CC BY
114
УДК 541.64.02/04; 678.01
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА НАТРИЕВЫХ И АММОНИЕВЫХ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ
© А.А. Ильина1, С.Г. Маслов1, Н.В. Юдина2
1 Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, Томск, 634050 (Россия) E-mail: [email protected]
2Институт химии нефти СО РАН, пр. Академический, 3, Томск, 634065 (Россия)
Исследованы особенности молекулярной структуры гуминовых кислот, выделенных из низинного торфа в разных условиях. Подтверждено, что различные реагенты и условия выделения оказывают заметное влияние на молекулярную структуру гуминовых веществ.
Введение
Большой интерес к гуминовым веществам определяется их повсеместной распространенностью в природе и важнейшими биосферными функциями. На их основе создаются разнообразные гуминовые препараты для сельского хозяйства, медицины и промышленности. Физико-химические свойства и молекулярная структура гуминовых кислот (ГК) зависят от способов их выделения, в котором определенную роль играют температура и природа реагента [1, 2]. В работе [3] показано, что при обработке торфа аммиачной водой происходит обогащение его органической части усвояемыми формами азота. Для исследования особенностей сложных высокомолекулярных биополимеров разные авторы [4] использовали комплекс способов выделения ГК, включающий обработку щелочью и кислотой. Применение на начальной стадии выделения ГК жесткого кислотного гидролиза вызывает расщепление полиоз и полипептидов. Гуминовые кислоты, выделенные гидроксидом натрия, содержат наиболее полный набор макромолекул, соответствующий разным стадиям химической зрелости [2].
В исследованиях, проведенных С. С. Маль [2], было показано, что для повышения качества торфа как органического удобрения и обогащения его усвояемыми формами азота широко используют обработку аммиачной водой. Полученные из торфа гуматы аммония обладают более высокой красящей способностью по сравнению с гуматами натрия. Можно предположить, что такие свойства гуматов аммония связаны с их составом. В данной работе приводятся результаты исследований молекулярной структуры ГК низинного торфа, выделенных в разных условиях.
Экспериментальная часть
ГК выделены растворами 0,1 М NaOH и 0,1 М NH4OH при нагревании до температуры 90 °С в течение 1 ч и 0,1 Мраствором NaOH при температуре 20 °С из торфа Таганского месторождения Томской области. Влажность ГК определяли по ГОСТ 11305-83 [3], зольность - по ГОСТ 11306-83 [4]. При определении содержания карбоксильных групп использовали ацетатный метод [5]. Суммарное содержание гидроксильных и карбоксильных групп определяли ацетилированием [6] и баритным методом, основанном на взаимодействии кислых групп гуминовых кислот с гидроокисью бария [7]. По разности между этой суммой и содержанием карбоксильных групп устанавливали содержание гидроксильных групп.
* Автор, с которым следует вести переписку.
ГК, полученные обработкой 0,1 М раствором ЫаОН при 20 °С.
Элементный состав ГК определяли на CHN-анализаторе фирмы Carlo Erba Strumentazione. Количественный анализ минерального состава проводили на рентгенофлюорсцентном спектрометре VRA 30.
ИК спектры сняты на спектрофотометре «Nikolet» в таблетках KBr (400-4000 см-1). Расчет оптической плотности осуществляли по методу базисной линии, которая проводилась через точки максимумов поглощения.
Исследования молекулярно-массового разделения (ММР) проводили методом гель-хроматографии. В качестве полимерных гелей использованы декстраны - Sephadex G-75 и молселект Г-75. Для элюирования применяли 0,1 М NH4OH, 0,1 М NaOH, 7М мочевину.
Фрагментный состав ГК анализировали методом ЯМР 13С-спектроскопии на радиоспектрометре фирмы Bruker (Германия), имеющем рабочую частоту по углероду 125 МГц, с использованием Фурье-преобразования с накоплением [15]. Время накопления изменялось от нескольких часов до суток. Исследуемые образцы растворяли в 0,1 М NaOD в D2O. Для исключения ядерного эффекта Оверхаузера запись спектров ЯМР 13С проводили с подавлением протонов в режиме INVGATE. В качестве внешнего стандарта использовали тетраметилсилан. Спектры снимали с задержкой 4 сек между импульсами. Обработку спектров проводили с использованием программы WINNMR фирмы Bruker. Кроме регистрации спектров ЯМР, осуществляли запись интеграла, что позволило определить относительное содержание магнитных ядер углерода, принадлежащих к той или иной группе атомов.
