Состав почвы

Химический состав почвы включает две части: минеральную и органическую. Все органические вещества почвы, по степени участия в почвообразовании и плодородии, делятся на две группы:

1) сравнительно неустойчивые, зависящие от условий (углеводы, полипептиды, кислоты, липиды, хлорофилл, пигменты),

2) значительно более устойчивые вещества (гуминовые кислоты, гуматы, фульвокислоты, гумин и частично лигнин).

Они обусловливают типовые и длительно сохраняющиеся признаки почв. Гуминовые и фульвокислоты носят общее название гумусовых кислот. Благодаря высокой поглотительной способности они выполняют в почве функции ионообменников [1].

Все эти вещества образуют почвенный гумус. Гумус - (от лат. humus -земля, почва) представляет собой высокомолекулярные темноокрашенные органические вещества коллоидной природы. Они относятся по химическому составу и строению к различным классам соединений [1].

Номенклатура органических веществ почвы по Д. С. Орлову

Рис. 1. Номенклатура органических веществ почвы по Д. С. Орлову [2]

На рисунке 1 показана номенклатура органических веществ почвы по Д. С. Орлову [2], в соответствии с которой в составе гумуса различают специфические гумусовые вещества (собственно гумусовые вещества), неспецифические органические соединения (или «вещества известного строения», по Фляйгу) и промежуточные продукты распада и гумификации.

Специфические гумусовые вещества - это более или менее темноокрашенные азотсодержащие высокомолекулярные соединения преимущественно кислотной природы. Они представлены гумусовыми кислотами (наиболее характерные вещества), прогуминовыми веществами типа «молодых» гуминоподобных продуктов, образующихся в культуральных средах и при ферментативном синтезе, и компонентами гумина [2].

Вопросы генезиса, строения, роли и функций гумусовых кислот в биосфере по настоящее время остаются актуальными и не до конца решенными [2].

Образование гуминовых и фульвокислот

Образование гумусовых веществ - сложный и длительный процесс, зависящий от множества факторов. Так, в основе формирования черноземов лежит дерновый процесс, который заключается в аккумуляции гумуса, биофильных элементов и образовании водопрочной структуры под действием травянистой растительности. Для гумусоаккумулятивного процесса в этих почвах складываются наиболее оптимальные условия: большое количество ежегодного опада, существенная часть которого поступает в почву в виде корневой системы растений; близкая к нейтральной реакция среды; высокая насыщенность минеральной части почвы кальцием и магнием; при периодически промывном водном режиме четко выраженная контрастность режима влажности; умеренная биологическая активность [3]. В настоящее время ученые признают важную роль органического вещества в почвообразовании. Свежий опад трансформируется, подвергается минерализации и гумификации, в результате которой образуются новые молекулы гуминовых и не гуминовых соединений, которые также минерализуются, хотя и медленнее, чем свежий опад. Гумусовые вещества образуются в процессе трансформации компонентов опада, когда фенольные или хиноидные их составляющие формируют «центральное ядро», а алифатические - «боковые цепи» [4]. Опад растительности черноземной зоны богат кальцием, что приводит к образованию в почвах биогенного кальция и к его миграции в форме гидрокарбоната, в результате процесс гумификации протекает при избыточном количестве солей кальция и сопровождается повышенным поглощением ионов кальция образующимися гумусовыми веществами, что фактически исключает формирование и вынос свободных водорастворимых продуктов [5].

Оптимальные условия для гумификации в черноземной зоне создаются весной и ранним летом, когда в почве возникают благоприятные условия водного и температурного режимов, для микробиологических процессов. При недостатке увлажнения летом эти процессы существенно замедляются, что позволяет предохранить образовавшиеся гумусовые вещества от быстрой минерализации. Укрупнение молекул гумусовых веществ за счет присоединения боковых цепей, увеличения «ядерной» части, в результате реакций поликонденсации и окисления наиболее активно протекает также в этот период при повышении температуры и некотором иссушении почвы. В зимний период, при промерзании почвы, происходят процессы денатурации гумусовых веществ. Вместе с тем это процесс весьма длительный, и образующиеся вещества гумусовой природы демонстрируют высокую устойчивость к биохимической и термической деструкции.

