CC BY
46
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.416.8
ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА СМОЛЕ ХЛБ
А.Д. Шапиро, Е.И. Караванова
Аналитические условия фракционирования на смоле XAD-7H органических веществ гравитационной почвенной влаги влияют на соотношение и количество выделяемых фракций. Увеличение фактора емкости колонки К сопровождается уменьшением выхода гидрофобной фракции и изменением ее состава. Величина сорбционной емкости колонки К = 30 достаточна для выделения из почвенного раствора с концентрацией Свов ~ 25 мг/л всех гидрофобных компонентов.
Ключевые слова: водорастворимые органические вещества (ВОВ), почвенный раствор, почва, гидрофобные и гидрофильные вещества, фракционирование, смолы XAD.
Введение
Фракционирование водорастворимых органических веществ на смолах Amberlite XAD, разработанное J.A. Leenheer [12, 15, 23] — наиболее распространенный метод изучения органических компонентов природных вод. Большинство работ [8, 11, 13], посвященных изучению растворенного органического вещества и исследованиям поведения углерода в почвах и экосистемах, предваряет фракционирование ВОВ именно этим методом. Это своего рода «первичный» анализ, за которым следуют более детальные исследования других свойств природных органических веществ. Преимущества смол XAD [12, 26] — относительная дешевизна, простота и скорость разделения ВОВ по сравнению с другими приемами [3], возможность получения фракций непосредственно из водной пробы, возможность препаративного выделения и накопления фракций (в том числе в полевых условиях, например на патронах), применение неорганических элюентов, что облегчает очистку фракций ВОВ для последующего анализа.
В российской литературе данные по использованию смол XAD ограничены выделением из вод гуми-новых кислот [2], хотя для изучения почв применение методики Leenheer не менее актуально, так как гидрофильно-гидрофобные свойства ВОВ определяют их роль и функциональное поведение (сорбция, миграция, накопление, устойчивость и т.п.) в почве [1]. Обсуждаемая методика также позволяет разделить каждую из фракций ВОВ еще на три, но по кислотно-основным свойствам, что представляет интерес для прогноза их участия в обменных реакциях. Имеющиеся на сегодня данные подтверждают специфические особенности разных фракций: различия по качественному составу, молекулярной массе, спектральным свойствам, биохимической и химической устойчивости, комплексообразующей и миграционной способ-
ности [1, 14]. Внедрение методики фракционирования ВОВ важно для практики отечественного почвоведения, хотя она, как и любая другая методика, наряду с достоинствами, имеет ряд недостатков. Среди них — возможное влияние элюентов (с высокими и низкими значениями рН), применяемых для снятия целевых компонентов, на их структуру. Некоторые условности связаны с самим принципом разделения веществ и должны учитываться при трактовке получаемых результатов.
Фракционирование на смолах XAD относится к фронтальной адсорбционной хроматографии. Смолы (XAD-2, -4, -7, -8, -16 и др.) производятся компанией Rohm & Haas (с 2009 г. — Dow Chemical Company [6,7]) и представляют собой полимерные гидрофобные макропористые поперечно сшитые сорбенты с большой площадью поверхности (> 380 м2/г). Размер частиц, порозность, дипольный момент и другие их характеристики варьируют [5, 6], что позволяет применять смолы комбинированно для выделения из растворов веществ разной полярности. Наиболее распространена для фракционирования органических веществ природных вод смола XAD-8 (сейчас заменена на аналоги XAD-7 и ХАБ-7Н). Также применяются смолы DAX-8, Diaion HP2MG (Supelco, Sigma-Aldrich) и др. [24].
