WWW.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 8 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального ...»

-- [ Страница 2 ] --

В почвах, в которых ГК в основном связаны с Са и Мg и благо даря этому неспособны к передвижению по профилю, они на капливаются в местах их образования и в наибольших количе ствах содержатся в верхних горизонтах. ГК способны к реакци ям ионного обмена, образуют растворимые и нерастворимые гуматы и являются мощным геохимическим агентом, способст вующим разложению горных пород и минералов, концентра ции, рассеянию и переотложению элементов в земной коре.

Это – основная часть органического вещества почвы (гумуса), которое обусловливает ее плодородие.

Элементный состав ГК в % по массе составляет: С – 50–62;

Н – 2,8–6,6;

О – 31–40;

N – 2–6. Содержание углерода в составе ГК максимально в черноземах и уменьшается в сторону более гумидных и более аридных почв [Орлов, 1990].

Гуминовые вещества извлекают растворами щелочей, за тем осаждают кислотой гуминовые кислоты и гиматомелано вые кислоты, тогда как в растворе остаются фульвокислоты и неспецифические вещества. Реакции извлечения гуминовых веществ сводятся к следующим простым уравнениям:

П + NaOH ГК-COONa + ГМК-СООNa + ФК-СООNa, где П – почва или иное природное образование, содержащее гуминовые вещества, ГК – радикал гуминовой кислоты, ФК – фульвокислоты, ГМК – радикал гематомелановой кислоты.

Если к полученному щелочному экстракту добавить какую либо кислоту до рН 1–2, то выпадет осадок гуминовой и гeматомелановой кислот, а фульвокислоты останутся в раство ре. При действии щелочей на ГК образуются темные растворы, из которых при действии кислот и растворов солей металлов высшей валентности ГК осаждаются в виде набухших гелей.

ГК-СООNa + ГМК-СООNa + ФК-СООNa + 3НCl ГК-СООН + ГМК-СООН + ФК-СООН + 3NaCl.

Бурые гуминовые кислоты (БГК) – гуминовые кислоты, свежеосажденный гель которых практически нерастворим в во де. Придают биокосным телам бурую окраску. Слабо взаимо действуют с Са2+, причем ион кальция легко диссоциирует в водный раствор. В отличие от черных гуминовых кислот, у БГК выражено химическое сродство к полуторным оксидам, осо бенно к железу, с которым они образуют устойчивые ком плексные соединения, характеризующиеся кислой реакцией среды, так как не все кислотные группы БГК блокируются по луторными оксидами. Соединения БГК с полуторными окси дами практически нерастворимы и устойчивы к микробиологи ческому воздействию. Бурые гуминовые кислоты входят в со став гумусовых веществ почв таежно-лесной зоны, а также торфяно-болотных почв.

Черные гуминовые кислоты (ЧГК) – гуминовые кислоты, характеризующиеся интенсивно черным цветом, благодаря ко торому они придают биокосным телам очень темную окраску.

ЧГК обладают наивысшей оптической плотностью среди ГВ разных типов почв, имеют наименьшую средневзвешенную от носительную молекулярную массу и наименьшую полидис персность, т. е. наибольшую гомогенность. В сухом состоянии препараты ЧГК практически нерастворимы в воде;

в состоянии же свежеосажденных гелей они полностью, хотя и медленно, растворяются в воде с ясно выраженным пиком растворимости.

Водородный показатель (рН) 0,02–0,03%-ных водных раство ров ЧГК соответствует 4,0–4,5. ЧГК характеризуются сильным химическим сродством к ионам кальция: при наличии в раство ре определенного количества Са2+ выпадают с этими ионами в осадок в виде гуматов кальция, устойчивых к растворению и имеющих нейтральную реакцию. Связывают приблизительно 400–500 м-экв Са2+ на 100 г сухой массы вещества [Попов, 2004а]. Если ЧГК не полностью насыщены Са2+, их гуматы представляют собой кислые соли, которые растворимы в воде.

ЧГК обладают высокой устойчивостью к микробиологическо му разложению. Способны разлагать силикатные минералы с ясно выраженной качественной специфичностью. Считается, что ЧГК могут проникать в межпакетные пространства широ кослойных глинистых минералов. Черные ГК входят в состав гу миновых кислот почв лесостепной, степной и сухостепной зон.

Гиматомелановые кислоты (ГМК) (hymatomelanic acid) – группа гумусовых кислот, растворимых в этаноле. Впервые выделены Ф. Гоппе-Зейлером в 1889 г. с помощью этилового спирта из геля сырых (свежеосажденных) гуминовых кислот. В спиртовом растворе имеют темно-красную окраску. Отличи тельной особенностью ГМК считаются: высокое атомное от ношение Н:С (более единицы), высокая отрицательная степень окисленности, низкие коэффициенты экстинкции, высокая ин тенсивность поглощения в интервале 17001720 см–1 [Глебова, 1985]. Доля данной группы (или фракции) в составе гуминовых веществ биокосных тел весьма невелика.

Фульвокислоты (от лат. fulvus – желтый) в современном понимании – кислоторастворимая часть гуминовых веществ.

Чаще всего к ним относят всю совокупность кислотораствори мых органических веществ, остающихся в растворе после оса ждения гуминовых кислот. Истинные ФК – это те органические соединения, которые находятся в кислом фильтрате после оса ждения гуминовых кислот и отделяются из него посредством сорбции на активированном угле. Существует мнение, что фульвокислоты появляются аналитически в результате щелоч ного и/или кислотного гидролиза различных органических ве ществ, входящих в состав биокосных тел, т. е. ФК – артефакт.

Термин «фульвокислоты» ввел в конце 1930-х гг. XIX сто летия С. Оден вместо терминов «креновые (ключевые)» и «апокреновые (осадочно-ключевые) кислоты» Я. Берцелиуса, выделившего их из железных охр и болотных руд. Из почвы и торфа их впервые выделили Р. Герман и Г. Мульдер. Выделен ные из почвы препараты фульвокислот окрашены в светло бурые тона, а растворы их в зависимости от концентрации и степени фракционирования имеют соломенно-желтую, светло бурую и оранжево-вишневую окраску. Они хорошо растворимы в воде, в ряде органических растворителей, причем водные рас творы их характеризуются резкой кислой реакцией (рН 2,8–5,5).





Фульвокислоты, как и гуминовые кислоты, представляют собой высокомолекулярные азотсодержащие органические ки слоты. От ГК отличаются более светлой окраской, большей окисленностью и меньшим содержанием углерода, повышен ным количеством водорода, а также большей гидрофильно стью. Элементный состав их заметно отличается от элементно го состава гуминовых кислот и колеблется в следующих преде лах (масс. %): С – 40–52, Н – 4–6, N – 2–6, O – 42–52. В моле куле фульвокислот доминирует алифатическая часть, представ ленная аминокислотными и углеводными компонентами. Аро матические и алифатические компоненты ФК аналогичны тем, что и в ГК, но их ароматическая часть выражена менее ярко.

ФК можно разделить на ряд фракций, различных по составу и молекулярной массе: фульвановую, фульвеновую, фульвино вую и лигнофульвановую, различающиеся по растворимости.

Молекулярная масса различных фракций ФК колеблется от 200–300 до 30 000–50 000 дальтон, что также подтверждает вы сокую степень их гетерогенности [Попов, 2004].

Кислотная природа фульвокислот обусловлена карбок сильными и фенолгидроксильными группами, водород которых способен к обменным реакциям. Эти группы в ФК составляют 800–1000 мг-экв на 100 г препарата. Фульвокислоты хорошо растворимы в воде и способны образовывать сильно кислые весьма концентрированные водные растворы (например, pH 0,01 н. раствора фульвокислот соответствует 2,5–2,6, а 0,005 н.

раствора – 3,0). С одно- и двухвалентными катионами (напри мер, с K+, Na+, NH4+, Ca2+, Mg2+) ФК образуют водораствори мые соли, однако в сильнощелочной среде (pH 10) часть ФК (более сильно окрашенная) может осаждаться ионами кальция и бария. С трехвалентными катионами (например, с Fe3+ и Al3+) ФК в зависимости от условий, при которых протекает реакция, могут выпадать в осадок или образовывать водорастворимые комплексные соединения.

Благодаря сильнокислой реакции и хорошей растворимо сти в воде ФК энергично разрушают минеральную часть почвы.

