Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные представления о природе и свойствах фульвокислот 8
1.1. История изучения почвенного гумуса и вопросы терминологии 8
1.2. Работы по изучению фульвокислот с 30-х годов XX века 12
1.3. Современные представления о природе и свойствах фульвокислот 15
ГЛАВА 2. Методы выделения фульвокислот 18
ГЛАВА 3. Состав и свойства фульвокислот 25
3.1. Элементный состав фульвокислот 25
3.2. Оптические свойства фульвокислот 30
3.3. Аминокислоты и углеводные компоненты фульвокислот 32
3.4. Молекулярно-массовое распределение фульвокислот 37
3.5. Функциональные группы фульвокислот 39
ГЛАВА 4. Объекты и методы исследования 43
4.1. Объекты исследования 43
4.2 Методы исследования 47
ГЛАВА 5. Результаты и их обсуждение 50
Выводы 78
Литература
- Работы по изучению фульвокислот с 30-х годов XX века
- Оптические свойства фульвокислот
- Молекулярно-массовое распределение фульвокислот
- Методы исследования
Работы по изучению фульвокислот с 30-х годов XX века
В конце 30-х гг. 20-го века интерес к светлоокрашенным гумусовым кислотам был восстановлен работами й. В. Тюрина [38, 39], который разработал новые методы выделения ФК, описал существенные свойства и указал на их роль в почвообразовании. Согласно данным И. В. Тюрина и В. В. Пономаревой, ФК относятся к группе высокомолекулярных оксикарбоновых азотсодержащих кислот с эквивалентным весом около 300, отличающихся от ПС светлой окраской, меньшим содержанием углерода, растворимостью в воде и минеральных кислотах [38, 33]. При их кислотном гидролизе образуются редуцирующиеся вещества и фурфурол. По Тюрину, ФК имеют высокую емкость обмена (до 650-700 мг-экв/100 г) и разрушающе действуют на минералы, склонны к образованию комплексных соединений с полуторными окислами. Тюрин, почти во всех работах посвященных ФК, делал оговорку на то, что ФК всегда связаны с гуминовыми кислотами, и они обнаруживаются только после выделения и предварительного осаждения гумино-вых кислот при рН 1-2, т. е. только в кислой среде. Также И. В. Тюрин писал [38-40], что в почве гуминовые кислоты и фульвокислоты взаимно связаны и находятся в форме соединений, по типу сложных эфиров. При действии щелочей происходит омыление таких соединений, и только тогда отделяются так называемые ФК. Таким образом, он приписывал этим продуктам право на некоторое самостоятельное существование, хотя и в форме сложных эфиров. Тем не менее в современной литературе, несмотря на такие замечания И. В. Тюрина, постоянно пишут о ФК как об отдельной, самостоятельно существующей группе гуминовых веществ. Даже для соединений, извлекаемых при декальцировании, т. е. при обработке почвы 0,1 н. серной кислотой, применяют термин «агрессивные» ФК (фракция 1а), хотя эта фракция извлекается из исследуемой почвы только растворами кислот, т. е. после явного гидролиза. Постепенно происходила смысловая деформация термина ФК. На основании этих работ исследователи стали оценивать возможность самостоятельного передвижения ФК по почвенному профилю, взаимодействия с катионами металлов, с минералами и т. п.
Несколько позднее У. Форсит [57] в 1947 г. предлагает оригинальный способ выделения и очистки препаратов ФК и дает чуть иное толкование понятия ФК и предлагает свой метод выделения и очистки ФК на угле. Форсит называл ФК только ту часть водно- и кислоторастворимого органического вещества почв, которая остается после осаждения гуминовых веществ. ФК отделяются от неспецифических органических веществ, присутствующих в почве (таких как аминокислоты, углеводы, пуриновые основания, фенольные компоненты и полисахариды) путем сорбции на активированном угле. Опыт Форсита оказался удачным, но выделенные по Форситу ФК оказались близки по химическому составу и оптическим свойствам к гуминовым кислотам и удивительно однородны [23], даже более однородны, чем гуминовые кислоты. Фракции ФК, выделяемые методом Форсита, количественно очень малы, и вряд ли можно рассматривать их существенной для почвообразования, как это считали многие последователи метода Тюрина.
