Huminové kyseliny jako speciální typ organominerálních polymerů – Publikace – Agrosintez

Článek prezentuje výsledky stanovení obsahu kovalentně vázaných anorganických složek a molekulové hmotnosti huminových kyselin izolovaných z hnědého uhlí různých ložisek, které je charakterizují jako speciální typ organominerálních polymerů schopných reverzibilní polymerace-depolymerace. Jsou také stanoveny podmínky, za kterých volné huminové kyseliny tvoří s jílovými minerály systémy stabilní ve vodném prostředí.

Ložiska uhlí jsou prakticky neomezeným zdrojem huminových kyselin, unikátního produktu, který hraje klíčovou roli při tvorbě a fungování půdy a lze jej využít k řešení mnoha zemědělských a environmentálních problémů.

Praxe používání huminových přípravků získaných z hnědého uhlí v pěstování rostlin a četné srovnávací studie [1,2] naznačují, že huminové kyseliny z hnědého uhlí se svými vlastnostmi blíží půdním huminovým kyselinám, alespoň co se týče účasti v procesu tvorby půdy a stimulačního účinku na růst a vývoj rostlin. Ještě přesvědčivějším potvrzením této skutečnosti bylo studium schopnosti půdních mikroorganismů využívat různé organické substráty jako jediný zdroj uhlíku v procesu života. Ukázalo se, že pouze huminové kyseliny získané z půdy a hnědého uhlí nemohou být pro tento účel půdními mikroorganismy využity a zároveň pro ně nejsou toxické, což ve skutečnosti určuje proces akumulace huminových kyselin v půdě [3].

Průmyslové využití procesů extrakce a aplikace huminových kyselin z hnědého uhlí vyžaduje poměrně jasné pochopení jejich chemické struktury a chemie vzniku. Dvousetletá historie studia těchto látek, které patří v biosféře k nejrozšířenějším, však nepřinesla potřebnou jasnost [4].

Stanovení molekulové hmotnosti huminových kyselin pomocí vzorků různého původu a různých metod má rozpětí výsledků od stovek do stovek tisíc molekulárních jednotek [5-7]. Pokud stávající analytické a fyzikálně-chemické metody poskytují představu o přítomnosti určitých funkčních skupin v molekule huminové kyseliny, pak prakticky nic nevíme o tom, jak tyto skupiny spolu souvisejí. V posledních letech se stále více prosazuje myšlenka, že huminové kyseliny jsou látky, jejichž struktura je určena statistickými zákonitostmi. Předpokládá se, že produkty mikrobiologické destrukce rostlinných zbytků na sebe v půdě interagují náhodně a prostřednictvím kovalentních vazeb tvoří vysokomolekulární sloučeniny nepravidelné struktury. Zejména se rozvíjejí představy o určitých primárních fragmentech s molekulovou hmotností okolo 1000, které obsahují všechny funkční skupiny stanovené v huminových kyselinách, a tyto fragmenty jsou nepravidelně spojeny do určitých polymerních struktur díky kovalentním vazbám [8-12]. Zde je nutné věnovat zvláštní pozornost skutečnosti, že polymerní struktury vzniklé díky kovalentním, primárně uhlíkovým, vazbám jsou poměrně stabilní útvary a jejich snadná reverzibilní polymerace – depolymerace je nemožná.

Koncepty statistické struktury huminových kyselin prezentované v literatuře jsou jen málo v souladu s klíčovou rolí huminových látek v procesech tvorby a fungování půdy, která je vysoce stabilním samoreprodukujícím se systémem. V poslední době se objevily studie, které potvrzují dlouhodobé předpoklady, že huminové kyseliny v půdě jsou v úzké interakci s mikročásticemi jílových minerálů, které mají pravidelnou strukturu. To dává ještě více důvodů pro myšlenku o přítomnosti určitého řádu ve struktuře huminových kyselin asociovaných s jílovými minerály [13-15].

