Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор
1. 1. Исходный биологический материал и генезис сапропелей 12
1. 2. Классификация сапропелей 23
1. 3. Состав сапропелей 31
1.3. 1. Минеральная часть сапропелей 32
1.3.2. Органическая часть сапропелей 42
1. 4. Применение сапропелей 59
Выводы к главе 66
2. Объект и методы исследования, аппаратура
2. 1. Объект исследования 68
2. 2. Методы исследования и аппаратура 68
2. 2. 1. Технический анализ сапропеля 68
2. 2. 2. Элементный анализ 69
2. 2. 3. ИК-спектроскотшя 69
2. 2. 4. Электронная спектроскопия 70
2. 2. 5. Хромато-масс-спектрометрия 70
2. 2. 6. Эмиссионный спектральный анализ 70
2. 2. 7. Рентгено-флуоресцентный анализ 71
2. 2. 8. Дифференциально-термический анализ 71
2. 2. 9. Капиллярная газожидкостная хроматография 72
2. 2. 10. Определение молекулярной массы 72
2. 2. 11. Функциональный анализ
2. 2. 11. 1. Определение фенольных гидроксилов 72
2. 2. 11.2. Определение алкоксильных групп 73
2. 2. 11. 3. Определение гетероциклического кислорода .73
2. 2. И. 4. Определение йодного числа 74
2. 2. 11.5. Определение хиноидных групп 2.2.11.6. Определение кетонных групп 74
2.2.11.7. Определение карбоксильных групп 75
2.2.11.8. Определение сложноэфирных групп и лактонов 76
2.2.11.9. Определение общего основного азота 76
2.2.11.10. Определение тиолов 77
2.2.11.11. Определение тиоэфирных групп 77
2.2.11.12. Определение аминогрупп 78
2.2.11.13. Определение гетероциклических оснований 78
2.2.11.14. Определение азота в первичных аминогруппах 78
2.2.11.15. Определение азота в третичных аминогруппах 79
2.2.11.16. Определение спиртовых гидроксильных групп... 79
2. 2. 12. Экстракция сапропеля 80
2. 2. 13. Определение органических пигментов и витаминов 80
2. 2. 14. Определение порфиринов 82
2. 2. 15. Определение суммы флавонолов 82
2. 2. 16. Выделение гуминовых кислот 82
2. 2.17. Анализ фульвокиелот 83
2. 2. 18. Выделение лигнина 84
2. 2. 19. Исследование биологической активности экстрактов и гуминовых препаратов 84
3. Экспериментальная часть химический состав сапропеля Оренбургской области (п. Соль Илецк)
3. 1. Общая и техническая характеристика сапропеля 86
3.2. Схема изучения органической массы сапропеля 88
3. 3. Водный экстракт и гидролизаты
3.3.1. Водный экстракт 88
3.3.2. Исследование гидролизатов сапропеля 93
3. 4. Химическая структура гуминовых кислот 95
3. 5. Экстракты сапропеля 3.5.1. Гексановый экстракт 104
3.5.2. Толуольный экстракт 109
3.5.3. Бензольно-этанольный экстракт 111
3. 6. Исследование лигнина ИЗ
3. 7. Адсорбционная жидкостная хроматография бензольно-этанольного экстракта и характеристика молекулярной структуры соединений элюатов 115
3.7.1. Характеристика соединений гексанового элюата 116
3.7.2. Гексан-бензольныйэлюат 119
3.7.3. Бензольный элюат 119
3.7.4. Хлороформный элюат 121
3.7.4.1. Хлороформный элюат 1 121
3.7.4.2. Хлороформный элюат 2 122
3.7.4.3. Хлороформные элюаты 3, 4 123
3. 7. 5. Ацетоновый элюат 125
Ъ. 1.6. Этанольный элюат 126
3. 7. 7. Этанольно-уксуснокислотный элюат 128
3. 8. Структурные особенности компонентов толуольного экстракта, выделенных с помощью препаративной тонкослойной хроматографии 129
3.8.1. ТСХ-субфракция 1 133
3.8.2. ТСХ-субфракция 3 142
3.8.3. ТСХ-субфракция 8 143
3.8.4. ТСХ-субфракция 9 144
3.8.5. ТСХ-субфракция 10 145
3.8.6. ТСХ-субфракция 14 146
3.8.7. ТСХ-субфракция 15 146
3.8.8. ТСХ-субфракция 16 147
3.8.9. ТСХ-субфракция 18 148
3. 9. Изучение минеральной части сапропеля 149
3.9.1. Твердая фаза гексанового экстракта 151
3.9.2. Твердая фаза бензолыю-этанольного экстракта 155
3.9.3. Минеральная часть гуминовьгх кислот 159
3.9.4. Отэкстрагированпый и деминерализованный сапропель 163
Выводы к главе 3 167
4. Исследование биологической активности. Взаимосвязь химического состава и биологической активности препаратов сапропеля
4. 1. Гуматы натрия 168
4. 2. Экстракты сапропеля 175
4. 3. Практические рекомендации по использованию результатов работы 181
Выводы к главе 4 185
Общие выводы 186
Литература 188
- Состав сапропелей
- Хромато-масс-спектрометрия
- Адсорбционная жидкостная хроматография бензольно-этанольного экстракта и характеристика молекулярной структуры соединений элюатов
- Практические рекомендации по использованию результатов работы
Введение к работе
Актуальносте, исследования. Сапропелевые отложения представляют одно из характернейших образований голоценового периода, и в них ярко отразились развития климатических и геологических условий, изменения ландшафта, растительного покрова. На территории России около 3 мли. озер, запасы сапропеля в которых оцениваются в 250 млрд. т. Исслсдоватга по использованию сапропелей в сельском хозяйстве, животноводстве, ветеринарии, рыбоводстве, медицине, технике и других областях показали их высокие положительные свойства. Являясь экологически чистым органоминеральным удобреішем, обогащенным широким набором микроэлементов, они не только повышают урожайность сельскохозяйственных культур, но и улучшают их биохимические показатели, сохранность.