При этом степень разрушительного действия ФК на минералы зависит также от содержания ГК в данной почве;

чем меньше в ней ГК, тем сильнее действие ФК. Таким образом, раствор ФК представляет собой свободнодисперсную агрегативно устойчи вую систему гуминовых веществ, менее всего зависящую от концентрации, величины водородного показателя (pH) и ион ной силы раствора.

Нерастворимый остаток (гумин). Из любого природного тела полностью извлечь все ГВ не удается никакими приемами.

Остающуюся нерастворимой часть называют гумином. Свойст ва последнего очень похожи на свойства гуминовых кислот.

Термин «гумин» был предложен еще в XIX в. Я. Берцелиусом и Г. Мульдером для гумусовых веществ, не растворимых в щело чах, широко используется в настоящее время для характери стики органических веществ, не экстрагируемых из почвы при определении группового состава гумуса. Основными компо нентами гуминов являются гуминовые и фульвокислоты, выде ляемые после предварительной дополнительной обработки почвы относительно крепкими растворами азотной или смеся ми соляной и плавиковой кислот. В их сложном и неоднород ном составе выделяют три различных категории веществ: вы сокополимеризованные гумусовые вещества, связанные с гли ной и железом;

частично гумифицированные вещества и све жие органические вещества, окруженные минеральными час тицами почвы. Из-за неопределенности термина «гумин» от его дальнейшего использования отказались, сочтя более целесооб разным применение термина «нерастворимый остаток».

Меланины (от греч. melas, melanos – темный, черный) – прогуминовые вещества – высокомолекулярные темно-окра шенные (коричневые, бурые или черные) пигменты биогенного происхождения, образующиеся при окислительной полимери зации фенольных и азотсодержащих соединений. Это – слож ные гетерополимеры, различающиеся как набором мономерных единиц, так и видами связей с преобладанием полисопряжен ных связей. Характеризуются высокой электронной плотно стью и аморфной структурой. Устойчивы к действию таких доз радиации, при которых обычно происходит заметная деструк ция других полимеров. Различные функциональные группы в макромолекулах меланинов, например хинонные, гидрохинон ные, карбоксильные и аминные, обусловливают специфические физико-химические свойства этих пигментов, в том числе их действие в качестве хелаторов.

Меланины проявляют достаточно высокую каталитиче скую активность в биохимических реакциях и характеризуются специфической реакционной способностью, обусловленной действием многочисленных парамагнитных центров, которые в -комплексе с диамагнитными молекулами полимера повы шают вероятность их перехода в триплетное состояние и тем самым способствуют взаимодействию с радикалами [Попов, 2004а]. Парамагнитные центры меланинов высокостабильны и могут участвовать в дезактивации лабильных радикалов, воз никающих после воздействия на биологический объект иони зирующего и/или ультрафиолетового излучения, а также в ре зультате некоторых ферментативных процессов и реакций окисления. Способны акцептировать электроны, возникающие при фотолизе и радиолизе.

Меланины широко распространены в природе. Это продук ты метаболизма одноклеточных организмов (чаще всего прока риот) и грибов, входят в число часто встречающихся зоохромов в составе хитиновых и кожных покровов, перьев, шерсти, во лос, внутренних органов и прочих тканей и органов многокле точных организмов, но доминирующее положение среди них занимают меланопротеиды грибов [Звягинцев 1987, 1991;

Бабь ева, 1989;

Аристовская, 1980;

Туев, 1989;

Тейт, 1991]. Сравне ние ряда свойств ГК и меланопротеидов грибов позволяет прийти к выводу о почти полной идентичности этих веществ, что дает возможность считать пигменты грибов основным ис точником ГК почв. Отложение меланинового пигмента в кле точных стенках рассматривается как эволюционная морфоло гическая адаптация. Считается, что меланиногенез возник на начальных стадиях эволюции как защитный механизм от иони зирующего и/или ультрафиолетового излучения и закрепился в силу стабилизации и упрочения поверхностных структур орга низмов, в частности повышения устойчивости клеточной стен ки микроорганизмов к химической и ферментативной деструк ции. При этом меланиногенез одноклеточных организмов вы полняет ведущую защитную роль в поддержании численности и состава популяции против экстремальных воздействий: раз личных видов излучений, химической и ферментативной дест рукции. Защитная, или барьерная, функция меланинов опреде ляется особенностями их физико-химических свойств и локали зацией в поверхностных структурах на границе контакта орга низма с внешней средой. Резистентность клеток к излучению во многих случаях пропорциональна содержанию в них меланинов.

Вопросы по теме 1. Какие номенклатурные единицы выделяют при исследовании ОВП?

2. Что такое гумусовые и гуминовые кислоты?

3. Каковы отличия фульвокислот от гуминовых кислот?

4. Что такое гумин?

5. Каково происхождение гуминовых кислот?

6. Что такое меланины?

2.2. Функции и свойства почвенного гумуса Гуминовые вещества выполняют в биосфере множество функций. Они, считаясь первой устойчивой формой органиче ских соединений углерода вне живых организмов, обеспечива ют выполнение почвами своих глобальных функций в биосфере:

• обеспечение существования жизни на Земле;

• обеспечение постоянного воздействия большого геоло гического и малого биологического круговоротов (циклов) ве ществ на земной поверхности;

• регулирование химического состава атмосферы и гидро сферы;

• регулирование биосферных процессов;

• аккумуляция активного органического вещества и свя занной с ними химической энергии.

Образование ГВ – это не просто утилизация органических остатков, которая необходима в биосфере. Важнее то, что при этом возникает новый класс природных соединений, не суще ствующих в живых организмах, но необходимых для сущест вования и обеспечения непрерывности современных жизнен ных форм. Основная функциональная роль гумуса заключается в регуляции устойчивости экосистем, одним из механизмов ко торой является отторжение-возврат части органического веще ства в пределах круговорота. Другой механизм связан со спо собностью гумуса почв к аккумуляции, миграции и обмену, что обусловливает более длительное сохранение части углерода, запасов минеральных элементов, связывания и вывода за пре делы зоны питания растений токсичных и невостребованных веществ.

Гумус выступает также как память экосистем, кодируя в своем составе и свойствах условия периода своего формирова ния. Меморатная функция гумуса [Дергачева, 1989, 2000] осо бенно важна при решении прикладных задач, связанных с не обходимостью ретроспективного анализа природной среды и обоснованием прогнозов ее поведения на ближнюю и дальнюю перспективы.





В биогеохимических круговоротах углерода почве принад лежит основная роль, поскольку она служит важнейшим нако пителем органического вещества, представленного органиче скими остатками и гумусом, которые служат одновременно и аккумулятором, и донором СО2. Педосфера, являясь одной из главных фаз биосферного круговорота, выполняет в отношении углерода следующие функции: резервуара для стока и транс формации атмосферного углерода, ассимилированного при фо тосинтезе наземной растительностью;

генератора и аккумуля тора устойчивых соединений углерода в форме гумуса и карбо натов;

генератора и источника подвижных соединений и би карбонатов в виде углеродосодержащих газов (прежде всего СО2) и водорастворимых органических соединений и бикарбо натов и др. В системе почва – вода – растение схема малого круговорота углерода регулируется преимущественно гумата ми почвы (рис. 6). Таким образом, педогенный углерод, вклю чаясь в воздушные и водные миграционные потоки, связывает биоту, атмосферу, гидросферу, литосферу в единый биосфер ный биогеохимический круговорот веществ. Выявление функ ций педосферы в ландшафтных и биосферных биогеохимиче ских циклах углерода имеет большое значение для прогнозиро вания изменения запасов углерода в почвах в результате воз можных планетарных изменений климата, а также различных антропогенно-техногенных воздействий.

Экологические функции почвенного гумуса обстоятельно изучены почвоведами-классиками и современниками [Амосова, 1989;

Безуглова, 2001;

Гамаюнов, 1986;

Дергачева, 2003;

Доб ровольский В. В., 2004;

Добровольский Г. В., 1985;

Ковда, 1985;

Попов, 1993, 1996а, 1997, 2008в;

Проблемы и методы, 1976;

Слободян, 1994;

Чуков, 1998, 2004;

Flaig, 1975;

Hayes, 2001;

Mortvedt, 1972;

Pollack, 1971] и к настоящему времени стали общеизвестными. Важнейшие из них следующие:

1. Ресурсная или аккумулятивно-трофическая функция – накопление химических элементов и энергии, необходимых живым организмам;

источник легкоминерализуемого энергети ческого материала и питательных элементов-фитонутриентов углерода, азота, фосфора, микроэлементов.

