Элементный состав гуминовых кислот торфов Среднего Приобья

Биология

ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ТОРФОВ СРЕДНЕГО ПРИОБЬЯ

М.П. САРТАКОВ,

кандидат биологических наук, доцент, Югорский государственный университет, г. Ханты-Мансийск

Ключевые слова: элементный состав молекул, торф, гуминовые кислоты, химическая природа кислот, элементный состав.

Изучение гуминовых кислот имеет более чем вековую историю с естественной и закономерной эволюцией взглядов на процессы их образования, состав и свойства. Тем не менее, несмотря на накопленный к настоящему времени материал, природа этой группы органических соединений не может ещё считаться достаточно изученной. Не представляется окончательно решенным механизм гумификации, недостаточно полно изучены свойства гуминовых кислот торфа, их химическая природа, зависящая от ботанического состава, возраста и условий формирования [2].

Цель и методика исследований На уровне современных знаний, очевидно, что молекулярная структура и химическая природа гуминовых кислот могут содержать ценную информацию, характеризующую условия и механизм гумификации в торфах.

В качестве объектов исследования были использованы препараты гуминовых кислот, выделенных из различающихся по ботаническому составу в основном преобладающих на территории верховых и переходных торфов Среднего Приобья (таблица 1). Образцы отбирались с юга на север в Нефтеюганском, Ханты-Мансийском, Октябрьском и Белоярском районах. На CNH-анализ исследовано 25 препаратов. В таблицах приведены средние значения результатов исследований основных типов и видов торфов Ханты-Мансийского АО.

Извлечение и очистку гуминовых кислот проводили по ранее описанной методике [3].

Исследование образцов на содержание углерода, азота и водорода выполнялось на CHN- анализаторе фирмы «Hewlett Packard» модель 185 «В».

Результаты и обсуждения Результаты проведенного элементного анализа позволили характеризовать некоторые особенности гумино-вых веществ различных торфов Среднего Приобья и дали сведения о принципах их строения (таблица 2).

Химический состав гуминовых кислот торфов Среднего Приобья изменяется в зависимости от типа и вида торфа. Меньшее содержание углерода (47,73%) и наибольшее азота (2,33%) и кислорода (45,33%) имеют гуминовые кислоты торфоподстилки,

которые находятся в самых ранних стадиях формирования. В остальных препаратах эти показатели достаточно однородны [5].

Затруднено оценивание содержания кислорода в ГК различных торфов, т.к. в соответствии с применяемой практикой он определяется в элементном анализе по разности и по существу определяет сумму О+Б.

Атомные отношения Н:С, О:С, Ы:С,

лерода в построении молекулярной структуры [1]. Понижение атомных отношений указывает на возрастание доли бензоидных фрагментов и снижение доли алифатических боковых цепей в молекулах гуминовых веществ. По соотношению в каждой из указанных пар можно судить об относительной разветвленности боковых цепей и роли азотсодержащих соединений в образовании гумусовых веществ (таблица 2).

Торф для извлечения гуминовых кислот R - степень разложения

Таблица 1

Шифр и № Тип и вид торфа R

1 Сфагновый фускум торф верховой 29

2 Древесный переходной 37

3 Древесно-осоковый низинный 65

4 Осоковый переходной 42

5 Травяной переходной 43

6 Пушицевый верховой 20

7 Шейхцериевый переходной 30

8 Торфо подстил ка 10

Таблица 2

Элементный состав (массовый %) и атомные отношения гуминовых кислот торфов Среднего Приобья

Шифр образца Зольность C H N O H/C O/C N/C

1 0,938 58,13 4,49 1,35 36,03 1,02 0,46 0,03

2 1,146 58,56 4,96 1,68 34,80 1,01 0,45 0,02

3 0,844 55,62 4,92 1,98 37,48 1,05 0,51 0,03

4 1,102 58,06 4,49 1,63 35,82 0,92 0,46 0,02

5 0,746 57,43 4,36 1,66 36,55 0,90 0,48 0,03

6 0,896 53,89 4,93 2,30 38,88 1,09 0,54 0,04

7 0,202 58,25 4,62 1,71 35,43 0,94 0,46 0,03

8 0,840 47,73 4,61 2,33 45,33 1,15 0,71 0,04

Таблица 3

Атомный состав гуминовых кислот торфов Среднего Приобья

Шифр и № образца Число молей С Число молей H Число молей N Число молей O Эмпирическая формула

1 4,8 4,5 0,10 2,3 C48H45NO23

2 4,9 4,9 0,12 2,2 C H N О

3 4,6 4,9 0,14 2,3 3C 3H N 1

4 4,8 4,5 0,12 2,2 C 4 О 3 N Q

5 4,8 4,3 0,12 2,3 C 4 0 3 N 1

6 4,5 4,9 0,16 2,4 2C 3H N 1

7 4,7 4,6 0,12 2,2 3C 3H N 1

8 4,0 4,6 0,17 2,8 C24H27NO17

как известно, показывают количество атомов водорода, кислорода или азота, приходящееся в молекуле (частице) гумусовых веществ на один атом углерода. Чем меньше эти отношения, тем большую роль играют атомы уг-

Element structure of molecules, peat, huminus acids, the chemical nature of acids, element structure.

