CC BY
180
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
канд. биол наук / С.А. Абрамян. - М.: МГУ, 1980. - 25 с.
11. Абрамян, С.А. Природа регуляции ферментативных процессов в почве. Автореф. дисс. на соискание уч. ст. д-ра биол. наук / С.А. Абрамян. - М.: МГУ 1990. - 36 с.
12. Bums R.G., El-Sayed M.H., McLaren A.D. Extraction of an urease-active organocomplex from soil. Soil Biol. Biochem. 1972. V. 4, № 1.
13. Burns R.G., Pukite A.H., McLaren A.D. Concerning the location and persistence of soil urease. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 1972, V. 36, № 2.
14. Piccolo A. “The Supramolecular Structure of Humic Substances”. Soil Science. 2001. 166 (11). pp. 810832.
15. Sutton R, Sposito G. “Molecular structure in soil humic substances: The new view”. Environmental Science and Technology. 2005. 39. рр. 9009-9015.
ГУМУСОВЫЕ КИСЛОТЫ В ПОЧВАХ
ГН. ФЕДОТОВ, ст. научн. сотр. Института экологического почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, д-р. биол. наук,
Т.Ф. РУДОМЕТКИНА, ст. научн. сотр.МГУЛ, канд. хим. наук
Гумус - совокупность всех органических соединений, находящихся в почве и не участвующих в построении растительных и животных остатков. Он состоит из специфических гумусовых веществ и неспецифических органических соединений [1].
Традиционно гумусовые вещества рассматривали как смесь ассоциированных макромолекул [2-3]. Долгое время казалось, что именно ассоциация макромолекул гумусовых веществ является основным фактором, влияющим на результаты их исследования [2-5]. Однако в последнее десятилетие отвергаются существующие представления о том, что гумусовые вещества имеют полимерную природу. На основе экспериментальных данных показано, что гумусовые вещества - ас-социаты относительно низкомолекулярных компонентов, возникающих при деградации и разложении биологического материала, динамически объединенных и стабилизированных, в основном, слабыми связями [6-9]. Именно это является главным в структуре гумусовых веществ.
Предлагаемый подход к описанию строения гумусовых веществ с позиций их супрамолекулярной организации объясняет большое число экспериментальных данных и является большим шагом вперед в науке о гумусе, но, развитый для водных растворов, он является явно недостаточным для почв. Из этого подхода следует, что гуминовые кислоты и фульвокислоты представляют собой супрамолекулярные соединения. В растворах
gennadiy.fedotov@gmail.com они существуют как частицы гумуса различного размера и состава. Однако на основе этой информации невозможно ответить на вопрос о существовании их в почвах.
Целью работы было выяснение вопроса о реальности существования гумусовых веществ в почвах, т.е. являются ли гуминовые кислоты и фульвокислоты фрагментами единой гумусовой матрицы, возникающими при ее распаде под воздействием химических реагентов [10], или это структурные единицы, реально существующие в почвенных гелях и объединенные в гумусовую матрицу.
Для ответа на этот вопрос были выделены и изучены гелевые пленки, собирающиеся на поверхности воды при капиллярном увлажнении высушенных почвенных агрегатов [11].
В качестве объектов исследования использовали образцы, отобранные из гумусово-аккумулятивных горизонтов дерновоподзолистой почвы из окрестностей почвы р. Яхрома, серой лесной почвы Владимирского ополья и типичного курского чернозема.