РАСТЕНИЕ

ГУМАТЫ

Питание Усвое- Защита от Защита Улучше- Влагоза- Структу- Рост ин- Регули Рис. 6. Свойства гуматов. Схема взаимодействия гуматов в системе почва – вода – растение 2. Транспортная функция заключается в формировании гео химических потоков минеральных и органических веществ, преимущественно в водных средах за счет образования устойчи вых, но сравнительно легкорастворимых комплексных соедине ний гумусовых кислот с катионами металлов или гидроксидами.

3. Регуляторная функция – это: 1) структурная организация почвенной массы;

2) оптимизация водно-физических свойств почв, 3) обеспечение стабильности корневого питания расте ний, 4) регуляция органо-минеральных и межфазных взаимо действий тонкодисперсных фракций почв, 5) регуляция состава и обеспечение буферности почвенных растворов и воздуха (включая приземные слои атмосферы, 6) регуляция теплового режим почв.

4. Биопротекторная функция – иммобилизация и инакти вация ксенобиотиков, токсичных и радиоактивных элементов, стимуляция адаптивных реакций биоты в неблагоприятных ус ловиях среды (загрязнение и другие стресс-факторы), инкорпо рирование некоторых пестицидов, углеводородов, фенолов.

5. Физиологическая функция – стимуляция прорастания се мян, роста и развития растений, прикорневой и симбиотиче ской микрофлоры, активизирование дыхания, мембранотроп ное действие и стимуляция мембранного транспорта питатель ных элементов;

сдерживание развития злокачественных опухо лей, повышение устойчивости организмов к различным воспа лительным процессам.

ГВ обладают высокой биологической активностью [Popov, 2008а;

Попов, 2004б, 2005;

Драгунов, 1980], которая проявляет ся в благоприятном влиянии гумусовых веществ на рост и раз витие растений, обусловленной их сорбционными и электрон но-донорно-акцепторными свойствами, изменением состояния фотосинтезирующего аппарата, процессов окислительного фосфорилирования, нуклеинового метаболизма, парамагнит ными характеристиками [Алиев, 1971, 1978;

Комиссаров, 1971а], а также изменением свойств мембран. Растворимые гу мусовые вещества (HSs) благодаря низким молекулярным мас сам слагающих их блоков способны легко проникать через биомембраны водных организмов, взаимодействовать с ними и изменять одновременно как их приспособляемость, так и окру жающую абиотическую среду [Steinberg, 2009]. Есть мнение, что одна из возможностей проявления эффективного физиоло гического действия ГК связана с наличием в их структуре про странственно-затрудненных фенолов, являющихся ингибито рами свободно-радикальных процессов [Драгунов, 1980]. Дру гая – связана с наличием у ГВ аппарата протонно-апротонного катализа [Протонно-апротонный катализ..., 1975].

Гумус как совокупность взаимосвязанных специфических почвенных органических веществ представляет собой откры тую природную систему, связанную в своем существовании и функционировании с другими системами биосферы и подчи няющуюся законам ее развития. Как и любая другая система подобного рода, гумус является саморазвивающейся и саморе гулирующейся системой, чья основная функциональная роль заключается в регуляции устойчивости экосистем, одним из механизмов которой является отторжение-возврат части орга нического вещества в пределах круговорота [Дергачева, 1984, 1989, 2003]. Другой механизм связан со способностью гумуса почв к аккумуляции, миграции и обмену, что обусловливает более длительное сохранение части углерода, запасов мине ральных элементов, связывания и вывода за пределы зоны пи тания растений токсичных и невостребованных веществ.

Возникнув в период начального становления почвы как ес тественноисторического тела, функция гумусовых веществ как регулятора устойчивости экосистем постепенно усложнялась во времени. На первых этапах гумусовые вещества играли роль физиологического стимулятора жизнедеятельности живых ор ганизмов [Piccolo, 1993]. Позднее, кроме физиологической ро ли, гумус стал играть роль ингибитора продуктов метаболизма компонентов живых сообществ, а также иммобилизатора части минеральных компонентов, вредных на определенных этапах для жизнедеятельности растений или по причине избыточного содержания тормозящих процесс нормального устойчивого функционирования экосистемы. Функциональная роль гумусо вых веществ возросла, дифференцировалась и стала разнооб разней в период выхода растений на сушу, когда у них возник ла необходимость добывать себе пищу из горных пород, и дос тигла максимального развития в условиях степей, став одним из главных механизмов поддержания устойчивости экосистем.

К моменту формирования современного почвенного покрова гумус выполнял уже большой ряд функций [Гуминовые препа раты, 1971;

Гуминовые вещества, 1993], направленных в своей совокупности на регуляцию и поддержание устойчивости эко систем (рис. 7).

Окислительно Рис. 7. Схема регуляции и поддержания устойчивости экосистемы Гумусовые вещества, обусловливая устойчивость почв, выполняют при этом природоохранную функцию. Гумус, в ос новном, – источник азота, при этом он играет также роль запа сающего вещества для азота. ГВ абиогенно связывают молеку лярный азот.

В период образования и функционирования антропосферы особенно возросла роль гумуса как инактиватора и ингибитора вредных для устойчивого развития экосистем веществ, а также как средства удаления их за пределы корнеобитаемого слоя.

Как правило, гумусовые вещества устойчивы к известкованию, гипсованию и действию минеральных удобрений (являющихся, по сути, гидролитически кислыми и нейтральными солями).

Являясь, по существу, хроматографической системой, гумус частично связывает поступающие в почву минеральные удоб рения, тяжелые металлы, биологически активные вещества (гербициды), поверхностно-активные вещества (мыла и детер генты, поступающие при орошении сточными водами) и другие загрязнители [Ермаков, 2004, 2008;

Карпачевский, 2005;

Лыко ва, 2007;

Муромцев, 1990;

Морев, 1990;

Отчет НИИБ, 1996;

Пе тербурский, 1964;

Талашкина, 2004;

Перминова, 2000, 2004].

Макромолекулы гуминовых веществ сорбируются на внешней стороне цитоплазматической мембраны или клеточной стенки, образуя ажурную сетку, свободно пропускающую в клетку элементы минерального питания и низкомолекулярные органи ческие соединения. В то же время происходит эффективное связывание токсичных для клетки ионов тяжелых металлов и свободных радикалов [Демин, 2004]. Причем флюорофоры, а также хромофоры ГК, отвечающие за фотозависимую транс формацию пестицидов, локализованы в самой низкомолеку лярной из трех фракций ГК, независимо от их генезиса [Тру бецкая и др., 2004].

Под влиянием пестицидов ГВ не разрушаются, так как об разуют с ними эфирные и другие соединения, что приводит к инактивации пестицидов и их длительному пребыванию в поч ве. Для тяжелых металлов, радионуклидов барьером служат свободные ГВ [Кленов, 1998], способные устранять их из поч венного профиля в виде простых солей, комплексно гетерополярных соединений и хелатов. При действии высоких доз ионизирующей радиации или пестицидов (ТМТД, ГХЦГ, фентиурам) ингибирование роста сопровождается снижением митотического индекса за счет уменьшения числа вступающих в митоз клеток или патологическим возрастанием его до оста новки митоза преимущественно в метафазе. При радиационных поражениях и пролонгированном действии хлорорганических пестицидов преобладают хромосомные нарушения, тогда как симтриазины вызывают преимущественно нарушения функций клетки [Горовая, 1985, 1993]. ГК способствуют уменьшению как генетических, так и функциональных нарушений клеточно го деления. Кроме того, они нормализуют временные парамет ры клеточного цикла, нарушенные действием химических и физиологических факторов. При действии ГК на поврежденные радиацией и пестицидами растения в клетках меристематиче ских тканей усиливаются репаративный и репликативный син тезы ДНК, синтезы РНК и белка, устраняются блоки перехода клеток из одной фразы цикла в другую, восстанавливается ассо циация моносом в полирибосомы, уменьшается число аберрант ных хромосом, и нормализуются процессы собственно митоза, т. е. повышаются адаптационные возможности клеток меристе матических тканей [Орлов, 1985, 1990, 2005;

Горовая, 1995].