Сапропель давно используется в медицине и ветеринарии, оказывая положительное влияние на нервную, эндокринную, сердечно-сосудистую системы, улучшает состояние опорно-двигательного аппарата, стимулирует метаболисти-ческие процессы в печени, обеспечивает быстрое прекращение воспалительных процессов и хорошее излечение экзем, дерматитов, ожогов, различных флегмон, маститов, фурункулеза, хронического гастрита, язвешюй болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, усиливает фагоцитарную активность лейкоцитов в крови, регенерацию тканей. Сапропеля и препараты на ігх оспове нетоксичны, содержат уникалъпьш пабор оптически активных D-изомеров, которые легко усваиваются живыми организмами; для них не выявлены, как в случае сшггетических антибиотиков, мутагенные изменения, затрагивающие генетический материал и передающиеся по наследству. В строительстве сапропели применяются в качестве вяжугцего компонента цементов, бетонов; буровых растворов в нефтяной и тазовой промышленности; для получения смол, красок, битумов, ингибиторов корро-зіш. Перечисленное выше указывает на необходимость широкого внедрения сапропелей в народное хозяйство: медшщну, встеринаргао, сельскохозяйственное производство, косметологию, строительство.
Однако, оно сдерживается, прежде всего, отсутствием подробных сведений ( химическом сосгаве органической и минеральной частей сапропелей, взаимосвязи его с исходным растительным и животным материалом, биологической активностью. Таким образом, проведение работ по решению данных задач является актуальным и своевременным, тем более в связи с постоянно возрастающим шггере-сом к сапропелям и продуктам на их основе.
Исследования являлись составной частью НИР, проводимых в Тулгоспеду-ниверситете им. Л. Н. Толстого в соответствии с заданиями АН СССР и корреспондировались с постановлением ГКНТ СССР от 27.02.89 г. №101 О государственной научно-технической программе «Экологически чистая энергетика», проект «Синтетическое жидкое топливо», а также с приказом ГК РСФСР по делам науки и высшей школы от 12.08.91 г. № 716 О республиканской научно-технической программе «Наукоемкие химические технологии»; программой правительства РФ «Оздоровление экологической обстановки и охраны здоровья населения России» на 1993-1998 гг. Кроме того, выполнение данных работ включено в программы Российского фонда фундаменталыгых исследований «Университеты России».
Цели и задачи исследования. В работе ставились следующие задачи: с привлечением широкого набора современных фшико-химических методов анализа выполнить подробное комплексное исследование вещественного состава сапропеля Оренбургской области (п. Соль-Илецк); установить особенности структурной организации компонентов органической массы, качественный и количественный состав минеральной части; провести биологические испытания различных сапропелевых препаратов; выявить взаимосвязь химического состава сапропеля с исходным биологическим материалом и его физиологической активностью; наметить пути рационального использования сапропеля и продуктов на его основе.
Для решения перечисленных выше задач потребовалось: обобщить и критически проанализировать известные в литературе сведения о качественном и ко-личествешгом составе органической и минеральной частей сапропелей, их клас-
;ификации, генезисе, взаггаосвязи компонентов сапропелей с исходным биологи-іеским материалом, физиологической активностью; методах исследования и об-тастях применешія сапропелей; разработать схему разделения сапропеля на 5ольшое число фракций; выполнить препаративпуіо наработку огдельных соеди-іений и последующую идентификащпо их структуры с расчетом молекулярных и ипотетических (лруктурных формул; провести биологическое тестирование раз-[ичиых сапропелевых препаратов; установить взаимосвязь химического состава апропеля с исходным биологическим материалом, а также его физиологической ктивностыо.
