CC BY
222
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
МСХ РФ / В.Ф. Федоренко. - М.: Росинформагро-тех, 2008. - 148 с.
12. Рубан, И.Н. Использование информационных нанобиотехнологий для анализа, прогноза и улучшения (стабилизации) экологической ситуации: в кн. Современное состояние лесного хозяйства и озеленения в Республике Казахстан: проблемы, пути их решения и перспективы / И.Н. Рубан, Н.Л. Воропаева, О.В. Лебедев и др. - Алма-Аты, 2007. - С. 265-268.
13. Тарчевский, В.П. Сигнальные системы клеток растений / В.П. Тарчевский. - М.: Наука, 2001. - 348 с.
14. Озерковская, О.Л. Проблемы специфического иммунитета / О.Л. Озерковская // Физиология растений, 2002. - Т 49. - С. 148-154.
15. Тютерев, Л. Научные основы индуцированной болезнеустойчивости растений / Л. Тютерев. - СПб., 2002. - 328 с.
16. Рубан, И.Н. К проблеме использования нанотехнологий в предпосевной подготовке семян. В кн. Селекция сортов риса, устойчивых к абиотическим и биотическим стрессам, для стран умеренного климата и Центральной Азии / И.Н. Рубан, Н.Л. Воропаева, М.Д. Шарипов. - Краснодар: ВНИИ риса, 2008. - С. 165-171.
17. Руге, У Практикум по физиологии роста и развития растений / У Руге. - М.: Иностранная литература, 1955. - 192 с.
18. ГОСТ 12038-84. Определение всхожести. Семена сельскохозяйственных культур.
19. Семена сельскохозяйственных культур. Сортовые и посевные качества. - М., 2010. - 424 с.
20. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта / Б.А. Доспехов.- М.: Колос, 1983. - 420 с.
21. Доспехов, Б.А. Планирование полевого опыта и статистическая обработка его данных / Б.А. Доспехов.- М.: Колос, 1972. - 207с.
22. Нижегородов, А. Вермикулит и вермикулитовые технологии / А. Нижегородов. - Иркутск: Бизнес-Строй, 2008. - 500 с.
23. Rashidova S. Sh., Ruban I. N., Voropaeva N. L. Biologically active agricultural polymers (mechanism of action on plants). The polymeric materials encyclopedia.- USA, 1996, V. 2. p. 615-628.
24. Ruban, N. Voropaeva, M.Sharipov, Magarshak Yu.B. Modern risks of the antropogenic influence on living spieces: nano-level fluctuations. In the book Silicon Versus Carbon. Fundamental nanoprocesses, nanobiotechnology and risks assessment. Shpringer,
2009. р.353-377.
25. I Heng Yina, Xiaoming Zhao, Yuguang Du. Oligochitosan: A plant diseases vaccine-A review. -Carbohydrate Polymers.Volume 82, Issue 1, 2 August
2010, р. 1-8.
26. I Ruban, M.Sharipov, N.Voropaeva. Native nanoobjects and technology increasing their stability to enviroment unfavouralle factors. In the book XIV Intern. Workshop on Bioencapsulation, Lausanna, Switzerland, 2006, p. 435-437.
27. I.N. Ruban, N.L.Voropaeva, M.D. Sharipov. Natural nanoobject, nanostructure, nanoproperty, nanotechnology. On the book Nanobiotechnologies in agriculture. Moscow, Russia.: Timiryazevskaya Academy.- 2008. С. 135-145.
28. I.Ruban, N. Voropaeva, M.Sharipov, O. Figovsky. The risks connected with use of polymeric nanostructures in technologies of seeds treatment before sowing. Journal «Scientific Israel-Technological Advantages», 2010, V.12, № 1, p. 99-119.
29. I. Ruban, N. Voropaeva et.al. Biologically active multifunctional nanochips and method application thereof for production of high-quality seed. Патент US 2011/0000411 A1, 2011.
ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА СВОЙСТВА ПОЧВ
ГН. ФЕДОТОВ, ст. научн. сотр. Института экологического почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, д-р биол. наук,
Т.Ф. РУДОМЕТКИНА, ст. научн. сотр. Института экологического почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, канд. хим. наук,
В.С. ШАЛАЕВ, проф. директорИСИЛМГУЛ,
Почва представляет собой систему, функционирующую как единое целое, и ее целостность обеспечивают почвенные гели, покрывающие и связывающие почвенные частицы между собой [1-5]. Фактически почвенные гели являются системообразующим
д-р техн. наук
gennadiy.fedotov@gmail.com
компонентом почвы, превращая смесь частиц в единую систему (система - целостность, возникающая за счет функционального взаимодействия входящих в нее частей ).
