Фракционный состав гуминовых и гиматомелановых кислот почв Западной Сибири

Введение

Современное представление о почвенном гумусе формировалось в течение длительного времени. Уже в работах классиков естествознания XΙX в. К. Шпренгеля, Я. Берцелиуса, Г. Мульдера было установлено, что гумус почвы является сложным телом, и главнейшие составные части его представлены гуминовыми кислотами.

И.В. Тюрин писал: «…термин “гуминовая кислота” является групповым понятием, под которым следует подразумевать целую группу высокомолекулярных соединений, имеющих несколько различный состав, но обладающих рядом общих свойств и известным общим типом строения» [6].

Несмотря на 200-летнюю историю исследований, до сих пор важнейшие вопросы генезиса и химического строения гумусовых кислот не решены, а вопросы о строении отдельных компонентов органического вещества почв, например гуминовых (ГК) и гиматомелановых кислот (ГМК), до сих пор остаются дискуссионными.

В настоящей статье рассматриваются подходы к разделению гуминовых кислот на отдельные фракции на примере некоторых почв различных условий образования на территории Западной Сибири (в пределах Омской области).

Для изучения поставленного вопроса был исследован количественный состав ГК и ГМК зональных и интразональных почв, различающихся по свойствам, характеру и интенсивности процессов почвообразования.

Материал и методы исследования

Объектами исследования являлись ГК дерново-подзолистой среднесуглинистой, темно-серой лесной среднесуглинистой, чернозема выщелоченного среднесуглинистого, алювиально-луговой среднесуглинистой почв Седельниковского, Колосовского, Большереченского и Тарского районов Омской области. Агрохимическая характеристика почв представлена в таблице 1. Выделение и фракционирование ГК производили по ранее описанной методике [2, с.176]: 20 г почвы экстрагируют 100 мл 0,1 н. раствором NaOH путем активного встряхивания и облучения УФ-лучами в течение 1 часа. Полученную суспензию фильтровали через складчатый бумажный фильтр. Экстракцию органического вещества 0,1 н. р-ром NaOH повторяли до тех пор, пока экстракты не были бесцветными. Фильтраты объединялись, подкислялись 10% р-ром H₂SO₄ до рН=1 по индикаторной бумаге, и образующийся осадок фильтровали через складчатый бумажный фильтр, который тут же промывали раствором серной кислоты, а затем растворяли в 50 мл 0,1 н. р-ра NaOH. Из полученного щелочного раствора гуминовых кислот осаждали их отдельные фракции путем поэтапного создания необходимого рН в интервале 7–0 раствором серной кислоты по иономеру. Образующиеся осадки после 2-х часового отстаивания отделялись центрифугированием, высушивались на воздухе и взвешивались на аналитических весах с точностью до 0,0001 г. Спектры отдельных фракций ГК и ГМК определяли в щелочных растворах (0,1н. NaOH) на спектрофотометре СФ2000 (спектральный диапазон от 200 до 1100 нм).

Таблица 1.

Агрохимические показатели некоторых почв Омской области [3]

Результаты исследования и их обсуждение

Высокомолекулярная природа ГК подтверждается многочисленными определениями молекулярной массы, кислотная природа − наличием ряда кислородсодержащих функциональных групп, водород которых способен к обменным реакциям с катионами оснований [1]. Характерные особенности ГК их полидисперсность и химическая гетерогенность, вследствие чего гуминовые кислоты любой почвы можно расчленить на ряд фракций с близкими, но не вполне однородными параметрами [4]. В связи с этим была предпринята попытка «дробления» ГК на фракции по условным изоэлектрическим точкам.

Не смотря на сложность молекулярной организации ГК, все проанализированные виды почв образуют по 8 хорошо разделяемых фракций в условных изоэлектрических точках при рН среды: 7,0; 6,0; 5,0; 4,0; 3,0; 2,0; 1,0 и <1,0. При этом доля каждой фракции в составе органического вещества почв различна и варьирует в широких пределах (табл. 2).

Таблица 2.

Доля фракций гуминовых и гиматомелановых кислот от их общего (суммарного) содержания в почве (%)

Общее содержание ГК и ГМК выделенных фракций указывает на то, что дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы более обогащены ГК и ГМК, нежели темно-серые, аллювиально-луговые почвы и чернозем выщелоченный (табл. 3).