В основу фракционирования положен принцип сродства. Вещества разной полярности различаются сродством к поверхности сорбента, что обеспечивает их селективное извлечение из раствора. В данном случае гидрофобная смола сорбирует из воды гидрофобные вещества. Гидрофобность (относительную неполярность) проявляют компоненты ВОВ, являющиеся продуктами разрушения лигнина, гумусовые вещества. Их молекулы включают фрагменты как ароматического, так и алифатического строения, могут содержать гидроксильные, метоксильные, карбонильные и карбоксильные группы. Гидрофильность (относительная полярность) веществ обусловлена при-
сутствием в их структуре значительного количества кислород- и азотсодержащих группировок; в эту фракцию входят: кислоты, белки, аминосахара, углеводы и их производные. Переход от гидрофильных к гидрофобным соединениям не четкий, т.е. ВОВ амфи-фильны, так как содержат и гидрофильные, и гидрофобные фрагменты. Поэтому фракционирование по гидрофобности в некоторой степени условно. Итоги фракционирования зависят и от конкретных условий выделения: рН, типа смолы, скорости элюирова-ния, соотношения объемов сорбента и раствора, определяющего в условиях опыта величину сорбционной емкости колонки (смолы).
Несмотря на то что разделение ВОВ на смолах XAD применяется более 30 лет и является наиболее распространенным методом исследований природных вод, единого протокола фракционирования не существует, и методика имеет множество модификаций [5, 10, 13, 17, 18, 20, 25]. Вместе с тем ясно, что для корректной интерпретации результатов необходимо использование одинаковых условий фракционирования. Это важно и при оценке отношений фракций, и при их препаративном выделении.
Важнейший фактор, влияющий на разделение ВОВ, — емкость колонки (k'): чем больше k, тем больший объем раствора может быть через нее пропущен в условиях опыта (скорость элюирования, количество смолы в колонке и пр.). По определению Leenheer [12], в условиях конкретного эксперимента за гидрофобные вещества принимают те, которые сорбируются на смоле на 50% и более, а за гидрофильные — те, которые на 50% и более проходят через смолу, не сорбируясь на ней. Основываясь на параметрах кривой проскока (breakthrough curve), описывающей процесс разделения веществ в фронтальной адсорбционной хроматографии, автор вводит понятие объема полуудерживания (Vö,5r) гипотетического вещества, которое на 50% удерживается на колонке и на 50% проходит через нее. Этот объем равен
V0,5r= 2V0 (1 + ko,5r),
где V0 — мертвый объем (void volume) смолы; ko,5r — коэффициент распределения в колонке данного вещества, равный отношению его массы в смоле и растворе и отражающий меру сродства к сорбенту. При этом мертвый объем может быть рассчитан: Vq= Vb ' P где Vb — объем пропускающего слоя смолы в колонке (bed volume) с учетом порозности P (объем пустот — приведен в спецификации к сорбенту). Уравнение можно использовать для расчета количества смолы Vb, нужного для разделения на гидрофобную и гидрофильную фракции раствора, объемом V),5r, или наоборот, для определения объема раствора, который можно пропустить через данный объем смолы. Для расчета необходимо выбрать значение k . Также можно найти значение k , которое создается в условиях
определенных соотношений объемов смолы и раствора. Вопрос состоит в том, как выбрать величину k'.
Согласно допущениям Leenheer [12], процесс динамической сорбции в ходе хроматографического разделения: а) равновесный; б) описывается уравнением Фрейндлиха — Q= KC1/n, где Q — емкость поглощения, Kи n — константы, C — равновесная концентрация сорбата. При этом емкость поглощения не зависит от концентрации ВОВ в растворе (в силу высокого сродства сорбата к сорбенту величина 1/n пренебрежимо мала, и Q=K). Таким образом, величина k приведенного уравнения соответствует по смыслу коэффициенту распределения К уравнения Фрейндлиха и одновременно k = Q, являясь мерой отношения количества смолы к количеству пропускаемого раствора [19, 22, 26].