Дальнейшие работы показали, что ФК по Форситу, обнаруживаются только после кислотного или щелочного гидролиза (омыления) органических соединений почвы. Например, Т. А. Горелова [3] обратила внимание на то, что при анализе органического вещества торфянистых горизонтов наблюдается удивительное постоянство выхода ФК в расчете на общее содержание органического углерода. Если предположение о гидролизе гумусовых веществ в ходе анализа верно, то можно допустить, что различное соотношение ПС и ФК в конкретных почвенных типах отражает не столько реальное соотношение двух самостоятельных групп органических веществ, сколько некоторые особенности строения ГК различного происхождения [25]. В слабоконденсированных ГК доля гидролизуемых компонентов повышена, что приводит в ходе анализа к низким величинам отношений Сге :СФК, как это обычно наблюдается для подзолистых почв.
Если же гуминовые вещества представлены достаточно прочными, более конденсированными молекулами, с малой долей периферических боковых цепей, то такие вещества в ходе анализа гидролизуются в меньшей степени и отношение Сга :СФК выглядит более высоким, как это характерно для черноземов. На основании приведенных данных можно высказать предположение, что ФК, как особый класс органических соединений, в почве может и не существовать, а появляться в результате аналитических манипуляций, в результате гидролиза, диструкции ГК и т. д.
Оптические свойства фульвокислот
Далее аммиачные растворы ФК фильтровали через мембранный фильтр и удаляли свободный аммиак выпариванием. Полученный раствор имел интенсивную желто-оранжевую или вишневую окраску и был прозрачным. Также В. В. Пономарева впервые предложила электродиализ для выделения ФК в свободном состоянии из аммонийных, бариевых и кальциевых солей. После диализа выход препаратов свободных ФК в % к углероду почвы составлял 35-45 %. Содержание золы в препарате - 3,4-4,6 %. Выделенные из солей ФК показывали постоянство состава: 44-45 % углерода, 4-6 % водорода, 1-3 % азота и 47-49 % кислорода.
Метод выделения ФК адсорбцией на угле был предложен У. Форси-том в 1947 году [57]. Метод заключался в том, что кислый фильтрат после осаждения ПС пропускали через слой активированного древесного угля, с которого потом последовательно снимали адсорбированные вещества различными растворителями. Метод позволяет разделить вещества фульвокис-лотной фракции на ряд групп, отделить неспецифические органические вещества и выделить собственно ФК. Форсит выделял четыре фракции: А, В, С и D последовательным элюированием 0,1 н. НС1, 90 %-ным ацетоном, водой и 0,5 н. NaOH. По Форситу, фракции А, В и С содержат неспецифические соединения: аминокислоты, пуриновые основания, углеводы, феноль-ные компоненты и полисахариды. Фракция D представлена собственно ФК в виде натриевых солей и соединений с железом и алюминием. После очистки диализом и перевода препарата ФК в Н-форму, путем пропускания через колонку с Н-катионитом, получают чистые препараты ФК. Был разработан ряд модификаций метода Форсита. А. А. Юхнин и Д. С. Орлов [45] предложили смачивать уголь ацетоном после удаления фракции D и снова продолжать элюирование щелочью или водой, поскольку, по их данным, без этого приема в адсорбированном состоянии на активированном угле остается 30-60 % всех ФК. Предложенным способом достигалось практически полное снятие ФК с угля и выделение дополнительной фракции ФК. Обе фракции имели близкий элементный состав и характер ИК-спектров, но 1-ая фракция (по Форситу - D) отличалась более высокой молекулярной массой (10-12 тыс. а. е. м.), чем 2-ая, дополнительно полученная фракция (5-6 тыс. а. е. м.). Авторы считали, что неучитывание дополнительной фракции могло быть причиной того, что свойства собственно ФК в виде натриевых солей и соединений с железом и алюминием (фракция D) были обнаружены очень сходными различными исследователями.
С. С. Драгунов [5] предлагал элюировать ФК с угля последовательно спиртом, спирто-бензольной смесью и 0,02 н. NaOH. Затем О. А. Найденова [20] рекомендовала смывать ФК с угля разбавленной соляной кислотой и 0,1 н. NaOH.
