Почвоведение, 2023, № 8, стр. 903-910

ВВЕДЕНИЕ

При изучении водоустойчивости почв обнаружено, что при капиллярном контакте почвенных агрегатов с водой их водоустойчивость постепенно снижается. Одновременно с этим из них выделяются и переходят в контактирующую с почвой воду сферические частицы размером 300–800 нм [14]. Исходя из гелевых представлений о структуре почв [10, 11], можно ожидать, что подобные сферические частицы являются фрагментами органоминеральных гелей, но большее о них сказать было сложно.

Однозначной информации о природе этих частиц нет было, хотя их симметричность и отсутствие углов и ребер позволяли предположить их образование из значительно более мелких частиц, имеющих, вероятно, органическую природу. При этом на основе их размера и вытекающего из него огромной молекулярной массы [6] можно было предположить, что они представляют собой надмолекулярные образования (НМО) из гуминовых веществ [27]. Существование подобных НМО (вторичных структур) из гуминовых веществ хорошо известно [2, 4, 6, 7, 13] и не вызывает сомнений. Однако информации о них накоплено не очень много, а их роль в образовании почвенной структуры целенаправленно не исследовали.

Цель работы – изучение возможности выделения надмолекулярных образований в воду из почв и почвоподобных объектов и исследование природы выделяющихся частиц (НМО).

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

В качестве объектов исследования использовали: гуминовую кислоту (ГК), выделенную из подзолистой почвы (ЦЛГБЗ Тверская область), фульвокислоту (ФК), выделенную из дерново-подзолистой почвы (окрестности поймы р. Яхрома), гуматы из бурого угля (ООО НВЦ “Агротехнологии”) и из торфа (Humic Land), а также образцы почв, отобранные из верхних горизонтов:

чернозема выщелоченного (Орловская область);

чернозема типичного (Саратовская область);

краснозема (Чаква);

темно-серой лесной почвы (окрестности г. Суздаль);

бурозема (Краснодарский край, пос. Дагомыс);

дерново-подзолистой почвы (окрестности поймы р. Яхрома);

горно-луговой почвы (Крым, Долгоруковская яйла),

а также верхового и низинного торфов, перегноя и вермикомпоста.

Электронно-микроскопическое исследования проводили в лаборатории экологического почвоведения при помощи растрового электронного микроскопа (РЭМ) JEOL-6060A (JEOL, Япония) с вольфрамовым катодом.

При подготовке образцов 5 г почвы добавляли к 100 г воды и перемешивали в течение 20–30 мин. Полученную суспензию центрифугировали 10 мин при 4000 об./мин на центрифуге Eppendorf 5804. Полученную жидкость 1 мл или раствор ГК или гуматов 1 мл (концентрацией 10 г/л) разбавляли водой в 100, 1000, 10 000 и 100 000 раз, чтобы получить образец, на котором НМО, во-первых, находились на расстоянии друг от друга, во-вторых, на единицу обзорной площади их приходилось достаточно много. Задача исследования состояла в получении качественных представлений о наличии/отсутствии в образцах НМО. Из полученных разбавленных образцов отбирали аликвоты объемом 5 мкл и наносили на столики для РЭМ, на которых на углеродном скотче закрепляли атомно-гладкие пластинки слюды размером 5 × 5 мм. Образцы высушивали, а перед исследованием напыляли золото, используя установку JFC-1600 (JEOL, Япония).

Для выяснения химического состава НМО, содержащий их раствор, наносили на поверхность золотой фольги, подсушивали каплю на воздухе, затем вновь наносили каплю раствора. Этот процесс продолжали до образования хорошо различимого слоя на поверхности пластинки. Затем проводили рентгено-локальный микроанализ при помощи энергодисперсионного спектрометра РЭМ JEOL-6060A.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для проверки возможности возникновения НМО из ГК и ФК изучали образцы, полученные при нанесении на слюду растворов ГК и ФК из дерново-подзолистой почвы (рис. 1a, 1b). На полученной микрофотографии видны НМО разного размера от 100 нм и больше.

Рис. 1.

Ф-кластеры гуминовой кислоты из подзолистой почвы (а) и фульвокислот из дерново-подзолистой почвы (b), а также гуматов из бурого угля (c) и торфа (d) при нейтральных рН и Ф-кластеры гуматов из бурого угля при различных рН (e–g).

На следующем этапе исследования проводили проверку существования НМО в растворах гуматов из торфа и бурого угля (рис. 1c, 1d). Видно, что размер частиц соответствует уровню НМО. При этом гуматы из торфа в несколько раз крупнее гуматов из бурого угля.

Видно, что НМО выделяются также из торфов, перегноя и вермикомпоста – из всех объектов, в которых содержатся гуминовых веществ (рис. 2). При изучении НМО растворимого органического вещества, выделяющихся из почв (рис. 2), отмечено, что в зависимости от типа почв их размеры меняются. Самые мелкие НМО характерны для краснозема и бурозема, а самые крупные – для горно-луговой почвы. Разные размеры НМО растворимого органического вещества, выделяющихся из почв различных типов, по-видимому, связаны как с изменением соотношения в них ГК, ФК и гумина, так и с разным содержанием многовалентных катионов в этих почвах и соответственно в НМО.

Рис. 2.

Ф-кластеры, выделяющиеся из верхового (а) и низинного (b) торфов, перегноя (c), вермикомпоста (d) и различных почв: e – чернозема, f – краснозема, g – серой лесной, h – бурозема, i – дерново-подзолистой, j – горно-луговой.

