Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы аналитических методов исследования природных веществ переменного состава на примере гуминовых кислот почв (обзор литературы) 9
1.1. Представления о гумификации и строении гуминовых веществ 9
1.2 . Элементный анализ ГК 15
1.3.Термический анализ ГК 21
1.4. ИК-спектроскопия ГК 24
1.5. ЯМР - спектроскопия ГК 30
1.5.1.Применение13СЯМР 30
1.5.2.Применение^ЯМР 34
1.5.3. Применение31? ЯМР 35
1.6. Заключение 38
Глава 2. Объекты и методы исследования (эксперимен тальная часть) 40
2.1. Объекты исследования (методики выделения и гидролиза) 40
2.2. Приборы и методики, использованные для измерений элементного и фрагментного состава гуминовых кислот 42
2.3. Метрологические характеристики методов исследования ГК 47
Глава 3. Анализ изменений состава и структурных особенностей гк в зонально-генетическом ряду сибирских почв 56
3.1. Объекты исследования 56
3.2. Элементный анализ ГК почв зонально-генетического ряда 58
3.3. ИК спектроскопия ГК почв зонально-генетического ряда 63
3.3.1. Сходства и различия ИК спектров ГК почв различных семейств 64
3.3.2. Изменения в ИК спектрах ГК, подвергнутых гидролизу 65
3.4. Термический анализ ГК почв зонально-генетического ряда 73
3.4.1. Изменения в термограммах ГК тундровых почв, подвергнутых кислотному и щелочному гидролизу 73
3.4.2. Сходства и различия термических свойств ГК почв различных семейств 77
3.5. ЯМР спектроскопия ГК 81
3.5.1. Сходства и различия спектров ЯМР С ГК почв различных семейств 81
3.5.2. Изменения в спектрах ЯМР13С ГК, подвергнутых кислотному гидролизу 85
3.5.3. Соотношения форм фосфора в ГК почв (ЯМРЧР) 90
3.6. Корреляции найденных параметров структуры с продолжительностью периода биологической активности почв 95
Глава 4. Использование полученных данных для анализа закономерностей формирования гуминовых кислот 102
4.1. Исследование ГК палеопочв различного возраста озерных котловин Хакасии 102
4.2. Исследование ГК древних почв 109
Глава 5. Анализ изменений фрагментного состава гуминовых кислот лугово-дерновой почвы при использовании разных систем удобрения 114
Выводы 124
Список литературы 126
- Элементный анализ ГК
- Приборы и методики, использованные для измерений элементного и фрагментного состава гуминовых кислот
- ИК спектроскопия ГК почв зонально-генетического ряда
- ЯМР спектроскопия ГК
Введение к работе
Актуальность работы
Гуминовые вещества являются одними из самых распространенных углеродсодержащих материалов на земной поверхности, они встречаются в почвах, углях, морской и пресной воде, торфах и сапропелях. Гуминовые кислоты (ГК) - это азотсодержащие высокомолекулярные оксикарбоновые кислоты переменного состава с интенсивной темно-бурой или красновато-бурой окраской, выделяемые из почвы или других вышеперечисленных объектов растворами щелочей. Их особая роль определяется термодинамической и биохимической устойчивостью и многообразием функций [1].
Установление принципов строения гуминовых веществ имеет фундаментальное значение для сельского хозяйства, экологии, геохимии и специальных областей химии, биологии и медицины.
Важность этих исследований для сельского хозяйства и медицины состоит в том, чтобы научиться предсказывать свойства и физиологическую активность ГК, полученных из различных источников (торфа, угля, сапропеля). В настоящее время существуют десятки промышленно выпускаемых удобрений на основе ГК, выделяемых из различного природного сырья - в основном угля и торфа. Физиологическая активность этих удобрений определяется эмпирически на основе полевых испытаний, это существенно замедляет процесс разработки новых эффективных препаратов.
Примером экологической значимости может служить анализ функциональных групп ГК, связывающих различные вредные вещества, попадающих в почву, и полученная таким образом возможность контролировать степень загрязненности объектов окружающей среды, содержащих ГК.
