ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ДЕЛЬТЫ р. СЕЛЕНГА (ЗАПАДНОЕ ЗАБАЙКАЛЬЕ)

Категория: Ветеринария и зоотехния.

Аннотация. Рассматриваются данные об элементном составе гуминовых кислот, выделенных из гумусового горизонта дерновых лесных и луговых почв дельтовой части реки Селенги. Показано, что под влиянием особых условий гумусообразования (влияние криогенных факторов, короткий период биологически активных температур, обогащенность растительных остатков трудноразлагающимися целлюлозо-лигнинными компонентами, невысокая биологическая активность) формируются гуминовые кислоты с пониженным содержанием углерода, азота, имеют невысокую степень ароматизации при значительном участии углерода в алифатической части. В них значительно содержание кислых функциональных групп, свидетельствующих о высоких адсорбционных свойствах гуминовых кислот.

Ключевые слова: гуминовые вещества, гуминовые кислоты, элементный состав, степень бензоидности, атомные отношения, дерновые лесные почвы, луговые почвы

Гуминовые вещества (ГВ) представляют собой наиболее распространенный класс органических соединений природного происхождения, являясь одним из главных компонентов органического вещества почв, торфов, природных вод, морских и озерных донных отложений. Они представляют собой смесь макромолекул переменного состава и нерегулярного строения. Общепринятая классификация ГВ [1–3] основана на их различной растворимости в кислотах и щелочах. Согласно этой классификации ГВ подразделяют на гумин (нерастворим во всем диапазоне рН), гуминовые кислоты – ГК (нерастворимы при рН<2) и фульвокислоты – ФК (растворимы во всем диапазоне рН). Последние два класса объединяют под общим названием гумусовые кислоты. Гумусовые кислоты являются наиболее подвижной и реакционноспособной компонентой ГВ, активно участвующей в химических процессах, протекающих в водных и почвенных экосистемах [1, 2].

Основными элементами, образующими молекулы ГВ, являются углерод, водород и кислород. Азот и сера содержатся на уровне 1–5% [1, 4, 5], обязательной составной частью являются микроэлементы [6] и вода [1].

Элементный состав ГК является одним из главных диагностических признаков гумусовых кислот и представляет значительный интерес для оценки их природы и свойств. ГВ являются наиболее крупным резервуаром углерода и азота как в наземных экосистемах, так и в биосфере в целом [7]. Устойчивость этих специфических соединений определяется строением и химическим составом, а также динамическим равновесием между разрушением и синтезом их структурных единиц [8].

Несмотря на относительную изученность основных типов почв дельты реки Селенги, исследование состава и свойств ГК, от «природы которых зависит устойчивое функционирование почвы в целом», не проводилось. Целью работы является изучение элементного состава гуминовых кислот двух типов почв, сформированных в контрастных биоклиматических ­условиях.

В качестве объектов исследования было выбрано 2 типа почв дельты р. Селенги – дерновые лесные и луговые, а также выделенные из 0–20 см слоя этих почв малозольные сухие препараты ГК. В полученных препаратах на автоматическом элементном анализаторе «CHN-1106» фирмы Karlo Erba определяли содержание углерода, водорода и азота. Дерновые лесные почвы среднесуглинистые, слабокислой реакции среды, с суммой поглощенных оснований –
25,5 мг-экв/100 г, с содержанием гумуса – 4,3 %. Луговые почвы суглинистого гранулометрического состава, щелочной реакции среды, с высоким содержанием гумуса – 7,2%, сумма кальция и магния – 30,6 мг-экв/100 г почвы.

Полученные данные по элементному составу ГК (табл. 1) почв позволили отметить меньшее содержание углерода, водорода, азота и большее – кислорода, чем в ГК аналогичных почв других регионов. По данным [7, 9], содержание углерода в аналогичных почвах европейской части России, Западной Сибири составляет 54,5–55,5%, то есть количество углерода в ГК исследуемых почв существенно ниже, поскольку почвы Забайкалья формируются в экстремально холодных климатических условиях.

Атомные соотношения H/C и О/С позволяют оценить такие параметры структуры, как содержание ненасыщенных фрагментов и кислородсодержащих функциональных групп. Так, при соотношении Н/С<1 можно говорить о преобладании в структуре ГВ ароматических фрагментов. Если же это отношение 1<Н/С<1,4, то структура ГВ носит преимущественно алифатический характер [7].

Пересчет данных в атомные проценты и атомное отношение Н/С свидетельствует, что количество атомов углерода и водорода находится почти на одном уровне. Следовательно, в составе ГК наряду с хорошо развитыми конденсированными структурами ядерной части молекулы, значительна доля углерода в боковых алифатических цепях, что в свою очередь указывает на невысокую степень гумификации органического вещества почв.

Таблица 1 – Элементный состав гуминовых кислот почв

Примечание. Над чертой - содержание элементов в массовых долях, под чертой – в атомных процентах.

Как показано в работах [10] различия в структурах и элементном составе ГВ разных природных сред непосредственно связаны с источниками гумусообразования в этих системах. Так, в почвах основными предшественниками ГВ являются продукты разложения лигнина, полифенолы и производные фенолов, синтезируемые микроорганизмами, то есть вещества, обогащенные ароматическими структурами [11].