Таблица 3.

Содержание гуминовых и гиматомелановых кислот в почве (^х10^-3 %)

Сравнительные данные (табл. 4) свидетельствуют, что ГК и ГМК в дерново-подзолистой среднесуглинистой и темно-серой лесной среднесуглинистой почвах в естественных условиях в большей части не гидролизованы и находятся в молекулярном виде. И практически весь суммарный запас ГК и ГМК в аллювиально-луговой среднесуглинистой почве представлен полностью ионизированным состоянием.

Таблица 4.

Доля фракций гуминовых и гиматомелановых кислот от общего содержания органического вещества почвы (%) в сравнении с естественным показателем рН почвы

При спектрофотометрическом исследовании почв установлены различия в электронных спектрах поглощения отдельных фракций ГК и ГМК (наиболее знáчимые в УФ-спектрах). При этом эти различия отмечались не только для отдельных фракций в пределах одного типа почвы, но и для однотипных фракций различных типов почв (рис. 1-4).

Рисунок 1. Спектральные кривые фракций ГК и ГМК дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы (Седельниковский район, с.Михайловка) (1 – рН7,0; 2 – рН6,0; 3 – рН5,0; 4 – рН4,0; 5 – рН3,0; 6 – рН2,0; 7 – рН1,0; 8 – рН <1,0)

Рисунок 2. Спектральные кривые фракций ГК и ГМК темно-серой лесной среднесуглинистой почвы (Колосовский района, с. Аникино) (1 – рН7,0; 2 – рН6,0; 3 – рН5,0; 4 – рН4,0; 5 – рН3,0; 6 – рН2,0; 7 – рН1,0; 8 – рН <1,0)

Рисунок 3. Спектральные кривые фракций ГК и ГМК чернозема выщелоченного (Большереченский район) (1 – рН7,0; 2 – рН6,0; 3 – рН5,0; 4 – рН4,0; 5 – рН3,0; 6 – рН2,0; 7 – рН1,0; 8 – рН <1,0)

Рисунок 4. Спектральные кривые фракций ГК и ГМК аллювиально-луговой среднесуглинистой почвы (Тарский район, ОПХ им. Фрунзе) (1 – рН7,0; 2 – рН6,0; 3 – рН5,0; 4 – рН4,0; 5 – рН3,0; 6 – рН2,0; 7 – рН1,0; 8 – рН <1,0)

Результаты спектрофотометрического исследования позволяют признать гуминовые кислоты как совокупность большого количества индивидуальных органических молекул, которые можно разделить, создавая градиенты рН. Либо считать ГК сложными молекулярными образованиями легкогидролизуемыми при незначительном изменении рН среды. Такие выводы согласуются с мнением Р. Тейт о том, что ГК не содержат какой-либо повторяющейся субъединицы и рассматриваются как случайные полимеры, содержащие разнообразные ароматические субъединицы [5].

Выводы

В условных изоэлектрических точках на градиентах рН среды гуминовые кислоты почв можно разделить на фракции. Доля каждой фракции в составе органического вещества почв различна и может находиться в знáчимых приделах (отличных на порядок).

В пределах Омской области дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы более обогащены гуминовыми кислотами, нежели темно-серые, аллювиально-луговые почвы и чернозем выщелоченный. При этом, гуминовые и гиматомелановые кислоты в дерново-подзолистой среднесуглинистой и темно-серой лесной среднесуглинистой почвах в естественных условиях в бόльшей части не гидролизованы и находятся в молекулярном виде. И практически весь суммарный запас ГК и ГМК в аллювиально-луговой среднесуглинистой почве представлен полностью ионизированным состоянием.

Наличие в УФ-спектрах фракций гуминовых кислот различных максимумов поглощения свидетельствует о неоднородности их состава. Возможность фракционирования, создавая градиенты рН, и данные спектроскопии позволяют признать гуминовые кислоты как совокупность большого количества индивидуальных органических молекул. Либо считать гуминовые кислоты сложными молекулярными образованиями легко гидролизуемыми при незначительном изменении рН среды.