Выбор нужного значения k, как было сказано, остается за исследователем. В зависимости от него будет меняться соотношение объемов раствор—смола, что в итоге повлияет на количество получаемых фракций. Например, если принять k = 15, то через объем смолы 10 мл (Р = 0,65) можно пропустить 208 мл раствора, а если принять k = 5, только 78 мл. В последнем случае может возникнуть проблема с получением нужного для анализа количества вещества, особенно при его низкой концентрации в воде. Еще более важным является другое обстоятельство: чем больше k, тем больше пропускаемый объем и количество вещества («нагрузка» на смолу), что создает конкуренцию среди компонентов раствора за обменные места. Поскольку k является мерой сродства вещества к смоле, исследователь, ограничивая обменную емкость колонки (условиями опыта), заведомо ограничивает возможности сорбции на ней определенных компонентов. Например, принимая величину k = 10, мы создаем условия, когда из раствора сорбируются только вещества с k > 10, а вещества с меньшим сродством проходят не сорбируясь. В результате состав фракций, получаемых при разных значениях к, будет различаться. Поскольку k отражает меру сродства (в данном случае степень гидрофобности) сорбата к сорбенту, увеличивая k, мы создаем условия для сорбции на смоле компонентов с более выраженными гидрофобными свойствами. При этом «слабо гидрофобные» будут «проскакивать» в вытекающий из колонки раствор, смешиваясь с гидрофильными веществами. Показано [19, 22], что увеличение k приводит к заметному уменьшению количества выделяемой гидрофобной фракции и усилению степени гидрофобности составляющих ее веществ (при увеличении k с 2 до 30 содержание гидрофобной фракции снизилось на 22—31%, величины удельной экстинк-ции E254 возросли на 19—43%).
Таким образом, как соотношение гидрофильной и гидрофобной фракций, так и их качественный состав зависят от выбранного исследователем фактора емкости к. Сказанное подтверждает необходимость соблюдения единообразия условий фракционирова-
ния, а именно проведения разделения ВОВ при одном и том же значении k, особенно если есть необходимость сравнения результатов, полученных для разных объектов. К сожалению, в многочисленной литературе, посвященной фракционированию ВОВ на смолах XAD, значение фактора емкости указывается крайне редко; рассчитать его самостоятельно также не всегда возможно, так как описание условий опыта за редким исключением [9, 16,21] авторы не приводят, ограничиваясь ссылкой на исходную методику [12]. В работах, где значения k указаны (или могут быть рассчитаны), они варьируют от 30 до 100, при этом доля гидрофобной фракции в разных типах вод — от 29 до 79% [19, 21]. Это обстоятельство следует принимать во внимание при трактовке литературных данных и сравнении собственных результатов с другими источниками.
На величину фактора емкости в некоторой степени может влиять и скорость элюирования. По мнению E.M. Thurmanс соавт. [25], скорость более 20 о.с/ч (объем слоя в час) может привести к снижению емкости колонки, а скорость 10 о.с/ч обеспечивает постоянные уровни k за счет установления равновесия в системе смола—элюент. Эти значения были подобраны для стандартных веществ разной полярности. J.A. Leenheer [12] предлагает для природных вод с варьирующим набором и концентрациями компонентов использовать скорость 30 о.с/ч.
Задача нашего исследования — отработка методики фракционирования ВОВ почвенной гравитационной влаги, определение долей гидрофильных и гидрофобных компонентов и изучение влияния фактора емкости на «выход» гидрофобной фракции.
Объекты и методы исследования
Для фракционирования была использована смола XAD-7HP (площадь поверхности > 380 м2/г, размер частиц 0,56—0,71 мм, сухая масса — 655 г/л [7]), представляющая собой полиакриловый эфир и предназначенная для выделения из полярной среды (вода) относительно неполярных веществ, содержащих полярные (ОН, С = О) группы, что соответствует условиям выделения ВОВ из незагрязненных природных вод.
Перед началом фракционирования необходима подготовка смолы, в частности ее очистка. По классической схеме, предложенной Leenheer [12], навеску смолы, пропущенную через сито 0,5 мм, заливают 0,1 н. NaOH и оставляют на 24 ч, затем проводят последовательную обработку ацетоном и гексаном в аппарате Сокслета для удаления органических компонентов. Далее суспензию смолы, залитую метанолом, помещают на колонку. Остатки ацетона и гек-сана удаляют со смолы пропусканием метанола и дистиллированной воды до тех пор, пока концентрация органического углерода (Сорг) в элюате не станет меньше 1 мг/л. Непосредственно перед пропусканием образца смолу промывают 0,1 н. NaOH, 0,1 н. HCl
и дистиллированной водой. В другой схеме [25] авторы рекомендуют 5-дневное замачивание смолы в 0,1 н. NaOH (для удаления мономерных компонентов) и дальнейшую отгонку органических примесей метанолом, ацетонитрилом, диэтиловым эфиром. Органические примеси, присутствующие в смоле, особенно используемой повторно, могут исказить результаты фракционирования.
