные аминокислоты и построить по ним модели дискриминации. Несмотря на абсолютно разные подходы построения моделей дискриминации этими двумя методами, информативные аминокислоты (Leu, Glu, Phe, Tyr, Ile), выявленные методом деревья классификации, являются частью множества информативных аминокислот (Val, Gly, Ile, Leu, Asp, Glu, Ser, Phe, Tyr, Pro), определенных ОДА, и обе полученные модели чётко разделяют все группы углеродистых веществ. Поэтому анализ аминокислотного состава может быть использован в качестве дополнения к основным физико-химическим методам классификации природных углеродсодержащих материалов, особенно природных битумов, а также для уточнения классификации образцов, которые трудно диагностировать традиционными методами.

1. Anischenko L. A., Shanina S. N. Aminokisloty v prirodnyh ob'ektah Timano-Pechorskogo basseyna // Proishozhdenie biosfery i koevolyuciya mineral'nogo i biologicheskogo mirov / Pod red. N. P. Yushkina i dr. Syktyvkar: IG Komi NC UrO RAN, 2007. S. 95—116.

2. Astaf'ev B. Yu., Voynova O. A., Lohov K. I., Matukov D. I., Prasolov E. M., Prilepskiy E. B., Bogomolov E. S. Vozrast i genezis rannedokembriyskoy grafitovoy mineralizacii Laplandskogo poyasa (Kol'skiy poluostrov) // Otechestvennaya geologiya. 2006. № 4. S. 75—82.

3. Glebashev S. G., Ignat'ev S. V., Kovyazin A. N. Formirovanie i razmeschenie shungitovyh porod Kyzylovskoy zony (Vostochnyy Kazahstan) // Sovetskaya geologiya. 1989. № 1. S. 33—42.

4. Golubev E. A., Filippov V. N. Mikromineral'nye fazy v vysokouglerodistyh shungitah Karelii // Nanomineralogiya. Ul'tra- i mikrodispersnoe sostoyanie mineral'nogo veschestva / Pod red. N. P. Yushkina, A. M. Ashabova, V. I. Rakina. SPb.: Nauka, 2005. S. 337—353.

5. Klubov B. A. Principial'naya model' obrazovaniya tverdyh bitumov // Kondensirovannoe nekristallicheskoe sostoyanie veschestva zemnoy kory / Pod red. N. P. Yushkina. SPb.: Nauka, 1995. S. 77—83.

6. Kovaleva O. V. Tehnicheskiy uglerod Sosnogorskogo GPZ // Vestnik IG Komi NC, 2010. № 4. S. 19—22.

7. Martirosyan O. V. Faktory i mehanizmy strukturnoy evolyucii organicheskih mineralov i mineraloidov. Ekaterinburg: UrO RAN, 2012. 241 s.

8. Marchenko L. G., Shipovalov Yu. V., Ischenko V. V. Metasomaticheskie kriterii ocenki perspektiv orudeneniya v terrigenno-uglerodistyh formaciyah // Tr. In-ta geologii i geofiziki SOAN SSSR. 1982. T. 505. S. 78—80.

9. Silaev V. I., Il'chenko V. O., Lyutoev V. P., Filippov V. N., Golubev E. A., Kovaleva O. V. Autigennaya psevdomineralizaciya v antraksolite // Problemy geologii i mineralogii / Pod red. A. M. Pystina. Syktyvkar: Geoprint, 2006. S. 283—314.

10. Uspenskiy V. A., Radchenko O. A., Glebovskaya E. A. Osnovy geneticheskoy klassifikacii bitumov // Trudy VNIGRI. 1964. T. 230. 266 s.

11. Filippov M. M. Shungitonosnye porody Onezhskoy struktury. Petrozavodsk: Izd-vo Karel'skogo NC RAN, 2002. 280 s.

12. Filippov M. M., Cherevko N. K., Golubev E. A. Vysshie antraksolity // Zapiski RMO. 2006. T. 135. № 6. S. 55—62.

13. Halafyan A. A. STATISTICA 6. Matematicheskaya statistika s elementami teorii veroyatnostey dlya medikov i biologov. M.: Binom, 2010. 496 s.

14. Chekanova V. D., Fialkov A. S. Steklouglerod. Poluchenie, svoystva, primenenie // Uspehi himii. 1971. T. 40. № 5. S. 777—805.

