Агрохимия, 2021, № 4, стр. 22-26

ВВЕДЕНИЕ

Судьба природного органического вещества и особенно гуминовых веществ (ГВ) в последние десятилетия привлекает все больший интерес ученых, представляющих различные дисциплины. ГВ, являясь важнейшим компонентом почвенного гумуса, характеризуется нестехиометричностью состава, нерегулярностью строения, полидисперсностью и гетерогенностью структурных элементов. Гетерогенная химическая природа ГВ играет многофункциональную роль в окружающей среде, контролируя биогеохимический цикл углерода, обеспечивая растения питательными веществами и биостимуляторами роста и взаимодействуя с неорганическими и органическими загрязнителями.

Компонентный состав органического вещества почв – динамический показатель, отражающий влияние экологических условий на геохимический цикл углерода экосистемы. Основными механизмами стабилизации биомолекул органических остатков в аэробных условиях являются гумификация и органо-минеральные взаимодействия [1]. В силу исторически сложившихся традиций в основу классификации ГВ положено их различие, связанное с извлечением этих специфических соединений из природных объектов теми или иными растворителями. По общепринятой классификации гуминовые вещества делят на гуминовые кислоты (ГК) (растворимы в щелочных растворах), фульвокислоты (ФК) (растворимы во всем диапазоне pH) и гумины (нерастворимы во всем диапазоне pH).

Гуминовые кислоты – природные высокомолекулярные системы нерегулярного строения, являются одним из главных компонентов органического вещества почв, торфов, природных вод, морских и озерных донных отложений. Они накапливают элементы минерального питания, обеспечивая их постепенное поступление в живые организмы, отвечают за структурообразование почв и их благоприятные водно-физические свойства, снижают негативное действие токсичных веществ [1]. Существуя в почвах тысячи лет, ГК придают им стабильность, своеобразную буферность, определенный биохимический фон [2].

В настоящее время специалистов в области химии природного органического сырья привлекают уникальные возможности спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) ¹³С для количественного анализа и изучения строения многокомпонентных систем, в том числе и гуминовых кислот [3]. Применимость данного метода исследования в изучении функционального состава ГК подтверждена неоднократно [3–5]. Использование сверхпроводящих магнитов и преобразования Фурье позволило не только разделять сигналы при высоком уровне шумов или при их наложении, но и выполнять расчет интегральной интенсивности сигналов [6, 7].

Комплексное изучение высокомолекулярных органических соединений криогенных форм рельефа (бугров пучений и термокарстовых понижений), сформированных в условиях ультраконтинентального климата Бурятии и относительно близко залегающих многолетнемерзлых пород, с использованием высокочувствительных спектроскопических методов будет способствовать пониманию фундаментальных процессов гумусообразования и созданию новых представлений о сложных по составу и структуре природных высокомолекулярных соединений почв в зоне криогенеза.

Цель работы – изучение химического строения гуминовых кислот почв термокарстовых понижений и бугров с использованием ¹³С ядерного магнитного резонанса. Выявление структурных особенностей ГК криоморфозов по ¹³С-ЯМР-спектрам позволяет установить закономерности изменения структурного состава гуминовых кислот почв различного криогенеза.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Район исследования расположен в Еравнинской котловине юга Витимского плоскогорья, где многолетняя мерзлота достигает максимальной мощности 120–130 м, в среднем составляя 80–85 м [8, 9]. Верхняя границы мерзлоты залегает на глубине 1.5–3.0 м от дневной поверхности, местами – на глубине <1 м.

Объектами исследования послужили образцы ГК, полученные из верхних генетических горизонтов почв бугров пучения и термокарстовых понижений. Гуминовые кислоты были выделены по стандартной методике [10] экстракцией 0.1 н. NaOH, препараты ГК очищали путем переосаждения 20%-ным раствором HCl до величины pH 1.5–2.0 и многократного центрифугирования. Осадок промывали 0.1 н. HCl, затем дистиллированной водой, высушивали и растирали до состояния пудры. Спектры ядерно-магнитного резонанса ¹³С-ЯМР были сняты на спектрометре Avance 300 MHz “Вruкеr” (Германия) с рабочей частотой 100.53 МГц с использованием твердофазной методики CP-MAS. Частота вращения образца 6 kHz, время контакта 5 мс, время релаксации 5 с, количество накоплений 3500–13 000 сканов. Химические сдвиги представлены относительно тетраметилсилана со сдвигом 0 ppm, в качестве стандарта использовали пик адамантана (в слабом поле) при 38.48 ppm. Для количественной обработки применяли численное интегрирование по областям, соответствующим расположению функциональных групп и молекулярных фрагментов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для изучения особенностей структурно-функциональных параметров органического вещества почв бугров и понижений были сняты ¹³С-ЯМР-спектры (техника CP-MAS) препаратов гуминовых кислот. Все полученные спектры ГК характеризовались широкими полосами поглощения, обусловленными перекрыванием нескольких сигналов (рис. 1).

Рис. 1.

Спектры ¹³С-ЯМР гуминовых кислот: 1 – бугор пучения, 2 – термокарстовое понижение.

Ввиду сильного перекрывания пиков, отнесение сигналов в твердофазных ¹³С-ЯМР-спектрах возможно только по диапазонам химического сдвига, согласно положению резонансов атомов со сходным химическим окружением (табл. 1).