Используемая нами смола XAD-7HP представляла собой суспензию в растворе NaCl и органических примесей не содержала, поэтому обработка органическими растворителями была опущена. Предварительная очистка выглядела следующим образом: навеску смолы, пропущенную через сито 0,5 мм, заливали 0,1 н. NaOH, взбалтывали, надосадочную жидкость сливали 3 раза и оставляли в новой порции 0,1 н. NaOH на 24 ч. Затем смолу упаковывали в колонку суспензионным способом, промывали 0,1 М HCl и дистиллированной водой. Смену элюентов проводили при выходе величин оптической плотности (D250) и электропроводности элюата на ноль, скорость элюи-рования составила 10 о.с/ч (соответствует bed volume in hour).
После очистки смолы выбирали параметры фракционирования. Как было сказано выше, выход фракций зависит от фактора емкости, который определяется соотношением объемов пробы раствора, пропускаемой через колонку со смолой, и самой смолы. Подбирая эти два параметра, можно добиться оптимального значения фактора емкости, при котором выход гидрофобной фракции будет максимален, при этом не будет происходить ее «проскок» (исчерпание емкости смолы в отношении этой фракции). Мы остановились на четырех значениях величины k': 53, 45, 30 и 15. Объем пробы воды Vдля получения заданной величины k рассчитывали по формуле (с. 51). Например, объем раствора, который нужно пропустить через колонку диаметром 1 см, заполненную смолой на высоту 2 см, для обеспечения k = 45 вычисляется следующим образом: Vb = ж • r2 • h = 3,14 • 0,52 • 2 = = 1,57 см3; V0 = Vb • P = 1,57 • 0,65 = 1,02 см3; V = = 2 • 1,02 ^(1 + 45) = 94 см3 (мл). Для получения величин k = 15, 30 и 53 через колонку нужно пропустить объемы 33, 63 и 110 мл соответственно.
Объектом исследования служили пробы гравитационной почвенной влаги, отобранной из разреза дерново-подзолистой супесчаной почвы (Московская обл., Люберецкий р-н, Кореневское лесничество). В лесном древостое доминирует Betula pendula, в меньшем количестве представлена Picea аbies, редко Pines silvestris. Подлесок составляют Sorbus aucuparia, Cory-lus avellana, Sambucus nigra, Euonymus verrucosus, Tilia cordata; из травяной растительности можно выделить Urtica dioica, Paris, Asarum europaeum, Elytrigia repens, Fragaria vesca; в мохово-лишайниковом ярусе — Dek-ranum, Pleurozium schreberi. Отбор воды производили дважды — в конце апреля и начале мая; концентрация углерода ВОВ в пробах составила 27,56 мг/л
(первый отбор) и 22,16 мг/л (второй отбор). Сразу после отбора воду фильтровали через мембранный фильтр с диаметром пор 0,45 мкм, после чего хранили в темном месте при температуре +5°.
Фракционирование проводили на стеклянных колонках Whatman в 3-кратной повторности для каждого фактора емкости, применяя 8-канальный перистальтический насос (IPC Ismatec); сорбированные фракции элюировали растворами NaOH и HCl (Merck), используя в качестве детектора величину оптической плотности D250 (Specol, Analytic Yena). Содержание органического углерода во фракциях определяли в кювет-тестах Merck для определения ХПК (диапазон 0—50 и 0—150 мг/л). Шкалу строили по стандартным растворам глюкозы. Разложение проб проводили в ХПК-реакторе Hanna-9400.
Процедура фракционирования выглядела следующим образом. Образец природной воды со скоростью 30 ох/ч пропускали через колонку со смолой, затем промывали ее дистиллированной водой (объем — около 20 ох.), чтобы смыть механически удержанные вещества, до тех пор пока величина оптической плотности не становилась равной нулю. На смоле остаются сорбированными гидрофобные фракции: основная, нейтральная и, частично, кислая. Элюат-1 содержит гидрофильную (Hi) и часть гидрофобной кислой фракции (Ho acid). Далее насос переключали на реверс и обратным элюированием смывали со смолы в отдельную емкость гидрофобную основную (Но base) фракцию (элюат-2), вначале используя 0,1 н. (6—7 o.c.), затем 0,01 н. (20—25 o.c.) раствор HCl. Элюирование заканчивали при снижении оптической плотности элюата до нуля.
