CC BY
108
• 7universum.com
/EL UNIVERSUM:
Af\ ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
ПОЛУЧЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКА ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ ДЕТОКСИЦИРУЮЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Ли Сергей Павлович
канд. хим. наук, доцент Кыргызский национальный университет имени Ж. Баласагына, 720033, Республика Кыргызстан, г. Бишкек, ул. Фрунзе 547
Е-mail: lisergey@mail. т
Прохоренко Виктор Александрович
канд. хим. наук, ст. науч. сотр., Институт химии и химической технологии, Национальная академия наук 720071, Республика Кыргызстан, г. Бишкек, Чуйский пр.267
Е-mail: йimcompany@mail. т
Серикова Людмила Васильевна
канд. хим. наук, ст. науч. сотр., Институт химии и химической технологии, Национальная академия наук 720071, Республика Кыргызстан, г. Бишкек, Чуйский пр.267
Е-mail: [email protected]
PRODUCTION AND CHARACTERISTICS OF HUMIC SUBSTANCES FOR DETOXIC PURPOSE
Sergey Li
Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Balasagyn Kyrgyz National University, 720033, Kyrgyzstan, Bishkek, Frunze Street, 547
Victor Prokhorenko
Candidate of Chemical Sciences, Senior Research Scientist, Institute of Chemistry and chemical Technology, National academy of Sciences,
720071, Kyrgyzstan, Bishkek, Chui Avenue 267
Ли С.П., Прохоренко В.А., Серикова Л.В. Получение и характеристика гуминовых препаратов детоксицирующего назначения // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2016. № 4 (22) . URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/3020
Lyudmila Serikova
Candidate of Chemical Sciences, Senior Research Scientist, Institute of Chemistry and chemical Technology, National academy of Sciences,
720071, Kyrgyzstan, Bishkek, Chui Avenue 267
АННОТАЦИЯ
Весьма актуальной проблемой является изыскание детоксицирующих агентов для защиты организмов от повреждающего действия экотоксикантов. Наиболее оптимальным вариантом решения данной проблемы следует считать получение детоксикантов на основе материалов, присутствующих в природных объектах и в определенной степени оказывающих положительное влияние на окружающую среду. С этой точки зрения особый интерес вызывают гумусовые вещества, широко распространенные в природе и выполняющие обширный ряд экологических функций, среди которых особое значение имеет протекторное воздействие на загрязненные объекты. Для гумусовых веществ характерно комплексное воздействие на экологические процессы, обусловленное многофункциональностью этих соединений. Практическое целевое применение гумусовых веществ в качестве детоксицирующих материалов затрудняется ограниченностью данных о возможности их специфического воздействия. В этой связи указанная выше актуальная проблема может быть решена путем направленной модификации гумусовых веществ для получения супрамолекулярных гуминовых рецепторов (гуминовых препаратов), обогащенных структурными фрагментами, определяющими высокое сродство к связываемому субстрату (токсиканту). В настоящей работе модификация гумусовых веществ осуществлялась путем выделения из общей массы супрамолекулярного ансамбля отдельных компонентов, характеризующихся определенными доминантными структурными фрагментами; направленной трансформации макромолекул под воздействием окислительной и криогенной обработки, а также введения в состав молекул реакционноспособных функциональных групп или атомных группировок, проявляющих избирательное сродство к отдельным химическим загрязнителям. В результате
такой модификации получены семь гуминовых препаратов: гуминовые кислоты; криоструктурированные гуминовые кислоты; формилированные (карбонилированные) гуминовые кислоты; азотпроизводные гуминовых кислот; оксигуминовые кислоты; гиматомелановые кислоты; фульвокислоты. Гуминовые препараты проанализированы на элементный состав, содержание кислородсодержищих функциональных групп, молекулярно-массовое распределение.