Гумусовые кислоты иммобилизуют в растворах на своей по верхности протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин, субтилизин), подавляют их активность. Введение ионов металлов в реакционную систему позволяет регулировать ингибирующую способность гуминовых кислот, которая может меняться в зави симости как от природы, так и от содержания ионов металлов в системе. Механизм ингибирования металлокомплексами гуми новых кислот активности протеиназ связан с образованием раз нолигандных комплексов, где ион металла выступает в роли «скрепки» между макромолекулами гуминовых кислот и белко вой глобулы. Смоделирована система фермент – ион металла – гуминовые кислоты, изучены условия и механизмы иммобилиза ции фермента с гуминовыми кислотами [Жоробекова, 1987, 2003]. Макромолекулы гумусовых веществ сорбируются на внешней стороне цитоплазматической мембраны или клеточной стенки, образуя ажурную сетку, свободно пропускающую в клетку элементы минерального питания и низкомолекулярные органические соединения типа сахаров или аминокислот.

В то же время происходит эффективное связывание ток сичных для клетки ионов тяжелых металлов и свободных ради калов, присутствующих во внешней среде. Следствием этого является снижение затрат энергии клетки на устранение нега тивного эффекта, вызванного попаданием ксенобиотиков во внутриклеточную среду. Высвобождаемая энергия может быть направлена, в частности, на увеличение интенсивности процес сов клеточного деления, и, как следствие, происходит ускоре ние развития клеток и растения в целом, возрастает их устой чивость к неблагоприятным факторам внешней среды [Демин и др., 2004]. Именно свободные радикалы – наиболее активные реакционноспособные центры макромолекул ГВ – играют ве дущую роль в проявлении физиологической и биопротекторной активности ГВ. Концентрация свободных радикалов – наиболее объективный показатель биотермодинамической устойчивости ГВ, которая в свою очередь связана с их трофической функци ей (степенью доступности для биоты).

Гумусовые вещества, подвергаясь воздействию гидролити чески щелочных (К-Na) солей минеральных удобрений, по верхностно-активных веществ, образуют с ними водно-раство римые щелочные соли гумусовых кислот, что приводит к усиле нию минерализации и эрозии почв, потере гумуса почвами и структурно-функциональным изменениям всех его составляющих.

Гумус выступает также как память экосистем, кодируя в своем составе и свойствах условия периода своего формирова ния. Меморатная функция гумуса особенно важна при решении прикладных задач, связанных с необходимостью ретроспектив ного анализа природной среды и обоснованием прогнозов ее поведения на ближнюю и дальнюю перспективы.

Высокая поглотительная способность гумусовых веществ позволяет им закреплять часть питательных веществ и тяжелых металлов – загрязнителей, поступающих в почвы в результате техногенных процессов (медь, никель, кобальт и т. п.). В то же время часть катионов гумусовые вещества переводят в рас творимую форму. Это в первую очередь относится к железу, алюминию, цинку. Растворимые в воде алюминий и железо на ходятся в комплексе с водорастворимым органическим вещест вом. Особенно важно исследование способности гуминовых ки слот хелатизироваться, пептизироваться в воде и связывать кальций, так как от этих показателей зависят очень многие свой ства почв: реакция среды, отзывчивость на известкование и вне сение удобрений, физические свойства, закрепление и доступ ность и т. д. (табл. 1) питательных элементов и микроэлементов.

При изучении степени пептизируемости гуминовых кислот разных типов почв В. В. Пономарева и Т. А. Плотникова [1968, 1980] экспериментально подтвердили подразделение гумино вых кислот на черные и бурые фракции и пришли к заключе нию, что бурые гуминовые кислоты, свойственные почвам гу мидного климата, слабо растворимы в воде;

черные, характер ные для степных почв, – почти полностью растворимы. Это по зволило авторам объяснить причину формирования столь глу боких гумусовых горизонтов в черноземах и небольшую их мощность в почвах лесных почвах.

Одна из важных глобальных функций гумуса – обеспече ние плодородия почв. Последние исследования показывают, что плодородие почв определяется не столько количеством гу муса, сколько количеством быстро минерализующихся его компонентов и, в особенности, гидролизуемой (алифатической) частью молекул гумусовых кислот. Гидролизуемая часть гуму совых кислот отчуждается в течение многих десятилетий до ус тановления нового стационарного гумусового уровня, при ко тором в отсутствии должного гумусового контроля сохранив шаяся устойчивая ядерная часть молекул гумусовых кислот становится инертной массой, потерявшей способность осуще ствлять обменные реакции. Восстановление активной гидроли зуемой части молекул гумусовых кислот в современных поч вах, потерявших значительную часть гумуса, может быть обес печено органо-минеральной системой земледелия. Соли ГК (гуматы натрия, калия и аммония) независимо от источников их получения (низинный торф, бурый уголь, чернозем обыкно венный) в оптимальных концентрациях (50–100 мг/л) оказыва ют достоверное стимулирующее действие, особенно в началь ную фазу развития растений.

Одной из важнейших на сегодня является проблема оцен ки функциональных параметров ГВ: природы их физиологи ческой активности;

мембранотропного действия или проник новения ГВ в живую клетку и прямого включения в процессы метаболизма;

биопротекторной активности ГВ в условиях климатических и токсических стрессов;

сертификации безопасности и физиологической активности коммерческих гуминовых препаратов (ГП), оправданности расширения об ластей применения гуминовых препаратов [Биологически активные …, 1979;

Сравнительная характеристика, 1980] и т. п.

Основные свойства гумуса и связанные с ним воздействия Удерживание воды ОВ может удерживать Предотвращает от Органо-минеральные Ионы почвенных частиц Способствует газо комплексы с глинисты- структурных единиц вы- вому обмену, ста Хелатизация (комплек- Формирование стабиль- Буфферит способ Растворимость в воде Нерастворимость ОВ в Только небольшое pH-зависимость (влия- ОВ буфферит рН почвы в Позволяет поддер Катионный Общая кислотность изо- Увеличивает поч Минерализация Разрушение ОВ сопро- Источник питатель Комбинирование с ор- Влияние биоактивности, Изменение норм вне ганическими молекула- последействия и биоде- сения пестицидов *Примечание: почвенная поглотительная способность органического вещества (ППС ОВ) почв и глинистых силикатов возрастает с увеличением рН Согласно гипотезе Л. А. Христевой и др. [1953, 1957, 1973];

А. И. Горовой [1985, 1988, 1995, 1993], С. А. Алиева [1978, 1988] физиологический эффект ГВ обусловлен влиянием их на энергетический метаболизм клетки, что ведет к активации про цессов окислительного и фотосинтетического фосфорилирова ния и усилению белоксинтезирующей системы. Другие иссле дователи связывают физиологическую активность ГВ с пара магнитными [Комиссаров, Логинов, 1971б], электронно донорно-акцепторными [Бобырь, 1983] или мембранотропными [Баталкин и др., 1983;

Поверхностная..., 1989] свойствами.

Гуминовые препараты (ГП) способствуют уменьшению лу чевых и химических поражений, 50%-ный уровень ингибиро вания устраняется, и полностью восстанавливается жизнедея тельность растений [Гуминовые препараты..., 2004]. Исследо вание клеточных механизмов наблюдаемых явлений показало, что как стимуляция, так и нормализация развития поврежден ных растений обусловлены влиянием ГВ на всю совокупность процессов митотического цикла клеток меристематических тканей. По эффективности действия ГП не уступают витами нам группы В, РР, С и АТФ, что подтверждает мысль о влия нии их на растительный организм через усиление системы энергетического обеспечения клетки.

Многообразные экологические функции ГВ в биосфере можно объединить понятием «экологического потенциала».

Достигнутый на сегодняшний день уровень эксперименталь ных исследований позволяет подойти к параметрическим оцен кам ряда важнейших экологических функций ГВ и на их основе – к параметрической оценке экологического потенциала ГВ. Эта комплексная оценка может быть компонентом параметрическо го (цифрового) образа почвы.

Вопросы по теме 1. Какие функции почвенного гумуса относятся к глобальным?

2. С какими проблемами сталкиваются ученые при оценке свойств ГВ?

3. Какие свойства почв регулируют и поддерживают устойчивость экосистем?

4. Какие свойства гуматов обеспечивают рост и развитие растений?

5. Что такое «экологический потенциал территории»?

6. Какие важнейшие экологические свойства почвенного гумуса выделяют?

7. Какое физиологическое действие оказывают ГВ?