Для того, чтобы предсказывать химические свойства получаемых ГК и применять эти вещества в качестве сорбентов, ПАВов и т.п., также необходимо знать принципы их химического строения.
И, наконец, в последнее время было обнаружено, что гуминовые кислоты (ГК) обладают сенсорностью и рефлекторностью к природной среде, отражают и запоминают в своей структуре ее особенности, являясь «памятью» почв и экосистем, что позволяет использовать их для реконструкции природной среды
Однако, несмотря на 200-летнюю историю исследований, до сих пор важнейшие вопросы генезиса и химического строения ГК не решены. В основе синтеза гумусовых веществ (ГВ) лежит отбор структур, которые в условиях биосферы, главным образом в корнеобитаемых слоях почвы, способны приобрести устойчивые свойства и создать необходимые экологические условия для обитания растений и почвонаселяющих микроорганизмов. Сложность механизмов образования ГВ и зависимость их свойств от окружающих условий обусловливает не только многообразие структур и их высокую полидисперсность, в частности, по молекулярной массе (5-100 тыс.), но и существенно ограничивают применимость (и в общем случае достаточность) стандартных химических и физико-химических методов анализа для их исследования.
Описание таких супрамолекулярных систем на языке элементного состава малоинформативно. Количественное представление их на языке привычных структурных формул обычно просто невозможно. Это связано с тем, что помимо переменного состава и строения многочисленных компонентов, структура и свойства системы в целом определяются не только ковалентными химическими связями в отдельных молекулах, но и слабыми невалентными взаимодействиями, такими как комплексообразование, гидрофобные взаимодействия, водородные связи, самоассоциация и т.д. Поэтому все деструктивные и интегральные (дающие одну брутто-характеристику системы) методы неэффективны. Повысить эффективность этих методов можно, используя статистически достаточное количество образцов для получения каких-либо закономерностей, либо использовать сочетание нескольких методов - если количество образцов ограничено.
Особенно эффективно в последнем случае использование недеструктивного метода, такого как ЯМР. Фрагментами состав - наиболее универсальная и строгая форма количественного представления данных из совокупности спектров ЯМР. Он характеризует содержание в исследуемом объекте всех углеводородных фрагментов (CHn, п = 0 - 3), гетероатомных фрагментов и функциональных групп [3].
Цель работы Применение комплексного подхода к анализу элементного и фрагментного состава ГК почв Сибири разных условий формирования.
При этом решались следующие задачи:
Изучить состав ПС почв Сибири разного генезиса и возраста комплексом аналитических методов, включающим элементный анализ (ЭА), термический анализ (ТА), ИК- и ЯМР-спектроскопию.
Оценить аналитические возможности и метрологические характеристики использованных методов анализа гуминовых кислот.
Выявить закономерности изменения параметров состава ГК в зонально-генетическом ряду почв Сибири и установить зависимость этих параметров от периода биологической активности почв.
Применить полученные закономерности для анализа условий формирования ГК палеопочв, а также для оценки влияния различных удобрений на ГК лугово-дерновой почвы.
Научная новизна с помощью комплекса аналитических методов (ЭА, ТА, ИК, ЯМР) впервые получен набор параметров элементного и фрагментного состава для ГК почв зонально-генетического ряда Сибири (от тундры до сухих степей) и установлена их зависимость от длительности периода биологической активности почв, а также выявлены количественные изменения структуры ГК этих почв, происходящие после гидролиза. дана метрологическая оценка методов анализа элементного и фрагментного состава гуминовых кислот почв Сибири; - создана методическая основа анализа ГК почв разного генезиса и возраста, в том числе ГК, выделенных из окультуренных почв.
Практическая значимость полученная шкала параметров элементного и фрагментного состава гуминовых кислот исследованных почв зонально-генетического ряда Сибири позволяет использовать ее для оценки природных условий формирования палеопочв различного возраста, а так же при составлении прогноза поведения природной среды конкретных территорий; данные, полученные с использованием спектроскопии ЯМР, позволили оценить влияние органических и минеральных удобрений в различных дозировках на фрагментный состав ГК лугово-дерновой почвы.