ABSTRACT
Very issue of the day is research of detoxifying agents for protecting of organisms from the damaging action of ecotoxicants. It is necessary to examine the recept of detoxicants the most optimal variant of decision of this problem on the basis of materials being in natural objects and up to a point rendering positive influence on an environment. For this particular interest is caused by humic substances, widespread in the wild and executing the vast row of ecological functions among that the special value has the protector affecting on contaminated objects. For humic substances the complex affecting ecological processes, due by specialty of their molecular structure is characteristic. Practical use of humic substances as detoxifying materials has difficulty by insufficiency of data about possibility of their specific influence. In this connection aforesaid actual problem can be decided by the directed modification of humic substances for the recept of the supramolecular humic receptors (humic preparations), enriched by structural fragments characterized by high affinity to linked substrate (toxicant). In present work, the modification of humic substances came true by a selection from general mass of supramolecular assemble of separate components, being characterized certain dominant structural fragments, by the directed transformations of macromolecules under act of oxidizing and freezing treatment, and also by introductions in the molecular structure of the functional groups or atomic fragments, showing high affinity to the certain chemical pollutants. As a result of such modification seven humic preparations are got: humic acids; cryostructuring humic acids; formylated (carbonilated) humic acids; nitrogen-derivatives of humic acids; oxihumic acids; himatomelanic acids; fulvic
acid. Humic preparations are analyzed on element composition, on the amount of the functional groups and on the molecular - mass distribution.
Ключевые слова: гуминовые кислоты, элементный анализ, анализ функциональных групп, гель-хроматография.
Keywords: humic acids, elemental analysis, functional group analysis, gelfiltration analysis.
Введение
В настоящее время весьма актуальна проблема изыскания детоксицирующих агентов для защиты организмов от повреждающего действия экотоксикантов. Разработка и использование уникальных технологий инженерных проектов в современном мире вызывает загрязнение окружающей среды, достигающее критического уровня. Основными загрязнителями являются тяжелые металлы, полихлорированные и полиядерные ароматические углеводороды, нефтяные углеводороды и продукты их переработки, содержащиеся в отходах промышленных предприятий, пестициды, гербициды и другие химические средства защиты растений, применяемые в аграрном производстве. Химическое загрязнение оказывает отрицательное воздействие на природные биогеоценозы и в некоторых случаях вызывает их полное разрушение. В связи с этим весьма актуальной проблемой является изыскание детоксицирующих агентов для защиты организмов от повреждающего действия экотоксикантов.
Наиболее оптимальным вариантом решения данной проблемы следует считать получение детоксикантов на основе материалов, присутствующих в природных объектах и в определенной степени оказывающих положительное влияние на окружающую среду. С этой точки зрения особый интерес вызывают гумусовые вещества, широко распространенные в природе и выполняющие обширный ряд экологических функций, среди которых особое значение имеет протекторное воздействие на загрязненные объекты. Практическое целевое
применение гумусовых веществ в качестве детоксицирующих материалов затрудняется ограниченностью данных о возможности их специфического воздействия. Для гумусовых веществ характерно комплексное воздействие на экологические процессы, обусловленное многофункциональностью этих соединений. В этой связи указанная выше актуальная проблема может быть решена путем направленной модификации гумусовых веществ для получения супрамолекулярных гуминовых рецепторов (гуминовых препаратов), обогащенных структурными фрагментами, определяющими высокое сродство к связываемому субстрату (токсиканту).
Объекты и методы исследования
Гуминовые кислоты (ГК) выделены из бурых углей месторождения Кызыл-Кия Кыргызской Республики.
Криоструктурированные гуминовые кислоты (КГК) получены путем пятикратного замораживания исходных образцов ГК при 38 0С с последующим оттаиванием их при температуре 30 0С.
Гиматомелановые кислоты (ГМК) выделены из исходных ГК.
Формилированные гуминовые кислоты (ФГК) получены по реакции Гаттермана-Коха, которая является методом получения ароматических альдегидов непосредственным введением формильного остатка в ароматические ядра при действии СО и НО в присутствии соответствующих катализаторов.
Оксигуминовые кислоты (ОГК) получены окислением гуминовых кислот перманганатом калия.
Азотпроизводные гуминовых кислот (КГК) получены взаимодействием ГК с n-фенилендиамином.
Фульвокислоты (ФК). Кислые растворы после осаждения гуминовых кислот нейтрализовали и пропускали на колонке через слой катионообменных (КУ-2, КУ-2-8, КУ-23) смол, переведенных в Н+ форму многократным
промыванием 1 н раствором HCl или анионообменных смол (Amberlite ХАД-2 или ХАД-8).