По характеру спектров ЯМР ¹³С видно, что в химическом строении углеродного скелета ГК бугров и понижений в сопоставимых количествах содержатся как ароматические, так и алифатические компоненты. Относительно острый пик, сосредоточенный в области 30 м.д., может быть отнесен к метиленовым атомам углерода в положениях α, β, δ и ε от концевых метильных групп (15 м.д.) в алкильных цепочках [11]. Эти метиленовые атомы углерода, как предполагается некоторыми исследователями, могут являться результатом накопления воскосмол, липидов и субериновых структур из растений [12–15].

Также все спектры имели сигнал в диапазоне 47–60 м.д., который некоторые авторы связывают с метоксильными группами, обусловленными присутствием лигниновых фрагментов – сирингил- и гваяцилпропановых единиц [16, 17]. Однако в этой области химических сдвигов можно также наблюдать и сигналы от атомов углерода в α положении в полипептидах (–C(O)–C*(R)H–NH–)_n [14, 18]. Высокий коэффициент корреляции между интенсивностью сигнала в диапазоне 47–60 м.д. и массовой долей азота в составе исследованных гуминовых веществ косвенно подтверждал последнее предположение. Количественная оценка их ядерных сигналов показала, что содержание С_лигн в препаратах, выделенных из бугра, больше, чем в понижении. На состав ГК, возможно, повлияла высокая лигнинофицированность первичных источников гумуса, различия в видовом составе травянистой растительности.

Интенсивный пик при 71 м.д. в ¹³С-ЯМР-спектрах характерен для CH(О)-групп кольцевых атомов углерода в углеводах [11]. Сигнал в этой области спектра распространяется от 64 до 90 м.д., который, вероятно, происходит от различных HC–OH-групп целлюлозных или других углеводных фрагментов [14]. Слабый сигнал ≈62 м.д. типичен для CH₂O-групп гексоз из полисахаридных фрагментов [19]. Наличие слабо интенсивного сигнала при 101 м.д., который является представительным для аномерных (полуацетальных) атомов углерода, также подтверждал присутствие углеводных фрагментов в структуре ГК.

В области ароматических фрагментов сигнал в пределах 90–165 м.д. могут давать незамещенные и/или алкил-замещенные ароматические атомы углерода. Пик при 147–149 м.д. типичен в спектрах структурных блоков лигнина, и его приписывают к кислородзамещенным атомам углерода ароматических колец – сирингил- и гваяцилпропановых единиц [14, 20]. ЯМР-спектры ГК бугра пучения имели более интенсивные сигналы в этой области по сравнению с термокарстовым понижением.

Многие свойства ГК определяются типом и количеством функциональных групп в их составе. В области карбоксильной группы (165–185 м.д.) наблюдали максимум при 171–173 м.д., в значительной степени относимый к углероду карбоксильных групп [21], но также он может принадлежать и карбонильной группе амидов и полипептидов [14]. Преобладание карбоксильных групп (–СООН) служит основанием для причисления гуминовых веществ к кислотам, в частности к высокомолекулярным ароматическим оксикарбоновым кислотам. Атомы углерода хинонных фрагментов и карбонильных групп альдегидов и кетонов вносили свой вклад в слабые сигналы в области 185–220 м.д., и невысокое их содержание (6.4–13.6), вероятно, связано с понижением биохимической активности почв понижений.

Кроме рассмотренных соотношений важным свойством ГК является соотношение в их составе гидрофильных и гидрофобных компонентов. К гидрофильным компонентам относим активные функциональные кислородсодержащие группы (С=О, СООН, C_алк–O-фрагменты), а гидрофобную часть представляют С- и Н-замещенные ароматические и алкильные фрагменты (С_арСН и С_алк) гуминовых кислот. Доля гидрофильных фрагментов в исследованных препаратах, которая отвечает за реакционную способность ГК, составляла 42.6–45.6%.

Сравнительный анализ молекулярного состава ГК исследованных почв показал, что при переходе от бугров пучений к термокарстовым понижениям происходила трансформация структурно-функциональных параметров гумусовых кислот, которая выражалась в уменьшении доли ароматических фрагментов и увеличении лабильных углеводных, аминокислотных и метоксильных остатков. Основными факторами, влияющими на строение и свойства высокомолекулярных органических соединений почв, являются климатические условия (температурный и водный режимы) обусловливающие специфику растительности и микробиологической активности исследованных криогенных экосистем.

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что избыточное увлажнение заметно влияет не только на количество накапливаемых гумусовых соединений, но и оказывает воздействие на их молекулярную структуру, а именно, обусловливает накопление в полугидроморфных почвах гумусовых веществ, обогащенных алифатическими цепочками. Переувлажнение, в совокупности с анаэробными условиями и низкой микробиологической активностью заметно снижает скорость трансформации почвенного органического вещества и приводит к увеличению доли не окисленных алифатических фрагментов в структуре гуминовых кислот.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в спектрах ¹³С-ЯМР гуминовых кислот (ГК) бугров пучений доминирует сигнал углерода ароматического ряда, в ГК термокарстовых понижений – алифатического. Эти данные полностью совпадают с результатами элементного состава, величинами отношения Н : С. Выявленные различия в содержании атомов углерода, входящих в состав структурных фрагментов в составе макромолекул ГК, свидетельствуют о разных условиях почвообразования и гумификации. Возрастание доли алифатических структур и снижение доли ароматических фрагментов в составе препаратов ГК позволяют говорить об упрощении строения молекулы гуминовой кислоты, что может быть обусловлено снижением микробиологической активности в термокарстовом понижении в условиях их постоянного переувлажнения.