Орлов Д.С. Химия почв

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 5$

Аминокислотный состав гуминовых кислот, мкмоль/1 г

Аминокислота

Аспарагиновая+серин+

+глицин

Глютаминовая+треонин

а-аланин

Валин+метионин

Лейцин

Лизин

Гистидин

Аргинин

Аминомасляная

Пролин

Тирозин

Фенилаланин

Цистин

Всего:

Дерново-подзо-

листая почва

200—290

100—120

50—110

50—60

40—60

20—60

25—35

25—30

15—25

10—20

7—15

8—15

5—12

600-800

Чернозем типичный

180—190

60—75

50—60

30—40

20—30

25—30

18—20

15—20

10—15

5—8

6—12

5—15

450—500

Типичный серозем

260—330

90—110

80—120

40—50

50—60

35г-70

30—40

25—30

20—25

15—20

7—12

8—11

8—15

650—880

В состав гумусовых кислот входят аминокислоты, содержащие серу

(цистин, метионин), и ароматические аминокислоты:

соон

фенилаланин /^_

сн

<^_н ,

соон

тирозин Н0-^ VcH

—C^—H

Выход моносахаридов при гидролизе гумусовых кислот колеблется

от 10—15 до 20—30%, и в их составе преобладают гексозы и пентозы.

В гуминовых кислотах соотношение гексоз и пентоз близко к единице,

иногда преобладают гексозы. В фульвокислотах содержание редуци-

рующих Сахаров значительно больше, и в их составе превалируют

гексозы.

Гуминовые кислоты различных почв содержат остатки следующих

моносахаридов:

н—

но-

н—

-ОН

-н

—он

сн

он

ГЛЮ1

адза

н—

но—

н—

—ОН

—н

—Н

—ОН

СН

ОН

гала ктоза

да-

но—

н—

У°

-Н

—Н

—ОН

—он

сн

он

ман ноза

211

w°

HO-

H—

н—

-н

-он

СН

ОН

арабиноза

Чс/

н-

НО—

но-

н—

-он

—н

-н

—он

CH,

фук юза

w°

Н—

НО—

Н—

—ОН

—Н

-ОН

СН

ОН

ксилоза

\с^°

н—

-ОН

-он

СН

ОН

рибоза

\<У°

н—

НО—

но-

-он

—он

—н

СНз

рамноза

Аминокислоты и моносахариды входят в состав периферической

(алифатической) части гумусовых кислот, но длина полипептидных

и полисахаридных цепочек, как и последовательность расположения

моноз и аминокислот, в них не установлена. Инфракрасные спектры

и характер гидролизуемости, сравнительная стабильность соотноше-

ний разных моноз указывают, что в ГК они наиболее вероятно пред-

ставлены полисахаридами, причем не только растительными, но и бак-

териальными. Благодаря полисахаридам бактериальная слизь обладает

высокой клеющей способностью и участвует в формировании почвен-

ной структуры.

Кроме указанных групп веществ в гидролизатах гуминовых кислот

всегда присутствует некоторое количество веществ фульвокислотного

характера, на что указывает желтая окраска гидролизата; обычно их

содержание не превышает 6—7% от массы препарата. Таким образом,

сумма этих трех групп идентифицированных веществ соответствует по

массе гидролизуемой части ГК, и, следовательно, этими фрагментами

сложена периферическая часть гумусовых кислот.

Продукты окисления гумусовых кислот. Наиболее полные сведения

о содержании и составе ароматических фрагментов гумусовых веществ

получают методом окисления; применяются и другие способы расщеп-

ления: восстановление амальгамой натрия, плавление с цинковой,

пылью и др. В качестве окислителей использовали азотную кислоту,

нитробензол, перекись водорода, периодат натрия. В составе продук-

тов окисления гумусовых веществ были найдены фенолы, ароматиче-

ские альдегиды, бензолполикарбоновые кислоты, хиноны, азотсодер-

жащие гетероциклы, полициклические углеводороды. Присутствие в

продуктах расщепления терефталевой кислоты впервые установил про-

фессор Московского университета Е. П. Троицкий в 1915 г.