Определение содержание углерода, водорода и азота в образцах проводили на анализаторе «Карло Эрба». Серу определяли методом, указанным в работе [3].
Определение карбоксильных групп осуществляли кальций-ацетатным методом. Фенольные группы были определены методом ацетилирования [1]. Степень окисленности (восстановленности) СО рассчитывали по Орлову [2].
Фракционирование и исследование молекулярно-массового распределения исследуемых образцов гуминовых препаратов проводили методом гель-хроматографии с использованием сефадекса G-75. В качестве элюента использован трис-буфер с рН 8,5. Гель-фильтрация ФК и ОКГ выполнялась с использованием Toyopearl-50 HW(S), элюент-фосфатный буфер (рН 6,8). Регистрацию гумусовых кислот на выходе из колонки проводили с использованием УФ детектора при 280 нм.
Результаты исследования
Анализ данных по элементному составу показывают различие долей участия элементов в построении исследуемых препаратов гуминовых веществ. Наиболее обуглероженными по величине массовых процентов являются исходные гуминовые (63,93 %), криоструктурированные (63,70 %) и формилированные гуминовые кислоты (63,40 %). Выражение элементного состава в массовых процентах не дает полного представления о роли отдельных элементов в построении молекул, а также об изменениях, происходящих с гуминовыми веществами при их модификации или трансформации. Более информативное представление получают, используя атомные проценты (таблица 1).
Таблица 1.
Характеристика гуминовых препаратов
Препараты £ « = к а < я с? с ГГ1 Элементный состав органической массы Атомные отношения Степень восстановленное™
Массовые проценты Атомные проценты Н/С О/С
С Н N 5 О С Н N 8 О
ГК 8,97 5,10 63,93 4,07 1,17 0,33 30,50 46,78 35,77 0,70 0,05 16,70 0,76 0,32 -0,05
КГК 13,10 4,85 63,70 4,17 1,17 0,33 30,73 46,19 36,28 0,70 0,09 16,74 0,78 0,36 -0,06
ФГК 14,11 4,73 63,40 4,12 1,0 0,30 31,18 46,20 36,05 0,61 0,07 17,06 0,78 0,37 -0,04
ГМК 7,70 0,55 63,32 5,30 0,70 0,30 30,17 42,19 42,39 0,40 0,07 15,02 1,00 0,35 -0,29
ЫГК 8,40 4,60 63,30 4,20 4,80 0,28 30,47 43,76 36,61 2,96 0,07 16,56 0,83 0,37 -0,08
ФК 7,80 4,40 61,62 4,27 1,05 0,30 32,76 44,53 37,06 0,60 0,08 17,70 0,83 0,32 0,03
ОГК 9,80 3,16 62,18 4,40 0,82 0,01 32,59 44,39 37,66 0,51 0,08 17,37 0,84 0,39 0,06
Указанные выше препараты характеризуются наиболее высоким содержанием углерода и в атомных процентах. Соотношение Н/С, которое обычно относят к повышению содержания алифатических фрагментов в структуре ГВ, возрастает в следующем ряду гуминовых препаратов:
ГМК > ФК > ФК = ЖК > ФГК = КГК > ГК.
И наоборот, снижение Н/С и О/С сопровождается увеличением доли ароматических структур в молекулах ГВ. Самые высокие значения соотношения О/С относятся к ФК, ФГК, МГК, что свидетельствует о значительном вкладе кислородосодержащих функциональных групп, а также периферических фрагментов в структуру этих образцов гуминовых препаратов.
На основании результатов элементного анализа и рассчитанных значений степени окисленности (ю) можно сказать, что все рассматриваемые гуминовые препараты характеризуются отрицательным значением (ю). Наиболее восстановленными являются гиматомелановые кислоты (ю = - 0,29).
Содержание функциональных групп является важной характеристикой, поскольку именно они определяют реакционную способность веществ гумусовых кислот [4; 6]. От содержания кислотных групп зависят многие
характеристики ГВ, такие как полиэлектролитные свойства, конформационная изменчивость, реакционная способность [5; 7].
