CC BY
37
Биологий Ьь
влияние ботанического состава и
СТЕПЕНИ разложения ТОРфОВ СРЕДНЕгО приобья на особенности структуры
МАКРОМОЛЕКУЛ гУМИНОВых КИСЛОТ
М. п. сартаков, кандидат биологических наук, доцент, Югорский государственный университет
628012, г. Ханты-Мансийск, ул. Пионерская, д. 120, кв. 8; e-mail: [email protected]
Ключевые слова: гуминовые кислоты, Среднее Приобье, торфы, ботанический состав, степень разложения. Keywords: Humic acids, Middle Priobye, peat, botanical structure, decomposition degree.
Химическая природа и молекулярная структура гуминовых кислот торфов Среднего Приобья связана с особенностями региона, которые обусловлены, прежде всего, специфическим ботаническим составом растений-торфообразователей, где олиготрофность низинных торфов возрастает в направлении с юга на север, а величина степени разложения отражает
условия избыточного увлажнения и температурный режим, в которых формируются соответствующие торфы.
В настоящее время к торфяным болотам проявляется интерес с различных позиций. Их можно рассматривать не только как месторождения полезных ископаемых, но и как важный резерв расширения аграрного производства.
Это приобретает огромный смысл в рамках гипотезы о потеплении климата. В таком случае зона сельскохозяйственного использования земель закономерно будет смещаться на север. Несмотря на дискуссионность таких представлений, они находят подтверждение в реальных фактах.
Объекты и методы исследования.
Таблица 1
Ботанический состав исследованных торфов, данные элементного анализа и ЯМР 13С
№ образца ГК Основное торфообразующее растение, % R, % Тип и вид торфа Элементный состав, % масс. Атомное отношение ЯМР С alkyl ЯМР
С 1 Н 1 N 1 O Н/С 1 О/С
1 ГРУППА - ДРЕВЕСНЫЕ
7.4 Нет данных 10 Древесный переходный 52,66 4,38 2,09 40,87 0,99 0,58 34,9 14,6+34,4
4.10 Сосна-15, кустарнички-45 15 Сосново- кустарничковый верховой 51,14 5,15 2,68 41,03 1,20 0,60 28,5 11,2+43,4
4.11 Береза пушистая-65 25 Древесный переходный 60,32 4,58 1,89 33,21 0,90 0,41 43,9 9,0+31,9
1.2 Сосна -70 25 Древесный переходный 56,11 4,90 2,00 36,99 1,04 0,49 33,6 8,5+39,7
3.1 Береза пушистая-45, вахта-45 30 Древесно-травяной, переходный 62,03 5,26 1,78 30,93 1,01 0,37 39,1 10,7+39,6
3.2 Береза пушистая-35, вахта-50 35 Древесно-травяной, переходный 58,87 5,21 2,10 33,82 1,05 0,43 38,6 12,0+35,8
5.4 Береза пушистая-65 45 Древесный переходный 58,45 5,69 3,08 32,78 1,16 0,42 32,1 10,7+42,9
2.6 Сосна-45, кустарники-10, осоки-15 50 Древесный переходный 57,73 5,28 1,73 35,26 1,09 0,53 38,5 9,8+35,4
2 ГРУППА - ОСОКОВЫЕ
4.4 Осока дернистая-100 10 Осоковый низинный 64,18 5,33 2,34 28,15 0,99 0,33 44,7 11,9+34,5
7.1 Осока-30, вахта-20 15 Травяной переходный 40,22 3,55 2,91 53,32 1,05 0,99 30,7 13,9+38,5
2.12 Осока-80 15 Осоковый переходный 58,40 4,69 2,41 34,50 0,95 0,44 33,2 8,2+43,3
3.5 Осоки-50, вахта-35 25 Травяной низинный 60,28 5,33 2,58 31,81 1,05 0,40 33,4 12,0+40,6
6.3 Нет данных 25 Осоковый низинный 42,04 3,60 2,72 51,64 1,02 0,92 38,1 13,5+31,2
2.9 Осока-55, фvскvм-15 30 Осоковый верховой 59,23 4,86 1,89 34,02 0,92 0,47 41,0 9,8+32,7
5.2 Осока-75 35 Осоковый переходный 61,74 5,23 2,51 30,52 1,01 0,37 40,6 11,4+33,8
5.3 Осока-55, вахта-20 35 Осоковый переходный 49,20 4,44 1,72 44,64 1,07 0,68 38,5 6,6+42,4
4.9 Осоки-75 40 Осоковый переходный 59,60 4,47 2,08 33,85 0,89 0,43 47,0 8,2+34,4