Электронно-микроскопические ис-
следования проводили на растровом электронном микроскопе LEO SUPRA - 50 VP (фирмы Carl Zeiss, Германия) с автоэмиссионным источником при ускоряющем напряжении 3-10 кВ с использованием детектора вторичных электронов типа InLens, а также на растровом электронном микроскопа JEOL-6060A (фирмы JEOL, Япония) с вольфрамовым катодом.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
93
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
nm
160
120
80
40
nm
160
120
80
40
0 40 80 120 160 nm
а
0 40 80 120 160 nm
б
nm
160
120
80
40
0 40 80 120 160 nm
в
Рис. 1. Изображение топографии поверхности гелевой пленки, выделенной из дерново-подзолистой почвы (а), серой лесной почвы (б) и чернозема (в) на подложке слюды, выполненное при помощи туннельного микроскопа. Увеличение соответствует примерно *1250000
После удаления воды на образцы напыляли углерод (термический испаритель Univex-300, фирмы Leybold, Германия) или платину, используя установку JFC-1600 (фирмы JEOL, Япония).
В работе использовали также сканирующий туннельный и атомно-силовой микроскопы «ФемтоСкан» (фирмы ООО НПП «Центр перспективных технологий», Россия).
Возможность исследования воздушносухих гелевых пленок при помощи сканирующего туннельного микроскопа основана на их достаточно высокой проводимости из-за содержания в них воды практически равного содержанию органического вещества.
При подготовке к исследованию гелевые пленки помещали на атомно-гладкую поверхность свежерасщепленной слюды путем приведения в контакт поверхности слюды с водной поверхностью, на которой находилась пленка. Затем удаляли влагу при 40 °С.
Расчеты, проведенные на основании молекулярных весов гуминовых и фульвокис-лот, показывают [12], что их размер должен быть ~10 нм и 2-5 нм соответственно. Экспериментальные исследования разбавленных водных растворов это подтверждают [13-15].
Большинство растровых электронных микроскопов не позволяют изучать связанные между собой частицы гумуса таких размеров, а просвечивающая электронная микроскопия не дает возможности видеть морфологию поверхности. Поэтому основное внимание в работе при изучении наноструктурной организации почвенного гумуса было уделено использованию сканирующей туннельной микроскопии.
Из представленных результатов (рис. 1) следует, что в гумусе дерново-подзолистой почвы увидеть частицы, из которых он состоит, сложнее всего. Границы между ними размыты, но при увеличении, соответствующем 1250000, можно различить, что он состоит из частиц размером 2-4 нм.
Гумус чернозема и серой лесной почвы образован частицами размером 8-12 нм, но если в черноземе границы между частицами гумуса достаточно четкие, то в серой лесной почве они сильно размыты.
94
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Следует отметить, что на каждые 10 изображений поверхности гелей, выделенных из чернозема, подобных представленному, приходится 1-2 изображения, близких по морфологии изображениям, наблюдаемым в гелях дерново-подзолистой почвы. В свою очередь, в гелях, выделенных из дерновоподзолистой почвы, наблюдаются в небольшом количестве структуры, характерные для чернозема. По-видимому, следует говорить о статистической картине перераспределения структур гумуса в почвенных гелях между двумя морфологическими типами, а не об определенном размере частиц гумуса, характерном для конкретной почвы.
На основе полученных данных можно предположить, что частицы гумуса в почвенных гелях, совпадающие по размеру с гуми-новыми кислотами в растворах, являются гуминовыми кислотами, а совпадающие по размеру с фульвокислотами в растворах являются фульвокислотами. Однако прежде чем выдвигать подобное предположение, проанализируем данный вопрос с общих позиций:
- Гумусовые вещества содержат гидрофильные и гидрофобные участки.
- В гумусовой матрице почвенных гелей частицы гумусовых веществ связаны между собой.
- Многозарядные катионы и некоторые органические вещества приводят к самоорганизации гумусовой матрицы. В результате происходит микрофазное расслоение, выделяется гидрофобная фаза, что приводит к упрочнению гумусовой матрицы - повышению устойчивости к различным воздействиям [16].