Величину рН элюата-1 доводили до 2 ед. концентрированной HCl и заново пропускали через колонку. При этом смола приобретала коричневый цвет за счет сорбции гидрофобной кислой фракции (Ho acid). Образовавшийся элюат-3 содержал только гидрофильную фракцию. Ее остатки смывали со смолы 0,01 н. HCl (100—120 ох.), объединяя полученный раствор с элюатом-3. Затем в режиме обратного элюирова-ния гидрофобную кислую фракцию смывали со смо-лы0,1 н. NaOH (100—120 ох.), после чего смола снова приобретала белый цвет. В результате получали элюат-4. Поскольку в задачи работы на данном этапе не входила оценка баланса и выделение всех фракций, разделение пробы заканчивали, при этом гидрофобная нейтральная фракция (Ho neutral) оставалась сорбированной на колонке. Таким образом, были выделены три фракции: гидрофильная в целом (элюат-3), гидрофобная основная (элюат-2) и гидрофобная кислая (элюат-4). Значения рН всех полученных фракций доводили до 7.
Количество углерода каждой фракции рассчитывали по формуле: Q = (С2 ■ Vj)/V\, где Q — концентрация углерода во фракции, приведенная к объему образца воды, взятого для анализа; С2 — концентрация
углерода в элюате соответствующей фракции; V2 — объем элюата фракции; V\ — объем образца природной воды, взятый для фракционирования. Доля фракции предсиавляет собой отношение Сфр/Содщ, т.е. содержание углерода во фракции к общему содержанию углерода ВОВ в исходной пробе воды. Фракцию, оставшуюся на смоле (Ho neutral), рассчитывали по разности между содержаниями углерода в пробе воды до фракционирования и фракциях, элюиро-ванных со смолы.
Результаты и их обсуждение
Как видно из табл. 1и2, доля гидрофобной фракции при увеличении фактора емкости закономерно уменьшается, а гидрофильной — увеличивается, причем эти изменения происходят неравномерно. При малых значениях к (15—30) доля сорбируемой гидрофобной фракции остается практически постоянной (96—97%), а затем начинает падать, снижаясь при к = 53 до 74—68%, т.е. почти на 30%. Таким образом, в условиях фракционирования при к > 30 часть компонентов, обладающих слабой степенью гидро-фобности (которые ранее, в условиях отсутствия конкуренции были способны сорбироваться на смоле), переходит в гидрофильную фракцию. Этот переход можно трактовать по-разному. Во-первых, его можно рассматривать как «проскок» гидрофобной фракции в гидрофильную и искусственное завышение количества последней (артефакт). Однако с учетом условности разделения веществ на гидрофильные и гидрофобные правильнее принимать и анализировать все результаты фракционирования, рассматривая их с точки зрения относительной гидрофобности компонентов. Например, в данном случае при к = 53 из воды выделены компоненты, обладающие наиболее выраженными гидрофобными свойствами. E.M. Thurman с соавт. [25] приводят экспериментально найденные величины коэффициентов сродства к смоле XAD-8 различных индивидуальных веществ: значения к > 53 имеют такие вещества, как бензойная кислота, гекса-нол, фенол, анилин, фталевая кислота (к < 53 — бу-танол, масляная кислота). Таким образом, в условиях опыта с к > 53 на смоле могут удерживаться вещества сходного с вышеназванными строения: ароматические кислоты, многоатомные спирты, фенольные соединения.
Эксперимент показал, что в анализируемой воде присутствуют органические вещества разной степени гидрофобности. При этом величина к '= 30 (и менее) обеспечивает условия для выделения всех компонентов, имеющих хотя бы в слабой степени выраженные гидрофобные свойства. Окончательный выбор к зависит от целей исследований, например необходимости препаративного выделения фракций.