Результаты исследований по определению содержания кислородсодержащих карбоксильных, фенольных, карбонильных функциональных групп, а также распределения кислорода по структурным фрагментам гуминовых препаратов представлены в таблице 2. Как следует из этих данных, самым высоким содержанием карбоксильных групп отличаются ОКГ. В оксигуминовых кислотах обнаружено максимальное в ряду сравнения содержание и других кислородсодержащих функциональных групп -фенольных и карбонильных. Для ГК, КГК и КГК характерно сходное содержание фенольных групп (2,40-2,44 ммоль/г). Высоким содержанием карбонильных групп обладают образцы ФК, ФГК и ОГК. Результаты расчетов показывают, что от 68,46 % до 90,87 % кислорода в молекулах гуминовых препаратах распределено между тремя типами функциональных групп: карбоксильными, фенольными, карбонильными. Доля кислорода, входящего в состав функциональных групп, выше для ОГК и КГК. Низкими значениями суммарной доли кислорода карбоксильных, фенольных и карбонильных групп характеризуются ГМК и КГК.
Таблица 2.
Характеристика функциональных групп гуминовых препаратов
Препарат Содержание, % Распределение кислорода между функциональными группами, (% ) Общее содержание кислорода ГП, % Доля кислорода функц. групп в общем содержании кислорода,% Доля кислорода, входящего в другие структурные фрагменты
СООН Аг - ОН с=о Учтенный кислород, % СООН Аг -ОН с=о
ммоль/г % ммоль/г % ммоль/г %
ОГК 6,52 29,34 4,08 6,94 2,96 8,28 32,08 20.83 6,53 4,72 35,30 90.87 9,12
ФК 5,81 26,15 3,90 6,63 2,65 7,72 29,03 18,56 6,24 4,23 32,76 88,64 11,38
ГМК 5,00 22,50 1.94 3,29 1,63 4,56 21,66 15,97 3,09 2,60 30,17 71,79 28,20
КГК 5,40 24,30 2,76 3,69 1,60 4,48 24,21 17,25 4,41 2,55 30,73 78,78 21,21
ГК 5,38 24,21 2,64 4,48 1,44 4,03 23,69 17,18 4,21 2,30 30,50 78,49 21,51
ФГК 5,34 24,03 2,40 4,08 1,85 5,18 23,85 17,06 3,84 2,95 30,18 79,02 20,38
жк 4,61 20,74 2,40 4,08 1,44 4,03 20,86 14,72 3,84 2,30 30,47 68,46 31,53
Не все атомы кислорода, входящие в состав исследуемых препаратов, обнаруживаются в указанных функциональных группах. Оставшуюся часть кислорода следует отнести к другим структурным фрагментам, представленным такими группами, как эфирные, сложноэфирные, спиртовые, метоксильные. Кроме того, в ядерной части молекулярного строения ГП могут присутствовать хинонные фрагменты, а также кислородсодержащие гетероциклические структуры. Относительно высокое содержание кислорода, входящего в эту часть структурных фрагментов, наблюдается для ГМК и КГК. По весовым долям (выраженным в процентах) кислорода, входящего в состав функциональных групп, исследованные гуминовые препараты располагаются в следующий ряд:
ОГК > ФК > КГК > ГК > КГК > ФГК > ГМК.
Расположение исследуемых препаратов в этом ряду несколько отличается от их расположения в ряду, построенном по данным об общем содержании кислорода в составе этих веществ:
ОГК > ФК > ФГК > КГК > ГК > ЖК > ГМК.
Разница между расположениями гуминовых препаратов в указанных рядах следует отнести к содержанию кислорода в неидентифицированных структурных фрагментах.
