CC BY
87
Химическое машиностроение и инженерная экология Элементный и фракционный состав гуминовых веществ донных отложений озер таежной зоны Тюменской области
к.т.н. доц. Шигабаева Г.Н.
Тюменский государственный университет 8 (3452) 46-80-24, [email protected]
Аннотация. Данная работа посвящена определению фракционного и элементного состава и типа гуминовых веществ, выделенных из 9 образцов донных отложений озер таежной зоны Тюменской области. Фракционирование гуминовых веществ проводили пирофосфатным методом. Для определения содержания углерода, водорода, азота и кислорода использовали метод элементного анализа. Рассчитаны атомные соотношения Н:С, О:С и С:К. Преобладающим типом гумуса в изученных донных отложениях является гуматный, что свидетельствует о преимущественном протекании процесса гумификации органического вещества донных отложений по сравнению с минерализацией.
Ключевые слова: малые озера, гуминовые кислоты, фульвокислоты, донные отложения.
Введение
Гуминовые вещества (ГВ) - природные физиологически активные соединения. В последние годы отмечается интенсивный рост числа исследований в области химии гуминовых кислот (ГК) и фульвокислот (ФК). Это объясняется их исключительной ролью во многих геохимических, биологических и биохимических процессах. Гуминовые кислоты (ГК) -смесь кислых веществ биохимического превращения отмерших высших растений, извлекаемых водными щелочными растворами, представляют собой группу аморфных конденсированных поликарбоновых кислот, находящихся в виде свободных гуминовых кислот и солей (гуматов) кальция, магния, железа и т.д. Благодаря наличию в структуре ГК и ФК таких функциональных групп, как карбоксильные, фенольные гидроксилы, аминогруппы, карбонильные, эти соединения способны образовывать прочные комплексы с ионами тяжелых металлов. Таким образом, гуминовые вещества могут активно участвовать в сорбционных процессах [4, 6].
Примером экологической значимости может служить анализ функциональных групп ГК, связывающих различные вредные вещества, попадающих в почву, воду и донные отложения, и полученная таким образом возможность контролировать степень загрязненности объектов окружающей среды, содержащих ГК [9].
Исследования по изучению состава, строения и свойств гуминовых веществ являются довольно актуальными.
Объекты исследования и методы
Объектами исследования были гуминовые вещества, выделенные из проб донных отложений, отобранных экспедициями Тюменского государственного университета в рамках выполнения исследовательских работ по проекту «Качество вод в условиях антропогенных нагрузок и изменения климата в регионах Западной Сибири» (грант по Постановлению Правительства РФ № 220). Для работы были взяты 9 образцов донных отложений озер таежной зоны Тюменской области. Для выделения гуминовых веществ и разделения их на фракции использовали пирофосфатный метод [2]. Элементный состав, выделеных гуминовых кислот и фульвокислот, определяли методом элементного анализа с использованием анализатора
Извлечение гуминовых веществ из донных отложений проводилось смесью пирофос-фата натрия (0.1 М) и гидроксида натрия (0.1 М) из воздушно-сухих образцов донных отложений (рН смеси около 13) при однократном перемешивании с последующим выдерживанием в течение 16 часов. После чего, раствор вместе с почвой тщательно перемешивали и по-
мещали на воронку с фильтром. Если раствор при фильтровании получался мутным, его снова переносили на фильтр. Когда начинал фильтроваться прозрачный раствор, его собирали в сухую приемную колбу. Остаток почвы на фильтре отбрасывали.
Таблица 1.