2.3. Гумус и почвенная структура Одним из важных свойств гуминовых веществ является их способность к оструктуриванию почвы. Говорят, что структур ная почва – культурная почва. Почвенная структура – главное, центральное, узловое звено многих природных процессов, соз дающее поровое пространство, в котором сохраняются вода и питательные вещества, живет и функционирует почвенная био та. И. Н. Антипов-Каратаев убедительно показал, что только при совместной коагуляции минеральных и органических кол лоидов образуется что-то подобное почвенному агрегату. Од нако лишь подобное. Загадка устойчивого, не распадающегося в воде агрегата оставалась загадкой, пока в 30–50-х гг. В. Р. Виль ямс не обратил внимание на то, что стабильные почвенные аг регаты возникают в прикорневой зоне растений. В их формиро вании участвуют сами корни и живущие там микроорганизмы, вырабатывающие специфическое вещество – свежий почвен ный гумус, который и обладает свойствами клея, прочно со единяющего частицы. Причем такой свежий гумус образуется при недостатке кислорода или, как говорят, в анаэробных усло виях с помощью почвенных бактерий-анаэробов. Впоследствии коллегами Вильямса и его учениками было доказано, что имен но внутри почвенных агрегатов такие условия и существуют.

Другими словами, микроорганизмы-анаэробы создают гумус клей из поступающих в почву растительных остатков, образу ют свежую органику для соединения минеральных частиц в ус тойчивые агрегаты, в которых они постоянно живут и «работа ют». Чем больше природного клея, тем прочнее и устойчивее почвенные агрегаты, лучше почвенная структура, выше плодо родие [Качинский, 1963].

Основную роль в природном клее должно играть органиче ское вещество почвы, которое затрудняет быстрое поступление воды в межчастичное пространство, препятствует возникнове нию высоких расклинивающих давлений и разрыву агрегата.

Нечто подобное, возможно, происходит и в почвенных агрега тах. Но для этого необходимы следующие условия: гумусовые вещества, вырабатываемые микроорганизмами из раститель ных остатков, должны обладать гидрофобными свойствами и при этом прочно удерживаться на гидрофильной поверхности минеральных частиц. Значит, почвенные органические молеку лы должны иметь как гидрофильные, так и гидрофобные свой ства, или быть амфифильными [Милановский, 2000, 2002а, 2003;

2004, 2006]. Тогда в почвенной поре молекула органиче ского вещества одной своей частью (гидрофильной) прочно удерживается на поверхности минеральной частицы, а другой (гидрофобной) – ориентируется внутрь, в межчастичное про странство (рис. 8, 9, 10). Значит, возникновение устойчивой почвенной структуры происходит благодаря амфифильным свойствам почвенного гумуса. Гидрофобные компоненты прочно связываются друг с другом, а гидрофильные – с мине ральными частицами. Такой органо-минеральный комплекс ус тойчив и к механическим воздействиям, и к разрушающему влиянию воды. Вода в такую пору поступает медленно, без за купоривания пор и разрыва агрегатов защемленным воздухом.

При этом комочки увеличиваются в объеме, набухают.

Почва как бы становится единой глинистой массой. Органиче ские молекулы гумуса своими гидрофобными окончаниями держатся друг за друга, не позволяя молекулам воды разорвать гидрофобные связи. Чем больше гидрофобных окончаний, тем устойчивее агрегаты и тем сильнее они противостоят раскли нивающему действию воды.

Рис. 8. Схема образования водоустойчивого органо-минерального пер вичного агрегата (а) с участием амфифильных (гидрофобных и гидрофиль ных) молекул почвенного органического вещества (б) [Теория..., 2007] Рис. 9. Формирование водоустойчивости почвенных агрегатов [Теории.., 2007] Рис. 10. Схема формирования структуры почвы [Милановский, Шеин, 2003] Соотношение гидрофильных и гидрофобных компонентов в со ставе ГВ определяется экологическими условиями гумифика ции органического материала in situ [Милановский, 2006]. Гид рофобно-гидрофильными свойствами ГВ контролируется при родная дифференциация компонентов ГВ по профилю почв и гранулометрическим фракциям. Естественно-генетическая ор ганизация гидрофильных и гидрофобных компонентов ГВ в аг регате обеспечивает связанные с ГВ водоустойчивые свойства агрегата.

Выделяют три важнейших условия образования устойчи вой структуры почвы [Теория …, 2007]:

• присутствие катионов-коагуляторов (катионы Fe, Аl, Ca);

• поступление органических веществ внутрь почвы (корне вой отпад, органические удобрения);

• наличие локальных анаэробных зон, в которых формиру ется гидрофобный гумус.

Коагуляция органо-минеральных коллоидов создает мик роструктуру почвы и является первопричиной развития аэроб ной и анаэробной биоты, формирующей почвенное органиче ское вещество с гидрофобными свойствами, обеспечивающими устойчивость почвенной структуры (рис. 10).

«Свежий» гумус (по В. Р. Вильямсу) представлен гидро фобными компонентами органического вещества почв, обра зующимися в анаэробных зонах почвы. Устойчивость почвен ной структуры обусловлена кристаллизационными и коагуля ционными связями в микроагрегатах и гидрофобным гумусом в макроагрегатах.

Итак, почвенное органическое вещество обладает амфифиль ными свойствами с доминирующими гидрофобными. Только то гда оно способно формировать зернистую структуру. В составе органического вещества зернистой почвы преобладают компо ненты с гидрофобными свойствами, а в слабоагрегированной – с гидрофильными. Классическая, хорошо агрегированная почва – это чернозем. Плохо агрегированная – дерново-подзолистая.

На рис. 11 приведены хроматограммы гумусовых веществ из этих почв. Оказалось, что самые большие пики для пробы ор ганического материала из чернозема наблюдались в области гидрофобных веществ. А в состав гумуса дерново-подзолистой почвы входили в основном гидрофильные компоненты. Можно предположить, что свежий гумус и есть гумус с ярко выражен ными гидрофобными свойствами. И образуется он в анаэроб ных условиях внутри агрегатов с помощью постоянно живущих там анаэробных бактерий. По данным ученых-микробиологов, внутри агрегатов совсем иные микроорганизмы, чем на их по верхности, в основном анаэробные.

Увеличение гидрофобности Рис. 11. Обратнофазная жидкостная хроматография гумусовых веществ из чер- ции поверхности минеральных нозема (вверху) и из дерно- частиц. Такой органо во-подзолистой почвы (вни- минеральный комплекс и форми зу) [Милановский, 2006] лась прочная, не распадающаяся в воде агрегатная структура, обязательны, во-первых, растительные или другие органиче ские вещества, служащие исходным материалом для формиро вания гумуса;

они должны поступать внутрь почвы. Во-вторых, необходимы локальные условия для жизни и деятельности ана эробных микроорганизмов, превращающих растительную ор ганику в амфифильный почвенный гумус с доминирующими гидрофобными свойствами, который и скрепляет минеральные частицы, образуя устойчивый в воде агрегат.

Чаще всего ОВ почвы представлено гелевыми структурами.

Предполагается существование следующих типов гелевых структур (рис. 12):

Рис. 12. Схемы орга- тиц и тоже включающие в свой со но-минеральных гелевых став большие количества почвенно структур, способных суще- го раствора.

ствовать в почвах [Теории а – плотный гель;

внимание факт рассмотрения гумуса б – ажурные гелевые структуры;

в – периодические кол- подход соответствует действитель лоидные структуры ре при рН от кислой до слабощелочной. В этом случае они на ходятся в свернутой, глобулярной конформации. Однако в об щем случае нельзя отбрасывать возможность существования макромолекул гумуса, содержащих большое количество поляр ных групп, в развернутой или частично свернутой конформа ции. Поэтому необходимо учесть возможность существования в почвах еще нескольких типов коллоидных структур (рис. 13):

1. Студни – тончайшие молекулярные сетки, представленные гомогенными, однофазными системами, в которых органиче ские макромолекулы, находясь в растворе, взаимодействуют между собой, образуя непрерывное пространство. 2. Комбина ции студней с коллоидными структурами, образованными кол лоидными частицами органической и неорганической природы, т. е. армированных студней.