15. Cherevko N. K. Tverdye bitumy Evropeyskogo Severo-Vostoka Rossii. Ekaterinburg: UrO RAN, 1999. 100 s.

16. Shanina S. N., Bushnev D. A. Izotopnyy sostav ugleroda aminokislot tverdyh bitumov // DAN. 2014. T. 456. № 5. S. 586—590. DOI: 10.7868/S0869565214170265

17. Shanina S. N., Golubev E. A. Aminokisloty v shungitah Karelii // Geohimiya. 2010. T. 48. № 9. S. 972—987. DOI: 10.1134/S0016702910090053

18. Sheka E. F., Golubev E. A. O tehnicheskom grafene — vosstanovlennom okside grafena — i ego prirodnom analoge — shungite // ZhTF. 2016. T. 86. № 7, S. 74—80.

19. Shumilova T. G. Mineralogiya samorodnogo ugleroda. Ekaterinburg: Nauka, 2003. 315 s.

20. Scherbakova E. P., Shanina S. N., Moroz T. N., Malyarenok M. N., Sadykov S. A. Aminokisloty v gorelyh otvalah Chelyabinskogo ugol'nogo basseyna. Miass: IMin UrO RAN, 2007. 53 s.

21. Yushkin N. P. Kondensirovannoe nekristallicheskoe sostoyanie veschestva litosfery // Kondensirovannoe nekristallicheskoe sostoyanie veschestva zemnoy kory / Pod red. N. P. Yushkina. SPb.: Nauka. 1995. S. 4—14.

22. Akiyama M., Shimoyama A., and Onnamperuma C. Amino acids from the Late Precambrian Thule Group, Greenland // Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 1982. No. 12. Rr. 215—227.

23. Amosova O. Ye., Golubev Ye. A., Shanina S. N. Discriminant analysys of amino acid composition of natural carbonaceous substances // Vestnik IG Komi NC UrO RAN, 2016. No. 11, Rr. 46—53. DOI: 10.19110/2221-1381-2016-11-46-53

24. Barbier B., Henin O., Boillo F., Chabin A., Chapu D. and Brack A. Exposure of amino acids and derivatives in the Earth orbit // Planetary and Space Science, 2002. V. 50. P. 353—359. DOI: 10.1016/S0032-0633(02)00010-7

25. Bujdak J., and Rode B. M. Silica, aluminia and clay catalyzed peptide bond formation: enhanced efficienty of aluminia // Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 1999. V. 29. P. 451—461.

26. Jackson T. A. Preferential polymerization and adsorption of L-optical isomers of amino acids relative to D-optical isomers on kaolinite templates // Chemistry Geology, 1971. No. 7. P. 295—306.

27. Cornelius C. D. Classification of natural bitumens: a physical and chemical approach // Exploration for heavy crude oil and natural bitumen (Eds. Mayer R.F.). 1984. P.165—170.

28. Endo K., Walton D., Reyment R. A., Curry G. B. Fossil intra-crystalline biomolecules of brachiopod shells: diagenesis and preserved geo-biological information // Organic Geochemistry, 1995. V. 23. No. 7. P. 661—673.

29. Golubev Ye. A., Isaenko S. I., Prikhodko A. S., Borgardt N. I., Suvorova E. I. Raman spectroscopic study of natural nanostructured carbon materials: shungite vs. anthraxolite // European Journal of Mineralogy, 2016. V. 28. No. 3. P. 545—554. DOI:10.1127/ejm/2016/0028-2537

30. How to predict Membership, Classification trees. URL: http://www.statsoft.com/Textbook/Classification-Trees (accessed: 05.03.2018); Derev'ya klassifikacii. URL: http://www.statlab.kubsu.ru/sites/project_bank/ trees.pdf (data obrascheniya: 29.03.2018)

31. Hunt J. M. Characterization of bitumens and coals // AAPG Bull., 1978.V. 62. No. 2. P. 301—303.

32. Kvenvolden, K. A., Peterson, E, and Pollock, G. E. Optical configuration of amino acids in Precambrian Fig Tree Chert // Nature, 1969. V. 221. P. 141—143.

33. Meyer R. F., De Witt W. Definition and World Resources of Natural Bitumens // U. S. Geol. Survey Bull., 1990. No. 1. P. 1—14.

34. Mossman D. J., Thomson-Rizer C. L. Toward a working nomenclature and classification of organic matter in Precambrian and Phanerozoic sedimentary rocks // Precambrian Res., 1993, V. 61. P. 171—179.

35. Takano Y., Horiuch T., Marumo K., Nakashima M., Urabe T., and Kobayashi K. Vertical distribution of amino acids and chiral ratios in deep sea hydrothermal sub-vents of the Suiyo Seamount, Izu-Bonin Arc, Pacific Ocean // Organic geochemistry, 2004. V. 35. P. 1105—1120. DOI:10.1016/j.orggeochem.2004.06.007

36. Theng K. G. Complexes of clay minerals with amino acids and peptides // Chemi. Erde, 1974. V. 33. P. 125—144.