Cílem této práce bylo stanovit molekulovou hmotnost huminových kyselin izolovaných z hnědého uhlí různých ložisek (Buryatsko – lom Gusinoozerskij, Západní Sibiř – lom Berezovskij, Apeninský poloostrov – ložisko Rio Mayor) při různých hodnotách pH prostředí a koncentracích huminových kyselin. Dále stanovit složení a množství kovalentně vázaných anorganických a minerálních částí těchto huminových kyselin a podmínky, za kterých tvoří s jílovými minerály vodostabilní agregáty.

Huminové kyseliny byly izolovány ze vzorků hnědého uhlí tradiční metodou vodně-alkalické extrakce s následnou srážením v kyselém prostředí [16] a také s použitím aprotického rozpouštědla, dimethylsulfoxidu, pro posouzení vlivu extrakčních podmínek na výsledky. Extrakce dimethylsulfoxidem byla provedena protřepáváním drceného uhlí s dimethylsulfoxidem v poměru 1:20 při pokojové teplotě po dobu jedné hodiny, následovanou centrifugací výsledného roztoku při 14 10 ot/min po dobu 1 minut. Supernatant byl poté zředěn acetonitrilem v poměru 10:50. Sraženina byla oddělena a sušena ve vakuu při teplotě 1 °C. Poté byla sušená sraženina rozpuštěna v dimethylsulfoxidu 10:XNUMX a celý postup byl opakován. Aby bylo možné kontrolovat, zda dimethylsulfoxid extrahuje výhradně huminové kyseliny, byla zjištěna úplná rozpustnost získaného produktu v alkalických vodných roztocích a jeho srážení v kyselých roztocích.

Elementární analýza kovalentně vázané anorganické hmoty ve vzorcích huminových kyselin extrahovaných z hnědého uhlí odebraného z různých ložisek byla provedena pyrolýzou ve směsi kyseliny dusičné a peroxidu vodíku v poměru 1:1 po dobu 4 hodin v titanovém autoklávu při 240 °C. Prvky byly stanoveny v roztoku získaném po autoklávování pomocí atomového absorpčního spektrofotometru s indukčně vázaným plazmatem. Křemík byl kalorimetricky stanoven ve sraženině získané po autoklávování po jejím tavení s boraxem a sodou.

Složení minerálních fragmentů asociovaných s huminovými kyselinami hnědého uhlí bylo stanoveno měkkým zpracováním uhlí 2-4% alkalickým roztokem s následnou separací vysoce dispergované nerozpustné frakce centrifugací. Obsah huminových kyselin v této frakci byl stanoven jejím prodlouženým varem (2-4 hodiny) v 5% alkálii. Složení minerální části frakce bylo stanoveno IR spektrofotometrií po jejím 2hodinovém ošetření koncentrovaným peroxidem vodíku za zahřívání ve vodní lázni, dokud nebyla organická část vzorku zcela odstraněna.

Pro stanovení molekulové hmotnosti huminových kyselin izolovaných z hnědého uhlí byla použita ultracentrifugace. Tato metoda umožňuje přímo získat charakteristiky molekulové hmotnosti vysokomolekulárních sloučenin nacházejících se v kapalných médiích [17]. Stanovení byla provedena při různých koncentracích huminových kyselin a pH roztoků. Za tímto účelem byly huminové kyseliny ve formě svých sodných solí umístěny do pufrovacích roztoků s různými hodnotami pH a stejnou iontovou silou a důkladně promíchány. Frakční složení huminových kyselin bylo stanoveno v ultracentrifuze s analytickým rotorem An-G, se šesti kyvetami o objemu v = 0,45 ml a skenovacím optickým systémem, který umožňuje studovat dynamiku sedimentačního procesu ve vodném prostředí. Centrifugace byla provedena při pokojové teplotě, otáčky rotoru byly 48000 330 ot/min, pracovní vlnové délky během skenování byly 410 a XNUMX nm.

Výsledky a jejich diskuse

Stanovení obsahu kovalentně vázané anorganické hmoty ve vzorcích huminových kyselin izolovaných z hnědého uhlí různých ložisek ukázalo, že bez ohledu na zdroj původu a způsob extrakce je obsah hořčíku, hliníku, železa, sodíku, vápníku, draslíku a křemíku přibližně stejný a dohromady činí asi 1 % (tabulka 1). To naznačuje, že anorganická kovalentně vázaná složka huminových kyselin je jejich nedílnou součástí.