Для структурных исследований гумусовых кислот пригодны такие

методы расщепления изучаемых веществ, которые обеспечивают доста-

точно высокий выход продуктов деструкции и исключают искусствен-

ное усложнение исходных соединений, в частности их циклизацию.

Такими методами, применительно к гумусовым веществам, являются

212

•окисление окисью меди или перманганатом калия в щелочной среде.

При окислении ГК перманганатом калия происходит реакция:

ГК+КМп0

->С0

+ Н

0+СН

СООН+НООС—СООН + БПК,

где БПК — бензолполикарбоновые кислоты. Количество щавелевой

кислоты (СООН)

легко установить титрованием перманганатом в кис-

лой среде:

5НООС—COOH +

2KMnO

+ 3H2SO4->K2SO4+2MnSO

+10CO

+8H

Бензолполикарбоновые кислоты осаждают в виде бариевых солей и

последующим взвешиванием находят их выход в результате окисления.

Качественный состав БПК определяют методами газовой хромато-

графии.

Присутствие и количественное содержание бензолполикарбоновых

кислот и их аналогов в продуктах окисления является важнейшим

^диагностическим признаком ГК и ФК и подтверждает, что в состав

молекул гумусовых кислот входят шестичленные (бензоидные) струк-

туры.

Выход БПК при окислении различных гумусовых веществ колеб-

лется от 2—5% (для ФК) До 15—20% (для ГК). После метилирования

ГК выход бензолполикарбоновых кислот увеличивается до 25—30%.

По М. Ф. Овчинниковой, БПК образуются практически полностью за

•счет окисления негидролизуемой части («ядра») гумусовых кислот,

тогда как периферические цепи ГК окисляются до С0

, Н

0, щавеле-

вой и уксусной кислот.

Наибольшее значение имеют три- и тетрабензолкарбоновые кис-

лоты, в том числе 1,2,3-бензолтрикарбоновая (гемимеллитовая),

1,2,4-

бензолтрикарбоновая (тримеллитовая), 1,3,5-бензолтрикарбоновая (три-

мезиновая), 1,2,4,5-бензолтетракарбоновая (пиромеллитовая),

1,2,3,5-

-бензолтетракарбоновая (пренитовая), 1,2,3,4-бензолтетракарбоновая

(меллофановая). Кроме этих кислот обнаруживаются бензолдикарбо-

новые (фталевые), бензолпентакарбоновые и бензолгексакарбоновая

(меллитовая) кислоты. В составе продуктов окисления обнаружива-

ется также оксибензойные кислоты (фенолокислоты), соединения с

пятичленными циклами и гетероциклами, в частности производные

пиридина. Ниже приведены формулы наиболее важных продуктов

•окис дения гуминовой кислоты:

соон соон соон

фг

соон

»Л™

H0K

™

соон

N^-C0OH

соон соон

тримеллитовая тримезиновая

1,2,3,5-бензолтетра-

3,4-пиридинкарбоновая

кислота кислота карбоновая кислота (цинхомероновая) кислота

Меллитовая кислота получается путем окисления графита, дре-

весного угля или многозамещенных производных бензола:

соон

°3

HOOC-rt^i-COOH

ноос-1ЦД-соон

соон

меллитовая

кислота

213

Выход меллитовой кислоты невелик, и ее образование может быть,

следствием примесей обугленных растительных остатков к окисляемому

препарату гуминовой кислоты.

Обнаружение бензолполикарбоновых и оксибензолкарбоновых кис-

лот не означает, что они содержатся в гумусовых веществах именно»

в форме кислот. Бензолполикарбоновые кислоты показывают только,

какие типы углеродных скелетов лежат в основе строения фрагментов

гумусовых кислот. Так, обнаружение тримезиновой кислоты связано-

с присутствием в ГК. фрагмента с углеродным скелетом типа

.А:

Углеродные скелеты фрагментов ГК и ФК, идентифицированные по

продуктам их окисления, приведены на рис. 41.

-о#

юГ~ JdT ГоГ Ч6Г

Рис.

41. Главные типы углеродных скелетов, идентифицируемые в продуктах окисле-

ния гумусовых кислот

Происхождение циклических фрагментов молекул гумусовых кис-

лот связано с разложением таких компонентов органических остатков,

как лигнин и флавоноиды.

