Использование метода ИК-спектроскопии в исследованиях стуктуры модифицированного лигнина

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ИК-СПЕКТРОСКОПИИ В ИССЛЕДОВАНИЯХ СТУКТУРЫ МОДИФИЦИРОВАННОГО

ЛИГНИНА

Н.И. РОМАНЧУК,

соискатель, Сыктывкарский государственный университет, г. Сыктывкар И.В. ГРЕХОВА,

доктор биологических наук, доцент, Тюменская ГСХА, г. Тюмень

Ключевые слова: ИК-спектроскопия, спектр, структурнофункциональные изменения, лигнин.

Цель и методика исследований

Учитывая то, что лигнин активно участвует в образовании гумусовых веществ, и поэтому может быть использован в качестве источника органического вещества почвы, нами была предпринята попытка создания на его основе удобрения. Трудности использования лигнина в агроценозах обусловлены его биологической и химической инертностью. Лигнин является одним из наиболее устойчивых к гумификации компонентов органического материала, поступающего в почву [1, 2]. В качестве способа ускорения процессов гумификации устойчивого к энзиматической деструкции лигнина и пополнения пула органического вещества почвы было использовано относительно неглубокое окислительное воздействие на природный полимер кислотно-солевой системой

КМ0з-ИзР04.

В процессе химических реакций и последующего выделения модифицированных препаратов лигнина происходит деструкция молекулы растительного полимера, сопровождающаяся отщеплением низкомолекулярных соединений, что приводит к значительным структурно-функциональным изменениям молекулы лигнина. Из-за пространственных затруднений наблюдается неполная конверсия функциональных групп, что приводит к непрогнозируемому процессу модификации макромолекулы.

Наиболее сложным в анализе модифицированных препаратов является идентификация и определение содержания функциональных групп (фенольных, карбоксильных, альдегидных, кетонных, сложноэфирных). Полидисперсность, высокая молекулярная масса, нерегулярная структура, многообразие типов связей затрудняют исследование химического строения препаратов большинством химических и физических методов.

При изучении химической структуры модифицированного лигнина, наравне с традиционными химическими

методами определения содержания функциональных групп, широко используется метод ИК-спектроскопии.

Основным сырьем для получения модификанта был гидролизный лигнин гидролизно-дрожжевого производства Сыктывкарского ЛПК (СЛПК) - пастообразная, темно-коричневая масса, кислой реакции, влажностью 65-70%.

Модификант представлял собой порошок или гранулы от серовато-коричневого до темно-коричневого цвета с влажностью не более 20% и содержанием нерастворимой в воде части не менее 13%; рН - не менее 5,0. По элементному составу препараты содержали: до 15-16% - фосфора (около 46% Р2О5); 11% - калия (8-12% К2О); 10-12% - общего азота. Функциональный состав: карбонильных групп (СО) - от 1,1 до 3,0%; карбоксильных групп (СООН) - от 1,6 до 3,3%.

Гидролизный лигнин обрабатывали в среде Н3РО4 нитратом калия, реакционную массу после окончания реакции нейтрализовали углеаммонийными солями (карбонат аммония).

Процесс химического модифицирования лигнина в кислотно-солевой системе KNO3-H3PO4 проводили при разных концентрациях фосфорной кислоты (от 25 до 85%) и времени воздействия.

Изменения в структуре лигнина, обработанного в системе KNO3-H3PO4, исследовали с помощью ИК-спектро-скопии. ИК-спектры снимались на приборах IR-200 и Jasco DS-701 G методами внутреннего и внешнего стандарта по известным методикам [3,4]. Дифференциальные ИК-спектры снимались на японском ИК-спектромет-ре Jasco DS-701 G в области 200-4000 см-1 в таблетках KBr. УФ-спектры ацетоновых растворов снимали на спектрометре СФ-16.

Результаты исследований

На ИК-спектрах образцов лигнина, обработанных в кислотно-солевой системе KNO3-H3PO4 при различных условиях видны области функциональных групп, подверженных влиянию окисли-

Агрономия. Удобрения

тельного реагента (рис. 1в). Это область колебаний ароматического кольца (1510 см'1, 1460 см'1 и 1610 см'1), область валентных колебаний карбоксильных групп при 1730 см-1, фенольных (1220 см-1) и фенол эфирных колебаний (1270 см-1). Практически без изменений остаются пики в области 10001100 см-1, т.е. область алифатических спиртовых групп.

При обработке препаратов лигнина при различной продолжительности процесса наблюдается значительное изменение их относительной оптической плотности (ООП). Можно предположить, что уменьшение ОПП препарата при 1510 см-1 с увеличением времени воздействия окислительной системы связано либо с разрывом ароматического кольца, либо перераспределением связей. Сглаживание пика в области 1510 см-1 также свидетельствует об изменении химической структуры ароматических фрагментов исследуемых препаратов (таб.1).