Научная новизна. Впервые методами элементного, эмиссионного спектраль-
юго, рептгено-флуоресцентпого, количестветюго функционального, структурно-
рулпового, дифференциально-термического и диффереіщиально-
ермогравиметрического анализов, криоскопии, экстракщш растворителям раз-ичной полярности, кислотного и щелочного гидролиза, адсорбционной жидкост-ой (ЛЖХ) и препаративной тонкослойной хроматографии (ТСХ), ИК-, УФ/ВИС-пектроскопии, хромато-масс-спектрометрии выполнено подробное комплексное сследованис состава сапропеля Оренбургской области (п. Соль-Илецк), а также иологической активности препаратов на его основе; выявлена взаимосвязь хи-ического сосгава органической и минеральной частей сапропеля с исходным («логическим материалом, а также с физиологической активностью последнего; азработаны отдельные положения концепции научного прогнозировашія выбора эластей использоваггая сапропелевых препаратов, например, в медицине, вете-ішарии, сельском хозяйстве.
Основные положения, выносящиеся на защиту: эвые сведения о химігческом составе органической и минеральной частей сапро-гля Оренбургской области (п. Соль-Илецк); разработанная схема исследования шропеля, включающая экстракцию различными растворителями, кислотный и
щелочной гидролиз, АЖХ, препаративную ТСХ; молекулярные и структурные формулы отдельных соединений саіфопеля; результаты клинических испытаний антибиотической активности сапропелевых продуктов по отношению к различным штаммам бактерий; концепция научного прогнозирования генетической связи химического состава сапропеля с исходным растительным и животным материалом, а также биологической активностью, выбора областей эффективного использования сапропеля и продуктов на его основе.
Научные и практические рекомендации
-
Новые сведения о химическом составе органической и минеральной частей сапропеля Оренбургской области (п. Соль-Илсцк), его биологической активности значительно расширили наши представления о химическом составе сапропелей, их классификации, генезисе, взаимосвязи с составом исходного растительного и животного материала, путях биогеохимической трансформации последнего, а также с физиологической активностью. Они могут быть введены в курсы Высшей школы, по геологии, палеогеографии, палеоботанике и палеозоологии, геоорганической, биооргаиической, аналитической химии, физиологии растений, агрономии, химии и технологии ископаемых топлив, микробиологии.
-
Разработанная схема разделения сапропеля на большое число продуктов, существенно различающихся значением молекулярной массы, элементным составом, природой и количесгвенным содержанием функциональных ірупп, металлов, степенью и типом конденсации, ароматичности, а также наработка методом ТСХ практически итадивидуальных соединений, методология подробного изучения сапропелевых продуктов могут быть рекомендованы научно-исследовательским лабораториям, проводящим работы по изучению особенностей химического состава торфов, восков, битумов, горючих сланцев, углей и других материалов раститсль-ного и животного происхождения.
3. Концепция научного прогнозирования взаимосвязи химического состава
сапропелей с исходным биологическим материалом и физиологической активно-
стыо может быть рекомендована для классификации сапропелей, выбора областей эффективного применения сапропелей и препаратов на их основе.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегоддгых научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов (Тулгоспедупивсрситет им. Л. Н. Толстого, г. Тула; Новомосковский институт Российского химико-технологического универешега им. Д. И. Менделеева, г. Новомосковск 1998-2000 гг.); IV Всероссийской научной конференции (с международным участием) по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности, г. Санкт-Петербург, 1999 г.; Международном экологическом конгрессе, г. Санкт-Петербург, 2000 г.; XIII Международной научно-технической конференции «Ре-актив-2000», г. Тула, 2000.
Публикации. По материалам диссертации опубликована 1 статья, тезисы 2 докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, изложенных на 221 странице, включая 29 рисунков ц_12_таблиц, а также перечня использованной литературы in 358 наименований на 33 страшщах.
Состав сапропелей
Вопрос о происхождении сапропелей, имеющий важное значение для решения общей проблемы генезиса ряда ископаемых топлив, является весьма сложным. Несмотря на некоторые успехи, достигнутые в этом направлении, благодаря работам [1-23], единого мнения относительно приоритетного вклада тех или иных организмов в сапропелеобразование до сих пор не существует. До 50-х гг. происхождение сапропелей рассматривалось большинством исследователей в свете теории Г. Потонье [24], согласно которой процесс сапропелеобразования представляет собой механическое накопление на дне водоемов остатков отмерших планктонных организмов, состоящих та восков и жиров. При этом совершенно игнорировалось участие углеводов, белков высшей растительности и возможность синтеза новых соединений.
Действительно, в работах альгологов показано [25, 26], что биомасса, создаваемая планктоном в мелководных озерах, в 3-10 раз превышает биомассу макрофитов. На этом основании ряд ученых [19, 20, 24] считает, что основную роль в образовании сапропелей играют планктонные организмы, прежде всего водоросли. М. Конойко [19] обнаружены значительные мощности сапропелей в озерах, где макрофитная растительность практически отсутствует.
Альгофлора большинства пресноводных озер отличается значительным разнообразием, однако наиболее распространенными отделами водорослей в сапропелях России [9, 23] и Белоруссии [7, 8, 19, 20, 26] являются диатомовые, синезеленые, зеленые, хризомонадовые.