Данные по расположению озер
№ озер Места отбора и координаты: северная широта / восточная долгота
1 ХМАО-Югра, Сургутский район, озеро без названия 61°27'52,6'' / 71°42'13,2''
2 Советский район, озеро без названия 61°18'35,1'' / 62°49'20,7''
3 Советский район, озеро Полынтур 61°11'54,7'' / 65°36'08,9''
4 Нижневартовский район, озеро без названия 60°51'50,4'' / 78°05'41,5''
5 Нижневартовский район, озеро без названия 60°49'59,1'' / 78°27'49,2''
6 Нижневартовский район, озеро без названия 61°33'38,1'' / 79°26'19,1''
7 Нижневартовский район, озеро без названия 61°01'55,4'' / 79°04'52,9''
8 Нижневартовский район, озеро без названия 61°25'48,5''/ 79°39'59,2''
9 Нижневартовский район, озеро Белое 61°10'48,4'' / 76°45'46,0''
Методика выделения гуминовых кислот заключалась в переводе их в нерастворимое состояние при взаимодействии с серной кислотой (0.1 н) за счет процесса коагуляции при нагревании. Образующийся осадок гуминовых кислот после промывания дистиллированной водой, растворяли на фильтре 3%-ным NH4OH и фильтровали. Фильтрат помещали в фарфоровые чашки и выпаривали на водяной бане при 400С досуха. Избыток аммиака улетучивался. После этого сухие препараты гуматов аммония осторожно снимали лезвием бритвы и помещали в стеклянные бюксы с притертой крышкой. Аммонийные соли собственно фульво-кислот выделяли на хроматографических колонках с активированным углем промыванием последовательно 0.1н NaOH, смесью дистиллированной воды и ацетона (1:1), 0.1н HCl и дистиллированной водой до отсутствия реакции на хлорид-ион. Потом через колонку пропускали кислый раствор фульвокислот, оставшийся после извлечения гуминовых кислот. Фуль-вокислоты сорбировали на активированном угле. Необходимо было следить, чтобы проходящий через уголь фильтрат все время был бесцветным. Окрашенный фильтрат указывал на недостаточную емкость колонки. В этом случае необходимо было добавить дополнительную порцию активированного угля.
После пропускания всего объема раствора уголь промывали дистиллированной водой. В фильтрате и в промывной воде содержатся органические вещества неспецифической природы (аминокислоты, углеводы и другое), которые по Форситу образуют фракцию А. Затем колонку промывали смесью ацетона и дистиллированной воды, фильтрат собирали во вторую колбу. Промывание заканчивали после обесцвечивания раствора. Эта фракция, как и предыдущая содержит вещества неспецифической природы. Полученная фракция выделяется как фракция В по Форситу. В литературе ее иногда называют «водно-ацетоновой фракцией фульвокислот». Далее колонку промывали водой, потом 3%-ным раствором аммиака. Фильтрат собирали в отдельную колбу. Эта фракция представляла собой собственно фульво-кислоты [2].
Для определения элементного состава в ГК и ФК использовали метод автоматического микроанализа, позволяющего определять содержание трех элементов из одной навески 1.5 -2 мг. Процесс определения можно схематично разбить на три стадии: окислительный пиролиз образца при 950-1100оС, разделение продуктов пиролиза (СО2, Н2О и N2) и их детектирование. Кислород определяли по разности между массой образца и суммарной массой всех других элементов, входящих в его состав: О = 100 % - Х(% С, % Н, % N, ..., %) [3].
Результаты и обсуждение
Данные элементного анализа и значения атомных соотношений приведены в таблице 2
Таблица 2.
Характеристики элементного состава гуминовых и фульвокислот, выделенных из
донных отложений озер
Гуминовые кислоты
Содержание элементов, % (масс) Атомные соотношения
озеро С Н О N Б ОС Н:С С:К С:Н СО ю
1 48.47 4.13 40.15 4.65 2.61 0.62 1.01 1.15 0.98 1.61 0.23
2 45.14 3.04 43.22 4.29 4.31 0.72 0.80 5.32 1.24 1.39 0.64
3 41.31 2.29 43.53 4.95 7.92 0.79 0.66 1.23 1.50 1.26 0.92
4 40.36 2.47 48.91 2.99 5.28 0.91 0.73 1.65 1.36 1.10 1.09
5 50.56 4.06 39.37 5.32 0.69 0.58 0.96 1.92 1.04 1.71 0.21
6 49.55 2,80 38.79 3.44 5.43 0.59 0.67 1.96 1.47 1.70 0.50
7 47.76 4,02 40.81 5.09 2.32 0.64 1.00 1.57 0.99 1.56 0.28
8 45.56 2.09 44.13 2.66 5.57 0.73 0.55 3.85 1.81 1.38 0.91
9 50.34 3.65 39.80 3.70 2.51 0.59 0.86 1.90 1.15 1.68 0.32
среднее 46.56 3.17 42.08 4.12 4.07 0.69 0.80 2.25 1.28 1.49 0.57
Фульвокислоты
Содержание элементов, % (масс) Атомные соотношения
озеро С Н О N Б ОС Н:С С:К С:Н СО ю
1 13.35 4.25 59.63 13.59 9.18 3.35 0.26 1.15 0.96 0.30 2.88
2 31.12 4.05 45.73 6.82 12.29 1.10 0.64 5.32 1.12 0.91 0.64
3 14.87 4.27 59.16 14.16 7.53 2.99 0.29 1.22 0.97 0.33 2.52
4 16.89 3.95 61.04 11.93 6.19 2.71 0.36 1.65 1.02 0.37 2.62
5 17.43 3.50 61.85 10.60 6.62 2.66 0.41 1.92 1.45 0.38 2.92
6 17.55 3.53 62.14 10.47 6.31 2.66 0.41 1.95 1.26 0.38 2.90
7 16.53 4.04 59.45 12.28 7.70 2.70 0.34 1.57 1.41 0.37 2.46
8 19.21 2.40 68.61 5.82 3.96 2.68 0.67 3.85 1.27 0.37 3.86
9 16.50 3.45 63.70 10.13 6.22 2.90 0.40 1.90 1.31 0.35 3.29
сред 18.16 3.72 60.15 10.64 7.33 2.64 0.42 2.28 1.08 0.42 2.68
Д анные элементного анализа показали, что в целом во всех образцах ГК содержание
углерода больше (среднее содержание - 46.6%), чем для ФК. Для ФК - преимущественно большое содержание наблюдается для кислорода (среднее содержание - 60.2%). Следовательно, можно утверждать, что ФК содержат в своем составе больше окисленных функциональных групп.