5.1 Осоки-90 45 Осоковый переходный 58,80 4,58 2,38 34,24 0,92 0,44 44,7 7,7+31,7
2.3 Осоки-45, вахта-40 45 Травяной переходный 58,61 4,87 1,63 34,89 0,99 0,51 45,4 11+26,1
2.5 Осоки-90 50 Осоковый переходной 60,96 5.26 2,21 31,57 1,01 0,46 40,1 9,5+33,8
2.11 Осоки-55,вахта-15 55 Осоковый переходный 60,45 4,55 2,32 32,68 0,89 0,40 40,7 7,3+39,2
2.4 н Осоки-50, береза-30 65 Древесно-осоковый низинный 60,78 4,63 1,86 32,73 0,90 0,47 42,0 9,9+31,9
3 ГРУППА - ФУСКУМ
6.2 Сфагнум-фускум-85 0 Фускум-торф верховой 41,41 3,80 2,52 52,27 1,09 0,95 34,2 10,7+35,5
6.1 Сфагнум-фускум-100 15 Фускум-торф верховой 49,20 3,94 1,52 45,34 0,95 0,69 37,6 7,0+36,0
1.3 Сфагнум-фускум-80 15 Фускум-торф верховой 61,09 4,43 1,08 33,40 0,86 0,41 38,3 10,3+34,8
1.4 Сфагнум-фускум-90 15 Фускум-торф верховой 46,33 4,18 1,66 47,83 1,07 0,77 39,9 8,2+30,3
3.4 Сфагнум-фускум-75, пушица-15 20 Фускум-торф верховой 57,66 4,83 2,04 35,47 0,99 0,46 36,2 7,9+41,0
2.7 Сфагнум-фускум-85 40 Фускум-торф верховой 60,87 5,20 2,21 31,72 0,98 0,50 43,6 8,6+31,3
2.8 Сфагнум-фускум-85 55 Фускум-торф верховой 61,19 4,73 1,42 32,66 1,02 0,46 36,3 13,1+32,6
4.1 Сфагнум-фускум-55, пушица-30 65 Пушицево-сфагновый верховой 57,87 4,46 1,86 35,81 0,92 0,46 43,5 6,9+33,3
www.m-avu. narod. ru
ІЗ
Биология ІЬ-
30 образцов были отобраны из поверхностных слоев верховых, переходных и низинных торфов Нефтеюган-ского (образцы 1.2, 1.4), Ханты-мансийского (образцы 2.3-2.8, 2.11, 2.12), Октябрьского (образцы 3.1, 3.2, 3.4), Белоярского (образцы 4.1, 4.9-4.11, 5.1-5.4), Кондинского (образцы 6.1-6.3), Березовского (образцы 7.1, 7.4) и Сургутского (образец 8.1) районов Ханты-Мансийского АО. Образцы были разделены на 3 группы по основному виду торфообразующего растения и расположены по мере возрастания степени разложения (R). Места взятия образцов указаны на рисунке 1.
Извлечение и очистку ГК проводили по ранее описанной методике [1].
Элементный анализ выполнен на CHN анализаторе фирмы Carlo Erba mod. 1106. Термический анализ гуминовых кислот был проведен на синхронном термоанализаторе STA 409 PC Luxx (фирмы Netzsch). Спектры ЯМР 13С получены надск/( спектрометре DRX-500 фирмы Bruker на частоте 125,76 МГц. Далее спектры были проинтегрированы (в %) по объединенным интервалам для карбоксильного (160-200 м. д), ароматического(90-160 м. д.), полисахаридного (65-90 м. д.) и алифатического (0-65 м. д.) углерода.
Полученные результаты представлены в таблице 1.
Результаты исследований
Н аи бол ее ва жный по казате ль,
используемый для характеристики ГК по элементному составу, - это отношение Н:С. Для всех исследуемых ГК этот показатель довольно однороден и находится в диапазоне от 0,86 до 1,20, причем его среднее значение равно 1,00, что является типичным показателем для ГК торфов. При этом среднее значение Н/С первой группы несколько выше единицы (1,05), а второй и третьей группы - ниже (0,98). Наибольшую обогащенность кислородом (максимум О/С) показывают образцы с низкой степенью разложения как осокового, так и фускум торфа. Диапазоны содержания элементов:
для ГК древесных торфов С 51,1-62,0 %,
Н 4,4-5,7 %, N 1,7-3,1 %, O 30,9-41,0 %;
для ГК осоковых торфов С 40,2-64,2 %,
Н 3,6-5,3 %, N 1,6-2,9 %, О 28,2-53,3 %;
для ГК фускум торфов С 41,4-61,2 %, Н 3,8-5,2 %, N 1,1 -2,5 %, О 31,7-52,3 %.