Большой удельный вес принадлежит диатомовым водорослям (Bacillariophyta), остатки которых могут слагать нацело толщу сапропелей. Отличительной особенностью метаболизма диатомовых водорослей, имеющих кремневые створки, является обязательное наличие в воде силикатов, в связи с чем Bacillariophyta характерны для холодных глубоководных хорошо аэрируемых проточных водоемов. Вспышки развития диатомовых наблюдаются весной и осенью в период наивысшего притока вод с суши. Диатомовые водоросли плохо переносят избыток органического вещества и летом вытесняются другими, более теплолюбивыми и органофильными водорослями [19, 21, 23, 27].
Не менее распространены сине-зеленые водоросли (цианобактерии) - Cyanophycophyta, экология которых противоположна диатомовым. Они лучше всего развиваются в неглубоких, хорошо прогреваемых, богатых органическими веществами водоемах. Максимум их развития приходится на теплое летнее время. Массовое количество остатков сине-зеленых водорослей в сапропелях указывает на обогащенность водоема органическими компонентами, часто на его обмеление или старение, связанное с заполнением озерной ванны осадками [19, 21, 23, 27, 28].
Из отдела зеленые водоросли (Chlorophycophyta) в сапропелях встречаются представители порядков Десмидиевые (Desmidiales) и Протококковые (Protococcales) [19, 23, 27, 29-31]. По своей биологии протококковые водоросли, характерные для мелких, теплых, богатых органическим веществом водоемов, несколько сходны с цианобактериями. Десмидиевые водоросли большой роли в сапропелеобразовании не играют; они характерны для олиготрофных водоемов с мягкой, плохо аэрируемой, кислой водой, богатой гуминовыми веществами. Их наличие указывает на заболоченность озер.
Вольвоксовые водоросли чаще всего представлены Phacotus lenticularis — доминирующим видом для отложений известковистого характера [27].
Хризомонадовые водоросли (Chrysophycophyla) из-за плохой сохранности встречаются в от ложениях в виде кремневых цист [19, 23, 27]. Работы по изучению химического состава органического вещества зоо- и фитопланктона немногочисленны [1, 9, 32]. Исследования [32] основными компонентами фитопланктона определили белки (55,6860,81%) и водорастворимые безазотистые вещества (32,58-42,44%) при невысоком вкладе жиров (1,2-4,0 %). Выход спирто-беюольного битума (смесь восков, жиров и жирных кислот) достигал 11%, но оставался более низким по сравнению с зоопланктоном.
Состав различных форм планктона и бентоса исследовался Е. Казаковым и М. Прониной [1, 9]. Оказалось, что он изменяется в течение вегетационного периода. Основными компонентами фитопланктона являются водорастворимые вещества (52%) и белки (34%); нитчатых водорослей - углеводы (28-38%) и водорастворимые вещества (до 25%); зоопланктона и бентоса - белки (56-61%) и водорастворимые вещества (до 26%). Содержание жиров, восков и смол в планктоне и бентосе занимает лишь третье место.
Растительность озер представлена не только водорослями, но и высшими водными растениями, заселяющими придонные и прибрежные участки водоемов. В осадконакоплении озер нельзя игнорировать участие макрофлоры, тем более что в богатых питанием евтрофных водоемах она образует целые подводные луга. Одни только макрофиты, по данным Н. Липиной [33], изучавшей продуктивность макрофлоры и макрофауны на крупных сапропелевых озерах, образуют ежегодно большие количества органического вещества.
Наиболее полно описан в литературе биологический состав озер БССР [7, 8, 19, 23, 34, 35]. Среди высших растений доминируют представители рода Potamogeton (рдест), Myriophyllum spicatum L. (уруть), Stratiotes aloides L. (телорез), Nymphaea alba L. (водяная лилия), Nuphar luteum Sm. (кубышка желтая), Najas marina L. (наяда), Ranunculus circinnatus Sibth. (лютик), Eiodea canadensis Rich, (элодея), Utricularia vulgaris L. (пузырчатка), а также представители рода Chara (хара) из высших водорослей, из мхов представители родов Drepanocladus (Дрепаноклад), Calliergon (Каллиэргон), Fontinalis (Фонтиналис), Sphagnum (Сфагнум). В прибрежной мелководной зоне озер наиболее распространены заросли Phragmites communis Trin. (тростник обыкновенный), Scirpus lacustris L. (камыш), Typha latifolia L. (рогоз широколистный), Hydrocharis morsus ranae L. (водокрас лягушачий), Equisetum heleocharis Elirh. (хвощ), Sagittaria sagittifolia L. (стрелолист обыкновенный), представители рода Sparganium (ежеголовник) и Сагех (осока), Poligonum amphibium (горец земноводный).
Из редких представителей водной флоры были обнаружены Sparganium affine Sclmizl. (ежеголовник), Nymphaea Candida Presl. (кувшинка белоснежная), Lobelia Dortmana L. (лобелия Дортмана), Alisma Wahlenbergii Но1тЬ.(частуха Валленберга).
Литературные данные о химическом составе макрорастений и животных немногочисленны. В работе Е. Казакова [1] по исследованию сапропелеобразователей отечественных озер, отмечено, что макрорастения богаты углеводами (46-67%). Химический состав высших водных растений и водорослей ряда озер Белоруссии, по данным С. Поварковой и В. Раковского [6] приведены в табл. 1.1.1, 1.1.2.