Сущность коллоидной составляющей почвы сводится к сле дующему [Федотов, 2007]: 1) 70–90 % ОВП связано с минераль ной составляющей и не всплывает в жидкостях с плотностью 1,9–2,0 в отличие от детрита;

2) отщепление фрагментов гуму совых полимеров и восстановление их строения происходит пу тем встройки фрагментов, подобных отщепленным в гумусовую матрицу;

3) отщепление боковых фрагментов происходит неиз бирательно для макромолекул ГК и ФК;

4) размеры макромоле кул ГК, образованных из десятков и сотен сходных по строе нию фрагментов, могут отличаться во многие десятки раз;

5) при деструк ции ГК образуются, в том числе, и ФК;

6) для почвы характерен весь спектр полимеров по молекулярной массе – не образуется обогащение поч вы ГК с определенной массой, соответ ствующей дополнительно внесенным в почву ГК;

7) при замораживании в почвах резко возрастает количество ГК и гуминов – гумусовых веществ, проч но связанных с неорганической состав ляющей почв;

8) установлено сущест вование сезонной динамики гумуса в почвах, при этом при практически не- Рис. 13. Схемы орга изменном содержании углерода в поч- но-минеральных коллоид вах отношение СГК:СФК может изме- ных структур, способных к няться в несколько раз за месяц;

9) существованию в почвах:

суммарное содержание ФК в дерново- б – армированный студень подзолистой почве изменяется в об ратном отношении с содержанием ГК.

Коллоидные структуры способны к существованию в поч вах, если макромолекулы гумуса находятся в развернутой или частично свернутой конформации и взаимодействуют между собой. Использование метода малоуглового рассеяния нейтро нов позволило выявить фрактальное строение почвенных орга но-минеральных коллоидов. В почвах коллоидные частицы располагаются в матрице гумусового студня. Фрактальные свойства возникают в результате трансформации минералов, находящихся в гумусовой матрице с образованием коллоидных частиц, диффузии этих частиц по гумусовой матрице и их за крепления в ней [Федотов, 2007]. Концентрация коллоидных частиц от центра кластера к периферии убывает по степенному закону, что и приводит к фрактальной организации коллоидной составляющей почвы.

Было установлено, что коллоидные частицы во влажных и многих воздушно-сухих почвах находятся на расстоянии друг от друга, что можно объяснить только их стабилизацией в гу мусовой молекулярной сетке [Теории..., 2007]. Фрактальные характеристики почвенных коллоидных структур в существен ной степени определяются условиями их образования и функ ционирования, а также профилем почвы. Коллоидно химическая модель почвы предполагает частичное разрушение матрицы студня при обезвоживании за счет перехода части ор ганических макромолекул из развернутого в глобулярное со стояние, т. е. появления новых фаз и поверхностей раздела. Как следствие, гетерогенность системы и количество коллоидных частиц в единице объема должны возрастать. В некоторых слу чаях вновь образующаяся органическая твердая фаза может со единять существующие частицы. Гумус, содержащий большое количество функциональных групп, набухает быстрее и силь нее уменьшает фрактальную размерность коллоидов. Кроме содержания и типа гумуса на изменение фрактальной размер ности оказывает влияние солонцеватость почв – содержание обменного натрия. Повышение содержания ионов натрия при водит, возможно, к уменьшению числа связей между макромо лекулами, образующими гумусовый студень, и как следствие, к уменьшению прочности гумусовой матрицы [Федотов, 2007].

Почвенная матрица (поверхность твердых частиц) очень раз вита – от нескольких метров до десятков и сотен в 1 г (9–180 м2/г для почвенной матрицы и 250–500 м2/г для гумуса) – и харак теризуется различным спектром по силе кислотных центров.

Активные элементы поверхности формируют вокруг себя ад сорбционный слой веществ определенным образом, т. е. в оп ределенной закономерности. Сила влияния исходной матрицы распространяется на сотни ангстрем даже через аморфные слои веществ. В почве возможно существование матричных меха низмов репликационного синтеза (аналогично синтезу кристал лов), формирование ориентированных слоев адсорбированных веществ при передаче информации от исходной минеральной матрицы к целым агрегатам, объясняющих причины почвенной памяти, тесную взаимосвязь почвы с исходной почвообразую щей породой, тесную связь между свойствами минеральной матрицы и адсорбированным на ней гумусом [Зубкова, Карпа чевский, 2001]. Электронно-микроскопические исследования [Физико-химические..., 2007] показали, что почвенные сус пензии представлены одним или несколькими минеральными ядрами, находящимися в ге левой органической оболочке (рис. 14).

Значит, почвообразование можно рассматривать как про цесс формирования специфи ческой структуры у геологиче ской (осадочной) породы, в основе которой лежит матрич но-кластерная организация как процесс превращения мине ральной матрицы в органо минеральную с образованием агрегатов. Почвы обладают ральных ядер в гелевой органи матричной организацией (мо- ческой оболочке илистой фрак лекулярный уровень), которая ции дерново-подзолистой почвы, определяется специфической увеличение х 25 000 [Физико поверхностью почвенных час- химические..., 2007] тиц. Т. А. Зубкова [2001] и Л. О. Карпачевский [2005] отмеча ют, что в почвах изменяется содержание разных элементов по сравнению с литосферой благодаря избирательному поглоще нию элементов растениями и созданию органо-минеральной матрицы, которая создает компартменты в почве, влияющие на селективность поглощения катионов, формирование новообра зований и т. п. (рис. 15).

Минеральная частица Рис. 15. Образование дополнительных кластеров на матрице Таким образом, почвенному гумусу, весьма специфическо му, обладающему амфифильными свойствами с преобладанием гидрофобных компонентов и представленному гелевыми структурами, принадлежит основная роль в формировании прочной и устойчивой зернистой структуры – одного из основ ных факторов устойчивого плодородия, многих биосферных процессов и сохранности жизни на Земле. Раскрытие почвен ных матричных механизмов позволит создавать искусственные почвы с заданной агрегатной структурой.

Вопросы по теме 1. Каковы механизмы влияния ОВП на почвенную структуру? Како ва роль ГК?

2. Что такое амфифильность гумусовых веществ почвы?

3. Какими типами гелевых структур представлено ОВП?

4. Что такое матричная организация гумуса?

5. Какова связь гидрофобно-гидрофильных свойств гумуса с пло дородием почвы?

2.4. Строение гумусовых и гуминовых кислот Чтобы составить ясное представление о построении моле кул ГВ, необходимо определить, из каких фрагментов они по строены и что лежит в их основе. Для этого прибегают к дроб лению больших молекул на составные части, что возможно двумя способами: 1) относительно мягкий – гидролиз раство рами кислот или щелочей, 2) жесткий – окисление ГВ раство рами марганцевокислого калия или окисью меди.

Молекулы ГВ различаются по количеству входящих в их состав остатков аминокислот, по количеству углеводных остат ков и характеру их расположения. При гидролизе в раствор пе реходят, отделившись от молекулы ГВ, низкомолекулярные фрагменты, аминосахара и моносахариды. Аминокислот бывает от 17 до 22, все они альфа-аминокислоты [Орлов, 1997], те же, что есть в растениях, бактериальной плазме, причем примерно в тех же соотношениях. В составе аминокислот (в порядке убы вания) чаще всего встречаются аспарагиновая кислота НООС СН2-СНNН2-СООН, глютаминовая НООС-СН2-СН2-CHNH СООН, глицин НООС-СН2NH2, аланин Н3C-CHNH2-СООН, валин (Н3С)2-СН-СНNН2-СООН, изолейцин Н3ССН СН(Н3С)-CHNH2-COOH, лейцин (Н3С)2-СН-СН2-СНNН СООН, фенилаланин С6Н5-СН2-CHNH2-COOH, пролин (СН2)2-СН2--NН-СН-СООН, серин НО-СН2-CHNH2--СООН, треонин Н3С-СН(ОН)-CHNH2-СООН, метионин СН3-S (СН2)2-СНNН2-СООН, тирозин НО-С6Н4-СН2-CHNH СООН, цистин S2-(СН2)2-(CHNH2СООН)2, лизин Н2N (СН2)4--СНNН2-СООН, гистидин NH-(CH)2=NC--CH CHNH2-COOH, аргинин H2N(HN)C-NH--(CH2)3-CHNH COOH. Массовая доля аминокислот в ГВ составляет 6–10 %.

В числе моносахаридов в составе гидролизатов ГВ иденти фицированы глюкоза, галактоза, манноза, ксилоза, арабиноза, рибоза, рамноза, фукоза, фруктоза и др. Всего они могут со ставлять до 25 % массы ГВ, а в составе моносахаридов на долю глюкозы приходится до 20 %.

Продуктами окисления ГВ главным образом являются бен золполикарбоновые кислоты. В их составе преобладают 1,2, бензолтрикарбоновая (тримеллитовая) – С6Н3(СООН)3, 1,2,4, бензолтетракарбоновая (пиромеллитовая) С6Н2(СООН)4 и пен такарбоновая кислота С6Н(СООН)5.