Při stanovení molekulové hmotnosti huminových kyselin ve vodných roztocích ultracentrifugací se ukázalo, že její hodnoty významně závisí na pH média a jejich koncentraci. Závislosti změny molekulové hmotnosti huminových kyselin na pH při koncentraci 40 mg/l jsou znázorněny na obrázcích 1 a 2. Obrázek 1 ukazuje, že pro různá ložiska uhlí jsou křivky závislosti průměrné molekulové hmotnosti huminových kyselin na pH stejné. Zároveň se zvyšujícím se pH molekulová hmotnost klesá, což vede ke zvýšení nízkomolekulárních frakcí a poklesu vysokomolekulárních frakcí. Při koncentraci 2 mg/l v neutrálním prostředí přechází významná část huminové kyseliny do nízkomolekulárního stavu (monomery s asi 1000 kyslíkovými jednotkami). V alkalickém prostředí se tento přechod stává kvantitativním.

Pozorovaný vzorec může souviset zejména s agregací nízkomolekulárních fragmentů v důsledku vodíkových vazeb a elektrostatických interakcí, což je typické pro koloidní systémy. Podle našeho názoru je zde však primárně pozorována silnější interakce. To vysvětluje přítomnost jasně definovaného malého počtu frakcí s různými molekulovými hmotnostmi, charakteristických pro každou koncentraci huminové kyseliny. V případě slabých interakcí má distribuční křivka frakcí s různými molekulovými hmotnostmi hladký vzhled. 17. Obrázek 3 ukazuje integrální křivku změny optické hustoty roztoku huminové kyseliny (40 mg/l, pH 8,0) získaného z ložiska Rio Mayor, pozorovanou při skenování cely analytické centrifugy 30 minut po zahájení centrifugace. Přítomnost malého, ale jasně definovaného počtu frakcí huminové kyseliny s různými molekulovými hmotnostmi je jasně viditelná.

Dalším nepřímým potvrzením depolymerace huminových kyselin v alkalickém prostředí je schopnost mikroorganismů využívat huminové kyseliny při vysokém pH jako zdroj uhlíku, popsaná v práci [3]. Samotné huminové kyseliny, jak je v této práci ukázáno, mikroorganismy prakticky nevyužívají. Když se huminové kyseliny v alkalickém prostředí disociují na své jednotlivé fragmenty, stanou se tyto fragmenty pro mikroorganismy přístupnými.

Huminové kyseliny jsou tedy labilní struktury schopné reverzibilní polymerace-depolymerace, což není charakteristické pro jiné třídy organických sloučenin, ale je typické pro anorganické sloučeniny.

Při hodnocení přítomnosti jílových minerálů ve složení huminových kyselin bylo zjištěno, že vysoce dispergované nerozpustné frakce vzniklé po alkalické extrakci hnědého uhlí obsahují asi 30 % huminových kyselin, které lze převést do roztoku pouze delším varem v koncentrované alkálii. Minerální zbytky izolované z těchto frakcí zahříváním v koncentrovaném peroxidu vodíku obsahovaly montmorillonit.

Pokusili jsme se uměle vytvořit na povrchu montmorillonitu významnou vrstvu huminových kyselin, která se neničí ve vodě, podobnou těm, které jsou pozorovány v půdě [18]. Takovou vrstvu, která se neničí delším třepáním produktů ve vodě, bylo možné získat pouze jejich nanesením na jílovité minerály z nasyceného roztoku humátu vápenatého.

Shrnutím získaných výsledků lze předpokládat, že skupina relativně nízkomolekulárních produktů, které vznikají v důsledku mikrobiologické destrukce rostlinných zbytků, řádně polymerizuje na povrchu jílových minerálů (například montmorillonitu) za vzniku huminových kyselin. Proces tvorby makromolekul huminových kyselin probíhá díky vápenatým nebo hořečnatým můstkům. Nezbytnou podmínkou pro účast mikrobiologických rozkladných produktů na tvorbě huminových kyselin je proto přítomnost kovalentně vázaných anorganických fragmentů obsahujících vápník nebo hořčík v jejich struktuře.