Рассчитанные на основе элементного анализа, атомные отношения С:Н, С:О, С:К показывают, какое количество атомов углерода приходится на один атом водорода, кислорода или азота. Видно, что для ГК на один атом С в среднем приходится по одному атому Н и О и 2 атома К; для ФК - по один атом Н, 2 атома N и 0.5 атома О. Отсюда следует, что роль атома углерода в построении молекул ГК более значительна, нежели для ФК.
В ГК, как и в ФК, значительная часть водорода замещена на кислородные атомы, и поэтому найденные при анализе величины Н:С некорректно использовать в таком виде, а необходимо их исправить на содержание кислорода. Исправленное значение (Н:С)испр с учетом кислородных функций в ГК можно рассчитать по формуле, приведенной в работе [8]:
(Н:С)испр= (Н:С)исх+2*(0:С)исх*0.67, где (Н : С)исх — отношение, найденное по результатам элементного анализа ГК; 2*(О:С)*0.67 показывает число замещенных водородных атомов. Коэффициент 2 вводится потому, что один атом кислорода может замещать два атома водорода, как, например, при образовании карбонильной группы - С = 0. Но поскольку для ГК характерны различные кислородные
функции, включая >С—ОН (здесь введение кислорода не меняет отношения Н:С), то вводится дополнительный коэффициент 0.67, учитывающий распределение кислорода.
Отношения (Н:С)испр и (О:С)испрпоказывают, сколько атомов Н и О приходится в молекуле ГК (ФК) на один атом углерода. Для ГК отношение (Н:С)испр составляет в среднем 1.7, что указывает на возрастание доли ароматических цепочек наряду с содержанием и алифатических фрагментов. Для ФК это отношение составляет 3.6, что говорит о содержании в основном алифатических фрагментов в составе молекул ФК. Чем больше замещено водородных атомов в результате образования связей С—С, чем меньше групп—С—Н, —СН2—, — СН3, тем ниже отношение Н:С.
Обогащенность гумуса азотом оценивают по атомному отношению С : N. Полученное слишком узкое отношение С : N равное 2.28 для ФК и 2.25 для ГК, характерует обед-ненность донных отложений гумусом и обусловлено высокой долей минеральных соединений азота.
Степень окисления гуминовых веществ рассчитывают по формуле (2) [5]:
2QO - <2н
« = ^^ , (2)
где: QO, Qн, Qc - число моль О, Н, С на 100 г вещества.
Степень окисления органических веществ может изменяться от -4 (метан) до +4 (СО2). Значения ю от +4 до 0 соответствуют окисленным соединениям, 0 - соединениям нулевой степени окисления, 0 —4 - восстановленным соединениям. Для большинства гумино-вых веществ почв степень окисления близка у нулевой, восстановленные формы присутствуют, как правило, в торфяниках, окисленные - в черноземах [5], [7].
Результаты расчета степени окисления гуминовых и фульвокислот донных отложений озер приведены в таблице 2. Рассчитанные значения указывают на преобладание окисленных форм как гуминовых так и фульвокислот. Гуминовые кислоты почв имеют степень окисления от +0.2 до +1.1, фульвокислоты более окислены, для них среднее значение степени окисления - +2.7 при варьировании от + 0.6 до +3.9.
Таблица 3.