Если источниками аминокислот и моносахаридов в ГВ мо гут стать белки и углеводы растительных тканей, то обнаруже ние шестичленных бензоидных циклов указывает на лигнин и флавоноиды как исходные продукты. Все вещества гидролиза тов ГВ почти полностью установлены, но их сочетание и рас положение в молекулах ГВ пока остаются неизвестными. Не ясно и взаимное расположение бензоидных фрагментов, но все полученные данные позволяют говорить о нерегулярности структур молекул ГВ и возможном разнообразии в них взаим ного расположения и сочетания известных фрагментов.

Любые ГВ содержат большой набор функциональных групп, они полифункциональны. Их количество, во-первых, ве лико;

во-вторых, они распределены неравномерно по молеку лам различного размера. Кислотные свойства, емкость погло щения, способность образовывать органо-минеральные соеди нения обусловлены наличием этих функциональных групп.

Ароматические и гетероциклические компоненты ГК состав ляют 50–60 %, углеводные – 25–30 %, функциональные группы – 10–25 %.

Содержание функциональных групп, выраженное в мМ/кг- по М. Шнитцеру, колеблется в ГК в следующих пределах: кар боксильные -СООН – 1500–5700, кислые -ОН – 2100–5700, сла бокислые и спиртовые -ОН – 200–4900, хиноидные -С=О – 100– 5600, кетонные -С=О – около 1700, метаксильные -ОСН3 – 300– 800. Кроме того, большую роль играют аминогруппы -NН2, фе нольные -ОН, хинонные =С=О, карбонильные –С=О, амидные NH, полифенольные и др. [Орлов, 1974, 1985, 1990, 2005;

По пов, 2004а]. Разнообразие кислых функциональных групп столь велико, что Л. И. Глебко [Glebko, 1970] предложила их не идентифицировать, а лишь разделить в соответствии с кажу щимися константами диссоциации, pK = – lg K, где K – константа диссоциации. Возможны и алифатические (метоксильные) мости ки (– СН2 –), а также прямые соединения ядер (связи –С–С-).

Алифатические группы (– СН2 –) и ароматические группы (-С=С-) обнаружены методом инфракрасной спектроcкопии.

Все ГВ можно считать высокомолекулярными соедине ниями, хотя дискуссии о размерах молекулярных масс (ММ) продолжаются до последнего времени. Исторически в этом от ношении выявляются несколько этапов. На ранних этапах гу миновым кислотам приписывали низкие и постоянные величи ны ММ. 80–90 лет назад их считали равными 1400 атомных единиц массы (а. е. м.), затем возобладало мнение, что ГВ по лидисперсны, поэтому к ним неприменимы понятия ММ. По сле развития химии высокомолекулярных соединений и появ ления новой аналитической техники стали считать, что ММ фульвокислот близки к 10–15 тыс. а. е. м., а гуминовых кислот – от 20–30 тыс. до 100–150 тыс. а. е. м. В начале 80-х гг. XX в.

было показано, что крупные частицы ГК могут изменяться под влиянием детергентов и комплексонов, которые разрушают сложные ассоциаты молекул, снижая их средние молекулярные массы [Лунева, 2003, 2005]. Наиболее эффективным приемом определения средних ММ и молекулярно-массового распреде ления (ММР) ГВ оказалась гель-фильтрация.

Потенциальную химическую и биологическую активность высокомолекулярных органических веществ обуславливают более 40 их параметров. К приоритетным характеристикам от носятся: форма и размер молекул, степень ионизации и харак тер функциональных групп, тип и заряд иона, способность к образованию водородных и ван-дер-ваальсовых связей, гидро фобному и координационному взаимодействию. При биогео химической полифункциональности ГВ опыт генетического почвоведения и химии гумуса позволяет утверждать, что за реализацию конкретных почвенно-экологических функций от ветственны не гумусовые вещества в целом, а отдельные его компоненты. Проблема состоит в том, чтобы научиться иден тифицировать и выделять из совокупности ГВ составляющие, которые в максимальной степени обладают определенной функциональной активностью.

Гуминовые вещества представляют собой поверхностно активные вещества, способные образовывать ассоциирован ные мицеллы. Поверхностно-активные свойства гуминовых веществ обусловлены наличием гидрофильных и гидрофобных (липофильных) участков в их молекулах [Милановский и др., 1993]. В составе гумусовых кислот почв химическими и спек тральными методами идентифицирован широкий набор струк турных элементов, потенциально ответственных за формирова ние как гидрофильных, так и гидрофобных свойств. Органиче ские остатки в почве, которые в результате гумификации тем или иным путем преобразуются в гумус, имеют исключительно биологическое происхождение. В свою очередь, биологические макромолекулы в составе органических остатков могут быть гидрофильны (углеводы, простые сахара), гидрофобны (жиры, воска) и амфифильны (белки, нуклеиновые кислоты, липиды).

Амфифильность биологических макромолекул, т. е. способ ность в той или иной мере проявлять как гидрофильные, так и гидрофобные свойства, обусловлена присутствием в их составе полярных и заряженных аминокислотных остатков (Arg, Asp, Glu, Lys, Ser, Thr), функциональных групп кофакторов (С=О, N-H, O-H) и гидрофобных зон. Гидрофобные зоны молекул формируют незаряженные и неполяризованные атомы и груп пы атомов (гетероциклические и бензоидные структуры), угле водородные цепи, аминокислоты с неполярными углеводород ными боковыми радикалами [Милановский, 2006]. От соотно шения гидрофильных и гидрофобных участков в молекуле за висят ее растворимость, пространственная организация и раз нообразие функциональных свойств. Минеральные компонен ты почвы с ионными кристаллическими решетками гидрофиль ны, и за формирование относительно гидрофобных поверхно стей в почве ответственно органическое вещество [Орлов, 1974, 1990;

Перминова, 2000;

Попов, 2004;

Чуков, 1998, 2001].

В химическом отношении гуминовые вещества – нерегу лярные полимеры с разветвленными трехмерными губчатого строения макромолекулами, построенными в основном из арилгликопротеидных олигомеров [Попов, 2004а] с разной мо лекулярной массой, которые соединены между собой полива лентными ионами, водородными, углерод-углеродными и про стыми эфирными связями. Трехмерная пространственная струк тура гуминовых веществ обуславливает их коллоидные свойства.

Гуминовые вещества, как эластичные студни, при удалении воды весьма значительно сжимаются, сохраняя свою эластич ность и способность к набуханию;

после высушивания до некого определенного нижнего предела влажности эти студни необра тимо сжимаются и теряют свою способность набухать в воде.

Почвенный гумус часто находится в почве в форме кол лоидов (рис. 16) – заряженных частиц с двойным электриче ским слоем (ДЭС). В отличие от минеральных коллоидов у них значительно больше удельная поверхность частиц (500 м и да же больше), наименьшая влагоемкость. Емкость катионного поглощения ГВ может находиться в интервале от 200 до 800 мг-экв на 100 г или от 400 до 800 ммоль в 1 дм3 вещества [Попов, 2004а]), емкость поглощения – 150–300 ммоль/100 г субстрата [Теория..., 2007]. Среди обменных катионов, сорби рованных на гумусовых мицеллах, – К, Са, Nа, Мg Н.

Рис. 16. Схема строения ДЭС-мицеллы (а) и ее двойного элек трического слоя (б) гуминовых веществ [Слесарев, 2001;

Горбунов, 1967] ГВ гуминовые вещества;

ДЭС двойной электрический слой;

АА граница раздела между твердой и жидкой фазами;

ББ граница скольжения между адсорбционной и диффузионной частями ДЭС-мицеллы;

мф меж фазный потенциал;



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 8 |
 
Похожие материалы:

«Министерство внутренних дел Российской Федерации Краснодарский университет ОСНОВЫ ОПЕРАТИВНО-РОЗЫСКНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНОВ ВНУТРЕННИХ ДЕЛ УЧЕБНИК Под общей редакцией кандидата юридических наук, доктора философских наук, профессора Ю.А. Агафонова, доктора юридических наук, профессора Ю.Ф. Кваши Краснодар КрУ МВД России 2007 1 ББК 67.410.212 О 75 Рецензенты: Г.М. Меретуков, заведующий кафедрой криминалистики юридиче ского факультета Кубанского государственного аграрного университета доктор ...»