По данным гель-хроматографии, гуминовые препараты разделяются либо на две, либо на три фракции. Главными фракциями являются все же две фракции, при этом для ОКГ, ФК, ГМК и КГК доминирующей по содержанию является фракция, характеризующаяся более высокой молекулярной массой. В гуминовых препаратах, разделяющихся на три фракции (исходные ГК, КГК), доминирует по содержанию вторая фракция, являющаяся также
высокомолекулярной, но характеризующаяся пониженным значением Mw по сравнению с первой фракцией (табл. 3). Для ФМК, которые также разделяются на три фракции, доминирующей является самая высокомолекулярная. Из этих данных следует, что на молекулярно-массовое распределение компонентов супрамолекулярного ансамбля гуминовых кислот
наиболее сильное влияние оказывает воздействие перманганат-ионом. При этом происходит деструкция макромолекул ГК и образование соединений, характеризующихся более низкими молекулярными массами, распределяющимися по аналогии с ФК на две фракции.
Таблица 3.
Средневесовые молекулярные массы ( Mw ) гуминовых препаратов, их
относительное содержание
Препарат Условия гель-фильтрации Фракции
1 2 3
М W , кДа Массовая доля,% М w , кДа Массовая доля,% М W , кДа Массовая доля,%
ГК G-75, элюент- Tris-HCl-буфер, pH=8,2 99,4 33,30 85,0 52,36 27,9 14,34
КГК -//- 85,0 75,4 28,0 24,6 - -
ФГК 92,4 50,82 77,8 34,84 26,9 15,26
ГМК 50,13 79,2 8,30 20,8 - -
КГК -//- 99,4 32,14 85,4 54,72 34,4 13,14
ОГК Toyopearl-50 HW(S) элюент-фосфатный буфер, pH 6,8 25,14 86,0 5,00 14,0 - -
ФК -//- 12,00 79,0 8,00 21,0 - -
Список литературы:
1. Жоробекова Ш.Ж., Королева Р.П. Методы анализа гуминовых веществ. -Бишкек: Илим, 2011. - 160 с.
2. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв. - М.: Изд-во МГУ, 1974. - 332 с.
3. Орлов Д.С. Поглощение света гумусовыми веществами в видимой части спектра // Научн. докл. высшей школы, биологические науки. - 1959. -№ 4. - C. 56-64.
4. Brooks J.D., Sternall S. Chemistry of brown coals, oxyden containing functional groups in victorian brown coals // Australian journal of applied science. - 1957. -V. 8. - P. 487-488.
5. Filer Gy., Redly M. Forms of acidity and acid-base butter capacity of soil // Soil Sci. - 1990. - V. 22 (3). - P. 76-88.
6. Swift R.S. Organic matter characterization // Methods of Soil Analysis: Part 3, Chemical methods (eds D.L., Sparks J.M., Bartels and J.M. Bigham). -Madison. W1. - 1996. - P. 1018-10220.
7. Yonebayashi K., Hattori T. Chemical and biological studies on, environmental humic acids. I Composition of elemental and functional groups of Humic acids // Soil Sci. and Plant nutrition. - Tokyo. - 1998. - V. 34(4). - P. 571-584.
References:
1. Jorobekova Sh.J., Koroleva R.P. The methods of analysis of humic acid. Bishkek, Ilim Publ. 2011. 160 p. (In Russian)
2. Orlov D.S. The humic acid of soil. Moscow, MGU Publ., 1974. 332 p. (In Russian)
3. Orlov D.S. The absorbance of light by humic substances in visible part of spectra. Nauchn. dokl. vysshei shkoly, biologicheskie nauki [Sciences report of high school, biological sciences]. 1959, no.4. pp. 56-64. (In Russian)
4. Brooks J.D. and Sternall S. Chemistry of brown coals, oxyden containing functional groups in victorian brown coals. Australian journal of applied science. 1957. v. 8. P. 487-488.
5. Filer Gy., Redly M. Forms of acidity and acid-base butter capacity of soil. Soil Sci. 1990. v. 22 (3). P. 76-88.
6. Swift R.S. Organic matter characterization. In: Methods of Soil Analysis: Part 3, Chemical methods (eds D.L., Sparks J.M., Bartels and J.M. Bigham). Madison. W1. 1996. P. 1018-1020.
7. Yonebayashi K., Hattori T. Chemical and biological studies on, environmental humic, acids. I Composition of elemental and functional groups of Humic acids. Soil Sci. and Plant nutrition. Tokyo. 1998. v. 34(4). P. 571-584.