Хромато-масс-спектрометрия
Содержание каротиноидов в липидах поверхностного слоя сапропеля оз. Кирек составляет 0,86% и постепенно снижается с глубиной погружения осадков. Пигменты представлены углеводородами (p-каротин, р- зеакаротин), кетонами (эхиненон, кантаксантин), спиртами (цис-, транскриптоксантин, зеаксантин, тетрагидрокси-Р-каротин) и эпоксидами спиртов (цис-, транс-изолютеин) [137].
Сравнение распределения каротиноидов в сапропелях и биопродуцентах позволяет проследить их генезис. Так, Р-каротин, p-зеакаротин и криптоксантин унаследованны от высших водных растений. Повышенное содержание Р-каротина в осадках предполагает дополнительный источник высшие наземные растения, вклад которых подтверждается наличием зе- уксантина и изолютеина. Кетоны - эхиненон и кантаксантин обязаны своим происхождением зоопланктону.
В [137] сообщено о роли каротиноидов в осадочных липидах - они являются ингибиторами окисления.
Распределение общих неомыляемых каротиноидов из седимента оз. Грасмир [210] способно дать представление о различных типах организмов, принимающих участие в осадконакоплении. Так, отсутствие миксоксантина - характерного каротиноида сине-зеленых водорослей подтверждает факт олиготрофности водоема. Авторами выделены и идентифицированы следующие соединения — ликопин, неоксантин, зеаксантин, вио- лаксантин, хлорины. Помимо перечисленных компонентов в ОМ сапропелевых отложений обнаружены витамины В], В2, В6, В]2, С, D, Е, Р и др. [17, 18, 21, 27, 55, 58, 82,222-230].
Витамин В]2 впервые был определен Е. Smith [222] в иле сточных вод. В образцах сапропелей с различных глубин оз. Пиявочное Калининской области Л. Куцевой и В. Букиным [223] обнаружено до 500 мкг/кг витамина Bi2. Значительные количества витамина Ві2 определено в сапропе- лях Литвы [224, 225], Свердловской области [226]. По своему происхождению, распространению и физиологическому действию витамин Ві2 занимает особое место. Он синтезируется только микроорганизмами и является биологически активным соединением. Закономерности распределения витамина В!2 (от следовых количеств до 1500 мкг/кг), рибофлавина (9111785 мкг/кг), фолиевой кислоты (41,6-63,5 мкг/кг) и тиамина в сапропелевых отложениях озер Литвы изучено К. Ю. Пакарските и др. [224, 225]. Определение витамина Ві2 проводилось микробиологическим методом с использованием в качестве тест-объекта Bacterium coli. Наибольшее его количество содержится в верхнем 2,0 м слое в центральной части мелководных озер. Отмечено сезонное колебание содержания витамина BJ2 с максимумом весной и осенью. Авторами выявлена положительная корреляция между повышенным содержанием витамина В12 и рибофлавина, фолиевой кислоты. Из витаминов группы В в сапрспелях идентифицированы также В,, В2, В3, В6 [17, 18, 21, 27,55, 58, 82, 226-230].
Е. Масленникова [227] доказала в сапропеле озера Чернобровское Свердловской области очень высокое содержание витамина Е - до 3,3 мг%, а также установила присутствие в озерном иле 3-каротина, витаминов С и Р.
Ю. Кушуров [21] определил витамин D в сапропеле озера Большой Тарас-Куль Тюменской области. Содержание каротина и рибофлавина в сапропелях ряда озер Латвии изучено П. Андерсоном и Б. Вимбой [230]. Количество каротина в различных образцах составляет 16-179 мг/кг; содержание рибофлавина - 1,6-7,5 мг/кг.
Из приведенных данных очевидно, что витаминный состав сапропелевых залежей различен. В [17, 21, 225] отмечено разнообразие в активности одного и того же витамина.
Таким образом, состав ОМС чрезвычайно сложен и разнообразен. Несмотря на большое количество публикаций, появившихся в последнее время, в литературе нам не удалось найти практически ни одной работы, в которой было бы детально расшифровано химическое строение органического вещества сапропелей.
