Элементный состав гуминовых кислот и их негидролизуемой части, выделенных из генетических горизонтов почв Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника

Введение

Фундаментальная проблема установления строения, роли и функций гуминовых кислот (ГК) в биосфере является актуальной. Многообразие функций гуминовых веществ определяет практическую важность разработки теоретических основ гумусообразования.

В настоящее время большое внимание уделяется вопросам функционирования антропогенно преобразованных экосистем, при этом воз-растает важность изучения ненарушенных экосистем, как «эталонных». Подходящим объектом для подзоны южной тайги может служить Центрально-лесной государственный природный биосферный заповедник (ЦЛГПБЗ), расположенный в Нелидовском районе Тверской области. Территория заповедника в обозримом прошлом не использовалась для ведения сельского хозяйства; вблизи заповедника нет крупных городов и промышленных предприятий. Многочисленные исследовательские работы начались здесь еще в 1930-е годы. Ведущим фактором дифференциации почвенного покрова на данной территории является неравномерность распределения атмосферных осадков по элементам рельефа [1].

Прием гидролиза ГК различными реагентами — один из методов, позволяющих установить строение молекулы ГК. В настоящее время в литературе часто встречаются понятия «ядерная» и «периферическая» часть молекулы ГК. Использование этих понятий началось с работ по гидролизу ГК, исследователи подразумевали под «ядерной» частью те компоненты ГК, которые не подвергались гидролизу, а под периферической — те, что переходили в гидролизат.

В нашей стране распространена методика гидролиза ГК 6 М соляной кислотой при 130⁰С в течение 24 часов [5]. По сравнению с другими методиками гидролиза, в этой методике применяются самые жесткие условия, в негидролизуемом остатке представлены только наиболее устойчивые компоненты.

Цель данной работы — провести кислотный гидролиз гуминовых кислот, выделенных из генетических горизонтов почв ЦЛГПБЗ и охарактеризовать состав ГК до и после гидролиза.

Объекты и методы исследования

В качестве объектов исследования были выбраны препараты гу-миновых кислот, выделенные из горизонтов Т1+Т2, Н, Eih, E, Ecn торфянисто-подзолисто-глееватой почвы, горизонтов L, F, H, AE, E палево-подзолистой почвы и горизонтов L+F, A1, A1B, Bg дерново-глеевой почвы. Таким образом, изучались ГК практически всех генетических горизонтов (из которых возможно препаративное выделение ГК) трех почв, расположенных по катене, характеризующихся существенными различиями водного режима и сформированных под разными типами леса.

Выделение и очистка препаратов ГК проводилась методом Орлова и Мотока [6].

Элементный состав препаратов ГК и их негидролизуемых остатков был определен на приборе «Vario EL III» (Elementar, ФРГ). На основе данных элементного состава рассчитаны степень окисленности (ω) [3] и степень бензоидности (α) [4].

Кислотный гидролиз препаратов ГК 6M HCl проводился в запаянных стеклянных ампулах при температуре 130⁰С в течение 24 ч [5]. Навеску препарата ГК (около 0,5г) помещали в ампулу, затем добавляли 5 мл 6 М HCl, откачивали воздух водоструйным насосом и запаивали ампулы. Ампулы выдерживали в сушильном шкафу при температуре 130⁰С в течение 24 часов. Затем содержимое ампулы фильтровали через предварительно высушенные при 60⁰С и взвешенные фильтры «синяя лента». Осадок на фильтре многократно промывался водой, затем фильтр с осадком сушился при 60⁰С. По приросту массы фильтра рассчитывался выход негидролизуемого остатка (НГО) ГК:

где:
А — выход негидролизуемого остатка (НГО) ГК, %;
m_НГО — масса негидролизуемого остатка препарата ГК;
m_ГК — масса исходного препарата ГК.

Гидролизуемость ГК по массе рассчитывалась как:

где:
ГидрМ — гидролизуемость ГК по массе;
А — выход НГО ГК, %.

Гидролизуемость ГК по углероду рассчитывалась по формуле:

где:
Гидр(C) — гидролизуемость ГК по углероду;
А — выход негидролизуемого остатка (НГО) ГК, %;
С_НГО — содержание угдерода в НГО ГК (масс. %);
С_ГК — содержание углерода в препарате ГК (масс. %).

Аналогичным образом рассчитывалась гидролизуемость ГК по азоту. Таким образом, показатели гидролизуемости ГК показывают, какая часть препарата ГК или конкретного элемента переходит в гидролизат.

Результаты и обсуждение

Гидролиз гуминовых кислот 6 М соляной кислотой при нагревании — достаточно жесткий способ деструкции ГК, при котором от 40 до 60% исходного препарата переходит в негидролизуемый остаток (НГО), а остальное — в гидролизат. В таблице 1 представлены результаты по выходу негидролизуемого остатка для изучаемых препаратов ГК и элементный состав в массовых процентах этого остатка.