На защиту выносится: результаты определения элементного и фрагментного состава, впервые полученные для ГК зонально-генетического ряда сибирских почв; метрологические характеристики метода анализа фрагментного состава ГК почв с помощью спектроскопии ЯМР С, показывающие принципиальную возможность использования данного метода для сравнительной количественной оценки ГК, выделенных из различных объектов; методическая основа оценки фрагментного состава ГК почв разного генезиса и возраста. зависимость между параметрами состава ГК и длительностью периода биологической активности почв, позволяющая оценивать условия формирования ГК палеопочв.
Апробация работы и публикации. Основные материалы работы были представлены: в виде стендового доклада на V-ой Конференции «Аналитика Сибири и
Дальнего Востока», Новосибирск, 1996; П-ом Съезде общества почвоведов при
РАН, Санкт-Петербург, 1996; И-ой Международной конференции «Криопедология - 97», Сыктывкар, 1997; Ш-ей Всероссийской конференции «Экоаналитика-98», Краснодар, 1998; Международной конференции по природным продуктам и биологически активным соединениям (INSPAS-98), Новосибирск, 1998; Всероссийской конференции «Актуальные проблемы аналитической химии», Москва, 2002; П-ой Всероссийской конференции «Гуминовые вещества в биосфере». Москва, 2003. в виде устного доклада на VI-ой Конференции «Аналитика Сибири и Дальнего Востока», Новосибирск, 2000.
Основная часть материала диссертационной работы опубликована в четырех статьях в Журнале прикладной химии и в виде препринта ИЛА СО РАН «Новые материалы изучения эволюции почв в природном эксперименте», Новосибирск, 1995.
Считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своим научным руководителям д.б.н, проф. М.И. Дергачевой и к.х.н., с.н.с. В.П. Фадеевой за огромную помощь и постоянное внимание к работе, терпение и мудрость. Выражаю признательность коллективам лаборатории микроанализа и физических методов исследования НИОХ СО РАН за содействие в работе и дружеское участие. Отдельное спасибо сотруднику ЛФМИ НИОХ СО РАН М.М.Шакирову за запись спектров ЯМР, неизменный интерес и поддержку моей работы. Автор искренне признателен всем соавторам опубликованных статей и всем сотрудникам Института органической химии, оказавших содействие при выполнении данной работы.
Элементный анализ ГК
Первые сведения об элементном составе (ЭС) гуминовых кислот получены около 150 лет назад [19]. Это один из первых методов анализа ГК. В настоящее время ни одна работа, посвященная ГК, не выходит без результатов элементного анализа (ЭА). Несмотря на совершенство современных методов анализа, вопрос об элементном составе ГК до сих пор не представляется окончательно решенным. И.В. Тюриным [20], М.М. Кононовой [21] установлены закономерности изменения ЭС ГК в зональном аспекте. В то же время в литературе можно встретить и значительные противоречия. Некоторые авторы, например, М. Шнитцер [22], сопоставляя свойства ГК разных почв, не нашли каких-то закономерных изменений. Такое же расхождение взглядов выявляется нередко и при сопоставлении разными авторами не только ЭС, но и других свойств (продуктов деструкции, ИК-спектров и пр.). По данным разных авторов, ЭС ГК и ФК, выделенных из почв одного типа (а иногда и одного района), колеблется в довольно большом диапазоне. В некоторых случаях колебания в содержании углерода оказываются большими, чем изменения, характерные для ГК различных типов почв.