Огромные ресурсы сапропелей, их доступность, относительная простота добычи и первичной переработки, уникальный состав органической и минеральной частей позволяют считать сапропелевые отложения ценным полезным ископаемым, пригодным для использования в различных отраслях народного хозяйства. В зависимости от состава и свойств сапро- пели могут использоваться в чистом виде, с минеральными добавками и компостироваться. Наиболее перспективными направлениями использования сапропелей на ближайшую перспективу являются
1) в земледелии [17, 18, 21, 22, 55, 57-59, 62, 89, 231-242]: производство стандартных удобрений и известковых материалов, сапропеленавозных, сапропелепометных компостов и гранулированных удобрений на их основе; производство и применение продуктов переработки сапропелей, субстратов для выращивания клубеньковых бактерий, средств уменьшения слеживаемости минеральных удобрений, ростовых препаратов, различных фасованных питательных смесей на основе сапропелей для садоводства, оранжерей и теплиц. Важнейшими характеристиками при выборе сапропелевого сырья для удобрений являются общий уровень зольности и состав минеральной части - содержание соединений кремния, железа, серы, карбонатов кальция. Агрономическую эффективность сапропелей определяют общее содержание азота, фосфора, калия, уровень обменной кислотности, содержание илистой фракции, биологически активных веществ. Применение сапропелевых удобрений (СУ) усиливает жизнедеятельность почв, активизирует образование гумуса. Урожайность зерновых культур, овощей и корнеплодов повышается на 20-100%; наилучшие результаты достигаются на песчаных и супесчаных почвах [231]. СУ повышают качество выращиваемых посевов, увеличивают количество белков и каротина, обеспечивают привлекательный товарный вид и повышенную сохранность урожая. СУ, полученные путем сгущения сапропелей, сушки, промораживания, с влажностью 50% при использовании их на песчанных и дерновоподзолистых почвах в дозах 40-60 т/га повышают урожай картофеля на 5080 ц/га, зерновых — на 7-11 ц/га [59]. Эффект действия СУ продолжается не менее 5 лет и может быть повышен при использовании их для получения сложных удобрений (совместно с минеральными туками, бактериальной культурой [57, 58]).
2) в животноводстве и ветеринарии [17, 18, 21, 22, 55, 56, 57-59, 62, 86, 92, 110, 231, 243-2553: производство на основе органических и карбонатных сапропелей минерально-витаминных кормовых добавок в виде гранул, брикетов и др., комбикормов. Сапропелевые кормовые добавки (СКД) являются источником минеральных и биологически активных веществ. Последние обусловливают активизацию физиологических процессов в организме животных, способствуют более полному усвоению питательных веществ основного рациона. При скармливании СКД нормализуется деятельность важнейших систем и органов животного: кроветворения, кровообращения, печени, желудка, вследствие чего снижается заболеваемость, повышается устойчивость к неблагоприятным воздействиям внеш ней среды. Кроме того, СКД являются средством профилактически заболеваний животных, в первую очередь легочных и желудочно-кишечных. Стимулирующее действие оказывают СКД на половую систему самок, при этом повышаются крупноплодность, многоплодность, сохранность молодняка. Животные, получающие в рационе СКД, отличаются хорошим аппетитом, упитанностью, что ведет как к увеличению выхода мясной и молочной продукции, так и улучшению ее качества;
Адсорбционная жидкостная хроматография бензольно-этанольного экстракта и характеристика молекулярной структуры соединений элюатов
Анализ литературных данных показал, что метод экстракции, являясь довольно мягким и недеструктивным, дает низкие выходы продуктов и не позволяет составить полное представление о составе ОМС. В связи с этим было принято решение расширить границы исследования в направлении наиболее полного изучения органического вещества сапропеля. Поставленная задача решалась в рамках разработанной автором комплексной схемы исследования. Сочетание достоинств экстракционных методов и ступенчатого гидролиза позволило практически полностью разделить органическую и минеральную составляющие сапропеля, что в свою очередь, в значительной мере способствовало более глубокому изучению каждой из выделенной составных частей. Предлагаемая схема включает в себя следующие операции. Остаточный сапропель (I) после экстракции водой и органическими растворителями подвергался гидролизу, согласно схеме (рис. 3. 2. 1).
Сначала кипячением с 2%-ной НС1 в течение 2-х часов разлагались легкогидролизуемые вещества (гемицеллюлозы). Дальнейший гидролиз остаточного сапропеля (И) проводился в течение 2-х часов кипячением с 12%-ной НС1, в ходе которого разрушались уроновые кислоты, а из остаточного сапропеля (III) обработкой 0,1 н NaOH извлекались гуминовые кислоты (ГК 1 - при комнатной температуре, ГК 2 - после кипячения). С целью извлечения лигнина остаточный сапропель (IV) кипятился в течение 7 час. со смесью диоксан-вода (10:1) об. в 0.15 %-ной НС1.
Состав аминокислот, водорастворимых органических кислот и углеводов, содержащихся в гидролизатах I, II, III, приведен в табл. 3. 3. 1. 1.
Остаточный сапропель (V) подвергался гидролизу целлюлозы 80%- ной H2SO4 в течение 2-х часов. В гидролизате методом количественной ТСХ было определено содержание D-глюкозы, на основе которого рассчи тано содержание целлюлозы в исходном сапропеле (8,34 мае %).
Результаты приведенного исследования показывают, что экстракцией водой и органическими растворителями выделяется весьма незначительная часть сапропеля (0,61 % мае.), что согласуется с данными многих исследователей [3, 17, 18, 34, 58, 62, 63, 68-76, 132-135, 143-146]. Наиболее существенная доля ОМ сапропеля (от 6,48 до 8,83 % мае.) извлекается кислотным гидролизом (2 и 12 % НС1 и 80 % H2SO4). Гемицеляюлозы (легкогидролизуемые вещества), извлекаемые 2 %-ной НС1, практически на 90 % состоят из 12 аминокислот - продуктов гидролиза белков, в числе которых преобладают: гистидин, валин, серин, изолейцин и аспарагин; а также сахаров, на 90 % состоящих из D-глюкозы. Доля водорастворимых органических кислот в основном, янтарной около 0.12 мае. %. Из прочих органических кислот представляют интерес ванилиновая и сиреневая, которые, вероятно, следует рассматривать как продукты окнелительныз преобразований дигидрокониферилового спирта, составляющего основу лигнина.