Обсуждение результатов
Оценка изменений в составе ГК дана на основании элементного анализа (табл. 1). В зависимости от способа выделения наблюдаются изменения в элементном составе. Отмечено наибольшее содержание азота в аммониевых ГК. Степень конденсированности ароматических структур, определяемая отношением Н/С, содержание кислорода ниже в образцах ГК, выделенных гидроксидом аммония. Наибольшая зольность отмечена в ГК, полученных при обработке торфа 0,1 н NaOH (при температуре 90 °С).
Химические свойства гуминовых соединений в значительной мере определяются составом и содержанием функциональных групп. Наибольшее значение, безусловно, имеет наличие карбоксильных групп, определяющих кислотную природу этих веществ. Другая особенность гуминовых веществ - проявление свойств, характерных для фенолов. Тип реагента, рН среда, температура оказывают влияние на содержание функциональных групп ГК. Максимальное содержание -СООН и -ОН отмечено в ГК, выделенных гидроксидом аммония. Сравнение результатов выделения ГК гидроксидом натрия одной концентрации свидетельствует о большей окисленности образцов, полученных при обработке 0,1 н NaOH (табл. 2).
Исследование ГК с применением колоночной жидкостной хроматографии в основном связано с гельпрони-кающей хроматографией на неподвижной фазе Sephadex, обеспечивающей разделение по молекулярным массам. Для ГК более показательной характеристикой является молекулярно-массовое распределение частиц, а не средние значения молекулярных масс или число фракций. Наиболее отчетливое фракционирование по молекулярной массе достигается при фильтрации растворов ГК на неподвижной фазе Sephadex G-75. Сорбирующая способность ГК зависит от присутствия в них металлов и микроэлементов. Зольность выделенных образцов ГК не превышает 5-10%, что устраняет фактор сорбируемости веществ на геле. Для регистрации оптической плотности выбрана длина волны 465 нм, при которой не проявляются примеси не специфических соединений.
Таблица 1. Элементный состав гуминовых кислот
Образец ГК Зольность, мас. % Содержание, мас. % daf Н/С
С Н N O
NH4OH 0,1 М 1,5 4S,0 5,5 3,2 43,3 1,4
NaOH 0,1 М 6,2 51,1 5,0 2,9 41,0 1,2
NaOH** 0,1 М - 52,3 5,4 2,9 39,4 1,2
**ГК, полученные обработкой 0,1 М раствором NaOH при 20 °С.
Таблица 2. Содержание функциональных групп в гуминовых кислотах
Объекты Содержание, мгэкв/г
-СООН -ОН
NH4OH 0,1 М 3,6 9,1
NaOH 0,1 М 4,3 6,1
NaOH** 0,1 М 3,9 5,2
Методом гель-хроматографии получены результаты, свидетельствующие о различиях в молекулярной структуре ГК (рис. 1, 2). ГК, выделенные 0,1 М растворами №ОН и МИ4ОН, характеризуются полимодальным распределением молекул по размерам. На кривой элюирования гумата аммония отмечено наличие двух фракций. Содержание высокомолекулярной фракции ГК в несколько раз выше, чем фракции с меньшей молекулярной массой. При фракционировании макромолекул ГК, экстрагированных гидроксидом натрия, выделено несколько фракций: две основные примерно равные по количеству фракции и несколько небольших, элюируемых на ниспадающих кривых. Кривая молекулярно-массового распределения 0,1 М гумата натрия представлена одним пиком, максимум которого смещен в область меньших молекулярных масс и соответствует максимуму второго пика кривой 0,1 М гумата натрия. Оптическая плотность полученной фракции выше, чем для ГК, выделенных в жестких условиях. Это свидетельствует о том, что в 0,1 М гумате натрия преобладают сопряженные структуры.