Изменчивость ЭС связана со следующими причинами [1]: 1) изменчивость почв и гумусовых веществ в пространстве и времени; 2) различия приемов выделения ГВ из почвы; 3) ошибки при подготовке пробы к анализу и в ходе самого анализа. И еще одна из причин (и очень важная) расхождений во взглядах на вопрос о зависимости свойств и состава ГК от условий их образования лежит в методологии исследования [23]. Если сопоставляются ГК почв непрерывного зонально-генетического ряда, то зависимость содержания углерода и степени окисленности от биотермодинамических условий прослеживается вполне хорошо. Если же отобрать единичные пробы почв, сформированных в резко контрастных климатических условиях, например, дерново-подзолистые почвы и светло-каштановые или серо-бурые почвы, то различия в ЭС ГК не выходят за рамки природного варьирования. Причина заключается в том, что и в условиях холодного гумидного климата, и в аридной обстановке складываются одинаковые неблагоприятные условия для процесса гумификации. Тогда групповой состав гумуса и ГК этих почв оказывается удивительно сходным. Методологически правильный отбор объектов для сравнительно-географического анализа ГК должен опираться на докучаевские принципы, на выявление роли ведущего фактора, которым в данном случае можно считать продолжительность периода биологической активности почвы. Для характеристики ЭС ГК Д.С. Орловым [1] были обработаны методами вариационной статистики около 400 анализов элементного состава ГК. Для сходных по генезису типов почв варьирование содержания углерода отвечает закону нормального распределения. Это позволяет пользоваться средними характеристиками ГК, считая отклонения случайными и равновероятными. В ряду рассмотренных Д.С. Орловым почв наибольшим содержанием углерода 58-59% отличаются ГК черноземов, гумусо-аллофановых почв Японии, торфяно-болотных почв и торфяников. Наименьшее содержание углерода свойственно ГК дерново-подзолистых почв и подзолов (около 53%). В зональном ряду почв просматривается закономерность, установленная М.М. Кононовой. Вместе с тем, обращают внимание 3 существенных обстоятельства, отмечаемые Д.С. Орловым [23]. Во-первых, в ГК гидроморфных почв, в том числе почв таежной зоны, содержание углерода оказывается большим, чем в кислотах дерново-подзолистых почв, а в торфяно-болотных почвах даже выше, чем в черноземах. Пониженное содержание углерода в ГК дерново-подзолистых почв часто объясняют влиянием повышенной кислотности и влажности, при которых затруднена конденсация и усилен гидролитический распад. Эта химическая трактовка не может быть признана удовлетворительной при рассмотрении широкого ряда почв.
В дерново-подзолистой почве условия для развития микрофлоры наихудшие, что приводит к снижению скорости минерализации неспецифических органических веществ и относительному их накоплению. Это влечет за собой возрастание доли алифатических боковых цепей в составе ГК и относительное снижение содержания углерода. В почвах с повышенной биологической активностью вполне реальна не только быстрая минерализация свежих остатков и неспецифических веществ, но и отщепление углеводных и аминокислотных остатков, во всяком случае от сравнительно молодых ГК. В результате идет накопление устойчивых обуглероженных соединений. Сходство в содержании углерода и общих причин, вызывающих это сходство, не служит, однако, основанием для отождествления ГК черноземов и торфяно-болотных почв, поскольку конкретные механизмы деструкции и минерализации могут быть различными. Во-вторых, различия между препаратами большинства типов почв недостоверны [23].
Достоверно отличаются лишь ГК черноземов от ГК дерново-подзолистых, серых и бурых лесных, пойменных почв, а также от ГК из растительных остатков. В природных условиях возможно образование ГК с любым содержание углерода в вероятных пределах от 45 до 65%, а разнообразие признаков связано не только с типовыми особенностями почв, но и с разнообразием биохимических условий в пределах одного типа, или даже одной разновидности почвы. Однако из непрерывности изменения содержания углерода в ГК еще не следует отсутствие типовых зональных различий, поскольку приведенный выше ряд по возрастающему содержанию углерода совпадает с рядом зональных почв, а между такими принципиально отличными типами почв, как черноземы и дерново-подзолистые почвы различия достоверны. Следовательно, непрерывные количественные изменения могут переходить в качественные при резких изменениях условий почвообразования. Вариационно-статистические характеристики позволяют наметить еще одну особенность [23]. Сравнивая коэффициенты распределения и коэффициенты варьирования удается разделить ГК на 2 группы. В первую группу входят препараты из черноземов, торфяно-болотных почв, бурых лесных почв и
Приборы и методики, использованные для измерений элементного и фрагментного состава гуминовых кислот
Классический метод определения углерода и водорода из одной навески органического вещества основан на высокотемпературном окислительном разложении его до двуокиси углерода и воды и последующем определении этих соединений. Навеску вещества сжигают в кварцевой трубке в токе кислорода в присутствии катализатора. Углерод при этом количественно окисляется до двуокиси углерода, а водород - до воды. Продукты окисления других элементов, если они содержатся в веществе, улавливаются соответствующими соединениями и не мешают определению. Вода поглощается безводным перхлоратом магния (ангидроном), а двуокись углерода - щелочным поглотителем (аскаритом). Окончание анализа гравиметрическое. Принцип действия автоматического элементного анализатора представляет собой современную модификацию классического метода определения углерода, водорода и азота по Дюма-Преглю. Образцы помещают в легкие оловянные стаканчики, которые через определенные промежутки времени автоматически попадают в вертикальную кварцевую трубку, нагретую до температуры 1030С, через которую идет постоянный поток гелия. Когда образец попадает в трубку, поток гелия обогащается чистым кислородом, и происходит быстрое сожжение.