Величина атомного отношения С/N, отражающая роль азотсодержащих соединений в процессе гумификации, свидетельствует о низкой обогащенности ГК азотом, так как они формируются из обедненных азотом растительных остатков [12].

Показатель степени бензоидности (СБ), рассчитанный по модифицированной формуле Кревелена [7], отражающий соотношение ароматических и алифатических структур в молекулах ГК, достигает 10–14%. Эти величины при сравнении с аналогичными почвами Западной Сибири [9] значительно ниже, но близки к показателям дерново-подзолистых почв, вероятно, их сближают более жесткие условия формирования. Под влиянием криоаридных условий, низкой продолжительности биологически активности, процессы окисления и дегидратации имеют низкую интенсивность, что приводит к накоплению неспецифических органических компонентов в периферической части ГК, поэтому СБ гуминовых кислот исследуемых почв невысока.

Рассчитанное по разности содержание кислорода в исследуемых препаратах высокое. В эту величину включается содержание серы, фосфора и других элементов, которые непосредственно не определялись.

Данные элементного состава ГК дерновых лесных и луговых почв свидетельствуют о том, что в условиях присутствия мерзлоты в почве из обогащенных целлюлозо-лигнинным комплексом растительных остатков формируются гуминовые кислоты с пониженным содержанием углерода и азота в составе молекул. При невысокой и прерывистой микробиологической активности в исследуемых почвах происходит уменьшение скорости минерализации органических соединений растительных остатков и их накопление, что приводит к возрастанию доли алифатических боковых цепей и относительному уменьшению содержания углерода.

Поглотительная способность органического вещества почв в основном обеспечивается наличием функциональных групп гумусовых кислот, взаимодействующих с катионами, по количеству которых можно реально оценить реакционную способность ГК. Суммарное содержание кислых функциональных групп в ГК дерновых лесных и луговых почв составляют соответственно 490
и 814 мг-экв/100 г, причем большая часть приходится на карбоксильные группы. Полученные результаты коррелируют с высокой степенью окисленности ГК. Это объясняется в первую очередь спецификой условий гумусообразования, где определяющим является химический состав исходных растительных сообществ (большое количество в них целлюлозо-лигнинного комплекса и пониженное содержание азота, простых углеводов и зольных элементов). Данные анализа функциональных групп сви­детельствуют о том, что степень реакционной способности и адсорбционных свойств ГК исследуемых почв высока и находится на уровне аналогичных почв Западной Сибири, что имеет большое экологическое ­зна­чение.

Изменение условий почвообразования в сторону постепенного повышения температуры и уменьшения влажности сопряжено с образованием продуктов разложения органических остатков, более богатых углеродом. На направление процесса оказывает влияние не только изменение климатических условий, но и химические и биологические факторы – реакция среды, состав органических остатков.

Влияние криоаридных условий, короткий период активных температур, обогащенность растительных остатков трудноразлагающимися целлюлозо-лигнинными компонентами и невысокая биологическая активность снижают скорость и глубину гумификации. В таких условиях формируются гуминовые кислоты с пониженным содержанием углерода и азота, невысокой степенью бензоидности при значительном участии углерода в алифатической части. В них значительно содержание кислых функциональных групп, свидетельствующих о высоких адсорбционных свойствах гуминовых кислот.

ЛИТЕРАТУРА

1. Орлов Д. С. Химия почв. М. : МГУ, 1992. – 399 с.
2. Stevenson F.J. Humic chemistry: genesis, composition, reactions. In: Humus chemistry. John Wiley & Sons. N.Y., 1982. – 443 pp.
3. Rice J. A., MacCarthy P. Statistical evaluation of the elemental composition of humic substances. // Org. Geochem, 1991.V.17(5). – Pp. 635–648.
4. Кононова М. М. Органическое вещество почвы. М. : Изд-во МГУ. 1963. – 314 с.
5. Орлов Д. С. Свойства и функции гуминовых веществ. В сб.: Гуминовые вещества в биосфере. М.: Наука. 1993. – 298 с.
6. Huraide M. Heavy metals complexed with humic substances in fresh water. // Anal. Sci. 1992. V.8. P.453-459.
7. Орлов Д. С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во МГУ, 1990. – 325 с.
8. Попов А. И. Гуминовые вещества: свойства, строение, образование. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2004. – 248 с.
9. Кленов Б. М. Устойчивость гумуса автоморфных почв Западной Сибири. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 173 с.
10. Wilson M. A., Philip R. P., Gillam A.H., Tate R.R. Comparison of the structures of humic substances from aquatic and terrestrial sources by pyrolysis gas chromatography-mass spectrometry // Geochim. Cosmochim. Acta. 1983. V. 47. P. 497–502.
11. Stuermer D. H., Peters K. E., Kaplan I. R. Source indicators of humic substances and proto-kerogen. Stable isotope ratios, elemental compositions and electron spin resonance spectra. // Geochim. Cosmochim. Acta. 1978. – V. 42. P. 989–997.
12. Мильхеев Е. Ю., Чимитдор­жиева Г. Д., Егорова Р. А., Ходоева С. О. Свойства и биологический потенциал почв дельты реки Селенга бассейна озера Байкал // Агрохимия. 2006. № 7. С. 9–12.

Метки: Ветеринария и зоотехния

• Назад
• Вперед