Таблица 1 — Выход и элементный состав негидролизуемого остатка ГК

Выход негидролизуемого остатка ГК постепенно снижается вниз по профилю, эта тенденция прослеживается для всех рассматриваемых почв. По сравнению с исходными препаратами ГК, их негидролизуемые остатки характеризуются более высоким содержанием углерода, а также пониженным содержанием азота и кислорода. Тенденций изменения состава НГО при движении вниз по профилю не наблюдается, негидролизуемые остатки всех препаратов ГК имеют сходный состав лишь с некоторыми отклонениями.

При сравнении между собой рассматриваемых почв обращает на себя внимание увеличение содержания азота в составе НГО гуминовых кислот от торфянисто-подзолисто-глееватой почвы к дерново-глеевой почве. Подобная закономерность также отмечается для препаратов ГК (табл. 2). Таким образом, увеличение содержания азота в составе ГК для рассматриваемых почв происходит не только за счет роста его содержа-ния в наиболее лабильной, гидролизуемой части ГК, но также и в негидролизуемой.

Таблица 2 — Элементный состав препаратов ГК, массовые % на беззольную навеску.

На основе данных элементного состава исходных гуминовых кис-лот (табл. 2) и их негидролизуемых остатков с учетом выхода НГО (табл. 1) рассчитываются значения гидролизуемости ГК по массе (общая гидролизуемость), по углероду и по азоту (табл. 3); последние два пока-зателя отражают массовую долю элемента, переходящую в гидролизат [3].

Для всех рассматриваемых препаратов ГК в гидролизат переходит 40–60% исходного вещества, что характерно для гуминовых кислот почв гумидной зоны [2, 5, 11].

Гидролизуемость ГК по массе увеличивается при движении вниз по профилю для всех рассматриваемых почв, что свидетельствует о постепенном наращивании периферической части молекулы ГК. При переходе от горизонтов подстилки к минеральным горизонтам отмечается достаточно сильный рост гидролизуемости ГК, что отмечается некоторыми исследователями. Показано [7, 8], что гуминовые кислоты растительных остатков подвергаются гидролизу в меньшей степени, чем почвенные ГК. В целом для рассматриваемых почв наблюдается следующее изменение гидролизуемости ГК: от торфянисто-подзолисто-глееватой почвы к палевоподзолистой почве наблюдается снижение гидролизуемости ГК, а при переходе к дерново-глеевой почве наблюдается рост этого показателя.

Таблица 3 — Гидролизуемость препаратов ГК по массе, по углероду и по азоту.

Гидролизуемость ГК по углероду и по азоту коррелирует с гид-ролизуемостью ГК по массе. Значения этих показателей для всех изученных препаратов ГК попадают в диапазон, характерный для гуминовых кислот дерново-подзолистых почв [2, 3]. Также в литературе отмечается, что гидролизуемость ГК по азоту выше, чем по углероду, что также отмечается для изученных нами препаратов ГК.

В профиле палевоподзолистой почвы с глубиной наблюдается синхронный рост гидролизуемости ГК по углероду и по азоту. Для торфянисто-подзолисто-глееватой почвы отмечается быстрое увеличение гидролизуемости ГК по азоту с глубиной. Для исходных ГК горизонтов этой почвы наблюдаются самое низкое содержание азота (табл. 2), несколько возрастающее с глубиной. Можно предположить, что увеличе-ние содержания азота с глубиной происходит преимущественно за счет включения азотсодержащих компонентов в гидролизуемую часть молекулы.

В меньшей степени гидролизуемость ГК по азоту выражена в профиле дерново-глеевой почвы, однако для этой почвы характерно резкое увеличение гидролизуемости ГК по углероду с глубиной.

Содержание азота в составе НГО ГК в полтора-два раза ниже, чем в исходных препаратах ГК. На этом основании, а также с учетом высокой-гидролизуемости ГК по азоту можно сделать вывод, что бо?льшая часть азота в молекуле ГК содержится в гидролизуемой части молекулы. Такое распределение азота характерно для ГК. Соотношение азота в гидролизуемой и негидролизуемой частях молекулы ГК является одним из диагностических признаков ГК [3, 10, 12].

Для изученных препаратов ГК наблюдается описанная в литературе [3, 7, 9] зависимость гидролизуемости ГК от отношения (Н: С)испр и степени бензоидности (табл. 4). Для всех рассмотренных почв отмечается увеличение отношения (Н: С)испр ГК при движении вниз по профилю (табл. 4), что совпадает с тенденцией увеличения гидролизуемости ГК по профилю (табл. 3). В наибольшей степени подвергаются гидролизу ГК горизонтов Е, Ecn торфянисто-подзолисто-глееватой почвы, горизонта Е палевоподзолистой почвы и горизонтов А1В, Bg дерново-глеевой почвы. В этих же горизонтах отмечаются самые высокие значения (Н: С)испр, больше двух единиц, что более характерно для фульвокислот, чем для ГК. Эта закономерность несколько нарушается для ГК горизонтов L, F палевоподзолистой почвы. Для этих ГК наблюдаются почти такие же отношения (Н: С)испр, что и для ГК горизонтов L+F, А1 дерново-глеевой почвы, однако наблюдаемые значения гидролизуемости ГК горизонтов L, F палевоподзолистой почвы существенно меньше, чем для ГК горизонтов L+F, А1 дерново-глеевой почвы.