Лигнин (см. также гл. 9) построен из мономеров оксифенилпропа-

нового ряда, различающихся по количеству метоксильных групп, свя-

занных с бензольным кольцом. Распад лигнина осуществляется в

результате реакций гидролиза, окисления, деметилирования и декар-

боксилирования, что приводит к появлению в почве, по крайней мере

в отдельные промежутки времени, большого набора соединений от

феруловой, синаповой, я-кумаровой кислот (и соответствующих спир-

тов) до хинонов, способных вступать в реакции полимеризации (рис. 42).

Таким образом, сходство углеродных скелетов продуктов распада;

указывает на генетическую связь гумусовых кислот с лигнином, фла-

214

воноидами и другими природными соединениями, содержащими аро-

матические ядра.

лигнин

со-А-осн

феруловая

синаповая л-кумароввя

кислота кислота кислота

окисление

ОН

НзС0

1оГ

0СНз

СООН СООН СООН

ванилиновая сиреневая л-оксибензойная

кислота кислота кислота

1 1

деметилирование

гидроксилирование

ли

• пн

СООН СООН

протокатеховая галловая

кислота кислота

I-

окислительное

декарбоксилирова'ние

0 0

метоксибензохинон гидроксибензохинон бензохинон

Рис.

42. Этапы распада лигнина (по Фляйгу)

Баланс структурных фрагментов. Кроме моносахаридов, аминокис-

лот и БПК в продуктах расщепления гумусовых веществ найдены

нормальные алканы, жирные кислоты и некоторые другие соединения,

но содержатся они в очень малых количествах и практически не учи-

тываются при подведении баланса.

Общая сумма идентифицируемых веществ составляет 60—70% от

массы фульвокислот и 65—90% от массы гуминовых кислот (табл. 54).

Компоненты гидролизуемой части идентифицируются почти полностью.

Следует иметь в виду, что при любых методах выход продуктов де-

струкции практически никогда не бывает 100%-ным от теоретического,

поэтому данные табл. 54 можно считать пригодными для построения

-общей схемы строения ГК и ФК.

215

Таблица 54

Баланс структурных фрагментов гумусовых кислот,

% к веществу

Структурные фрагменты

ГК

чернозем

дерново-

подзолистая

почва

ФК

(различные

почвы)

Гидролизуемая часть ГК

Аминокислоты, всего

в том числе основ-

ные

Аминосахара

Вещества типа фуль-

вокислот

Углеводы, всего

в том числе

пентозы

метилпентозы

гексозы

Сумма

5,8

0,8

1,9

8,4

1,2

1,9

6,1

0,2

3,3

—

55,

Неги

Ароматические про-

дукты окисления

Аминокислоты

Сумма

Общая сумма

дролизуемая »

1,9

шсть ГК

2,8

10,5

2,0

Оптические свойства гумусовых кислот

Гумусовые вещества активно взаимодействуют с электромагнит-

ными колебаниями, образуя очень сложные по рисунку спектры по-

глощения в широком диапазоне длин волн. Наиболее хорошо изучены

спектры поглощения гуминовых кислот и фульвокислот в интервале-

220—750 нм — так называемые электронные спектры поглощения и в

интервале 2—25 мкм — молекулярные спектры. При характеристике*

электронных спектров поглощения часто ограничиваются только види-

мой областью — от 400 до 750 нм; это объясняется тем, что по спект-

рам как в области 220—400, так и в области 400—750 нм получают

почти идентичную информацию, но область 400—750 нм более доступ-

на для изучения. Кроме того, в этом интервале длин волн на спектры

не влияют неспецифические органические соединения и преобладаю-

щая часть минеральных компонентов почвы.

Спектром поглощения называют упорядоченное расположение энер-

гии поглощения электромагнитных колебаний по длинам волн. Для

графического изображения спектров используют различные координаты.

При изучении гумусовых веществ приняты и широко распространены"

следующие координатные сетки.

Для электронных спектров: по оси ординат откладывают опти-

ческую плотность раствора, а по оси абсцисс — длину волны в нм.