Также С. С. Драгунов с соавторами [6, 7] разделили кислый фильтрат ФК на активированном угле на 13 фракций, используя большой набор де-сорбирующих реагентов (в различных сочетаниях): спирто-бензол, вода, аммиак и этанол. Свойства фракций различались как по отдельным показателям, так и по составу идентифицированных индивидуальных соединений. Атомные отношения Н:С составляли для бензольной фракции 0,9, для водной - 2,1. В составе фракций исследователями были обнаружены липиды, углеводы и другие вещества индивидуальной природы, которые, вероятно, не полностью удаляются при декальцировании.
В модификации М. М. Кононовой [14] адсорбированные на угле ФК отмывают от примесей ионов металлов серной кислотой до отрицательной реакции на ион железа, потом водой до отрицательной реакции на сульфат-ион. Далее ФК элюируют с угля 2 %-ным раствором аммиака до обесцвечивания раствора, а неспецифические органические соединения - 50 %-ным водным раствором ацетона. Этот способ использовали в своих работах многие исследователи [34, 36, 43,44, 78].
В 80-х гг. XX века был также предложен метод извлечения ФК кислым пирофосфатным раствором, который, по мнению авторов, позволял селективно выделить ФК из почв и избежать недостатков щелочной экстракции, а именно: окисления ФК при рН выше 13 при выделении с последующей их возможной полимеризацией в процессе осаждения ПС при рН 1 [58, 59]. Метод заключается в том, что навеска почвы обрабатывается 0,1 М раствором Na2 Н2 Р 2 07 (рН 2) с дальнейшей адсорбцией ФК из пирофосфатно-го раствора на трех колонках, заполненных акрилово-эфирной смолой XAD-7. Использование нескольких колонок позволяет, по мнению авторов, свести к минимуму потери ФК с промывными водами. Далее, раствор ФК наносят на колонки, наполненные смолой и промывают их соляной кислотой (рН около 1,7) для удаления остатков пирофосфата и водой для удаления хлорид-ионов. Элюирование ФК со смолы осуществляют раствором с рН 6,5. При этом освобождается до 98 % сорбированных ФК. Полученные соли ФК авторы методики переводили в Н-форму на катионите, концентрировали и сушили вымораживанием. При этом выход ФК, выделенных из серых подзолов (гор. Bh) достигал 0,24-0,47 %, а содержание золы - до 0,5 %.
Молекулярно-массовое распределение фульвокислот
В качестве объектов исследования нами выбраны почвы, различающиеся по происхождению, содержанию органического вещества и его качественному составу. Пробы почв отобраны из гор. А1 чернозема типичного (Липецкая обл., Данковский р-н), гор. А1 аллювиально-луговой почвы (Московская обл., Солнечногорский р-н) и гор. Т2 торфа верхового болота (Тверская обл., Нелидовский р-н). Подробная характеристика почв приведена ниже.
Разрез I. Разрез заложен в Солнечногорском р-не, Московской обл., на окраине луга в небольшом понижении. Пойма реки Клязьмы, 600 м на запад от дороги на Льялово. Растительность: разнотравно-луговая, ольха, осина.
А (0-24 см) - серовато-бурый, свежий, уплотненный, комковато-зернистый, иловатый, средний суглинок, червороины, капролиты, железистые конкреции, граница волнистая, переход ясный по цвету и гранулометрическому составу. Bg (24-47 см) - буровато-светлосерый с бурыми и сизыми пятнами, плотный, неясновыраженная призмовидная структура, опесчаненный легкий суглинок, очень много железисто-марганцевых конкреций, поры, редкие большие корни, переход ясный по цвету, граница волнистая. AG (47-63 см) - речной аллювий: неоднородная окраска, сизо-бурый, охристые, бурые и сизые пятна на сизом фоне, плотный, слоистый, легкий суглинок (супесь), неразложившиеся расти тельные остатки, конкреции, пятна, новообразования, ко пролиты, корни. Уровень грунтовых вод не вскрыт. Почва: аллювиально-луговая оглеенная на речном аллювии
Разрез II. Разрез заложен в Данковском р-не, Липецкой обл., на холмистой равнине, широколиственный лес, 100 м от просеки. Растительность: береза, ольха, дуб, ясень, рябина, черника, сныть.
