Ю.Г. Пуцыкин, А.А. Шаповалов - Всероссийский научно-исследовательский
институт химических средств защиты растений
А.Л. Степанов - Московский государственный университет
Н.В. Бодоев, Т.В.Кострикова - Бурятский государственный университет
В статье приведены результаты определения содержания ковалентно связанной неорганической компоненты и, молекулярного веса для гуминовых кислот, выделенных из бурых углей различных месторождений, которые характеризуют их как особый тип органоминеральных полимеров, способных к обратимой полимеризации-деполимеризации. Также определены условия, при которых свободные гуминовые кислоты образуют с глинистыми минералами системы устойчивые в водной среде.
Введение
Угольные месторождения являются практически неограниченным источником гуминовых кислот - уникального продукта, который играет ключевую роль в процессе формирования и функционирования почвы и может быть использован для решения многих сельскохозяйственных и экологических проблем.
Практика использования в растениеводстве гуминовых препаратов, получаемых из бурых углей, и многочисленные сравнительные исследования [1,2] говорят о том, что гуминовые кислоты из бурых углей близки по своим свойствам к почвенным гуминовым кислотам, по крайней мере, в плане участия в почвообразовательном процессе и в стимулирующем действии на рост и развитие растений. Еще более веским подтверждением этого факта стали исследования способности почвенных микроорганизмов использовать в процессе жизнедеятельности различные органические субстраты в качестве единственного источника углерода. Оказалось что только гуминовые кислоты, полученные из почвы и бурого угля, не могут использоваться для этой цели почвенными микроорганизмами, и одновременно не токсичны для них, что собственно и определяет процесс накопления гуминовых кислот в почве [3] .
Постановка на промышленную основу процессов извлечения и применения гуминовых кислот из бурых углей требует достаточно четких представлений об их химической структуре и химизме образования. Однако двухсотлетняя история изучения этих, одних из самых распространенных в биосфере веществ, не принесла необходимой ясности [4].
Определение молекулярного веса гуминовых кислот с использованием образцов различного происхождения и различных методов имеют разброс результатов от сотен до сотен тысяч молекулярных единиц [5-7]. Если существующие аналитические и физико-химические методы дают представление о наличии определенных функциональных групп в молекуле гуминовых кислот, то о том как эти группы в них связанны между собой мы практически ничего не знаем. В последние годы все более утверждаются представления, что гуминовые кислоты - это вещества, строение которых определяется статистическими закономерностями. Считается, что продукты микробиологической деструкции растительных остатков взаимодействуют в почве друг с другом случайным образом и через ковалентные связи образуют высокомолекулярные соединения нерегулярного строения. При этом в частности развиваются представления о неких первичных фрагментах с молекулярным весом около 1000, в которых присутствуют все определяемые в гуминовых кислотах функциональные группы, и уже эти фрагменты нерегулярно соединяются в некие полимерные структуры за счет ковалентных связей [8-12]. Здесь следует обратить особое внимание на то, что полимерные структуры, образованные за счет ковалентных, в первую очередь углеродных, связей, достаточно стабильные образования и их легкая обратимая полимеризация - деполимеризация невозможна.
Изложенные в литературе представления о статистической структуре гуминовых кислот плохо согласуются с ключевой ролью гуминовых веществ в процессах формирования и функционирования почвы, которая является высокостабильной самовоспроизводящейся системой. В последнее время появились исследования, доказывающие давно существовавшие предположения о том, что в почве гуминовые кислоты находятся в тесном взаимодействии с микрочастицами глинистых минералов, которые имеют регулярную структуру. Это придает еще большие основания представлениям о наличии определенной упорядоченности в строении связанных с глинистыми минералами гуминовых кислот [13-15].