216

Для инфракрасных спектров: по оси ординат — пропускание в

'%, а по оси абсцисс — волновое число в см-

Электронные спектры поглощения гумусовых веществ. Гуминовые

кислоты имеют темно-бурую или почти черную окраску. Очень интен-

сивно окрашены их водные золи и

водные (щелочные) растворы гума-

тов щелочных металлов. Интенсив-

ность окраски фульвокислот на по-

рядок ниже, чем гуминовых.

Спектры поглощения гумусо-

вых кислот в широком диапазоне

длин волн от 240—260 до 750 нм

не имеют четко выраженных полос

или максимумом поглощения. В ко-

ординатах D—К (оптическая плот-

ность — длина волны) спектры вы-

глядят как пологие кривые с посте-

пенным уменьшением оптической

плотности по мере увеличения дли-

ны волны (рис. 43).

Растворы гуматов щелочных

металлов и фульвокислот подчиня-

ются закону Бугера — Бера, т. е.

оптическая плотность D прямо про-

порциональна концентрации раст-

вора или произведению концентрации на толщину поглощающего слоя

раствора:

D=E-C-l,

где С — концентрация раствора, / — толщина слоя, Е — коэффициент

пропорциональности. При известных молекулярных массах закон Бу-

гера— Бера обычно записывают в форме 0 =

г%-С1,

где е* — молярный

коэффициент погашения, числен-

<р

1,0

0,5

/у

•3

к!?^

500 600

700 НМ

Рис.

43. Спектры поглощения растворов

гуматов натрия:

/ — южный чернозем, 2 — мощный чер-

нозем, 3 — серая лесная почва, 4 — лу-

говой солонец, 5 — красноцветная поч-<

ва, 6 — дерново-подзолистая почва

Таблица 55

Средние значения £-величин гумусовых

кислот, выделенных из гор. А]

(концентрация 0,001%, 1=1 см,

длина волны 465 нм)

но равный оптической плотности

раствора при концентрации

1 М/л, и /=1 см. Для гумусовых

кислот как полидисперсных си-

стем вместо в* используют Е

(^-величина), которая рассчи-

тывается аналогично, но на про-

извольно выбранную единицу

концентрации. Если в качестве

единицы концентрации выбран

процент, то соответствующую

величину обозначают Е°'°, если

выбрана как единица

0,001%,

обозначают £<>,ooi%_ Коэффици-

енты экстинкции, или £-величи-

ны гуминовых кислот закономер-

но изменяются в почвах зональ-

ного ряда; максимальные значения характерны для гуминовых кис-

лот черноземов (табл. 55); ^-величины фульвокислот относительно

постоянны.

£-величины характеризуют оптическую плотность только при од-

ной условно выбранной длине волны; обычно это 465 нм. Форма спек-

Почвы

Дерново-подзо-

листые

Серые лесные

Черноземы

Каштановые

Сероземы

Красноземы

£-величины

ГК

0,05

0,07

0,12

0,07

0,08

0,07

ФК

0,012

0,017

0,012

—-

i—

0,012

тральной кривой связана с тональностью окраски. Чем быстрее умень-

шается оптическая плотность в области 400—500 нм, тем круче падает

спектральная кривая, тем более бурую или желтоватую окраску имеет

раствор гумусовых кислот. При серой или темно-серой окраске бе*

бурых тонов спектр имеет вид пологой кривой. Для оценки крутизны

падения кривой и соответственно характера окраски гумусовых кислот

У. Шпрингер ввел коэффициент цветности Q, равный отношению оп-

тических плотностей при двух длинах волн, например 465 и 650 нм.

Тогда

.C>465:

А>5о-

| Характер спектральной кривой можно оценить и другим способом.

В |первом приближении в диапазоне длин волн 400—750 нм оптическая

плотность растворов гумусовых кислот может быть выражена как экс-

поненциальная функция длины волны:

где Db — оптическая плотность при длине волны Я, К и а — констан-

ты,

е — основание натуральных логарифмов. Логарифмируя, получим:

In Z)

=In #— аХ.

Это показывает, что значение \nD

линейно зависит от длины волны.

Мерой коэффициента цветности служит в этом случае константа а„

которую находят по двум измеренным значениям D\ и ZV

Поскольку lnZ>i = ln/C—оАь и In D

In К— аАг, то

a =

-lnD

_D^

:(V

Xi)|

Л2 — Ai \ Z/g /

Коэффициент а в данном случае численно равен тангенсу угла накло-

на прямой в координатах In D—X.