Vnější vrstvy huminových kyselin na povrchu jílových částic vznikají vazbou s hlubšími vrstvami a mezi sebou navzájem. V tomto případě je typ uspořádání zachován. Čím dále od povrchu minerálu je však struktura vrstvy kypřicí. Část této vrstvy se může oddělit, migrovat v půdě, vázat se na povrch jiných částic jílových minerálů a realizovat tak proces tvorby půdy.

Autoři vyjadřují svou vděčnost:

1. T.A. Kukharenko Chemie a geneze fosilních uhlí – M, Gosgortekhizdat, 1960, 156 s.

2. L.A. Christeva, K.I. Solocha, A.I. Gorovaya O shodnosti a rozdílech v působení huminových fyziologicky aktivních látek na rostliny, o jejich povaze a některých agronomických aspektech jejich použití. Sborník z celounijní vědecké konference Teoretické základy působení fyziologicky aktivních látek a účinnost hnojiv, která je obsahují. Dněpropetrovsk, 1967, 14-26 s.

3. D.G. Zvjagincev, A.A. Shapovalov, Yu.G. Putsykin, A. L. Stěpanov, L. Z. Lysák, M.L. Bulanova Odolnost huminových kyselin vůči mikrobiální destrukci.. Vestn.MSU Ser.17, Soil Science, č. 2, 2004, 47-52s.

4. D.S. Orlov Huminové kyseliny půd a obecná teorie humifikace. – M.: Vydavatelství Moskevské státní univerzity, 1991. – 324 s.

5. AMPommer, IABreger Potenciometrická titrace a ekvivalentní hmotnost kyseliny huminové. Geochim. Et cocmochim. Acta, 20, N1, 1960, str. 30.

6. E. Welte Uber einen neurn Weg der Molekuslargewichtsbestimmung und uber die Elektrolitempfindlichkeit von Chinon-Huminsauren. 3 Mitt, uber Huminsauren. — Z. Pflanzenernahr. Dund., Bodenkunde, 57(102), N2, 1952, str. 142.

7. T.A. Kukharenko O molekulární struktuře huminových kyselin Ve sborníku Huminové látky v biosféře, Moskva, Nauka, 1993, 31 s.

8. I.D. Komissarov, L.F. Loginov Molekulární struktura a reaktivita huminových kyselin Ve sborníku Huminové látky v biosféře, Moskva, Nauka, 1993, 36-43 s.

9. I. Lištvan, N. T. Korol, in Obecné vlastnosti rašeliny a metody jejich stanovení, Věda a technika, Minsk, 1975, 319.

10. C. Liu, PMHuang Úloha hydroxyhlinitokřemičitanových iontů při tvorbě huminových látek // Sborník z 10. mezinárodního setkání IHSS, Toulouse, 2000, sv. 1, 61-64.

11. H.-R. Schulten, Nejmodernější strukturní koncept huminových látek, M.: Naurwissenschaften 80, (1993). – s. 29-30

12. Hand-Rolf Schulten, Morris Schnitzer, Chemické modelové struktury pro rozpuštěnou organickou hmotu a půdy // Soil Science, 1997, roč. 162, č. 2, 115-130

13. M.M. Kononova Nejdůležitější výsledky studia půdního humusu. Půdní věda č. 12, 1957, s. 43. 14. Tate R. Organická hmota půdy. – Moskva: Nakladatelství Mir, 1991. 437 s.

15. A. A. Shapovalov, Y. G. Putsykin a VA Leonov Některá specifika struktury a mechanismu tvorby huminových kyselin // Sborník z 10. mezinárodního setkání IHSS, Toulouse, 2000, sv. 1, s. 195-197

16. Hnědé a černé uhlí: GOST 9517-76

17. Voyutsky S.S. Kurz koloidní chemie. M. „Chemie“, 1976, 77-80, 423 s.

18. RSSwift Makromolekulární vlastnosti půdních humisních látek: fakta, fikce a názory // Soil Science, 1999, roč. 164, č. 11, 790-802.