Ао (0-3 см) - сухой, темно-серый, состоит из фрагментарно переплетенных стеблей и прошлогодних листьев.
А (3-48 см) - свежий, черный, влажноватый, средний суглинок, структура зернистая хорошо выраженная, рыхлоструктурное сложение, густо переплетен корнями, на корнях растений образуются бусы, в горизонте наблюдаются копролиты, отдельные ходы червей, горизонт уплотнен. Граница затеч-ная. Переход в следующий горизонт заметный по цвету и плотности.
АВ (48-78 см) - свежий, неоднородно окрашен, с чередованием темных, пропитанных гумусом затеков и пятен с более светлоокрашенными участками бурого цвета, влажноватый, средний суглинок, структура зернистая, книзу становится комковатой, горизонт трещиноватый, трещины диаметром до 5 мм, хорошо выражены обратные кротовины, много ко-пролитов, ходы червей, включения корней (20-25 %), вскипание в нижней части горизонта (72 см) от НС1, переход в следующий горизонт заметный по плотности и структуре. Blca (78-125 см) - свежий, светло-палевый, влажный, средний суглинок, с затеками гумуса, структура комковато-призматическая, уплотнен, встречаются единичные корни, выделения карбонатов в виде псевдомицелия, переход в следующий горизонт заметный по цвету, скоплению каробонатов, граница ровная.
В2са (125-136 см) - свежий, палевый, влажный, тяжелый суглинок, уплотнен, структура призматическая, выделения карбонатов в виде журавчиков, в горизонте много кротовин, граница ровная.
Сса (136 см и глубже) - карбонатная материнская порода палевого цвета, покровный суглинок с большим количеством включении доломита
Уровень грунтовых вод не вскрыт. Почва: чернозем типичный среднемощный, среднесуглинистый на покровном карбонатном суглинке, подстилаемом доломитом. Разрез III. Разрез заложен в Нелидовском р-не, Тверской обл. Центральная часть верхового болота, под специфической олиготрофной расти тельностью: сфагновый мох, росянка, пушица, голубика, клюква, багульник, редкие угнетенные сосны. Оч (0-6 см) - сфагновый очес, состоит из вертикально расположенных стебельков сфагновых мхов с примесью корневищ полукустарников, буровато-желтого цвета, насыщен влагой. ТІ (6-35 см) - мокрый, светло-бурый, растительные остатки слабо разложены и почти полностью сохранили свою исходную форму, поверхность торфа шероховатая, торф хорошо сжимается, губчатый, вода светло-желтоватая, прозрачная.
Методы исследования
Для характеристики ФК нами были выбраны почвы с высоким содержанием органического вещества. В черноземе типичном общее содержание органического углерода составляет 5,4 %, в аллювиально-луговой почве -16,2 %, а в торфе - 35,9 % (табл. 7, рис. 1).
Изучение группового и фракционного состава гумуса по методу Тюрина показало, что в составе чернозема и аллювиально-луговой почвы преобладают гуминовые кислоты, предположительно связанные с кальцием (ГК-2) - 31,9 и 22,0 % от Собщ. соответственно. В торфе верхового болота преобладают ПС, предположительно связанные с устойчивыми полуторными оксидами и глинистыми минералами (ПС-3) и составляют 10,0 % от Собщ. Фракция свободных ГК (ГК-1), в типичном черноземе обнаружена в малых количествах (0,9 % от С общ.), это связано с тем, что степень насыщенности основаниями в этих почвах близка к 100 %, чуть больше содержание свободных ПС (ПС-1) в аллювиально-луговой почве и торфе, соответственно 6,3 и 1,7 %. Суммарное количество фракций углерода ПС в черноземе и аллювиально-луговой почве составило 42,4 - 45,5 % от С общ., а в торфе вдвое меньше (20,6 %) (табл. 7).