Количественное сожжение и удаление мешающих элементов достигается прохождением смеси газов через наполнение вертикальной трубки, состоящее из определенного набора катализаторов, способствующих полному окислению. Смесь газов, образовавшихся после полного окисления, проходит через восстановительную трубку, заполненную медью, нагретую до температуры 650С, где происходит поглощение избытка кислорода и восстановление окислов азота до элементного азота. Полученная смесь диоксида углерода (С02), воды (Н20) и азота (N2) направляется в хроматографическую колонку, заполненную Порапаком QS, нагретую до 100С, для разделения. Компоненты выходят в следующем порядке: азот, диоксид углерода, вода; их количество измеряется детектором по теплопроводности, выходной сигнал которого регистрируется самописцем и параллельно интегратором с печатающим устройством [115]. Общий фосфор был определен спектрофотометрически с ванадиево-молибденовым реагентом после сожжения образцов в колбе с кислородом. ИК-спектры изучаемых образцов регистрировались на спектрометре Vector 22 фирмы Bruker в диапазоне частот 4000 400 см-1 с программным обеспечением OPUS 3.0. Для съемки спектров прессовались таблетки, содержащие 1 мг анализируемого образца и 150 мг бромида калия. Так как длительность измельчения образца сильно влияет на интенсивности полос поглощения спектров, таблетки готовили в одинаковых условиях. Образец размалывался в шаровой мельнице с -10 мг КВт в течение 30 сек, далее к смеси добавляли 80 мг бромида калия и измельчали в течение еще 30 сек. После прибавления оставшегося бромида калия смесь измельчали еще 1 минуту. Из полученного порошка прессовали таблетку. Для каждого образца проводилось 16 сканирований. ИК-спектры расшифровывали согласно рекомендациям [23]. Термический анализ проводили на дериватографе фирмы MOM в платиновом тигле, в атмосфере воздуха. Нагрев осуществляли от 20 до 1000С со скоростью 5 /мин. Чувствительность ТГ - 100 мг, ДТГ- 1/3, ДТА - 1/10.
Методика проведения термического анализа несколько отличалась от общепринятой в почвоведении [23]. Во-первых, навеска образца 50-100 мг не разбавлялась прокаленным оксидом алюминия, во-вторых, скорость нагрева была в 2-3 раза меньше. Эти изменения позволили с большей точностью определять температуру начала термических процессов и соответствующую им потерю массы. Для получения спектров ЯМР 50 мг образца ГК растворяли в 0.5 мл 0.5М NaOH/D20 и помещали в ампулу с внешним диаметром 5 мм. ЯМР спектры 13С и Р были получены на спектрометре DRX-500 фирмы Bruker на частоте 125.76 и 202.46 МГц, соответственно. Для исключения ядерного эффекта Оверхаузера запись спектров ЯМР 13С проводилась с подавлением протонов в режиме INVGATE, а спектров ЯМР Р - в режиме монорезонанса. В качестве внешнего стандарта использовали ТМС и 85%-ную Н3Р04, соответственно. Спектры снимали с задержкой 1 секунда между импульсами. Обработку спектров проводили с использованием программы WINNMR фирмы Bruker. Общепринято, что интегральные интенсивности в спектрах ЯМР С низкомолекулярных веществ лишь качественно отражают содержание ядер различных типов в молекуле. Это связано со значительными различиями в скоростях релаксации ядер 13С, имеющих разное химическое окружение. Однако, низкая подвижность макромолекул ГК и наличие в самих молекулах этих веществ парамагнитных центров (преимущественно семихинонов, а так же ионов Fe3+) оказывает нивелирующее воздействие на релаксационные характеристики различных типов ядер С в ГК и уменьшает времена релаксации так, что задержка между импульсами, равная одной секунде считается вполне достаточной для количественных определений [62] Один из спектров ЯМР С исследованных ГК представлен на рис.2.1. Интегрирование такого спектра в указанных интервалах 8-шкалы позволяет дать количественную оценку относительного содержания углерода в следующих фрагментах макромолекулы ГК - ее фрагментами состав: алкильный (алифатический) углерод (0-65 м.д.), углерод в углеводах, спиртах, ацеталях, называемый для краткости полисахаридным (65-90 м.д.), ароматический углерод (90-160 м.д.), карбоксильный углерод (160-200 м.д.). Таковы обычные интервалы, по которым проводят интегрирование спектров ЯМР С ГК, хотя иногда их границы отличаются на 5-10 м.д. [1]