Как видно из табл. 1, увеличение продолжительности обработки препаратов лигнина приводит к возрастанию ООП в области 1720 см-1. По-видимому, на начальной стадии процессов окислительного нитрования происходит деметилирование и образование хинонов, которые в свою очередь окисляются далее с образованием карбоксильных групп (увеличение возрастания их содержания было отмечено на ИК-спектрах полученных препаратов) и расщеплением бензольного кольца. Количество фенольных групп лигнина в процессе окислительного нитрования понижается до 0,8-1,0%, что, по-видимому, обусловлено превращениями, протекающими через стадии деметилирования структурных элементов гваяцилово-го типа и образования хинонов (полосы средней интенсивности в области 1660 см-1). Хиноидные структуры обладают высокой реакционной способностью и поэтому окисляются далее с образованием карбоксильных

IR-spectroscopy, specter, structural and functional changes, Lignin.

Агрономия. Удобрения Таблица 1

Зависимость относительной оптической плотности препаратов лигнина в области 1510 и 1720 см'1 от времени обработки в среде К1\Ю3-Н3Р04

Характеристика Продолжительность обработки, мин.

0 1 0 20 30 40

ООП-1510 см 1 1,05 0,70 0,69 0,66 0,60

ООП-1720 см 1 0,21 1,54 1,65 1,89 1,90

Рисунок 1. ИК-спектры: а) природного лигнина пихты [5]; б) гумусовых веществ [1]; в) препарата лигнина, обработанного в системе КЫ03-Н3Р04

групп (1720 см-1) и расщеплением бензольного кольца (невысокое значение относительной оптической плотности при 1510 см-1).

Анализ ИК-спектров также показал прямую корреляцию глубины конверсии функциональных групп от концентрации фосфорной кислоты. Особенно сильно изменения проявляются в области колебания ароматического кольца. Так, по мере увеличения концентрации кислоты в смеси пик в области 1510 см-1 на спектрах практически исчезает, а в области 1470 и 1610 см-1 частично теряется «ароматичность»; пик в области 1720 см-1 усиливается.

При снижении концентрации кислоты процесс замедляется, разрушения ароматических колец практически не происходит (значение относительной оптической плотности при 1610 см_1 остается на прежнем уровне). Это, в свою очередь, оказывает существенное влияние на структурно-функциональный состав модифицированных лигнинов. Содержание карбоксильных групп невысокое.

Исследование влияния концентрации фосфорной кислоты и времени обработки на структурные изменения молекулы лигнина позволяет сделать вывод о том, что в системе КЫ03-Н3Р04 происходит разрушение ароматических циклов со свободной фенольной группой с образованием алифатических карбоксилсодержащих структур, одновременно протекает реакция электро-фильного нитрования.

В кислотно-солевой системе КЫ03-Н3Р04, наряду с окислительными превращениями молекулы лигнина, параллельно протекает реакция электрофиль-ного нитрования, что подтверждается появлением интенсивной полосы поглощения валентных колебаний нитрогруппы, присоединенной к ароматическому кольцу (1360 см-1), образование нитратных групп за счет этерифика-ции гидроксильных групп в заметной степени не происходит, на что указывает отсутствие полосы 1642 см-1 на ИК-спектрах. В пользу механизма нитрования с образованием ароматических нитрогрупп свидетельствует наличие внутренней спектрохимической корреляции полос при 870 см-1 и 1360 см_1.

Сопоставляя ИК-спектры исходного лигнина со спектрами модифицированных препаратов, полученных при окислении исходного лигнина в системе К1\103-Н3Р04, можно сделать вывод о том, что окисление лигнина сопровождается значительными структурными изменениями (рис.1а, в).

Полученные данные подтверждают, что глубина и степень деструкции ароматических фрагментов природного полимера зависят от концентрации кислоты и продолжительности воздействия системы на лигнин. Анализ ИК-спектров препаратов указывает на то, что в результате структурно-функци-

ональных изменений молекулы лигнина под воздействием кислотно-солевой системы образуются вещества, не отличающиеся по структурно-групповому составу от гуминовых веществ (рис. 1б, в).

Выводы. Рекомендации Сдерживающим фактором широкого применения природного органического сырья является сложность определения состава, строения и структуры продуктов, получаемых на их основе. Для анализа органических веществ биогенного происхождения наиболее широкое распространение получили методы молекулярной спектроско-

пии, в частности - ИК-спектроскопия, позволяющая обнаружить структурнофункциональные изменения в подвергшихся химическому разрушению природных полимерах.

Исходя из данных ИК-спектроско-пии препаратов химически модифицированного лигнина, следует указать на довольно низкое содержание ароматических структур в молекулах модифицированного лигнина и довольно высокое содержание карбоксильных групп. Для ИК-спектров всех препаратов характерно слабо выраженное поглощение в области 1660 см_1, что указывает на присутствие незначительного коли-

чества хинонных групп или С=О в алифатических шестичленных циклах. В целом, наличие на ИК-спектрах модифицированных препаратов хорошо выраженной полосы валентных колебаний в области 1720 см-1 (колебания СООН

групп) и полосы со слабой интенсивностью поглощения в области 1510 см-1, 1460 см_1 и 1610 см_1 (колебания ароматического кольца) указывают на глубокие структурные и функциональные изменения молекулы лигнина.