Гумусовые вещества в растворах не претерпевают заметных изменений в течение нескольких лет, а микроорганизмам требуется больше месяца, чтобы уменьшить вдвое их концентрацию [6]. Даже в жестких гидротермальных условиях при нагревании до 200 °С, за 10 дней разложению подвергается максимум 90% исходного количества гумусовых веществ [7]. Поэтому они способны довольно долго сохраняться и накапливаться в естественных условиях. Так, данные радиоуглеродного анализа свидетельствуют, что возраст гумусовых кислот в почвах колеблется от 500 до 5000 лет, во взвесях речных осадков - от 1500 до 6500 лет [8], а их доля в органическом веществе почв и поверхностных вод составляет 60-90%.

Для черноземов выщелоченных характерно отношение количества гуминовых кислот к фульвокислотам в интервале 1,7 - 2,5, высокая степень окисленности и ароматичности гуминовых кислот и преимущественное их закрепление в форме гуматов кальция, более сложное, по сравнению с подзолистыми почвами, строение фульвокислот [9]. Следует отметить, что в работах по влиянию сельскохозяйственного освоения почв на гуминовые кислоты [10] методами ИК-спектроскопии и дифференциального термического анализа установлено, что молекулы гуминовых кислот освоенных участков обладают менее выраженной периферической частью, чем гуминовых кислот целинных земель. При исследовании гумуса дерново-подзолистых почв в условиях интенсивного земледелия с помощью современных физико-химических методов A.M. Лыков [11] делает вывод, что качественный состав и природа гумусовых веществ почвы значительно влияют на стабильность гумуса и его устойчивость к минерализации. Более сложные, высококонденсированные гуминовые соединения минерализуются медленнее, чем малоконденсированные формы гуминовых кислот и фульвокислоты. Аналогичные данные получены и для лугово-черноземных почв [12], где отмечается, что сельскохозяйственная деятельность способствует увеличению степени гумификации гумусовых соединений.

Объектами исследований в настоящей работе являются гумусовые кислоты, выделенные из образцов целинного чернозема выщелоченного, которые наиболее полно отражают характеристические фрагменты структур макромолекул гумусовых кислот.

Существует несколько гипотез гумификации [2]. Согласно полимери-зационной гипотезе В. В. Кононовой, растительные остатки и продукты метаболизма микроорганизмов распадаются до мономеров, из которых путем поликонденсации и полимеризации образуются гумусовые вещества. По данным Л. Н. Александровой [13], в процессе образования гумусовых веществ основная роль принадлежит лигнину как источнику ароматических соединений. В результате реакции биохимического окисления большая его часть гумифицируется и превращается в гуминовые кислоты [14]. В соответствии с теорией В. Р. Вильямса [11], гумусовые вещества представляют собой продукты метаболизма некоторых видов микроорганизмов.

Выделение и исследование гумусовых веществ

Первые эксперименты по выделению и изучению гумусовых веществ (ГВ) приходятся на конец XVIII века. В 1786 году Ф. Ахард действием раствора щелочи на торф получил темноокрашенный раствор, из которого подкислением концентрированной серной кислотой был выделен осадок гуминовых кислот (ГК) [2]. В работе [15] они получили название «некромовые кислоты». Изучив кислотные свойства ГК методом потенциометрического титрования, С. Оден в работе [2] сделал вывод, что они являются трех- или четырехосновными кислотами. В 20-30 годы XX века В. В. Геммерлингом [11] было установлено, что ГК полидисперсны и их окраска зависит от молекулярной массы. В работе А. А. Шмука [2] было доказано присутствие в макромолекулах ГК карбоксильных и фенольных гидроксо-групп. При сплавлении С со щелочью он обнаружил структуры ароматической природы, а из продуктов окисления выделил терефталевую кислоту. В 40-60 годы XX века были попытки искусственно синтезировать ГК из мономерных соединений: моносахаридов, аминокислот, фенолов. В это же время проводились исследования строения и состава природных ГК [16]. В 70-80 годы XX века был предложен ряд схем строения ГК, на основе которого Д. С Орловым, Л. А. Гришиной, М. И. Дергачевой, Ф. Стивенсоном с использованием некоторых приближений и уточнений были построены более точные модели ГК [2].