По общему содержанию углерода фракций фульвокислот, выделенных по методу Тюрина, ведущее место принадлежит торфу (43, 8 % от Собщ.). В аллювиально-луговой почве общее количество ФКГ составляет 22,6 %, а в черноземе чуть больше - 24,2 %. Максимальное количество «свободных» ФКГ (ФКг-1а) было обнаружено в черноземе (3,1 %) и почти равное - в торфе и аллювиально-луговой почве (2,2 и 2,0 %). На долю фракции ФК, связанных со свободными ПС-1, (ФКг-1) приходится максимальное количество углерода в торфе (10,3 %). На долю ФК, связанных с кальцием и фракцией ГК-2, (ФКг-2) приходится в черноземе 8,6 % гуминовых веществ, Групповой и фракционный состав гумуса (по методу Тюрина) чуть меньше - 7,6 % в аллювиально-луговой почве и самое большее в торфе - 12,3 %. Наибольшее количество ФК, связано с устойчивыми окислами и глинистыми минералами (ФКГ-3), их содержание преобладает над всеми другими фракциями ФК т.
В составе гумуса исследуемых почв содержание гумина (нерастворимого остатка) колеблется от 31,9 % в аллювиально-луговой почве до 35,6 % в торфе, что соответствует литературным данным [1,2, 11, 23, 33,40 и др.].
Как показал групповй и фракционный анализ гумуса, в черноземе и аллювиально-луговой почве абсолютное содержание и доля ПС велика, о чем свидетельствует высокое отношение Ст :СФК (1,7 и 2,0 соответственно). В торфе в составе гумуса преобладают ФК и отношение Ся :СФК равно 0,5.
Можно считать, что такая высокая величина Сга \СФК в черноземе и аллювиально-луговой почве характеризует такие ПС, которые довольно компактны и трудно гидролизуемы. В ходе анализа от таких ПС отщепляется только небольшая их часть, представленная, преимущественно, простыми веществами. Всего переходит в раствор при этом не более 30-40 % в расчете на суммарную массу веществ, представленных суммой ПС+ФК. По литературным данным [23, 24, 33, 36], подобное имеет место в черноземах и близких к ним почвам.
Если же отношение СТК:СФК низкое, как в торфе верховом, и составляет 0,5-0,8, то принято говорить о фульватном типе гумуса, и тогда возникает несколько иная картина: в ходе анализа отщепляется уже более высокая доля от молекул ПС, достигающая 60-70 %. Отсюда можно предположить, что: а) величина С ш :СФК характеризует не состав гумуса и не его гуматность, а особенности строения ПС; б) отношение С :СФК как количественная мера значительно удобнее и выразительнее, чем просто доля ФК в составе суммарной величины, характеризующей нерасчлененную молекулу ГК (или, иными словами, ПС + ФК).
Если мы будем рассматривать ФК как индивидуальные соединения, которые или присутствуют в почвах, или появляются в результате вторичных реакций гидролиза высокомолекулярных веществ или ПС при их выделении из почвы и разделении на фракции, то можно попытаться выразить состав гумуса несколько иными способами (табл. 8).
Если отказаться от учета ФК и в этом случае выразить состав гумуса отношением С ге :Собщ., то мы получаем, что для чернозема и аллювиально-луговой почвы это отношение составляет 0,42-0,46, а для торфа - в два раза меньше - 0,21. Иными словами, мы учитываем при таком расчете только те ПС, которые удается определить в ходе обычного фракционно-группового анализа, и относим их количество к общему содержанию углерода. Полученные таким образом количественные результаты выражают в целом ту же закономерность, что и отношение Сге:См, хотя и несколько менее ярко, что обусловлено как погрешностями аналитического определения ПС, так и неточностью самого понятия и метода определения.
Также способом оценки состава гумуса может служить и другой способ - это вычисление величины отношения (Ст+СФК):Собщ.. Если мы считаем, что ПС и ФК составляют единое целое, то этот способ выражения вполне имеет право на существование. При таком способе выражения для исследуемых почв мы получили величины от 0,64 (торф) до 0,67-0,68 (чернозем и аллювиально-луговая почва). Причины довольно близких показателей этого отношения, вероятно, заключаются в том, что кроме аналитических погрешностей на получаемый результат влияет и способ отбора (неотбора) корневых остатков.