Как видно, величины Q и а по смыслу аналогичны, но имеют раз-

ные численные значения. Величина Q зависит от того, какие длины

волн выбраны для измерения, тогда как величина а сохраняет постоян-

ное значение для любых длин волн, если только исследуемая функция-

подчиняется экспоненциальной зависимости.

Впервые закономерность изменения спектров поглощения гумусо-

вых кислот в ряду зональных почв была установлена М. М. Кононовой

и Н. П. Бельчиковой и с тех пор широко и эффективно используется

в почвенно-генетических исследованиях.

Спектры поглощения гумусовых веществ в ультрафиолетовой и

видимой частях спектра применяют в разных целях: 1) для сравни-

тельной характеристики гумусовых веществ различного происхождения;

2) как метод изучения особенностей свойств и строения гуминовых кис-

лот и фульвокислот; 3) для быстрого количественного определения

содержания ГК и ФК; 4) в экспериментальных работах — для кон-

троля за растворимостью ГК и ФК, условиями их осаждения, образо-

ванием соединений с катионами металлов и т. п.

По современным представлениям, окраска гумусовых кислот и

соответственно характер их электронных спектров обусловлены разви-

той системой сопряженных двойных углерод-углеродных связей. Часть

цепи сопряжения представлена циклическими системами, часть — али-

фатическими цепочками или мостиками, связывающими циклические

структуры.

Алифатические боковые цепи, не несущие двойных связей, такие

как цепочки полисахаридов, полипептидов, насыщенных углеводоро-

218

.дов,

практически не окрашены. Поэтому по значениям ^-величин мож-

но составить представление о соотношении между периферической и

«ядерной» (негидролизуемой) частями молекул гумусовых кислот,

•если, конечно, сравниваемые вещества не имеют других структурных

различий, влияющих на спектрофотометрические показатели.

На характер спектра и интенсивность окраски, кроме цепи сопря-

жения, влияют электронодонорные (аминогруппа, оксигруппа) и элек-

трофильные (карбонильная группа) заместители, присоединенные к

сопряженной системе. Они изменяют подвижность я-электронов систе-

мы,

что увеличивает вероятность электронных переходов. Это может

вызвать смещение максимума поглощения в длинноволновую область

(батохромный эффект) и повысить оптическую плотность. Гуминовые

кислоты различных типов почв неодинаковы по степени окисленности,

и поэтому изменение интенсивности окраски надо рассматривать как

•суммарное влияние длины цепи сопряжения и кислородсодержащих

заместителей. Характерно, что наиболее интенсивно окрашены ГК чер-

ноземов (£-величины максимальны), которым свойственна как наибо-

лее развитая цепь сопряженных двойных связей, так и наибольшая

степень окисленности.

Интенсивность окраски и характер спектров гумусовых кислот за-

висят от реакции среды, а также изменяются под влиянием ультра-

фиолетового облучения и действия сильных окислителей.

Наиболее сильно зависит от рН окраска фульвокислот. При уве-

личении рН от 2—3 до 12—13 оптические плотности растворов фуль-

вокислот увеличиваются в 1,5—2 раза, причем характер спектра, т. е.

распределение поглощения света по длинам волн при этом не меня-

•-ется. Наиболее быстро интенсивность окраски изменяется в интерва-

ле рН 5—7.

Влияние рН на спектры поглощения гуминовых кислот невелико,

и его трудно наблюдать, поскольку в кислой среде ГК образуют ассо-

циаты молекул или выпадают в осадок. Влияние рН связано с присут-

ствием в молекулах фульвокислот ионогенных электронодонорных

групп. В щелочной среде происходит отщепление водородного иона,

например, от оксигруппы, кислород которой приобретает отрицатель-

ный заряд:

.. -н+ ..

—ОН -»- —О".

Это усиливает электронодонорные свойства и, следовательно, де-

.локализацию я-электронов в молекуле ФК- В результате окраска уг-

лубляется, а оптическая плотность растет. Такие же эффекты известны

для меллитовой и бензолпентакарбоновой кислот, некоторых белков.