В случае уроновых кислот, извлекаемых 12 %-ной НС1, доля аминокислот также довольно велика, однако, их гамма ограничена четырьмя компонентами: глутамин, валин, гистидин и аспарагин. Почти втрое, по сравнению с гемицеллюлозами, возрастает количество сахаров в гидролизате, причем 83 % последних составляет галактоза (галактуроновые кислоты), и почти в 9 раз — водорастворимых органических кислот (табл.3.3.1.1). Некоторые количества аминокислот, сахаров и водорастворимых органических кислот соизвлекаются при экстракции ГК щелочью, но их суммарное количество всего 0.84 мае. % (рис. 3.2.1, 3.2.2). Вероятно, щелочным гидролизом расщепляются сложноэфирные связи, посредством которых с макромолекулой ГК связаны водорастворимые карбоновые и аминокислоты. Обнаружение моносахаридов (глюкозы и арабинозы) может быть следствием гидролиза сложных полисахаридов, фрагментарно включенных в макромолекулу ГК. 3.4. Химическая структура гуминовых кислот
Судя по литературным данным [18, 56, 132-135, 143-146, 153, 193, 194, 255], содержание и структура ГК во многом определяют такие важные в практическом отношении качества сапропелей, как биологическая активность, биохимическая устойчивость, бальнеологические свойства и др.
Если по торфяным и буроугольным ГК имеются экспериментальные данные изучения их состава, отдельные корреляции, объясняющие их физиологическую активность, то для сапропелевых ГК подобные сведения весьма фрагментарны. Исследование структуры «белого гумуса», как иногда именуют ГК сапропелей, несомненно, представляет большой научный интерес в плане в плане создания цельной единой картины генезиса разнообразного биологического материала во всевозможные виды ископаемых топлив.
Целью настоящей работы было детальное изучение структуры ГК, выделенных из сапропеля в различных условиях (разд. 2.2.1.6), с тем, чтобы впоследствии провести корреляцию между физиологической активностью и химическим строением гуминовых препаратов.
Для решения поставленной задачи был привлечен арсенал современных физико-химических методов: спектроскопия в ИК-, УФ- и видимой области спектра, эмиссионный спектральный и рентгено-флуоресцентный анализ. Выход ГК в зависимости от условий выделения, их элементный и функциональный состав, среднюю молекулярную массу иллюстрирует табл. 3. 4. 1.
Практические рекомендации по использованию результатов работы
В ИК-шектре порошка, снятом в таблетке бромида калия (соотношение проба:КВг = 1:100), снятом на спектрофотометре “Спекорд М80” (рис. 3.9.2.2), идентифицированы следующие максимумы п. п.: - 1714, 1684, 1650, 1390, 1259, 894, 817, 807, 543, 488, 413 см"1, отвечающие двойным оксалатам калия-железа или калия-хрома; - титанатов бария (632, 490 см }) и -стронция (610, 375 см 1); - довольно интенсивные п. п. гидратов диоксида кремния и кремневой водной кислоты (3960, 3200-3400, 830-950, 1100-1090, дублет 780-800, 470, узкая полоса 1403 см ). Отсутствие интенашного поглощения в регионе 1450-1410 см и менее сильного нрн 850-880 ем 4 свидетельствует от отсутствии карбонатов.
Органические соединения присутствуют лишь в качестве незначительной примеси судя по поглощению в области 2920, 2930, 2960 см-1, несмотря на тщательную промывку растворителем. Несомненно, ото результата высокой сорбционной активности гелей гидратов диоксида кремния и кремневой кислоты.
Совокупность полученных данных позволяет заключить, что основу осадка, выпавшего из бензольно-зтанольнога экстракта, составляют гидраты диоксида кремния (или кремневой кислоты), вероятно, извлекающиеся при исчерпывающейся экстракции сапропеля в виде геля и выпадающие в осадок по мере достижеїшя порога коагуляции при коїщешрировашш. Вышеуказанные гели, как известно, обладают высокой удельной поверхностью и исключительно высокими сорбционными характеристиками. Учитывая, что изучаемый сапропель относится к кремнеземистому типу, следует полагать, что гель гидратов диоксидов кремния (или кремневые кислоты) составляют структурный скелет нативного сапропеля, в естественных полостях которого удерживаются хемосорбционными силами прочие компоненты органического и минерального вещества сапропеля. В частности, к таковым можно отнести идентифицированные в составе осадка
ИК-спектр осадка, выпавшего из бензольно-этанольного экстракта сапропеля двойные оксалаты калия-железа (или калия-хрома), титанаты бария (или стронция), не проявляющиеся в виде отдельной фазы осадка, а также хлориды и в меньшей степени бромиды. Различные минералы на основе кремнезема, силикатов и алюмосиликатов чрезвычайно распространены в составе сапропелей и подробно исследовались многими авторами [17, 18, 22, 55, 60, 63, 67, 103-115]. О присутствии редких минералов па основе гидратов оксалатов железа и кальция (гумбольдтита и вевеллита соответственно) в угольных залежах сообщается в [335], однако, для сапропелей они неизвестны.