Изучение почвенных гелей позволило сделать вывод о том, что их основой является
36
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
гумусовый студень (студни - структурированные (твердообразные) системы, состоящие из высокомолекулярных веществ и низкомолекулярных жидкостей), армированный минеральными частицами [6, 7]. Дальнейшие исследования показали, что гумусовая матрица имеет многоуровневую структурную организацию и основным элементом почвенных гелей является фрактальный кластер из супермолекул гумусовых веществ (ГВ) [8].
При изучении почв было показано, что введение небольших количеств поверхностно-активных веществ (ПАВ) приводит к значительному увеличению водоустойчивости почвенной структуры [9]. При этом изменяются образующие фрактальные кластеры супермолекулы, а в гумусовой матрице наблюдается возникновение микро- и наноструктурной сегрегации. Меняется также фракционный состав ГВ, выделяемых из почв [10].
Все эти данные позволили предположить, что молекулы ПАВ встраиваются в супермолекулы ГВ, изменяя их размер и свойства, что приводит к перестройке фрактальных кластеров и самих гелей. Однако подобная гипотеза нуждалась в экспериментальной проверке.
Целью работы являлось изучение механизма влияния поверхностно-активных веществ на свойства почв.
В качестве объектов исследования использовали образцы, отобранные из гумусовоаккумулятивного горизонта дерново-подзолистой почвы из окрестностей поймы р. Яхрома, в которые вводили различные количества ПАВ: олеата натрия, Tween 20 (полиоксиэтилен (20) сорбитан монолаурат), Tween 60 (полиоксиэтилен (20) сорбитан моностеарат).
Для определения гидролитической кислотности и каталазной активности образцы почв с добавками ПАВ готовили следующим образом: к 50 г дерново-подзолистой почвы, просеянной через сито с размером ячеек 1 мм и помещенной в полиэтиленовый стакан емкостью 100 мл, добавляли пипеткой 10,0 мл дистиллированной воды и хорошо перемешивали. Стакан с почвой накрывали часовым стеклом и помещали в эксикатор, на дно которого предварительно наливали немного дистиллирован-
ной воды. В эксикатор помещали стаканчик с толуолом для предотвращения развития микрофлоры. Эксикатор герметично закрывали крышкой и оставляли на сутки до набухания почвы. На следующий день вводили пипеткой 10,5 мл свежеприготовленного раствора ПАВ необходимой концентрации, хорошо перемешивали и снова помещали в тот же эксикатор на сутки. После этого стакан с почвой переносили в сушильный шкаф и высушивали почву при 40°С. Полученную почву растирали в фарфоровой ступке и использовали для проведения исследований. Всегда использовали только свежеприготовленную почву, модифицированную ПАВ.
Контрольную пробу дерново-подзолистой почвы, не содержащую ПАВ, обрабатывали водой в тех же условиях, что и готовили модифицированную почву.
Для приготовления агрегатов с ПАВ для определения набухания в каждый агрегат ввели по 10 мкл дистиллированной воды из микродозатора. Увлажненные агрегаты в чашке Петри помещали в эксикатор с дистиллированной водой. В эксикатор помещали стаканчик с толуолом для предотвращения развития микрофлоры. Эксикатор герметично закрывали крышкой и оставляли на сутки. В набухшие агрегаты вводили микродозатором по 10 мкл растворов ПАВ необходимой концентрации и снова помещали в эксикатор на срок не менее 1 суток. Затем агрегаты помещали в сушильный шкаф и удаляли воду при 40°С.
Гидролитическую кислотность и каталазную активность определяли по общепринятым методикам [11, 12].
Исследование набухания агрегатов проводили на 40 агрегатах размером 4,0-4,5 мм.
При исследовании набухания агрегатов каждый из них был сфотографирован с использованием телелупы БТП-1332А в видимом свете. Изображения сфотографированных агрегатов были распечатаны на стандартной бумаге для принтеров, и каждый агрегат вырезан ножницами по контуру изображения. Вырезанные изображения агрегатов были взвешены на аналитических весах c точностью до 4-го десятичного знака.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
37
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
Рис. 1. Влияние олеата натрия на водоустойчивость почвенной структуры (а), гидролитическую кислотность (б) и каталазную активность дерново-подзолистой почвы
Сфотографированные агрегаты на подложке из фильтровальной бумаги были помещены в чашку Петри с увлажненным песком для набухания в герметично закрываемой кювете, на дне которой было налито небольшое количество воды. Время набухания - одни
Рис. 2. Влияние Tween 20 на водоустойчивость почвенной структуры (а), гидролитическую кислотность (б) и каталазную активность дерновоподзолистой почвы
сутки. После этого каждый агрегат был вновь сфотографирован. Изображения набухших агрегатов были также распечатаны, вырезаны и взвешены. С использованием массы вырезанных набухших и исходных агрегатов был рассчитан средний коэффициент набухания.