Средний элементный состав ГК первой и второй группы практически совпадают в пределах погрешности определения каждого элемента, в то время как средний элементный состав ГК фускум торфа отличается меньшим содержанием углерода и азота.
Наибольшее относительное содержание ароматического углерода (среднее значение - 40.0 %) определяется в ГК осокового торфа, наименьшее - для ГК древесного торфа. Отношение Сд|_ку|_/ СА|?ом больше для 1 группы ГК и составляет 1,25, а для второй и третьей группы эти отношения совпадают и составляют 1,13, что согласуется с данными по элементному анализу.
Количество исследованных образцов позволяет говорить о закономерностях
Места взятия образцов торфа *Примечание к рисунку и таблице: первая цифра шифра образца указувает на район отбора образцов торфа (1 - Нефтеюганский, 2 - Ханты-Мансийский, 3 - Октябрьский, 4, 5 -Белоярский, 6 - Кондинский, 7 - Березовский и 8 - Сургутский).
Термограммы ГКторфов со степенью разложения 15 %
термического разложения различных ГК. Общее для всех образцов - две стадии разложения ГК (первый температурный максимум - 330-350°, второй температурный максимум - 490-600о). Для ГК, выделенных из древесных торфов, характерна значительная разница в величине тепловых эффектов первого и второго максимумов (рис. 2, 3). Причем для образцов, содержащих в своем ботаническом составе березу, второй максимум сдвинут в область высоких температур и составляет 550-560о, в отличие от большинства образцов (510-530о). Абрисы всех термограмм ГК осокового торфа практически совпадают: первый температурный максимум составляет 340о, второй - 530о, тепловые эффекты для них приблизительно равные. Однако здесь есть и два исключения - образцы с большим тепловым эффектом на втором максимуме. Можно предположить, что в ботаническом составе этих торфов, основным торфообразователем которых является осока, есть древесина. И действительно, в каждом из них есть 10 % березы. Абрис термограмм ГК фускум торфа напоминает термограммы ГК осокового торфа, однако второй максимум здесь несколько ниже - 520о.
Выводы.
Впервые с использованием современных инструментальных методов получены данные о составе и молекулярном строении гуминовых кислот торфов Среднего Приобья, которые различаются в зависимости от ботанического состава растений-торфообразователей и их
Термограммы ГК торфов со степенью разложения 50 %
...... ГК из осокового торфа,
.........ГК из фускум торфа,
----- ГК из древесного торфа
степени разложения.
2. Элементный состав гуминовых кислот торфов неодинаков и соответствует условиям торфообразования. Отношения Н:С для исследованных торфов колеблются в приделах от 0,85 до 1,20.
3.На основе результатов элементного анализа и ЯМР 13С - спектроскопии исследований установлена двучлен-ность макромолекул гуминовых кислот и выявлена зависимость соотношения бензоидной части молекулы и алифатической, характеризующей «зрелость» гуминовых кислот. По этому признаку выделены 2 группы гуминовых кислот со средним значением Н:С < 1 и > 1.
4. Термическая устойчивость макромолекул ГК Среднего Приобья характеризуется типичными тепловыми эффектами и эффектами деструкции макромолекул от 220 до 4000 и от 400 до 8000, что подтверждает двучленность строения макромолекул. Различие ГК, разных по ботаническому составу и степени разложения торфов, особенно ярко выражается в арбисе кривых ДСК.
5. Если рассматривать гуминовые кислот торфов Среднего Приобья по географическому положению ландшафтных провинций на территории Ханты-Мансийского автономного округа, то применительно к данной территории различий в их структуре не обнаруживается.
Литература
1. Комиссаров И. Д. Стрельцова И. Н. Влияние способа извлечения гуминовых кислот из сырья на химический состав полученных препаратов / Научные труды Тюменского СХИ. Т. 14. Тюмень, 1971. С. 34—48.
2. Тихова В. Д., Сартаков М. П., Комиссаров И. Д. Использование современного термического анализа для исследования гуминовых кислот торфа / Труды 4-ой Международной конференции «Гуминовые вещества в биосфере». 19-21 декабря, 2007 г. СПб. : Изд-во СПбГУ, 2007.
14 www. m-avu. narod. ru