Содержание минеральной части в образцах ГК 1 и ГК 2 составляет 55,0 н 52,3 % мае. соответственно (табл. 3.4.1). Это согласуется с данными авторов [17, 18, 111], указывавших на повышенную зольность сапропелевых ГК по сравнению с торфяными, почвенными и угольными.
Состав минеральной части ГК анализировался методами эмиссионного спектрального и рентгено-флуоресцентного анализов (рис. 3.9.3.1, 3.9.3.2). С помощью эмиссионного спектрального анализа в составе гуми- новых кислот идентифицированы следующие элементы; Si (основа); С, N, Ai, Fe, К, Cl,Ti в качестве основных примесей; Rb, Sr, Zr, Си, Na, S, Ca, Ba, Mg, P, Br (примеси); в следовых количествах - V, Мп, Ag, В, Sc, Cr, Mi, Co, Zn, Ga, Mo, W, La, Li, Be, Mb.
В табл. 3.9.3.1 приведено сопоставление относительного содержания ряда элементов в прооах і їх і и Ї ГЧ 2 на основе р ентге н o-q л у орес це нтн его анализа. Видно, что ГК 2 существенно отличаются повышенным (в 1.2-1.6 раза) содержанием металлов переменной валентности (Fe, Си, Zr), более высоким содержанием К, Rb, S, Ai, Ті, Вт. Катионы щелочных и. щелочноземельных металлов, вероятно, взаимодействуют с ГК за счет элекгроета cps Fe 15 5 ,
Условные обозначения: отн. ед. - относительные единицы (оценка по относительной интенсивности пиков на рентгенофлуоресцентных спектрах тических сил (ионные и ион-дипольные взаимодействия). Большинство металлов - d-элементов образуют координационные соединения с электронно-донорными атомами кислорода и аминного азота ГК. Часть металлов (Mg, Си, V, Ni) связана с пиррольными пигментами, идентифицированными в составе ГК. Другая группа металлов образует я-комплексы при участии хиноидных и фенольных групп, карбоксилатных комплексов. Ионы Мл, Си, Zn, Со, Мо удерживаются в структуре ГК донорноакцепторными связями, и, кроме того, стабилизированы мицеллой.
Фосфор может быть связан с шокомолекулярной фракцией ГК посредством катионов железа или адсорбироваться ГК в форме фосфатов. Минеральные компоненты алюмосиликатной природы (Si, А1, К) образуют с ГВ соединения сложного молекулярно-массового состава.
Высокое содержание кремния в обеих пробах ГК - прежде всего, результат щелочного соизвлечения Si02-xH20 исходного кремнеземистого сапропеля. Однако кремний может входить также и в состав органоминеральных комплексов с ГК.
Выход негидролизуемого остатка - 72,94% (рис. 3.2.1, 3.2.2). Его состав анализировался комплексным дифференциально-термическим и дифференциально-термогравиметрическим, элементным, рентгенофлуоресцентным анализами.
Общий вид дериватограммы (рис. 3.9.4.1) указывает на то, что отэкс- трагированный и деминерализованный сапропель представляет собой практически индивидуальное соединение. На кривой ДТА зафиксирован четкий эндотермический эффект в температурной области 573С, который скорее всего вызван полиморфным переходом (а—»Р) Si02 (кварц). Запись Тш - прямая линия, что свидетельствует о полноте извлечения органической части и деминерализации сапропеля.
Данные дериватографического исследования подтверждаются и дополняются результатами рентгено-флуоресцентного (рис. 3.9.4.2) и элементного анализов, согласно которым в составе отэкстрагированного и деминерализованного сапропеля идентифицированы: Si (основа); S, С1, К, Ва, Zr, Sr, Fe, Ті, Сг, Cu, Sr, Zn, Rb (в качестве микропримесей); содержание С — 0,06, Н - 0,08, N - 0,01 (мас.%). Таким образом, содержание органических веществ в остаточном сапропеле лишь следовое.
Кварц в сапропеле Оренбургской области, по-видимому, является преимущественно аллохтонным минералом, поступающим в водоем с водосборных площадей как продукт механического разрушения и выветривания горных пород суши. Вместе с тем, в озере может накапливаться и аутогенный кремнезем - хемогенный, отлагающийся из воды или иловых растворов, или биогенный, представленный главным образом остатками диатомовых водорослей и высших водных растений, обогащенных кремнием.
Совокупность полученных данных еще раз подтверждает кремнеземистую структуру скелета нативного сапропеля, в полостях которого за счет хемосорбции удерживаются и стабилизируются в форме мицелл разнообразные органические и минеральные компоненты сапропеля, а также более сложные органо-минеральные комплексы.