О влиянии способов выделения ГК на их структурные особенности судили по данным ИК спектроскопии. Идентификацию ИК-спектров ГК проводили с привлечением химических, физических методов и литературных данных (табл. 3) [8]. В гуматах аммония обнаружена полоса поглощения амидных групп. Для этой полосы 1650 см-1 можно принять отнесение за счет карбонила амидной группы или ОСК В гуматах натрия эти полосы обнаружить не удалось, но это не означает, что гумат полностью лишен полипептидных компонентов. Дело в том, что поглощение пептидных групп может накладываться на более сильное поглощение карбонилов или двойных -С=С-связей. В результате наложений самостоятельной полосы не возникает, но максимум составной полосы смещается.
Количественная оценка содержания функциональных групп дана на основании отношений оптических плотностей полос поглощения гидроксильных групп Б3300, -СН3, -СН2- групп Б2920, Б2860, карбонилсодержащих групп Б1710, гидроксильных групп в спиртах, углеводах Б1260 к оптической плотности, соответствующей ароматическим полисопряженным системам Аммониевые и натриевые ГК характеризуются
меньшей величиной оптической плотности полосы поглощения 1610 см-1, чем ГК, выделенные 0,1 н гидроксидом натрия**, поэтому для последних значения полученных отношений снизились. Величина отношений оптических плотностей гидрофильных фрагментов к оптической плотности полос поглощения ароматического ядра Б3300/Ош0, В1260/0Ш0 для гуматов аммония выше, чем для гуматов натрия.
С целью получения информации о содержании структурных фрагментов в составе гуматов был использован метод 13С-ЯМР-спектроскопии. Содержание различных типов углеродных атомов определяли интегрированием соответствующих спектральных областей (табл. 4).
л
н
о
о
К
н
о
л
с
5
и
о
е
к
н
с
О
Объем элюента, мл
■гумат натрия, Sephadex, NaOH - гумат аммония, Sephadex-NH4OH
Объем элюента, мл
Рис. 1. Кривые гель-фильтрации на Сефадексе в-75 гуматов натрия и аммония
Рис. 2. Кривая гель-фильтрации на Сефадексе в-75 гумата натрия
Таблица 3. Соотношение оптических плотностей полос поглощения гуминовых кислот
Объекты Соотношение оптических плотностей
D3300/D1610 D2920/D1610 D2S60/D1610 D1710/D1610 D1260/D1610
NH4OH 0,1 М 1,09 1,09 1,03 0,S5 1,15
NaOH 0,1 М 0,77 0,94 0,75 0,9S 0,92
NaOH** 0,1 М 0,S4 0,66 0,S1 0,71 0,77
Таблица 4. Фрагментный состав гуминовых кислот (по данным 13С-ЯМР-спектроскопии)
Образец ГК Содержание атомов углерода в структурных ( рагментах (относительно интенсивности, % )
С=О О о СарС, Н СО '-'алк4-' Са,Р-О-4 СалкО, СН3О О '-'алк Га
220-160 мд 160-140 мд 140-113 мд 106-93 мд 93-66 мд 66-54 мд 54-0 мд
ЫИ4ОН (кип.) 22,4 5,2 15,6 12,0 15,2 8,9 20,8 21
ЫаОН (кип.) 18,9 9,4 15,8 11,7 12,8 8,6 22,9 25
ЫаОН** 11,0 4,5 30,8 3,5 5,5 7,7 37,4 35
Результаты, полученные методом ИК-спектроскопии полностью подтверждаются данными 13С-ЯМР-спектроскопии. Анализ 13С-ЯМР-спектроскопии показал наличие в гуматах алифатических и ароматических углеродных атомов, связанных с кислородом и представляющих разнообразные функциональные группы -гидроксильные, карбоксильные, фенольные, спиртовые, углеводные. Как видно из таблицы 4, в структуру гу-матов аммония осуществляется больший вклад ароматических фрагментов. Так, в гуматах натрия наблюдается максимальное содержание ароматического углерода (25,2%) по сравнению с гуматами аммония (20,8%).