Процентное содержание гуминовых веществ в донных отложениях
№ пробы Сгк Сфк Сгк:Сфк Тип гумуса
1 48,47 13,35 3,6 гуматный
2 45,14 31,12 1,5 фульватно-гуматный
3 41,31 14,87 2,8 гуматный
4 40,36 16,89 2,4 гуматный
5 50,56 17,43 2,9 гуматный
6 49,55 17,55 2,8 гуматный
7 47,76 16,53 2,9 гуматный
8 45,56 19,21 2,4 гуматный
9 50,34 16,50 3,1 гуматный
Характерным для каждого типа почв является отношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот. В зависимости от этого соотношения гуминовых кислот и фульво-кислот (Сгк : Сфк) выделяют следующие типы гумуса: гуматный > 2, фульватно-гуматный 1 -2, гуматно-фульватный- 0.5-1, фульватный - <0.5 [1], [6].
При наиболее благоприятных условиях гумусонакопления формируется гумус, обогащенный гуминовыми кислотами.
Низкие запасы гумуса связаны с тем, что в гумусе преобладают растворимые продукты гумификации (фульвокислоты и их соли — фульваты), которые вымываются осадками до грунтовых вод.
Преобладающим типом гумуса в донных отложениях изученных озер таежной зоны
Химическое машиностроение и инженерная экология Западной Сибири является гуматный, что свидетельствует о преимущественном протекании в них процессов гумификации органического вещества донных отложений.
Заключение
Среднее значение массовой доли С, Н, О, N, S составило: для гуминовых кислот -46.56, 3.17, 42.08, 4.12, 4.07 масс.%; для фульвокислот - 18.16, 3.72, 60.15, 10.64, 7.33 масс.%, соответственно. Среднее значение (Н:С) гуминовых кислот составило 1.7 (варьирование от 1.5 до 2.0), что можно трактовать как сочетание ароматических и алифатических структур с преобладанием алифатических фрагментов. Для фульвокислот (Н:С) средняя величина оказалась равной 3.6 (варьирование от 2.1 до 4.8), что соответствует преобладанию насыщенных цепочек в структуре. Гуминовые кислоты почв имеют степень окисления от +0.2 до +1.1, фульвокислоты более окислены, для них среднее значение степени окисления составило +2.7 при варьировании от +0.6 до +3.9.
Преобладающим типом гумуса донных отложений является гуматный, что говорит о процессах гумификации органического вещества в изученных озерах.
Литература
1. Варшал Г.М., Велюханова Т.К., Кощеева И.Я. Геохимическая роль гумусовых кислот в миграции элементов. В сб. "Гуминовые вещества в биосфере". -М.: Наука, 1993, с.97- 116.
2. Зырин Н.Г., Орлов Д.С. Физико-химические методы исследования почв. -М.: МГУ, 1980.382 с.
3. Методы количественного органического элементного микроанализа. Под ред. Гельман Н.Э., -М.: Химия, 1987, 252 с.
4. Милановский Е.Ю. Гумусовые вещества почв как природные гидрофобно-гидрофильные соединения. -М.: Геос. 2009. 186 с.
5. Орлов Д.С. Химия почв. -М.: Изд-во МГУ, 1985 г. 376 с.
6. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. -М.: Изд-во МГУ, 1990, 325 с.
7. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв. -М.: Изд-во МГУ, 1974. 333с.
8. Перминова И.В., Жилин Д.М Гуминовые вещества в контексте зеленой химии. В сб.: Зеленая химия в России. Под ред. В.В. Лунина, П. Тундо, Е.С. Локтевой. -М.: Изд-во МГУ, 2004, с.146 - 162.
9. Stevenson F.J. Humus Chemistry, Genesis, Composition, Reactions. New-York: John Wiley & Sons, 1982, -443 p.
Оценка эффективности использования клеточной селекции при создании газонов, растущих в условиях повышенного содержания меди
в окружающей среде
12 3 12 2
К.б.н. доц. Гладков Е.А. , , , д.б.н. проф. Долгих Ю.И. , , ст. преп. Гладкова О.Н. ,
доц. Глушецкая Л. С.2
1 Учреждение Российской академии наук Институт физиологии растений
им. К.А. Тимирязева РАН, 2 Университет машиностроения,
3
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
e-mail:gladkovu@mail. ru
Аннотация. Разработана технология получения газонной травы Agrostis stolon-ifera, устойчивой к меди. Получены растения полевицы, устойчивые к меди, показано сохранение устойчивости у большинства растений. Потомки четырех из пяти исследуемых регенерантов полевицы продемонстрировали повышенную толерантность к меди. Следовательно, показана эффективность использования клеточной селекции, устойчивость к отселектированному признаку сохраняется в