Изучение фульвокислот (ФК) началось с работ Берцелиуса [2], который выделял из водных растворов креновую и апокреновую кислоты, относящиеся к водорастворимым органическим кислотам. Впервые термин ФК употребил С. Оден, называя так желто-окрашенные вещества, остающиеся в растворе после осаждения ГК [11]. Однако довольно обширный материал о строении ФК носил противоречивый характер. Одни исследователи считали их натуральными формами ГК или продуктами их распада (Мульдер, Оден) [11], другие - смесью органических веществ индивидуальной природы (углеводов, алифатических и аминокислот), третьи - специфическими компонентами гумуса (Тюрин) [17].

Современный этап изучения ФК начинается с работ Тюрина и Пономаревой. В соответствии с данными Тюрина, почвенные ФК составляют группу оксикарбоновых азотсодержащих кислот, имеющих более светлую по сравнению с ГК окраску, меньшее содержание в молекулах углерода, растворимых в воде и минеральных кислотах. ФК имеют высокую обменную емкость (до 700 мг-экв/100 г), разрушительно действуют на минералы и склонны к образованию комплексных соединений с ионами металлов [2].

Большое количество разнообразных функциональных групп в составе молекул гумусовых кислот обусловливает их высокую реакционную способность. Это, прежде всего, карбоксильные, фенольные, спиртовые, аминные, хинонные группы, способные к образованию ковалентных и электровалентных связей, внутрикомплексных соединений [11]. Гуминовые кислоты содержат в среднем 46-62% С, 3-6% N, 3-5% Н и 32-38% О. Молекулы фульвокислот имеют более низкое содержание углерода и повышенное содержание кислорода: 36-44% С, 3-4,5% N, 3-5% Н и 45-50% О. В составе молекул гумусовых кислот также практически всегда содержатся сера, фосфор и катионы различных металлов [18-21].

Почти все современные экспериментальные данные подтверждают образование ФК в ходе щелочного или кислотного гидролиза как органического вещества почвы, так и собственно ГК или гумина [22]. Так, Т. А. Гореловой [23] было показано постоянство количественного выхода ФК из торфяных почв в расчете на общее содержание органического вещества, что отрицает существование ФК как отдельного класса природных соединений.

Модели строения гуминовых и фульвокислот

Гумусовые кислоты относятся к соединениям переменного состава, вследствие чего полную и однозначную их структурную формулу вывести невозможно. Следует отметить, что замена в молекуле гуминовой или фульвокислоте отдельных структурных фрагментов, боковых цепей и функциональных групп существенно не изменяет их свойства в целом. Таким образом, существуют вероятностные (статистические) формулы, отражающие средний состав, строение и средние свойства гумусовых кислот.

В настоящее время существует несколько структурных формул гумусовых кислот, но все они имеют гипотетический характер, отражая в той или иной мере подробно накопленные экспериментальные данные. Гипотетический структурный фрагмент гумусовых кислот почв, предложенный Кляйнхемпелем [24], показанный на рисунке 2, наглядно демонстрирует сложность их строения.

Гипотетический структурный фрагмент гумусовых кислот почв по Кляйнхемпелю 

Рис. 2. Гипотетический структурный фрагмент гумусовых кислот почв по Кляйнхемпелю [24].

В соответствии с моделью Драгунова С. С. [2] гуминовая кислота представляет собой цепь ароматических ядер, расположенных линейно, и включает фенольные и хинонные группировки, гетероциклический азот, углеводные остатки с высокой степенью замещения ароматических колец. Однако данная модель имеет несколько существенных недостатков: ароматическая часть представлена только четырехзамещенными кольцами, почти все бензольные кольца имеют кислородсодержащие заместители. Данная формула не подтверждает экспериментальные данные о высокой оптической плотности растворов гумусовых веществ.

Наиболее достоверно, на наш взгляд, отражает строение гуминовой кислоты модель, предложенная Стивенсоном [25]. В соответствии с его представлениями главная цепь макромолекулы гуминовой кислоты состоит из фрагментов фенилкарбоновых кислот с привитыми к ней углеводными и белковыми цепочками. В составе гуминовой кислоты он выделяет следующие функциональные группы: карбоксильные, фенольные, амидные, спиртовые, альдегидные, карбоксилатные, кетонные, метоксильные, хинонные, гидроксихинонные и аминогруппы. Структура фрагмента гуминовой кислоты, соответствующая модели Стивенсона, построенная нами в программе HyperChem 7.01 и оптимизированная методом молекулярной механики (mm+), а затем полуэмпирическим методом AMI, показана на рисунке 3.