Методом ЯМР 13С спектроскопии была получена информация о распределении атомов углерода по различным структурным группам в макромолекулах ГК. В спектрах 13С-ЯМР выделены следующие интервалы, соответствующие резонансному поглощению ядер углерода: 0-54 м.д. - насыщенные незамещенные атомы углерода, 54-66 м.д. - атомы углерода в метоксильных группах, 66-106 м.д. - окисленные алифатические фрагменты, 106-140 м.д. - ароматические атомы углерода, 140-160 м.д. - окисленные ароматические фрагменты, 160-200 м.д. - атомы углерода в карбонилсодержащих группах. В ГК, экстрагированных 0,1 М гидроксидом натрия , распределение атомов углерода по структурным фрагментам соответствует ранее установленному [2, 10]. В ароматических структурах содержится 35 мас. % углерода и около 40 мас. % в насыщенных алифатических фрагментах. Доля ароматического и алифатического углерода значительно сократилась в 0,1 М натриевых и аммониевых ГК. ГК, экстрагированные 0,1 н гидроксидом натрия мало отличаются по содержанию метоксильных групп от ГК, выделенных в жестких условиях. Последние характеризуются повышенной долей окисленных структур, различающихся по количеству отдельных фрагментов. В натриевых ГК по сравнению с аммониевыми выше доля оксиароматических структур. Аммониевые ГК отличаются более высокой степенью окисленности за счет увеличения в них содержания окисленных алифатических фрагментов и карбонилсодержащих групп.
Выводы
Таким образом, различные реагенты и условия выделения позволяют получить разные по молекулярной структуре гуминовые вещества. При выделении ГК 0,1 М КН4ОН и 0,1 М №ОН с нагреванием до 90 °С значительно возрастает их выход за счет жесткого гидролиза трудногидролизуемых компонентов торфов. ГК характеризуются низким содержанием ароматического углерода и высоким количеством углеводных, поли-пептидных фрагментов и карбонилсодержащих групп, что, очевидно, связано с деструкцией макромолекул. ГК, выделенные 0,1 М гидроксидом натрия , содержат наиболее полный набор макромолекул и по степени ароматичности соответствуют своей стадии химической зрелости. Аммониевые ГК обладают повышенной красящей способностью за счет высокого содержания азота.
Список литературы
1. Лиштван И.И., Маль С.С., Поваркова С.С. и др. Торфяной краситель для мебельной промышленности // Торфяная промышленность. 1982. №9. С.20-21.
2. Мартынова В.В., Бамбалов Н.Н., Беленькая Т.Я. Влияния вида экстрагента на структурные особенности гуминовых кислот торфяно-болотной почвы // Природопользование. 1997. Вып. 3. С. 11-13.
3. Маль С.С. Углеводы и азотсодержащие вещества торфа. Минск, 1982. 231 с.
4. ГОСТ 11305-83. Торф. Методы определения влаги. М., 1983. 7 с.
5. ГОСТ 11306-83. Торф. Методы определения зольности. М., 1984. 6 с.
6. Сысков К.И., Кухаренко Т. А. Определение суммарного содержания фенольных гидроксилов и карбоксильных групп // Заводская лаборатория. 1947. №1. С. 25-28.
7. Богомолов Б.Д., Гельдфан Е.Д. К вопросу об определении гидроксильных групп методом Верлея // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 1963. №6. С. 34.
8. Смольянинов С.И. Маслов С.Г. Термобрикетирование торфа. Томск, 1975. 108 с.
9. Орлов Д.С. Химия почв. М., 2005. 558 с.
10. Хроматографический анализ окружающей среды: Пер. с англ. / Под ред. В.Г. Березкина. М., 1979. 608 с.
11. Мартынова В.В., Бамбалов Н.Н., Стригуцкий В.П., Рыков С.В. Исследование структуры торфяных гуминовых и фульвокислот методом ЯМР 13С // ДАН Белоруси. 1994. Т. 38. №4. С. 52-55.
Поступило в редакцию 21 апреля 2007 г.