38
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
При определении водоустойчивости почвенной структуры за основу нами был выбран метод, предложенный П.И. Андриановым в модификации Н.А. Качинского [13], в котором учитывалось количество распавшихся в стоячей воде почвенных агрегатов за определенные интервалы времени. Однако в методику были внесены изменения, связанные с изучением распада в стоячей воде предварительно увлажненных почвенных агрегатов.
В решетку, состоящую из 64 отверстий диаметром 6 мм, каждое из которых снизу было поделено пополам проволокой диаметром 1 мм, помещали почвенные агрегаты размером 4,5-5 мм. В них предварительно до помещения в решетку вносили по 10 мкл воды и выдерживали во влажной атмосфере в течение нескольких суток для завершения процесса набухания почвенных гелей.
При изучении влияния модификаторов на водопрочность почвенных агрегатов в них после завершения процесса набухания почвенных гелей вносили в каждый агрегат по 10 мкл растворов ПАВ и оставляли еще на сутки во влажной атмосфере, предполагая, что при такой постановке эксперимента имитируются почвенные условия - модификаторы взаимодействуют с набухшими почвенными гелями.
Для проведения исследований по определению водоустойчивости решетку с образцами помещали в УЗ-ванну. Воду сначала наливали в небольшом количестве так, чтобы она не доставала до решетки, затем постепенно поднимали уровень воды так, чтобы он был приблизительно на 0,5-1 см выше агрегатов. Как только агрегаты насыщались водой, включали УЗ и секундомер. Каждую минуту подсчитывали число распавшихся агрегатов. Агрегат считали распавшимся, если он полностью провалился в отверстие решетки. Время наблюдения составляло 10 мин.
Распад каждого из 64 агрегатов в воде происходит за разное время, поэтому для установления их средней водоустойчивости в расчет вводится коэффициент, который характеризует водоустойчивость агрегатов в процентах в зависимости от времени их разруше-
ния. Для агрегатов, разрушившихся в течение первой минуты, он равен 5 %, 2-й - 15 %, 3- 25 %, 4-й - 35 %, 5-й - 45 %, 6-й - 55 %, 7- 65 %, 8-й - 75 %, 9-й - 85 %, 10-й - 95 %. Неразрушившихся в течение 10 мин. - 100 %.
Водоустойчивость структуры оценивали по показателю водоустойчивости (К), %
венной структуры (а), гидролитическую кислотность (б) и каталазную активность дерновоподзолистой почвы
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2012
39
Sc Sc
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
K = (К) + (М2) + ... + (nkJ}/A, где а, в,... - количество агрегатов, распавшихся в m-ю минуту; n - количество нераспавшихся за 10 мин. агрегатов;
k k , kn - поправочный коэффициент;
А - общее количество агрегатов, взятых для анализа.
Погрешность определения показателя водоустойчивости не превышала 10 %.
Изучение наноструктурной организации почвенных гелей проводили, выделяя гели обработкой дистиллированной водой воздушно-сухих образцов почв [7] до и после внесения в них модификаторов. Гелевые пленки, поднимающиеся на поверхности воды, помещали на атомно-гладкую поверхность слюды.
Исследование проводили при помощи растрового электронного микроскопа JEOL-6060A (фирмы JEOL, Япония) с вольфрамовым катодом. На образцы перед исследованием напыляли платину, используя установку JFC-1600 (фирмы JEOL, Япония).
Полученные результаты по влиянию добавок ПАВ на свойства почв представлены на графиках (рис. 1-3) и в таблице.
Прежде чем начать анализ полученных результатов, необходимо оценить пути влияния структурных изменений гумусовой матрицы на свойства почв, а также возможные изменения структурной организации гумусовой матрицы почвенных гелей при попадании в нее молекул ПАВ.