ИК спектроскопия ГК почв зонально-генетического ряда
Всю область ИК-спектра, обычно используемую химиками, можно разделить условно на две части: область 3700-1500 см"1 названа областью функциональных групп, полосы поглощения ниже 1500 см"1 интерпретировать намного трудней - это область «отпечатков пальцев» часто используется для идентификации индивидуальных веществ [121]. Наличие огромного количества данных по ИК спектрам ГК, выделенных из различных объектов, и сходства этих спектров позволили Д.С.Орлову выделить абрис спектра ГК в один из диагностических признаков класса этих природных соединений [23]. Следует, однако, подчеркнуть, что сходство ИК-спектров ГК в основном простирается на область функциональных групп. В области же "отпечатков пальцев" образцы ГК могут существенно отличаться, что и не удивительно, поскольку они являются сложнейшими высокомолекулярными структурами, сформированными в различных природных условиях. Все полосы ИК-спектров данных объектов являются составными. Можно сказать, что в составе ГК есть все возможные функциональные группы, за исключением, пожалуй, тех, что поглощают в области 1800-2400 см"1, а именно: можно с уверенностью сказать, что ГК не содержат тройных связей, все остальное здесь можно найти.
Данные, полученные нами при параллельной записи ИК-спектров и описанные в главе 2, подтверждают тезис [122] о том, что ИК-спектры твердых образцов крайне затруднительно использовать для количественных оценок соотношений различных групп в молекулах, однако качественные различия между разными семействами почв все же видны по абрису спектра. Вряд ли нужно придавать большое значение отличиям в интенсивностях одинаковых полос ИКС ГК почв разного климата. Соотношения интенсивностей важны лишь внутри одного спектра. При изменении климатических условий формирования почв идет структурная перестройка ГК, приводящая к изменению отдельных фрагментов макромолекул и соотношений функциональных групп, и находящая свое отражение в абрисе ИКС ГК почв зонально-генетического ряда. Основные три самые характерные полосы ИКС гуминовых кислот: 3400 см"1 (валентные колебания ОН, связанных водородной связью), 1725 см"1 (валентные колебания С=0 карбоксильных групп) и 1610 см"1 (плоскостные колебания С=С сопряженных групп в ароматических структурах). Были записаны ИКС 7 образцов ГК тундровых почв (3 образца из поверхностно-глеевых тяжелосуглинистых почв из разных разрезов 199, 349, 412 (рис.3.6) и 4 образца из подзолисто-глеевой легкосуглинистой почвы одного разреза 224, 225, 226, 227) (рис.3.7), 4 образца ГК из подзолистых почв северной тайги 191, 192, 193, 194 (рис.3.8), 3 образца ГК из выщелоченных алтайских черноземов 5131, 5132, 3216 (рис.3.9), ГК из обыкновенного чернозема Хакасии (261), ГК южного чернозема (1012) и ГК каштановой почвы (1021) Алтайского края (рис.3.10). Все исследованные нами ГК почв зонального ряда содержат вышеупомянутые характерные полосы в области «функциональных групп». Для ГК холодных почв характерны полосы валентных колебаний алифатических СН2-групп - 2926 и 2853 см"1, причем метиленовые цепочки (-СН2-) недлинные, т.к. при п больше 4 должно быть сильное поглощение при 720 см"1, но мы не обнаружили его ни в одном образце ГК. Для ГК теплых почв характерно невысокое содержание этих групп, часто скрывающееся под общим широким пиком ОН групп.