Для получения дополнительной информации о природе НМО изучали влияние на них свойств растворов и пробоподготовки почвенных образцов. Так, изменение рН растворов гуматов приводит к изменению размеров НМО в них (рис. 1e–1g). Наиболее мелкие НМО существуют в растворах гуматов с высокими рН, а наиболее крупные НМО в растворах с низкими рН. Можно предположить, что высокие значения pH уменьшают количество молекул гуминовых веществ, участвующих в создании НМО.

На микрофотографиях (рис. 3) представлены НМО, выделенные из образцов почв, подвергнутых высушиванию или нагреванию. Видно, что в этих случаях происходит увеличение размеров НМО.

Рис. 3.

Ф-кластеры, выделяющиеся из образцов дерново-подзолистой почвы с разной предысторией (a – воздушно-сухая, b – исходная, c – автоклавированная при 145°С, d – абсолютно-сухая).

При помощи рентгеновского микроанализа проводили полуколичественное определение элементного состава НМО, выделенных из дерново-подзолистой почвы. Они содержат примерно 95% углерода, а остальное приходится на оксиды кремния и алюминия¹¹, т.е. основой являются гуминовые вещества. Подобная оценка состава дает приблизительные результаты, но однозначно подтверждает предположение о преимущественно органической природе НМО.

Представленные результаты свидетельствуют, что в виде НМО существуют ГК, ФК, гуматы и гуминовые вещества почв, т.е. НМО наблюдаются везде, где присутствуют гуминовые вещества. Изучение растворов ГК различными методами [19, 23, 24, 26], включая малоугловое рассеяние нейтронов, показало, что НМО из частиц-молекул²² ГК имеют фрактальную организацию [18] и представляют собой фрактальные кластеры размером 100–200 нм (Ф-кластеры). Схематичное изображение Ф-кластера представлено на рис. 4. Аналогичные результаты о фрактальной организации не только ГК, но и других гуминовых веществ (фульвокислот и гумина) получены в работах [17, 21, 22, 26]. Эти данные позволяют предположить, что наблюдаемые НМО гуминовых веществ являются Ф-кластерами.

Рис. 4.

Схема Ф-кластера, созданного из 2000 частиц (а), с выделенным участком, состоящим из нескольких частиц-молекул гуминовых веществ, и группа из нескольких взаимопроникающих Ф-кластеров (b).

Следует отметить, что исследование образцов почв различной зональности, проведенное при изучении образцов почв методом малоугловое рассеяние нейтронов [12], показало, что для них всех характерно существование фрактальной организации коллоидной составляющей почв – почвенных гелей, находящихся в почвах, в том же размерном диапазоне. Причем информация по строению ГК в растворах (по фрактальной размерности и интервалу существования фрактальности в системе) совпадала с этой информацией по строению гуминовых веществ в почвах. Из этого следовало, что Ф-кластеры из гуминовых веществ могут являться основой почвенных гелей.

Исследования были проведены примерно 15–20 лет назад, в основном, химиками и практически не нашли применения в почвоведении. Прежде всего, это связано с тем, что не ясно, сколько гуминовых веществ существует в почвах в виде Ф-кластеров, а сколько в виде отдельных частиц-молекул. Данный вопрос является важным, так как существование частиц-молекул гуминовых веществ в виде НМО и высокая прочность связей между частицами-молекулами гуминовых веществ в НМО свидетельствовало бы о заметном изменении их химической активности.

Свойство, характеризующее прочность связей между частицами-молекулами гуминовых веществ в НМО, для растворов ГК хорошо изучено при исследовании значений критических концентраций агрегирования [3, 15]. Отмечено, что изменения, связанные с самоассоциацией молекул ГК, были заметны уже при концентрации 1 мг/л, а завершение данной стадии агрегирования происходило при концентрациях, не превышающих 15–20 мг/л. Агрегирование в растворах гуминовых кислот при концентрации 10–30 мг/л наблюдали и другие исследователи³³ [21, 23], считая, что формирование кластеров из ГК происходит посредством нековалентных взаимодействий [3, 16, 20, 25].

По-видимому, образование Ф-кластеров связано с тем, что частицы-молекулы гуминовых веществ имеют мозаичную дифильную поверхность [5] и, взаимодействуя между собой через гидрофобные участки поверхности, образуют Ф‑кластеры. Именно дальнодействие гидрофобных взаимодействий [1] обеспечивает столь высокое сродство между частицами гуминовых веществ, что заставляет проявляться агрегацию при столь малых концентрациях.

В почвенных растворах концентрация гуминовых веществ на много порядков выше критических концентраций (10–30 мг/л) образования из частиц-молекул ГК Ф-кластеров. Данные для ГК по критическим концентрациям агрегации и единство строения частиц гуминовых веществ позволяют предположить, что все гуминовых веществ должны существовать в гелях почв и в почвенных растворах практически исключительно в виде Ф-кластеров, а воздействия на почвы, меняющие Ф-кластеры, могут менять почвенные гели, что должно приводить к изменению свойств почв [8, 9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Суммируя данные по НМО и фрактальности гуминовых веществ, можно сказать, что

– все гуминовые вещества существуют в почвах и растворах в виде НМО,

– наблюдаемые НМО являются Ф-кластерами,

– коллоидная составляющая почв (гели) фрактально организована, и, по-видимому, основой почвенных гелей являются надмолекулярные образования из гуминовых веществ (Ф-кластеры).