При действии сильных окислителей, таких как Н

или КМп0

гумусовые кислоты довольно быстро теряют окраску. В 3%-ном рас-

творе Н

через 100—150 ч оптическая плотность гуматов снижается

в 2—5 раз, а фульвокислот — в 4—8 раз. Аналогичный эффект вызы-

вает воздействие света на гумусовые кислоты в щелочных растворах.

Впервые потерю окраски гуминовой кислоты под влиянием света

установил профессор Московского университета И. П. Жолцинский.

Удаление из раствора кислорода пропусканием инертных газов

ослабляет действие света, а введение восстановителей, связывающих

молекулярный кислород, таких как Na

, Na

S, полностью останав-

ливает этот процесс. При действии света изменяется и молекулярно-

массовое распределение: в составе препарата снижается доля высоко-

молекулярных компонентов и увеличивается доля низкомолекулярных.

219

Наиболее вероятный механизм фотохимической деструкции сле-

дующий. Под действием кванта света молекула ГК переходит в воз-

бужденное состояние и подвергается атаке растворенного кислорода

по двойным связям

—С

С—,

выполняющим функции мостиков между

циклическими фрагментами молекулы. Разрыв мостиковых двойных

связей уменьшает длину цепи сопряжения, что и отражается на интен-

сивности окраски. Одновременно молекула распадается на 2 или более

крупных фрагмента.

Действие света не сводится только к деструкции гумусовых кислот..

Некоторые органические вещества неспецифической природы, например

аминокислоты, при УФ-облучении окисляются и конденсируются, да-

вая темноокрашенные продукты.

Инфракрасные спектры. Методом инфракрасной спектрофотометрииг

(ИКС) можно установить присутствие важнейших атомных групп и

типов связей в гумусовых веществах, идентифицировать индивидуаль-

ные соединения, изучить механизмы органоминерального взаимодейст-

вия, адсорбцию и десорбцию влаги и т. п.

Происхождение полос поглощения в инфракрасной области свя-

зано с колебаниями отдельных атомных групп или вращением моле-

кулы в целом, поэтому ИК-спектры часто называют молекулярными

спектрами в отличие от электронных спектров поглощения, обусловлен-

ных электронными переходами и проявляющимися в видимой и уль-

трафиолетовой областях.

Колебания атомов даже в относительно простых молекулах весьма

разнообразны. Они могут совершаться в направлении валентной свя-

зи,

как бы растягивая ее; такие колебания называют валентными, и

они бывают симметричными (два атома движутся в одном направле-

нии по отношению к третьему) и антисимметричными (атомы движутся

в разных направлениях). Колебания с изменением угла между направ-

лениями связей называют деформационными; в зависимости от харак-

тера движений атомов их делят на ножничные, веерные, крутильные

и маятниковые колебания.

Инфракрасные спектры специфических гумусовых веществ имеют

характерный облик и постоянный набор полос поглощения, позволяю-

щий отличить ГК и ФК от соединений других классов (рис. 44).

Спектры гуминовых кислот и фульвокислот имеют широкие и ин-

тенсивные полосы поглощения около 3450—3330 см

-1

, обусловленные

гидроксильными группами, в той или иной мере связанными водород-

ными связями. Гидроксильной группой и группой =С—О— обуслов-

лены также полосы в диапазоне 1230—1250 см

-1

. Четко выявляются

полосы деформационных колебаний ОН-спиртовых групп при 1150—

1050 см

-1

, по которым иногда удается выявить группы первичных и

вторичных спиртов. Карбоксильная группа СООН легко определяется

по полосе с максимумом около 1700—1720 см

-1

. Интенсивность этой

полосы сильно колеблется; это дает иногда повод для суждения о раз-

ном содержании карбоксильных групп в гумусовых кислотах различ-

ного происхождения. Подобные выводы следует делать крайне осто-

рожно, поскольку препараты гумусовых кислот, как правило, содержат

заметные количества золы, и поэтому по крайней мере часть карбо-

ксильных групп может в них находиться в ионизированной форме.

Дело в том, что полоса 1720—1700 см

-1

обусловлена только свободной

группой СООН, соответствующей кислотной форме препарата

гк—соон.

При образовании солей

ГК—СООН + NaOH^rK—COONa + Н

220