Целью настоящей работы, было определение молекулярного веса гуминовых кислот выделенных из бурых углей различных месторождений (Бурятия - разрез Гусиноозерский, Западная - Сибирь - разрез Березовский, Аппенинский полуостров - месторождение Рио-Майор) при различных величинах рН среды и концентрациях гуминовых кислот. А также определение состава и количества ковалентно связанной неорганической и минеральной части этих гуминовых кислот и условий, при которых они образуют устойчивые в воде агрегаты с глинистыми минералами.
Методика исследований
Гуминовые кислоты выделяли из образцов бурого угля традиционным способом водно-щелочной экстракции с последующим их осаждением в кислой среде [16], а также с использованием апротонного растворителя - диметилсульфоксида, чтобы оценить влияние на получаемые результаты условий экстракции. Экстракция диметилсульфоксидом проводилась путем встряхивания измельченного угля с деметилсульфоксидом в пропорции 1:20 при комнатной температуре в течение часа с последующим центрифугированием полученного раствора при 14 тыс об/мин в течение 10 мин. Затем надосадочную жидкость разбавляли ацетонитрилом в соотношении 1:10. Осадок отделяли и высушивали в вакууме при температуре 50oС. Далее высушенный осадок растворяли в диметилсульфоксиде 1:10 и всю процедуру повторяли. С целью контроля за тем, что диметилсульфоксид извлекает исключительно гуминовые кислоты, устанавливался факт полной растворимости полученного продукта в щелочных водных растворах и осаждения его в кислых.
Элементный анализ ковалентно связанной неорганики в образцах гуминовых кислот, выделенных из бурых углей, взятых из различных месторождений, проводили путем их пиролиза в смеси азотной кислоты и перекиси водорода 1:1 в течение 4 часов в титановом автоклаве при температуре 240oС. В полученном после автоклавирования растворе элементы определяли с помощью атомно-адсорбционного спектрофотометра с индуктивно связанной плазмой. В осадке, полученном после автоклавирования, калориметрически определяли кремний, после его сплавления с бурой и содой.
Состав минеральных фрагментов, связанных с гуминовыми кислотами бурых углей, определялось путем мягкой обработки угля 2-4% щелочным раствором, с последующим отделением высокодисперсной нерастворимой фракции центрифугированием. Содержание в этой фракции гуминовых кислот определялось путем ее длительного кипячения (2-4 часа) в 5% щелочи. Состав минеральной части фракции определялся ИК-спектрофотометрически после ее обработки концентрированной перекисью водорода в течение 2 часов с нагреванием на водяной бане, до полного удаления органической части образца.
Для определения молекулярного веса гуминовых кислот, выделенных из бурых углей, использовалось ультрацентрифугирование. Этот метод позволяет непосредственно получать характеристики молекулярного веса высокомолекулярных соединений, находящихся в жидких средах [17]. Определения проводились при различных концентрациях гуминовых кислот и рН растворов. Для этого гуминовые кислоты в виде их натриевых солей помещались в буферные растворы с различной величиной рН и одинаковой ионной силой и тщательно перемешивались. Определение фракционного состава гуминовых кислот проводили на ультрацентрифуге с аналитическим ротором типа An-G, с шестью ячейками v= 0,45 мл каждая и сканирующей оптической системой, позволяющей изучать динамику процесса седиментации в водной среде. Центрифугирование проводили при комнатной температуре, скорость вращения ротора - 48000 оборотов в минуту, рабочие длины волн при сканировании 330 и 410 нм.
Результаты и их обсуждение
Определение в образцах гуминовых кислот, выделенных из бурых углей различных месторождений, содержания ковалентно связанной неорганики показало, что не зависимо от источника происхождения и способа экстракции содержание магния, алюминия, железа, натрия, кальция, калия и кремния приблизительно одинаково, и суммарно составляет величину около 1% Таблица 1. Это говорит о том, что неорганическая ковалентно связанная составляющая гуминовых кислот является их неотъемлемой частью.