Во всех исследованных нами образцах не обнаруживаются концевые СНз группы, т.к. отсутствуют полосы 2962 и 2872 см"1. Полоса 1725 см"1 (С=0-группа преимущественно в карбоксильных группах) имеет большую интенсивность в спектрах ГК теплых почв. Следует отметить, что в большинстве ИКС ГК исследованных нами тундровых почв эта полоса отдельно не обнаруживается, сливаясь с полосой 1610 см"1 или присутствуя на ней в виде плеча. Возможное объяснение этому - образование сложноэфирных связей, которые приводят к сдвигу максимума полосы в коротковолновую область. В таких образцах обычно есть очень сильная полоса спиртовых или полисахаридных С-0 связей (1030-1100 см"1), что также подтверждает возможность образования сложноэфирных связей и, следовательно, такого сдвига полосы 1725 см"1. Наличие и интенсивность полосы 1610-1625 см"1, соответствующей валентным колебаниям С=С сопряженных групп в ароматических структурах, включающих кислородсодержащие группировки типа хинонов, гидроксилхинонов и др., а также азотсодержащие гетероциклы, практически не зависит от типа почвы, она не исчезает при гидролизе. Возможно предположить, что эта полоса отвечает за «ядро» ГК, присущее образцам ГК самого разнообразного генезиса. Следует подчеркнуть, что все исследованные образцы ГК тундровых почв имеют развитую часть спектра в области 1000-1150 см"1, колебания в этой области обычно относят к С-О связям различного происхождения (спирты, полисахариды, простые и циклические эфиры и т.п.). Причем, для разных ГК этого семейства максимум поглощения может приходиться на разные длины волн, однако все же этого диапазона. Для ГК теплых почв характерно появление полосы вблизи 1200 см"1, которая в сочетании с полосой в районе 1400 см"1 может означать соответственно деформационные колебания ОН и валентные колебания С-0 в фенольных группах и ароматических эфирах. Было проведено исследование изменений в ИКС ГК различных почв после гидролиза 6н НС1 (18 часов в запаянной ампуле в атмосфере гелия при Т=120С). Гидролизу были подвергнуты образцы ГК тундровых почв 199, 349, 224,227, 412, ГК чернозема южного и каштановой почвы. В образце 199 (рис.3.6, пунктир) уменьшается интенсивность полосы 3435 см"1, и на фоне уменьшившегося пика проявляется плечо 3030 см", характерное для =С-Н ароматики, пики валентных колебаний СНг групп
ЯМР спектроскопия ГК
Впервые методом ЯМР С были охарактеризованы 15 образцов ГК сибирских почв разных климатических зон. Общий тип строения ГК исследованных почв, а именно: наличие ароматических и алифатических фрагментов, функциональных групп ( С=0, СООН, СНзО-, ОН-фенольных и спиртовых), подтверждается наличием сигналов в соответствующих областях спектров ЯМР 13С (рис.3.16, 3.17). Детальное отнесение сигналов приведено в таблице 3.5 [128]. интенсивностеи в указанных интервалах для ГК почв одного семейства, можно с уверенностью отличить ГК теплых и холодных почв. Разница спектров настолько очевидна, что стоит только взглянуть на абрис спектра, и можно с уверенностью сказать, о теплой или холодной почве идет речь (рис. 3.16 и 3.17). Но более важно то, что эту разницу можно выразить количественно, и сравнивать не просто вид спектра, как в ИК-спектроскопии, а соотношения интегральных интенсивностеи атомов углерода, принадлежащих разным фрагментам структуры. Спектры ЯМР 13С ГК холодных почв (рис.3.16) показывают очень сильные сигналы алифатического углерода, достигающие максимума при 30 м.д. Интегральная интенсивность углерода в алифатических фрагментах для ГК холодных почв, как правило, превышает таковую в ароматических фрагментах примерно в 2 раза.