Структура и ее оптимизированная модель строения ГК по Стивенсону

Рис. 3. Структура и ее оптимизированная модель строения ГК по Стивенсону [25]

Количество функциональных групп, содержащихся в макромолекуле ГК, и их роль в органоминеральных процессах окончательно не определены. Однако основу ГК как ионообменников составляют фиксированные карбоксильные и фенольные, гидроксильные группы. Карбоксильные группы ГК входят в различные фрагменты структуры и отличаются по кислотности [2].

Для ФК, в отличие от ГК, характерно высокое содержание в молекуле фенольных гидроксилов, которое в 1,5-3 раза выше [2]. ФК имеют такое пространственное строение, когда арильные и алкильные фрагменты чередуются, что подтверждает положение Орлова [26] о том, что в ФК ароматические структуры распределены более равномерно, чем в ГК. Большой вклад в изучение строения молекул ФК внес М. Шнитцер [27, 28]. В соответствии с одной из его моделей молекула ФК с молекулярной массой 700 Да должна включать два ароматических кольца, шесть карбоксильных групп, две кетонные группы, два фенольных гидроксила, три спиртовые группы. Молекула также должна включать алифатические цепи и алициклические кольца. Оптимизированная модель, соответствующая этим данным, показана на рисунке 4 [29].

 Структура и ее оптимизированная модель строения ФК по Шнитцеру

Рис. 4. Структура и ее оптимизированная модель строения ФК по Шнитцеру [27, 29]

Методы выделения препаратов гумусовых кислот из почв

Традиционным методом выделения ГВ из почвы считается разработанный М. М. Кононовой и Н. П. Бельчиковой [30], где экстракция гумусовых кислот проводится раствором гидроксида натрия или смеси гидроксида с пирофосфатом натрия, а затем экстракт разделяют на ГК и ФК по растворимости в кислой среде. ГК при подкислении щелочного почвенного экстракта до рН 1-2 выпадают в осадок, а в растворе остаются ФК. Далее компоненты раствора разделяют на хроматографической колонке с активированным углем [31]. К. В. Дьяконова [32] предложила экстрагировать лабильные формы ГВ из почвы последовательными вытяжками от мягких к жестким экстрагентам: смесью пирофосфата и гидроксида натрия с рН 7, 10, 13 и щелочью. При этом степень извлечения ГВ составляет 90-95%. Однако состав выделяемых ГК различается в зависимости от применяемых реагентов. Существуют методики выделения препаратов ГК и ФК, основанные на использовании различных синтетических смол: КУ-2, Amberlite XAD, PVP и других [33].

В работе [34] выявлено, что содержание гумуса влияет на выход препаратов ГК, который не зависит от подтипа почв. Полученные препараты ГК имеют высокое содержание органо-минеральных соединений и поэтому требуется их очистка. Обеззоливание и очистка проводятся методами сорбции на адсорбентах различной природы (цеолиты, глинистые минералы), а также на ионообменных смолах [35]. Эти методы очистки также применимы и к ФК. Г. Варшал использовал способ вымораживания с последующим фракционированием ФК на активированном угле марки БАУ [2]. Р. Обеноус и Н. Оберлендер [36] деминерализацию ФК осуществляли на сефадексах, промывая сорбционную колонку обессоленной водой. Г. В. Славинская применила для деминерализации растворов ФК сильно-сшитые ионообменники [37]. Раствор пропускали через колонку с анионитом, затем - через слой катионита. Деминерализация считалась достигнутой, когда рН фильтрата после контакта с ионообменниками не изменялся, что свидетельствовало об отсутствии солей в растворе ФК. Растворы ФК при обессоливании пропускали с максимально возможной скоростью, чтобы сократить время контакта ионитов и ФК и предотвратить адсорбцию препарата. Следует отметить, что процесс деминерализации ФК связан с большими потерями целевого продукта и считается, что получение препарата с содержанием примесей 0,3 % - достаточно эффективный результат [38].