Таблица 4 — Атомные отношения, степень окисленности и бензоидности ГК

Отношения Н: С и (Н: С)испр для НГО ГК меньше, чем для исходных препаратов ГК, причем отношение (Н: С)испр снижается сильнее, чем Н: С. Рассчитанные на основе отношений Н: С и (Н: С)испр значения α (степень бензоидности) показывают, что доля ароматических структур в составе негидролизуемых остатков составляет 20–40%, что в 2,5–3 раза превосходит долю ароматических структур в составе исходных ГК (табл. 5).

Снижение атомной доли кислорода в составе НГО на фоне увеличения содержания водорода приводит к снижению степени окисленности НГО по сравнению с исходными препаратами. Так, все НГО ГК представлены восстановленными и слабоокисленными соединениями (табл. 5), роста степени окисленности при движении вниз по профилю рассматриваемых почв не наблюдается.

Таблица 5 — Атомные отношения, степень окисленности и бензоидности НГО ГК

Динамика отношения C:N для НГО ГК (табл. 5) аналогична динамике изменения атомной доли азота в составе НГО. Абсолютные значения С:N для НГО ГК примерно вдвое превышают значение этого показателя для исходных ГК (табл. 4), что также подтверждает снижение роли азота в формировании негидролизуемой части молекулы.

Заключение

Проведенное сравнение исходных гуминовых кислот, выделенных из горизонтов Т1+Т2, Н, Eih, E, Ecn торфянисто-подзолисто-глееватой почвы, горизонтов L, F, H, AE, E палевоподзолистой почвы и горизонтов L+F, A1, A1B, Bg дерново-глеевой почвы и их негидролизуемых остатков показало, что негидролизуемая часть изученных препаратов, составляющая 40—60% от массы исходной ГК характеризуется пониженным содержанием азота и кислорода по сравнению с исходными препа-ратами. Все НГО представлены восстановленными или слабоокислен-ными веществами, содержащими существенно большее количество ароматических структур в своем составе, чем исходные препараты ГК.

Список литературы

1. Карпачевский Л.О., Строганова М.Н., Трофимов С.Я., Гончарук Н. Ю. Организация почвенного покрова Центрально-лесного государственного заповедника//Почвенные исследования в заповедниках. Проблемы заповедного дела. Вып. 7. М., 1995.
2. Кленов Б. М. Устойчивость гумуса автоморфных почв Западной Сибири. Новосибирск.: СО РАН-Гео, 2000.
3. Орлов Д. С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: МГУ.1990. 325 с.
4. Орлов Д.С., Барановская В.А., Околелова А. А. Степень бензоидности гуминовых кислот и методы ее определения//ДАН СССР. 1987. Т. 293. № 6. С. 1479–1484.
5. Орлов Д.С., Гришина Л.А., Ерошичева Н. Л. Практикум по биохимии гумуса. М.: МГУ, 1969.
6. Орлов Д.С., Гришина Л. А. Практикум по химии гумуса. М., МГУ. 1981. 272 с.
7. Перминова И. В. Анализ, классификация и прогноз свойств гумусовых кислот. Автореф. дис. д-ра хим. наук. М.:МГУ. 2000. 50с.
8. Чухарева Н.В., Шишмина Л.В., Новиков А. А. Физико-химические характеристики торфяных гуминовых кислот и остатков их кислотного гидролиза//Химия растительного сырья. 2003. № 3. С. 11–15.
9. Abea T., Maieb N., Watanabea A. Investigation of humic acid N with X-ray photoelectron spectroscopy: Effect of acid hydrolysis and comparison with 15N cross polarization/magic angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy//Organic Geochemistry. 2005. Vol. 36. № 11. P. 1490–1497.
10. Chen B., Johnson E.J., Chefetz B., Zhu L., Xing B. Sorption of Polar and Nonpolar Aromatic Organic Contaminants by Plant Cuticular Materials: Role of Polarity and Accessibility//Environ. Sci. Technol. 2005. № 39 (16). P. 6138–6146.
11. Marcos D., Lobartinib C.B., Lobartinib J. C. Particulate organ-ic matter, carbohydrate, humic acid contents in soil macro- and mi-croaggregates as affected by cultivation//Geoderma. 2006. Vol. 136. № 3–4. P. 660–665.
12. Stevenson F. J. Humus Chemistry. N.Y. 1982. 325p.