Результаты разделения гидрофобной фракции по кислотно-основным свойствам также представляют ин-
Таблица 1
Результаты фракционирования пробы природной воды (первый отбор с Сорг = 27,56 мг/л) при разных значениях величины к
Фракция k = 53 k = 45 k = 30 k = 15
содержание фракции, % среднее ± ошибка среднего содержание фракции, % среднее ± ошибка среднего содержание фракции, % среднее ± ошибка среднего содержание фракции, % среднее ± ошибка среднего
Но (всего) 73,75 73,95 ± 0,44 87,34 87,37 ± 0,08 96,79 97,15 ± 1,11 97,01 97,41± 0,93
74,01 87,40 97,65 97,48
74,09 87,38 97,01 97,75
Hi (всего) 26,25 26,05 ± 0,44 12,66 12,63 ± 0,08 3,21 2,85 ± 1,11 2,99 2,59 ± 0,93
25,99 12,60 2,35 2,52
25,91 12,62 2,99 2,25
Ho acid 9,83 9,45 ± 0,84 13,86 13,62 ± 0,72 18,05 18,03 ± 0,18 18,23 18,03 ± 0,61
9,36 13,38 17,95 17,76
9,18 13,90 18,09 18,11
Ho base 1,45 2,50 ± 2,33 0,55 0,48 ± 0,17 0,34 0,33 ± 0,06 0,31 0,31 ± 0,06
3,23 0,41 0,35 0,28
2,87 0,49 0,30 0,33
Ho neutral 62,49 62,00 ± 1,31 72,93 73,27 ± 0,92 78,40 78,79 ± 1,24 78,48 79,07 ± 1,28
61,44 73,60 79,35 79,43
62,07 72,99 78,61 79,31
Таблица 2
Результаты фракционирования пробы природной воды (второй отбор с Сорг = 22,16 мг/л) при разных значениях величины к
Фракция k = 53 k = 45 k = 30 k = 15
содержание фракции, % среднее ± ошибка среднего содержание фракции, % среднее ± ошибка среднего содержание фракции, % среднее ± ошибка среднего содержание фракции, % среднее ± ошибка среднего
Ho (всего) 67,35 67,60 ± 0,56 84,26 84,34± 0,09 96,01 96,46 ± 1,39 96,28 96,78 ± 1,15
67,68 84,33 97,08 96,86
67,78 84,3 96,28 97,20
Hi (всего) 32,65 32,40 ± 0,56 15,74 15,66 ± 0,22 3,99 3,54 ± 1,39 3,72 3,22 ± 1,15
32,32 15,57 2,92 3,14
32,22 15,7 3,72 2,80
Ho acid 12,23 11,76 ± 1,04 17,24 17,03 ± 0,87 22,45 22,43 ± 0,22 22,67 22,43 ± 0,75
11,64 16,65 22,33 22,09
11,42 17,28 22,50 22,53
Ho base 1,81 3,13 ± 2,90 0,68 0,60 ± 0,21 0,42 0,41 ± 0,07 0,38 0,38 ± 0,08
4,02 0,51 0,43 0,34
3,56 0,61 0,38 0,41
Ho neutral 53,34 52,71 ± 1,63 66,33 66,75 ± 1,15 73,14 73,62 ± 1,54 73,23 73,97 ± 1,60
52,04 67,17 74,32 74,42
52,83 66,41 73,40 74,26
терес. При изменении k происходит некоторая «перестройка» соотношений компонентов внутри фракции: количество кислотных и нейтральных — снижается (табл. 1,2), доля веществ основной природы меняется мало (заметен слабовыраженный тренд к увеличению, с учетом варьирования статистически не значимый). Большинство ВОВ характеризуется ам-фифильными и амфотерными свойствами, поэтому вещества одного класса могут входить в разные гидрофильно-гидрофобные и кислотно-основные фракции. Так, алифатические карбоновые кислоты входят в кислую гидрофильную, кислую и нейтральную гидрофобную фракции в зависимости от длины углеводородной цепи. То же можно сказать о спиртах, ароматических кислотах, аминах и других соединениях, различающихся длиной углеводородного скелета, числом и константами диссоциации ионогенных групп [8]. Уменьшение выхода фракций в опытах с более высокими k может объясняться тем, что наименее гидрофобные вещества вытесняются более гидрофобными, присоединяясь к гидрофильной фракции. Например, снижение содержания компонентов с выраженной кислотной природой (Но acid) имеет теоретическое основание. Полярные функциональные группы (например, СООН, ОН) при прочих равных условиях усиливают гидрофильность вещества. Е.Ю. Тюнина и В.Г. Баделин [4] показали, что гидрофобность аминокислот зависит от таких параметров структуры, как общая молекулярная поверхность (Sa), полярность (F), способность к образованию водородных связей (HB), молекулярная рефракция (MR), электроотрицательность молекул (X), кислотность (рК) функциональных групп боковой цепи. Увеличение HВ и Fснижает гидрофобность аминокислот и дипептидов: эти пара-
метры вносят максимальный вклад в значения коэффициентов уравнений регрессии, связывающих гидро-фобность аминокислот (оцененную по коэффициенту распределения в смеси октанол—вода) и перечисленные структурные особенности их молекул. Поэтому вещества фракции Ho acid с большим числом кислотных групп могут переходить в условиях конкуренции во фракцию Hi acid.