- При фракционировании гумуса [17] обработка серной кислотой с точки зрения структурной организации гумуса призвана удалить многозарядные катионы и либо снять микрофазное расслоение и сделать гумусовые вещества растворимыми в воде, либо уменьшить микрофазное расслоение, чтобы последующая обработка щелочью позволила перевести гумусовые вещества в раствор. В случае если подобными обработками не удается снять микрофазное расслоение и обеспечить растворение гумусовых веществ, они представляют собой нерастворимый остаток и получили название гуминов.
nm
160
120
80
40
0 40 80 120 160 nm
а
nm
160
120
80
40
0 40 80 б 120 160
щ
nm
Рис. 2. Изображение топографии поверхности гелевой пленки, выделенной из дерново-подзолистой почвы после добавления модификатора, выполненное при помощи туннельного микроскопа. Увеличение соответствует примерно *1250000 (а). Увеличение соответствует примерно *2500000(б)
Таким образом, гуминовыми кислотами являются гумусовые вещества, содержащие по сравнению с фульвокислотами большее количество гидрофобных участков, в большей степени способные к микрофазному расслоению, более устойчивые к различным воздействиям в водных средах из-за большей плотности органического вещества в супрамолекулярном клубке и менее растворимые при низких рН. По-видимому, более высокая плотность клубка и способность к микрофазному расслоению обеспечиваются в немалой степени и связями, возникающими между
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
95
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
азотом и кислородом в органических соединениях. Поэтому гуминовые кислоты содержат большее количество азота по сравнению с фульвокислотами [1].
Устойчивость в водных средах должна обеспечивать в этих средах больший размер гуминовых кислот по сравнению с фульвокислотами, но в почвенном гумусе взаимопроникновение частиц гумусовых веществ должно стабилизировать их существование в гумусовой матрице, а выделение может приводить к распаду крупных недостаточно стабильных частиц на более мелкие, которыми являются фульвокислоты. Поэтому нельзя исключить существование в матрице гумуса крупных фульвокислот и их распад при выделении.
Из проведенного анализа следует, что малый размер частиц гумусовых веществ в почвенных гелях (2-4 нм) позволяет отнести их к фульвокислотам, но большой размер (8-12 нм) не позволяет однозначно предполагать, что это - гуминовые кислоты. Следовательно, фульвокислотами в почвенных
гелях могут быть не только частицы малого размера, но и большие частицы достаточно гидрофильные, чтобы не содержать больших упрочняющих их микрофазно расслоенных областей и способные к распаду при их выделении по стандартной процедуре после удаления катионов или других веществ, обеспечивающих микрофазное расслоение в этих частицах.
Для проверки результатов проведенного анализа в агрегаты дерново-подзолистой почвы были введены модификаторы, вызывающие сильное микрофазное расслоение в гумусовой матрице почвенных гелей при их содержании в почвах на уровне 3-5 ppm. После этого гели были выделены и изучены при помощи туннельного микроскопа.
На полученных изображениях видно (рис. 2а), что введение модификатора приводит к укрупнению частиц гумуса от 2-4 нм до 8-12 нм. Проведенный анализ изображения показал (рис. 2б), что происходит не просто объединение частиц размером 2-4 нм в агрегаты 8-12 нм, а полная их перестройка.
а
Выделившаяся гидрофобная область
б
Рис. 3. Схема структуры частиц при объединении фульвокислот в ассоциат (а) и после перестройки структуры путем микрофазного расслоения (б)
96
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Об этом свидетельствует исчезновение неровностей размеров 2-4 нм на поверхности образующихся частиц (рис. 3 а) - поверхность частиц становится гладкой (рис. 3б).
Итак, в результате введения очень небольших количеств модификатора морфология гумуса гелевых пленок из дерново-подзолистой почвы становится подобной морфологии гумуса гелевых пленок из чернозема.
Можно предположить, что некоторые модификаторы, вызывающие объединение фульвокислот в агрегаты, могут вызывать микрофазное расслоение и упрочнить частицы гумусовых веществ, повысив их химическую стабильность и уменьшив растворимость в кислых растворах, т.е. превратив их в гуминовые кислоты. По-видимому, возможен и обратный процесс. Подобный механизм хорошо объясняет сезонные изменения в соотношении гуминовых и фульвокислот в почвах [18].