При определении молекулярного веса гуминовых кислот в водных растворах ультрацентрифугированием оказалось, что его значения существенно зависят от рН среды и их концентрации. Зависимости изменения молекулярного веса гуминовых кислот от рН при концентрации 40 мг/л приведены на Рисунках 1 и 2. На Рисунке 1 видно, что для различных месторождений угля кривые зависимости среднего молекулярного веса гуминовых кислот от рН имеют одинаковый характер. При этом с ростом рН молекулярный вес падает, что приводит к увеличению низкомолекулярных фракций и уменьшению высокомолекулярных фракций. При концентрации 2мг/л в нейтральных средах значительная часть гуминовой кислоты переходит в низкомолекулярное состояние (мономеры около 1000 кислородных единиц). В щелочных средах этот переход становится количественным.
Наблюдаемая картина в частности может быть связана с агрегированием низкомолекулярных фрагментов за счет водородных связей и электростатических взаимодействий, что характерно для коллоидных систем. Однако, по нашему мнению, здесь в первую очередь наблюдается более сильное взаимодействие. Этим объясняется наличие четко разграниченного небольшого числа фракций с различным молекулярным весом, характерных для каждой концентрации гуминовой кислоты. В случае слабых взаимодействий кривая распределения фракций с различным молекулярным весом имеет плавный вид. 17 . На Рисунке 3 представлена интегральная кривая изменения оптической плотности раствора гуминовых кислот (40мг/л, рН 8,0), полученных из месторождения Рио-Майор, наблюдаемая при сканировании ячейки аналитической центрифуги через 30 минут после начала центрифугирования. Отчетливо видно наличие небольшого, но четко очерченного количества фракций гуминовых кислот с различным молекулярным весом.
Еще одним косвенным подтверждением деполимеризации гуминовых кислот в щелочных средах следует отнести описанную в работе [3] способность микроорганизмов использовать гуминовые кислоты при высоких рН в качестве источника углерода. Сами гуминовые кислоты, как показанно в этой работе, микроорганизмами практически не используются. Когда же в щелочной среде гуминовые кислоты диссоциируют на слагающие их фрагменты, эти фрагменты становятся доступными для микроорганизмов.
Таким образом, гуминовые кислоты являются лабильными структурами, способными к обратимой полимеризации- деполимеризации, что несвойственно другим классам органических соединений, но характерно для неорганических соединений .
При оценке наличия глинистых минералов в составе гуминовых кислот было выявлено, что высокодисперсные нерастворимые фракции, образующиеся после щелочной экстракции бурых углей, содержат около 30 % гуминовых кислот, которые можно перевести в раствор только длительным кипячением в концентрированной щелочи. Выделенные из этих фракций путем нагревания в концентрированной перекиси водорода минеральные остатки содержали монтмориллонит.
Нами была предпринята попытка искусственно сформировать на поверхности монтмориллонита значительный, не разрушающийся в воде, слой гуминовых кислот аналогично наблюдаемым в почве [18]. Получить такой слой не разрушающийся при длительном встряхивании продуктов в воде, удалось только при осаждении их на глинистые минералы из насыщенного раствора гумата кальция.
Заключение
Суммируя полученные результаты, можно предположить, что группа относительно низкомолекулярных продуктов, образующихся в результате микробиологической деструкции растительных остатков, упорядоченно полимеризуется на поверхности глинистых минералов (например, монтмориллонита), давая гуминовые кислоты. Процесс образования макромолекул гуминовых кислот происходит за счет кальциевых или магниевых мостиков. Поэтому необходимым условием участия продуктов микробиологического разложеня в образовании гуминовых кислот является наличие в их структуре ковалентно связанных неорганических фрагментов, содержащих кальций или магний.
Внешние слои гуминовых кислот на поверхности глинистых частиц формируются за счет связывания с глубже лежащими слоями и между собой. При этом тип упорядоченности сохраняется. Однако, чем дальше от минеральной поверхности, тем структура слоя становится более рыхлой. Часть этого слоя может отрываться, мигрировать в почве, связываться с поверхностью других частиц глинистых минералов, реализуя процесс почвообразования.