Гидролитическая кислотность обусловлена ионами водорода, более прочно свя-
Таблица
Изменение коэффициента объемного набухания почвенных агрегатов (Коб)
при введении в дерново-подзолистую почву различных добавок
Добавки Количество добавок, кг/га Коб
Исх д. п. п 0 1,357 ± 0,002
Tween 20 300 1,320 ± 0,004
Tween 60 30 1,556 ± 0,002
300 1,621 ± 0,007
Олеат натрия 9,4 300 1,548 ± 0,004 1,530 ± 0,005
Са2+ 9600 1,389 ± 0,003
занными с коллоидной составляющей почв и вытесняемыми при взаимодействии с растворами гидролитически щелочных солей или щелочей. Ионы водорода в гумусовой матрице находятся в карбоксильных и фенольных группах. При введении ПАВ происходит уменьшение гидролитической кислотности, хотя характер изменения для каждого ПАВ свой. Взаимодействовать с кислотными группами гумусовой матрицы молекулы ПАВ не могут в силу своего химического строения. Следовательно, они вызывают изменения, которые приводят к уменьшению ионизации. Можно предложить два механизма, которые приводят к подобному результату. Один хорошо известен для полиэлектролитов [14] - при увеличении концентрации кислотных групп в единице объема степень их ионизации падает. Второй связан с влиянием активности воды на диссоциацию слабых электролитов - чем ниже активность воды, тем ниже степень их диссоциации. Это позволяет сделать вывод, что введение молекул ПАВ уменьшает активность воды во фрактальных кластерах из супермолекул ГВ и может приводить к структурным изменениям в гумусовой матрице, при которых часть кислотных групп сближается и начинает располагаться в меньшем объеме.
При добавлении большинства ПАВ набухание почвенных агрегатов возрастает (табл. 1). Можно предположить, что набухание почвенных гелей - гумусовой матрицы связано, в первую очередь, с повышением гидрофильности и перестройкой фрактальных кластеров из супермолекул ГВ - с увеличением их размеров. Механизм этого процесса основан на том, что в растворе вблизи гидрофильных участков поверхности супермолекул ГВ существуют ионные атмосферы, перекрывание которых термодинамически невыгодно. Поэтому они должны стремиться располагаться как можно дальше друг от друга. Гидрофобные же области супермолекул ГВ стремятся контактировать между собой, уменьшая свой контакт с водой и увеличивая тем самым трансляционную энтропию воды и системы в целом [15]. Это подтверждается данными по уменьшению фрактальной раз-
40
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
Рис. 4. Электронно-микроскопические фотографии почвенных гелей, выделенных из дерново-подзолистой почвы, модифицированной различными ПАВ: а. олеат натрия, 9,4 кг/га; б. Tween 20, 75 кг/га
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
41
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
мерности почв при их увлажнении, полученными методом малоуглового рассеяния нейтронов [16].
Каталаза в силу своего размера не может входить в супермолекулы ГВ и должна встраиваться во фрактальные кластеры из супермолекул ГВ. Причина снижения каталазной активности при введении в почву ПАВ может быть связана с тем, что при перестройках в гумусовой матрице часть экзогенных ферментов должна попадать в более плотные области. В результате может произойти искажение четвертичной структуры фермента, что приводит к его инактивации [12, 17].
Изменение водоустойчивости почвенной структуры под влиянием ПАВ является с прикладной точки зрения одним из самых интересных и важных моментов [9]. Имеющиеся сведения о структурной организации почвенных гелей [8] позволяют предположить, что их водоустойчивость, обусловливающая водоустойчивость почв, определяется взаимодействием между фрактальными кластерами из супермолекул ГВ в почвенных гелях. По-видимому, чем больше связей и они прочнее между фрактальными кластерами, тем более водоустойчива почвенная структура. В связи с тем, что супермолекулы ГВ во фрактальных кластерах имеют мозаичную - гидрофильно-гидрофобную поверхность, связи между этими кластерами в водной среде могут возникать только за счет взаимодействия гидрофобных областей. Как следствие, чем больше количество гидрофобных областей, по которым происходит взаимодействие между кластерами, тем выше водоустойчивость почвенной структуры. Следовательно, на повышение водоустойчивости должно влиять несколько факторов: степень взаимопроникновения фрактальных кластеров друг в друга, количество гидрофобных участков в единице объема кластера, по которым они могут взаимодействовать между собой, и средняя энергия возникающих связей.
После того, как мы выдвинули предположения о путях влияния ПАВ на различные свойства почв, имеет смысл рассмотреть направление изменения структуры гумусовой матрицы при вхождении в нее молекул ПАВ.