Для ГК холодных почв характерна низкая степень ароматизации, которая фиксируется небольшим количеством сигналов углерода в области химического сдвига 110-160 м.д., а также наличием в этой области сигналов более узких, чем у чернозема и каштановой почвы. Наконец, для тундровых почв определяются 2 сильных сигнала карбоксильного углерода при 170 и 174 м.д. Очень узкий сигнал при 170 м.д., по-видимому, принадлежит «свободным», то есть сильно удаленным от «ядра» макромолекулы ГК, карбоновым кислотам или неорганическим карбонатам. Второй сигнал 174 м.д. имеет более широкое основание и принадлежит карбоновым кислотам, связанным с ароматическим «ядром» макромолекулы ГК. В спектрах ГК подзолистых почв северной тайги не фиксируется наличие неорганического карбоната, а также можно отметить невысокое в целом содержание углерода карбоксильных групп. В противоположность холодным почвам, почвы лесостепи, степи и сухой степи имеют ГК, в спектрах которых доминирует сигнал ароматического углерода, представляющий собой широкий бесструктурный пик (рис.3.17). Для этих ГК отсутствуют сигналы «свободных» карбоновых кислот, есть только сигнал карбоксильных групп, близко связанных с ароматическим «ядром» молекулы ГК. Пики алифатического и полисахаридного С - очень слабые, причем наименьшие - у ГК каштановой почвы [125]. Впервые нами были получены данные ЯМР С для ГК разных климатических зон, подвергнутых кислотному гидролизу по методике В. Результаты представлены на рис.3.18 и в таблице 3.7. В процессе гидролиза во всех образцах происходит перераспределение интегральных интенсивностей атомов углерода, принадлежащих разным фрагментам макромолекулы, в первую очередь - за счет уменьшения относительного количества карбоксильного и полисахаридного углерода. Конечно, в гидролизуемую часть уходит неорганический карбонат. В негидролизуемом остатке ГК тундровых почв увеличивается относительное содержание алифатического углерода. Но при этом соотношение ароматического и алифатического углерода остается приблизительно таким же, как и в исходном образце. А в негидролизуемом остатке ГК чернозема южного наряду с уменьшением относительного содержания карбоксильного и полисахаридного углерода, относительное содержание алифатических фрагментов уменьшается почти вдвое, и соответственно относительное количество ароматического углерода возрастает до 73%. Гидролизуемость отдельных фрагментов макромолекулы ГК представлена в табл.3.8. При используемых условиях кислотного гидролиза (гл.2) происходит разрушение гликозидных, сложноэфирных и пептидных связей.
Полисахариды являются наиболее легкогидролизуемой частью макромолекулы, которую не удерживают ГК ни теплых, ни холодных почв, потеря при гидролизе составляет от 72 до 99 %. Негидролизуемые полисахариды связаны с макромолекулой простыми эфирными связями, которые не гидролизуются в данных условиях. 50-70% алифатических фрагментов также находятся в гидролизуемой части вне зависимости от принадлежности ГК теплой или холодной почве. Принципиальное отличие гидролиза ГК теплых и холодных почв - гидролизуемость карбоксильных и ароматических фрагментов. В ГК тундровых почв гидролизу подвержены более 80% карбоксильных групп и около 40-50% ароматических. По-видимому, часть ароматических групп в ГК тундровых почв связана с устойчивым «ядром» сложноэфирными связями. Наличие большого количества гидролизуемых карбоксильных и ароматических фрагментов может служить доказательством того, что макромолекула ГК тундровых почв находится в развитии, и при благоприятных условиях может образовывать более устойчивые и сложные структуры, являясь как бы предшественником теплых почв, их первоначальной ступенью развития. В ГК чернозема ароматическая часть гидролизуется лишь на 9 %, половина карбоксильных фрагментов также остается в негидролизуемом остатке.
Похожие диссертации на Анализ элементного и фрагментного состава гуминовых кислот почв Сибири комплексом инструментальных методов