Выводы
1. В почвах существуют частицы гумуса размером 2-4 нм, которые представляют собой фульвокислоты.
2. Частицы размером 8-12 нм могут относиться по существующей классификации, основанной на химической устойчивости частиц гумусовых веществ и их растворимости в водных растворах, как к фульвокислотам, так и к гуминовым кислотам.
3. При сезонном изменении условий функционирования почв возможен переход фульвокислот в гуминовые кислоты путем объединения частиц фульвокислот размером 2-4 нм в агрегаты размером 8-12 нм и перестройки их структуры путем микрофазного расслоения. Возможен и обратный переход.
Библиографический список
1. Орлов, Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации / Д.С. Орлов. - М.: Изд. МГУ, 1990. - 325 с.
2. Кононова, М.М. Органическое вещество почв / М.М. Кононова. - M.: Изд. АН СССР, 1963. -314 с.
3. Stevenson F.J. Humus Chemistry. Genesis, Composition, Reactions, 2nd Ed. Wiley, New York. 1994. 443 р.
4. Reid P.M., Wilkinson A.E., Tipping E., Jones, M.N. “Aggregation of humic substances in aqueous media as determined by light-scattering methods”. European Journal of Soil Science. 1991. 42(2): 259-270.
5. Александрова, Л.Н. Гумус как система полимерных соединений / Л.Н. Александрова // Тр. юб. сес. посв. столетию со дня рождения В.В. Докучаева. - М.: Изд. АН СССР, 1949. - С. 225-232.
6. Piccolo A. “The Supramolecular Structure of Humic Substances”. Soil Science. 2001. 166(11). pp. 810832.
7. Schaumann G.E. Review Article Soil organic matter beyond molecular structure Part I: Macromolecular and supramolecular characteristics. J. Plant Nutr. Soil Sci. 2006, 169, pp. 145-156.
8. Sutton R, Sposito G. “Molecular structure in soil humic substances: The new view”. Environmental Science and Technology. 2005. 39. рр. 9009-9015.
9. Wilson M.A., Tran N.H., Milev A.S., Kannangara G.S.K., Volk H., Lu G.Q.M. Nanomaterials in soils. Geoderma, 2008. 146. рр. 291-302.
10. Федотов, Г.Н. Гумус как основа коллоидной составляющей почв / Г.Н. Федотов, Г.В. Добровольский // Доклады Академии Наук РФ. - 2007. - Т. 415. - № 6. - С. 767-771.
11. Grossman R.B., Lynn W.C. Gel-Like Films that May Form at the Air-Water Interface in Soils. Soil Sci. Amer. Proc., 1967. vol. 31, рр. 259-262.
12. Глебова, Г.И. Определение размера и формы частиц гумусовых кислот с помощью электронной микроскопии / Г.И. Глебова // Почвоведение. -1972. - № 7. - С. 115-119.
13. Balnois E., Wilkinson K.J. Atomic force microscopy of humic substances: effects of pH and ionic strength. Environmental Science & Technology. 1999. 33, 3911-3971.
14. Liu A., Wu R.C., Papadoloulos E.E. AFM on humic acid adsorbed on mica. Colloidsand Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2000. 174, 245-252.
15. Plaschke M., Romer J., Klenze R., Kim J.I. In situ AFM study of sorbed humic acid colloids at different pH // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 1999, Vol. 160, Pages 269-279.
16. Федотов, Г.Н. Микрофазное расслоение в гумусовых системах / Г.Н. Федотов, Г.В. Добровольский, С.А. Шоба и др. // Доклады Академии Наук РФ.
- 2009. - Т. 429. - № 3. - С. 336-338.
17. Практикум по агрохимии / Под ред. В.Г. Минеева.
- М.: Изд. МГУ, 1989. - 304 с.
18. Дергачева, М.И. Органическое вещество почв: статика и динамика / М.И. Дергачева. - Новосибирск: Наука, 1984. - 153 с.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
97