Среди нейтральных компонентов, доля которых в пуле наиболее гидрофобных веществ заметно снижается, тоже возможны перегруппировки. Часть гидрофобных слабополярных веществ, например корот-коцепочечные спирты [8, 21], при больших k могут присоединяться к гидрофильной фракции. Доля гидрофобных оснований может возрастать за счет перехода в эту группу ароматических кислот и аминов из состава кислой и нейтральной фракций. Подтвердить или опровергнуть эти предположения, однако, можно только после непосредственного выделения и анализа соответствующих фракций.
Заключение
Предлагаемые условия фракционирования можно использовать в качестве методической основы для разделения по признаку гидрофобности водорастворимых органических веществ почвенно-грунтовых вод, не загрязненных органическими поллютантами. Величина сорбционной емкости колонки k = 30 достаточна для того, чтобы выделить из вод все присутствующие в них гидрофобные компоненты.
Авторы признательны "Dow Chemical Company" и лично И. Бахтину за предоставленные для исследования образцы смол XAD.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Караванова Е.И. Водорастворимые органические вещества: фракционный состав и возможности их сорбции твердой фазой лесных почв // Почвоведение. 2013. № 8.
2. Перминова И.В. Анализ, классификация и прогноз свойств гумусовых кислот: Дис. ... докт. хим. наук. М., 2000.
3. Сироткина И.С., Варшал Г.М., Лурье Ю.Ю., Степанова Н.П. Применение целлюлозных сорбентов и сефа-дексов в систематическом анализе органических веществ природных вод // Журн. аналит. химии. 1974. Т. 29, № 8.
4. ^нина Е.Ю., Баделин В.Г. Взаимосвязь гидрофоб-ности молекул аминокислот и дипептидов с их физико-химическими параметрами // Химия и хим. технол. 2009. Т. 52, вып. 4.
5. Aiken G.R., McKnight D.M., Thorn K.A, Thuman E.M. Isolation of hydrophilic organic acids from water using nonionic macroporous resins // Organic Geochem. 1992. Vol. 18, N 4.
6. AMBERLITE™ XAD™ Adsorbent Resins. URL: http:// www.dow.com/products/
7. AMBERLITE™ XAD™ Adsorbent Resins. XAD-7HP. Description. URL: http://www.dow.com/product-line/amber-lite-xad/product/amberlite-xad-7hp/
8. Barber L.B., Leenheer J.A, Noyes T, Stiles A. Nature and transformation of dissolved organic matter in treatment Wetlands // Environ. Sci. and Technol. 2001. Vol. 35, N 24.
9. Easthouse K.B., Mulder J., Christophersen N, Seip H.M. Dissolved organic carbon fractions in soil and stream water during variable hydrological conditions at Birkenes, Southern Norway // Water Res. 1992. Vol. 28, N 6.
10. ImaiA, Fukushima T, Matsushige K. et al. Fractionation and characterization of dissolved organic matter in a shallow eutrophic lake, its inflowing rivers, and other organic matter sources // Water Res. 2001. Vol. 35, N 17.
11. Kukkonen J., McCarthy J.E., OikariA. Effects ofXAD-8 fractions of dissolved organic carbon on the sorption and bio-availability of organic micropollutants // Arch. Environ. Con-tamin. and Toxicol. 1990. Vol. 19, N 4.