Агрономия

Таким образом, в результате окислительного нитрования лигнина в кислотно-солевой системе КЫ03-Н3Р04 получено вещество, по своим функционально-структурным свойствам близкое к гумусовым веществам почвы.

Литература

1. Кононова М.М. Органическое вещество почвы. - М., 1963. - 330 с.

2. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв. - М., 1974. - 332 с.

3. Закис Г.Ф., Можейко Л.И., Телышева ГН. Методы определения функциональных групп лигнина. - Рига, 1975. - 175 с.

4. Фенгель Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакции) / Пер. с англ., под ред. А.А.Леоновича. - М., 1988. - 512 с.

5. Богомолов Б.Д. Химия древесины и основы химии высокомолекулярных соединений. - М., 1973. - 400 с.

ФОТОСИНТЕТИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И УРОЖАЙ ФАСОЛИ ОБЫКНОВЕННОЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРЕДПОСЕВНОЙ

ОБРАБОТКИ СЕМЯН

П.В. ТИХОНЧУК,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор A.A. МУРАТОВ,

аспирант, Дальневосточный ГАУ, г. Благовещенск

Ключевые слова: фасоль, биологические препараты, фотосинтетическая деятельность, урожайность.

Фасоль - очень требовательная культура к условиям выращивания. Экологические условия, своевременность и качество агротехнических приёмов определяют уровень реализации биологического потенциала сортов.

Важно посеять культуру высококачественными семенами. Улучшить посевные качества семян фасоли, как и любой культуры, возможно различными способами: обработкой их микроэлементами, химическими препаратами, физиологическими факторами (ультрафиолетовое облучение, лазерная обработка и т.д.). Альтернативой химическим препаратам в повышении продуктивности и одним из основных способов повышения адаптивной способности растений могут служить фиторегуляторы роста и развития растений. Фиторегуляторы позволяют усилить или ослабить признаки и свойства растений в пределах нормы реакции, определяемой генотипом.

В Амурской области фасоль возделывается как огородная культура. Однако разработка технологических приемов возделывания фасоли обыкновенной позволит внедрить эту культуру в мелких фермерских хозяйствах области.

Ранее в области были проведены исследования по изучение коллекции кустовой фасоли зернового направления, разработаны отдельные элементы технологии возделывания фасоли обыкновенной и др. [2,3,5,6].

Цель и методика исследований

Цель наших исследований - изучение роста и развития растений фасоли при предпосевной обработке семян биологическими препаратами: нитрагин, эк-страсол и лариксин.

Объектом исследований послужили семена вегетирующие растения фасоли сорта Щедрая и биологические препараты: нитрагин, экстрасол, лариксин.

Семена обрабатывали непосредственно перед посевом и высевали сеялкой СН-16 в агрегате с трактором МТЗ-80 с междурядьями 45 см, норма высева 222 тыс. всхожих семян на гектар. Перед посевом проводилась культивация. Площадь делянок 30 м2, учетная площадь 22,5 м2. Повторность четырехкратная, расположение делянок систематическое. Во время вегетации было проведено две междурядные культивации. Растительные пробы на биометрический анализ отбирали через 9-11 дней, начиная с фазы второго-третьего тройчатого листа и до конца вегетации, по 10 растений с каждой делянки каждой повторности. В общей пробе определяли массу стеблей, листьев и генеративных органов весовым методом, площадь листьев (методом «высечек»), вес абсолютно сухой массы всех частей растений, показатели фотосинтетической деятельности посевов по A.A. Ничипо-ровичу [4]. Уборку проводили вручную -поделяночно, обмолот на стационарной молотилке, урожай учитывался в ц/га с приведением к стандартной влажности

и 100-процентной чистоте. Статистическая обработка результатов исследований проведена методом дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову [1].

Результаты исследований Согласно современной теории фотосинтетической продуктивности, один из основных показателей, определяющих урожай (биологический и хозяйственный), - это площадь листовой поверхности ценоза в целом. Фотосинтетический аппарат, исчисляемый десятками тысячами квадратных метров на гектар, от всходов до уборки непрерывно меняется, достигая пика в период «бутаниза-ция-цветение» фасоли. По данным А.А. Ничипорович (1963), оптимум площади листьев для создания высокого продуктивного посева составляет около 40-50 тыс.м2/га, т.е. в 4-5 раз превышает площадь занимаемой агрофитоценозом.

Данные таблицы 1 свидетельствуют, что в среднем за два года исследований площадь листьев при обработке семян биопрепаратами колебалась от 1,6 до 14,2 тыс. м2/га. В период роста растения фасоли, начиная с фазы начала цветения, интенсивно наращивают листовую поверхность. В фазу начала цветения в контрольном варианте площадь ассимиляционной поверхности составила 7,9 тыс. м2/га, что на 0,3 тыс. м2/га больше, чем при применении экст-расола, но на 0,1-1,6 тыс. м2/га меньше нитрагина и ларексина соответственно.

В фазу массового цветения мы наблюдали совершенно иную картину. В варианте опыта с применением нитра-

String bean, biological preparations, photosynthetic activity, productivity.