Как мы уже отмечали выше, при попадании молекул ПАВ в почвы происходит перестройка супермолекул ГВ [10]. В результате подобной перестройки возможно изменение соотношения между гидрофильными и гидрофобными областями супермолекул ГВ. Следствием этого может являться прохождение различных процессов изменения структуры:
1. Повышение гидрофобности супермолекул ГВ приведет к образованию прочных гидрофобных областей при высушивании почв и затруднению набухания супермолекул ГВ при их взаимодействии с водой.
2. Повышение гидрофильности супермолекул ГВ, как это ни парадоксально, может приводить к аналогичному результату. При высушивании почвы, по-видимому, возникают замкнутые гидрофильные области, которые и обеспечивают прочность сухих почв. Более высокая гидрофильность супермолекул ГВ может приводить к снижению выигрыша энергии при разворачивании фрактальных кластеров из супермолекул ГВ и замедлению этого процесса.
3. Как повышение гидрофильности супермолекул ГВ, так и повышение их гидро-фобности могут приводить к качественному изменению проходящих процессов. От роста или снижения доли гидрофильных областей возможен переход к перестройке супермолекул ГВ с сегрегацией их на более гидрофильные и более гидрофобные области, которые на первом этапе могут входить в состав кластеров, но при превышении их доли начнут выделяться в виде отдельной фазы.
4. Следствием подобных структурных перестроек будет немонотонное от концентрации добавок ПАВ изменение почвенных свойств.
Необходимо отметить, что определение гидролитической кислотности и каталазной активности проводили в соответствии с методиками с использованием высушенных почвенных образцов, контактирующих с водой 30-60 мин. и не приходящих с ней в равновесное состояние. В то же время определение степени набухания почв и водоустойчивости почвенной структуры проводили на
42
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
образцах, практически пришедших в равновесное состояние с водой.
Следует также обратить внимание на еще одно важное обстоятельство. Казалось бы, лучшим методом определения начала сегрегации и степени прохождения этого процесса в гумусовой матрице почвенных гелей является электронно-микроскопическое исследование гелевых пленок, поднимающихся на поверхность воды при увлажнении воздушно-сухих почв. Однако это не соответствует действительности по ряду причин.
Во-первых, на поверхность воды поднимаются гели из разных областей почвенного образца, сильно отличающиеся друг от друга по степени микро- и наносегрегации. Поэтому делать выводы о свойствах всего почвенного образца не представляется возможным. В поднимающихся на поверхность воды гелевых пленках можно найти области гелей практически любой степени микро- и наносегрегации, и отличаются они по количеству разных областей. Поэтому попытка изучения этим методом влияния концентрации ПАВ на степень микро- и наносегрегации не приводит к успеху. Можно отличить только образцы гелей, которые кардинально отличаются друг от друга.
Во-вторых, изучая образец при помощи электронного микроскопа, мы можем наблюдать области, отличающиеся по характеру взаимодействия с электронным пучком. Прежде всего, при изучении органических образцов, к которым относятся и гелевые пленки на основе ГВ, речь идет о плотности упаковки органических молекул - плотности образца. При этом рассматривается два варианта, в которых могут существовать составляющие органической матрицы почвенных гелей - плотное (гидрофобное) и менее плотное (гидрофильное). В этих условиях принимается существование только одного перехода: гидрофильное ^ гидрофобное.
Однако подобный подход с позиции «да-нет» вызывает сомнения, так как нет никаких доказательств об отсутствии промежуточных по степени гидрофобности стабильных состояний, различимых при помощи РЭМ:
гидрофильное ^ промежуточное 1 ^ промежуточное 2 ^......и т.д. ^ ^ гид-
рофобное.
В этих условиях получение необходимой количественной информации при помощи РЭМ о свойствах почв и их изменениях при введении в почвы модификаторов при наличии в органической составляющей почвенной гелевой матрицы одного структурного перехода трудозатратно и малопроизводительно, а при наличии нескольких переходов неосуществимо в принципе.
Все это необходимо учитывать при анализе результатов.
Рассмотрим данные, полученные при изучении систем с олеатом натрия (рис. 1, таблица).
Из них следует, что:
- ластеры из супермолекул ГВ сильно набухают - их гидрофильность растет скачкообразно при попадании в почву олеата натрия, а затем практически не изменяется;
- прочность связи между кластерами сначала возрастает, а затем с ростом количества олеата натрия начинает убывать;
- количество ионизируемых групп с ростом содержания олеата натрия в непришедших в равновесие с водой образцах почв убывает;
- при изменении фрактальных кластеров из супермолекул ГВ каталаза в не пришедших в равновесие с водой образцах почв сначала попадает в стесненные условия, а затем с ростом содержания олеата натрия стесненность уменьшается;
- для всех почвенных свойств существуют области экстремумов, и они для разных свойств совпадают.