12. Leenheer J.A. Comprehensive approach to preparative isolation and fractionation of dissolved organic carbon from natural waters and wastewaters // Environ. Sci. and Technol. 1981. Vol. 15, N 5.
13. Leenheer J.A. Comprehensive assessment of precursors, diagenesis, and reactivity to water treatment of dissolved
and colloidal organic matter // Water Sci. and Technol. 2004. Vol. 4, N 4.
14. Leenheer J.A., Croue J.P. Characterizing dissolved aquatic organic matter // Environ. Sci. and Technol. 2003. Vol. 37, N 1.
15. Leenheer J.A., Huffman E.W.D. Classification of organic solutes in water by using macroreticular resins // J. Res. U.S. Geol. Survey. 1976. N 4.
16. Malcolm R.L., MacCarthy P. Quantitative evaluation of XAD-8 and XAD-4 resins used in tandem for removing organic solutes from water // Environ. Intern. 1992. Vol. 18, N 6.
17. Marhaba T.F., Bengraine K, Pu Y. Modified dissolved organic matter fractionation technique for natural water // J. of Hazardous Materials. 2003. Vol. 101, N 1.
18. Mykkelbost T.C., Vogt R.D., Seip H.M., Riise G. Organic carbon fractionation applied to lake- and soilwater at the HUMEX site // Environ. Intern. 1995. Vol. 21, N 6.
19. Orr O.B. The characterization, isolation, and fractio-nation of natural organic matter from three surface waters // Thesis MSci (Environ. Engineer. and Sci.). USA. 2009.
20. Peuravuori J., Pihlaja K, Valimaki N. Isolation and characterization of natural organic matter from lake water: two
different adsorption chromatographic methods // Environ. Intern. 1997. Vol. 23, N 4.
21. Qualls R.G., Haines B.L. Biodegradability of dissolved organic matter in forest throughfall, soil solution, and stream water // Soil Sci. Soc. Amer. J. 1992. Vol. 56, N 2.
22. Song H, Orr O, Hong Y, Karanfil T. Isolation and Fractionation of Natural Organic Matter: Evaluation of Performance of Reverse Osmosis and Impact of Fractionation Parameters // Environ. Monitoring and Assessment. 2009. Vol. 153, N 1—4.
23. Stuber H.A., Leenheer J.A. Selective concentration of aromatic bases from water with a resin adsorbent // Analyt. Chem. 1983. Vol. 55, N 1.
24. Supelco Supelite DAX-8. URL: http://www.sigmaald-rich.com/catalog/product/supelco/20278?lang=en®ion=RU; http://www.sigmaaldrich.com.../supelco/13601?lang =en&re-gion=RU
25. Thurman E.M., Malcolm R.L., Aiken G.R. Prediction of capacity factors for aqueous organic solutes adsorbed on a porous acrylic resin // Analyt. Chem. 1978. Vol. 50, N 6.
26. Thurman E.M., Malcolm R.L. Preparative isolation of aquatic humic substances // Environ. Sci. and Technol. 1981. Vol. 15, N 4.
Поступила в редакцию 11.12.2013
DISSOLVED ORGANIC MATTER FRACTIONATION ON XAD-RESIN
A.D. Shapiro, E.I. Karavanova
Analytical design of the fractionation on XAD-7HP-resin of dissolved organic matter (DOM) from the gravitational soil water influence fractional yield and proportions. An increasing of column-capacity factor k' leads to the decreasing of hydrophobic fractional yield and changes of its composition. Value of k' = 30 is adequate for the complete isolation of the hydrophobic substances from soil water with DOC concentration ~ 25 mg/l.
Key words: dissolved organic matter (DOM), soil solution, soil, hydrophobic and hydrophilic substances, fractionation, XAD-resins.
Сведения об авторах
Шапиро Анна Дмитриевна, канд. биол. наук, науч. сотр. каф. химии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8 (495) 939-36-76; e-mail: [email protected]. Караванова Елизавета Ильинична, канд. биол. наук, доцент, ст. преп. каф. химии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8 (495) 939-36-76; e-mail: karavanovaei@ mail.ru.