Биология

Таблица 4

Степень окисленности и степень бензоидности (а) гуминовых кислот торфов Среднего Приобья

№ образца Тип и вид торфа W Доля Сал. Степень бензоидности, а

1 Сфагновый фускум-торф, верховой +0,02 0,66 34

2 Древесный, переходной +0,28 0,70 30

3 Древесно-осоковый, низинный +0,03 0,64 36

4 Осоковый, переходной +0,03 0,66 34

5 Травяной,переходной +0,05 0,65 35

6 Пушицевый, верховой -0,04 0,69 31

7 Шейхцериевый, переходной -0,05 0,65 35

8 Т орфоподстилка +0,29 0,73 27

Приведенные данные об элементном составе гуминовых кислот торфов Среднего Приобья показывают, что гуминовые кислоты осоковых и травяных торфов имеют наименьшее соотношение Н:С (0,90-0,92), а тор-фоподстилка наибольшее (1,15). Это свидетельствует о том, что углерод осоковых и травяных торфов играет большую роль в построении макромолекулы гуминовой кислоты.

Для наглядной оценки состава гу-миновых кислот были вычислены простейшие формулы [4], которые хотя и являются условными из-за сложного фракционного состава анализируемых образцов, но все же полезны при изучении тенденции распределения отдельных атомов по функциональным группам (таблица 3).

Простейшие формулы показывают только минимальное количество атомов, входящих в молекулу вещества. Вкладывать в них иной смысл или пытаться рассчитать молекулярную массу гумусовых веществ, исходя из формулы, было бы, конечно, не верно. Для этого необходимо независимое определение молекулярной массы.

Так же для выявления специфических различий, используя число атомов С, О и Н, проведено вычисление степени окислённости гуминовых кислот [5].

Для сравнения веществ с разными молекулярными весами и разным содержанием углерода удобно пользоваться относительной величиной, выражающей окисленность в расчете на один атом углерода. Тогда степень окисленности (^ равна:

W = 20о - Он / Ос

где Оо , Он и Ос - число атомов кислорода, водорода и углерода в молекуле.

При вычислении степени окисления гуминовых кислот величины Оо, Он, Ос выражают в грамм-атомах на 100 г вещества. Этот способ позволяет классифицировать органические вещества по степени окисления с помощью очень простой схемы: Гуминовые кислоты W

Окисленные соединения от + 4 до 0

Соединения нулевой степени 0

окисления

Восстановленные соединения От 0 до - 4

Двуокись углерода имеет, следовательно, W = + 4, для метана W = - 4, для воды W = 0.

Следует отметить, что степень окисленности является весьма полезным критерием для выявления специфики гумификации в различных условиях. Согласно данных Орлова Д.С., торф имеет окисленную форму и положительную величину W (таблица 4). Положительная величина W указывает на то, что процессы гумификации происходят при избыточном увлажнении, которое характерно для данного региона, где осадков выпадает больше, чем испаряется.

Для условной оценки ароматических и алифатических составляющих полезно использовать показатель «степень бензоидности» -а[4]. а = С, /(С +С ) или а=С, /С, • 100%

бенз \ бенз ал' бенз общ

где Сал - содержание углерода алифатических фрагментов;

Сбенз - содержание углерода бен-

зоидных фрагментов в гумусовых кислотах.

Этот показатель не претендует на описание общей структуры вещества, но дает определенную информацию о соотношении линейно и циклически полимеризованного углерода.

Исходя из приведенных принципов, путём интерполяции предельных структур (Орлов Д.С., 1981) по модифицированной формуле Ван-Кревеле-на была вычислена «степень бензоид-ности» гуминовых кислот (табл. 4). При этом учитывалось, что Н:С ароматической части равна 0,33 и К - коэффициент учета кислородной функции равен 0,67.

Сал = ((Н:С)Г11+2-(О:С)-К) - (Н:^) /

Для более корректного вычисления «степени бензоидности» необходимо учитывать количество и характер кислородных функций, т.к. значительная часть водорода замещена на кислородные атомы.

Выводы

Впервые получены данные о химическом составе гуминовых кислот, извлеченных из различного типа и вида торфов Среднего Приобъя.

Элементный состав гуминовых кислот торфов различного ботанического состава неодинаков и имеет незначительные различия.

Установлено, что доля ароматических структур в макромолекулах гуми-новых кислот колеблется в приделах от 27 до 36 и имеет набольшие значения для ГК древесно-осокового низинного торфа и наименьшие для ГК тор-фоподстилки. Но, в основном, эти показатели достаточно однородны.

Литература

1. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. - Л.: Наука, 1980. - 287с.

2. Комиссаров И.Д. Логинов Л.Ф. Гуминовые вещества в биосфере. - М.: Наука. 1993. - С. 36-45.

3. Комиссаров И.Д., Стрельцова И.Н. Влияние способа извлечения гуминовых кислот из сырья на химический состав

получаемых препаратов // Научн. тр. Тюменского СХИ. - Тюмень, 1971. - т.14. - С.34-48.

4. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса. - М., 1981. - 270 с.

5. Орлов Д.С. Элементный состав и степень окисленности гуминовых кислот // Биологические науки. - 1970. - №1. - С.5.