Авторы выражают благодарность:
Т.А. Соколовой (МГУ им. М.В.Ломоносова) за проведение рентгенофазового анализа образцов
В.А. Леонову (Независимый университет Лиссабона) за предоставление образцов бурого угля (месторождение Рио-Майо)
П.В. Калмыкову, Н.Н. Магретовой (Научно-исследовательский институт физико-химической биологии МГУ им. М.В.Ломоносова) за определение молекулярного веса методом ультрацентрифугирования
Э.М. Седых, Н.И. Гулько (Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского) за определение элементов в образцах гуминовых кислот
Список литературы
1. Т.А. Кухаренко Химия и генезис ископаемых углей - М, Госгортехиздат, 1960, 156с.
2. Л.А.Христева, К.И.Солоха, А.И.Горовая Об общности и различиях в действии гумусовых физиологически активных веществ на растение, о его природе и некоторых агрономических аспектах их использования Материалы Всесоюзной научной конференции Теоретические основы действия физиологически активных веществ и эффективность удобрений их содержащих. Днепропетровск, 1967, 14-26с.
3. Д.Г. Звягинцев, А.А.Шаповалов, Ю.Г.Пуцыкин, А.Л.Степанов, Л.З.Лысак, М.Л.Буланова Устойчивость гуминовых кислот к микробной деструкции.. Вестн.МГУ Сер.17, Почвоведение, №2, 2004, 47-52с.
4. Д.С. Орлов Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. - М.: Изд-во МГУ,1991. - 324 с.
5. A.M.Pommer, I.A.Breger Potentiometric titration and equivalent weight of humic acid. Geochim. Et cocmochim. Acta, 20,N1, 1960, p30.
6. E.Welte Uber einen neurn Weg der Molekulargewichtsbestimmung und uber die Elektrolitempfindlichkeit von Chinon-Huminsauren. 3 Mitt, uber Huminsauren. - Z. Pflanzenernahr. Dund., Bodenkunde, 57(102), N2, 1952, p 142.
7. Т.А. Кухаренко О молекулярной структуре гуминовых кислот В сб. Гуминовые вещества в биосфере, Москва, Наука, 1993, 31с.
8. И.Д. Комиссаров, Л.Ф. Логинов Молекулярная структура и реакционная способность гуминовых кислот В сб. Гуминовые вещества в биосфере, Москва, Наука, 1993, 36-43с.
9. I.Lishtvan, N.T.Korol, in General Properties of Peat and Methods of its Determination, Science and Technology, Minsk, 1975, 319.
10. C.Liu , P.M.Huang Role of hydroxy-aluminosilicate ions in the formation of humic substances // Proceeding of 10 International Meeting of the IHSS, Toulouse, 2000, v.1, 61-64.
11. H.-R. Schulten A state of the art structural concept for humic substances, М.: Naurwissenschaften 80, (1993). - р.29-30
12. Hand-Rolf Schulten, Morris Schnitzer Chemical model structures for solf organic matter and soils // Soil Science, 1997, vol.162, №2, 115-130
13. М.М. Кононова Важнейшие итоги исследования почвенного гумуса Почвоведение №12, 1957, с 43.
14. Тейт Р. Органическое вещество почвы.-М.: Изд-во Мир, 1991. 437с.
15. А. A. Shapovalov, Y. G. Putsykin and V. A. Leonov Some specifics of the structure and the mechanism of formation of humic acids// Proceeding of 10 International Meeting of the IHSS, Toulouse, 2000, v.1, p 195-197
16. Угли бурые и каменные: ГОСТ 9517-76
17. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М. "Химия", 1976, 77-80, 423 с.
18. R.S.Swift Macromolecular properties of soil humis substances : fact, fiction, and opinion// Soil Science, 1999, vol 164, № 11, 790-802.