«АКАДЕМИЯ НАУК СССР СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Научно-популярная серия В. Г. МОРДКОВИЧ СТЕПНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ ИЗДАТЕЛЬСТВО НАУКА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Новосибирск • 1982 УДК 577.4,574.9,212.6 * ОТ РЕДАКТОРА Мордкович В. Г. Степные экосистемы.— Новосибирск: Наука, 1982. Есть книги, посвященные лесам, пустыням, тундрам. Предлагаемая монография — о степях. В ней дано определение степной экосистемы, сделан обзор степей, очерчены пределы их различий в разных частях Земли. Объяснено, каким образом взаимодействуют ...»

«А.А. Васильев А.Н. Чащин ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ ГОРОДА ЧУСОВОГО: ОЦЕНКА И ДИАГНОСТИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова А.А. Васильев А.Н. Чащин ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ ГОРОДА ЧУСОВОГО: ОЦЕНКА И ДИАГНОСТИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ Монография Пермь ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА УДК: ...»

«УДК 631.362.633.1 ББК Рецензенты: В.М. Дринча, д.т.н., зав.отделом механизации Россельхозакадемии Б.А. Сергеев, к.т.н., проф., заф. каф. сельхоз- машин БГСХА С.С. ЯМПИЛОВ С.С.Ямпилов Технологическое и техническое обеспечение ресурсо-энергосберегающих процессов очистки и сортиро вания зерна и семян.-Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2003.-262с. ISBN ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕСУРСО-ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ Книга посвящена проблемам послеуборочной обработки зерна и семян. И ...»

«А.В. ЖИГЖИТОВ МЕХАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ КОНСЕРВИРОВАНИЯ И ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОРМОВ Улан-Удэ 2008 год Департамент научно-технологической политики и образования Министерства сельского хозяйства Российской Федерации ФГОУ ВПО “Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова” А.В. Жигжитов МЕХАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ КОНСЕРВИРОВАНИЯ И ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОРМОВ Учебно-методическое издание Улан-Удэ Издательство ФГОУ ВПО “БГСХА им. В.Р. Филиппова” 2008 год УДК 631. Т Печатается по решению ...»

«Российская академия сельскохозяйственных наук Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина (МГАУ) ФГНУ Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению АПК (ФГНУ РОСИНФОРМАГРОТЕХ) ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ И ...»

«УДК 631.172:631.353.2/.3 АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ЭНЕРГО- С.В. Крылов, И.М. Лабоцкий, ЗАТРАТ СОВРЕМЕННЫХ МА- Н.А. Горбацевич, И.Ю. Сержанин, ШИН ДЛЯ ЗАГОТОВКИ ПРЕС- П.В. Яровенко, А.Д. Макуть, СОВАННОГО СЕНА И.М. Ковалева (РУП НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства, г. Минск, Республика Беларусь) Введение Рост цен на энергоносители привел к необходимости оценки энергозатрат, производимых сельскохозяйственными машинами при выполнении технологи ческих операций. Традиционно в отечественной ...»

«НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ Республиканское унитарное предприятие Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства Механизация и электрификация сельского хозяйства Межведомственный тематический сборник Основан в 1968 году Выпуск 43 В двух томах Том 2 Минск 2009 УДК 631.171:001.8(082) В сборнике опубликованы основные результаты исследований по разработке инновационных технологий и технических средств для их реализации при произ водстве ...»

«ISBN 5-86785-150-8 Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина П.А.Силайчев Методика планирования обучения в учреждениях профессионального образования Учебное пособие (издание третье, переработанное и дополненное) Москва 2010 ББК 74.560 УДК 377. 35 (07) С – 36 Рецензенты: доктор педагогических наук, профессор кафедры ...»

«Санкт-Петербургский государственный университет С. С. МЕДВЕДЕВ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ Учебное пособие версия для сайта биолого-почвенного факультета СПбГУ 2012 Сведения об издании на физическом носителе: УДК 577.3+581.1 ББК 28.57 М 32 Р е ц е н з е н т ы: канд. биол. наук , доцент В.Л.Журавлев (СПбГУ), канд. биол. наук И.Н.Ктиторова (Агрофизический НИИ РАСХН) Аннотация Медведев С.С. Электpофизиология pастений: учебное пособие. СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 1997. ISBN ...»

«УДК 338.43+378 М 64 Мировой опыт и перспективы развития сельского хозяйства: материалы международной конференции, посвященной 95-летию ФГОУ ВПО “Воронеж- ский государственный аграрный университет имени К.Д. Глинки”. (23-24 ок- тября 2007 года) – Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ, 2008. – 300 с. Организационный комитет конференции Востроилов А.В. - ректор ФГОУ ВПО ВГАУ, д.с.-х.н., профессор (пред- седатель); Герман Хайлер - президент Университета Вайенштефан, доктор, профессор (сопредседатель); Тарвердян ...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО УЛЬЯНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ П.А. СТОЛЫПИНА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ – ФИЛИАЛ ФГБОУ ВПО УЛЬЯНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ П.А.СТОЛЫПИНА МАТЕРИАЛЫ X МЕЖДУНАРОДНОЙ СТУДЕНЧЕСКОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ 12 апреля 2012 Димитровград 2012 г. МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ – ФИЛИАЛ ФГБОУ ВПО УЛЬЯНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ...»

«XIX Международная научно-практическая конференция Жодино – Горки МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ Республиканское унитарное предприятие НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ ПО ЖИВОТНОВОДСТВУ Учреждение образования БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИННОВАЦИИ В СВИНОВОДСТВЕ Материалы XIX Международной научно-практической ...»

«Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ И АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА В ПРОЦЕССЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ ИНТЕГРАЦИИ Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию высшего сельскохозяйственного образования на Урале (Пермь, 13-15 ноября 2013 года) ...»

«Российский фонд фундаментальных исследований Томский государственный педагогический университет Томский государственный университет Томский политехнический университет Институт химии нефти СО РАН Национальный торфяной комитет РФ Томское отделение Докучаевского общества почвоведов БОЛОТА И БИОСФЕРА МАТЕРИАЛЫ ШЕСТОЙ ВСЕРОССИЙСКОЙ НАУЧНОЙ ШКОЛЫ (10-14 сентября 2007 г.)) Томск 2007 УДК 551.0+556.56 ББК 26.222.7 + 28.081.8 Болота и биосфера: Сборник материалов шестой Всероссийской научной школы ...»

«В. В. Малков Племенная работа на пасеке •Москве(Россвльхоэиэдат №85 ББК 46.91-2 М19 УДК 638.145.3 Малков В. В. М19 Племенная работа на пасеке.— М.: Россельхоз- издат, 1985.— 176 с, ил. В интенсификации животноводства, и в частности ^пче- Даны приемы и методы отбора пчелиных семей, их оценка по основным параметрам. Рассмотрены вопросы селекции, разведения ловодства, важная роль принадлежит племенной работе. по линиям и племенного подбора. Этому вопросу уделяется большое внимание и в принятых ...»

«Page 1 of 117 Editura Ceres, Bucuresti, 1976 Малаю А. М 18 Интенсификация производства меда/Пер, с рум. Л. X. Левентуля; Под ред. и с предисл. Г. Д. Билаша.—М.: Колос, 1979.—176 с., ил. Книга содержит сведения о биологии пчел, способах их кормле- ния и размножения и наиболее эффективных методах повышения их медопродуктивности. Освещается опыт содержания пчел в Румынии, странах Западной Европы и США. Предназначена для пчеловодов колхозных и совхозных пасек. 40709—281 о35(01)-79 137~79- ...»

«МОСКВА ВО АПЮПРОМИЗДАТ 1991 ББК 46.91 Я 75 УДК 638.1 : 631.3 Р е д а к т о р Е. В. Мухортова Ярмош Г. С, Ярмош А. Г. Я 75 Малая механизация на любительских пасе- ках.— М.: Агропромиздат, 1991. — 174 с: ил. 15ВЫ 5—10—001608—6 Даны рисунки, схемы, чертежи, краткое описание, осо- бенности изготовления, используемый материал и инстру- менты для создания собственными силами средств малой механизации для любительских пасек. Для пчеловодов-любителей. 3705021000—026 Я——-—— 177—91 035(01)-91 15ВЫ ...»

«RUDECO Переподготовка кадров в сфере развития сельских территорий и экологии Модуль №3 Экологическая маркировка и маркетинг экологической и региональной продукции сельских территорий Университет-разработчик Орловский Государственный Аграрный Университет 159357-TEMPUS-1-2009-1-DE-TEMPUS-JPHES Проект финансируется при поддержке Европейской Комиссии. Содержание данной публикации/материала является предметом ответственности автора и не отражает точку зрения Европейской Комиссии. УДК 631.95 ББК ...»









 
© 2013 www.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.