В полученных результатах можно отметить, что одновременно наблюдается и рост гидрофильности (по набуханию), и снижение гидролитической кислотности и каталазной активности при попадании ПАВ в почву. Подобное может происходить только при росте не гидрофобности, а гидрофильности при введении ПАВ в почвы. Как было отмечено выше, при высушивании почв возникают замкнутые гидрофильные области, в которые входит каталаза и карбоксильные группы.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
43
Биологические аспекты применения наноматериалов и нанотехнологий в лесном хозяйстве
В результате возникновения кластеров большего размера и пористости при введении в почвы олеата натрия усиливается взаимопроникновение кластеров друг в друга и возрастает количество связей между ними. Как следствие, наблюдается рост водоустойчивости.
Однако по достижении некоторого предела по количеству ПАВ рост гидрофиль-ности фрактальных кластеров приводит к уменьшению прочности связей между ними, и водоустойчивость начинает снижаться. Одновременно рост гидрофильности приводит к снижению активности воды в кластерах и уменьшению степени ионизации кислотных групп, а также к увеличению доступности каталазы.
Однако наличие экстремума на всех кривых «свойство почвы - содержание олеата натрия» можно объяснить не только постепенным ростом гидрофильности супермолекул ГВ при росте содержания олеата натрия, но и началом сегрегации. Этот процесс будет усиливать описанные выше процессы, так как выделение гидрофобных нанофаз (кластеров из гидрофобных супермолекул ГВ) должно приводить к сильной гидрофилизации оставшихся кластеров из супермолекул ГВ.
Системы с Tween 20 ведут себя несколько иначе (рис. 2, таблица). Введение ПАВ в почву приводит даже к некоторому уменьшению набухания, т.е. к уменьшению гидрофильности. В результате степень проникновения фрактальных кластеров друг в друга должна уменьшаться, но при этом может увеличиваться количество и прочность связей. Как следствие, наблюдается сложная зависимость водоустойчивости от содержания ПАВ.
Гидролитическая кислотность на начальном этапе для Tween 20 уменьшается даже быстрее, чем для олеата натрия, что, по-видимому, связано с их вхождением в гидрофильные области. Из-за меньшей гид-рофильности возникающих образований и меньшего снижения активности воды во фрактальных кластерах наблюдается почти в 2 раза меньшее снижение гидролитической кислотности.
Повышение гидрофобности позволяет входить каталазе в выделившиеся при высушивании почв гидрофильные области, только при малых содержаниях Tween 20. При росте концентрации ПАВ происходит не просто увеличение доступности каталазы, а ее выход из этих областей с резким возрастанием каталазной активности. Подобное позволяет предположить начало в этой области содержаний Tween 20 сильных по сравнению с олеатом натрия сегрегационных процессов, хорошо видимых на электронно-микроскопических изображениях (рис. 4).
Прохождение сегрегационных процессов приводит к росту водоустойчивости почвенной структуры, по-видимому, основанном на скреплении гумусовой матрицы почвенных гелей выделившимися гидрофобными фазами.
Введение в почву Tween 60 (рис. 3, табл. 1) приводит к росту набухания, увеличению при малом содержании ПАВ (до 7,5 кг/га) водоустойчивости, уменьшению каталазной активности, а гидролитическая кислотность остается практически неизменной.
Обращает на себя внимание, что каталазная активность в сравнении с олеатом натрия снижается заметно меньше, что совместно с данными о постоянстве гидролитической кислотности свидетельствует о доступности гидрофильных областей.
Однако дальнейший рост гидрофиль-ности при увеличении содержании Tween 60 ведет к реализации тех же процессов в системе, которые характерны для почвенных образцов с олеатом натрия.
Суммируя все полученные результаты, можно сделать предварительный вывод о том, что максимальная водоустойчивость почвенной структуры будет характерна для модификаторов, вызывающих повышение гидрофильности супермолекул ГВ и набухание фрактальных кластеров из них, но не приводящих к сегрегации.
Библиографический список
1. Винокуров, М.А. Содержание и состав органоминеральных гелей в почвах / М.А. Винокуров // Почвоведение, 1942. - № 3-4. - С. 73-88.
44
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
