Химия твердого топлива, 2020, № 4, стр. 3-7

ВВЕДЕНИЕ

Гуминовые кислоты – природные высокомолекулярные соединения нерегулярного строения, содержащиеся в торфе, бурых и окисленных каменных углях, почве, донных отложениях. Полученные из разных источников ГК различаются по элементному составу, степени конденсированности, замещенности ароматических ядер, соотношению гидрофильных и гидрофобных фрагментов. В состав макромолекул ГК входят различные функциональные группы: карбонильные, карбоксильные, гидроксильные. Благодаря уникальности своего строения ГК способны вступать в окислительно-восстановительные реакции, реакции комплексообразования и ионного обмена с катионами металлов, что в свою очередь определяет широкий спектр их применения [1]. Как сорбенты катионов различных металлов ГК применяются для борьбы с химическими загрязнениями, очистки промышленных стоков, детоксикации загрязненных почв и т.д. Они используются для ремедиации и рекультивации деградированных почв, улучшая их структуру и повышая плодородие. В последнее время возрос интерес к применению гуминовых кислот и препаратов на их основе в сельском хозяйстве в качестве стимуляторов роста растений. В результате повышается урожайность культур, резистентность к заболеваниям, сокращается поступление тяжелых металлов и радионуклидов в растения. В настоящее время накоплен большой экспериментальный опыт, свидетельствующий о положительном влиянии биологической активности (БА) гуминовых веществ на урожайность и качество сельскохозяйственных культур [2]. Обнаружена полуколичественная взаимосвязь БА и содержания парамагнитных центров (ПМЦ) [3], хиноидных групп и фенольных гидроксилов, степени ароматичности (f_a) [4, 5]. Показано, что соотношение гидрофильно-гидрофобных фрагментов в структуре ГК – один из определяющих факторов их биологической активности [6]. Однако взгляды на природу биологической активности ГК неоднозначны и противоречивы. В настоящее время нет четкого понимания, какие структурные параметры ГК являются определяющими для проявления биологической активности.

В последнее время большой интерес исследователей направлен на химическое модифицирование гуминовых кислот, дающее возможность получить препараты на их основе с ценными свойствами, превосходящими свойства исходных ГК. С помощью направленного химического модифицирования за счет изменения функционально-группового состава можно повысить сорбционную способность, биологическую активность, регулировать окислительно-восстановительные свойства [7, 8]. Модификация ГК может быть использована для исследования структуры, а также для установления связи структура—свойство. Для модифицирования применяются различные реакции, например окислительно-восстановительные, гидролиза, алкилирования, ацилирования и т.д. Проведение реакций гидробромирования ГК, введение в их структуру индолсодержащих фрагментов способствует повышению БА [8, 9]. В работе [10] исследована биологическая активность природных и модифицированных ГК и показано, что окисленные перманганатом калия, а также алкилированные метилом ГК – самые эффективные по сравнению с исходными гуминовыми кислотами. Ранее было показано [7, 11, 12], что окисление гуминовых кислот пероксидом водорода увеличивает содержание карбонильных, карбоксильных, кислородосодержащих алкильных фрагментов. В результате этого повышается сорбционная способность ГК по отношению к катионам металлов (Cu^2+,, Zn²⁺, Co²⁺, Mn²⁺). Модифицирование пероксидом водорода снижает содержание ПМЦ в гуминовых кислотах по сравнению с исходными, так как Н₂О₂ как источник ОН-радикалов и кислорода может приводить к гибели органических радикалов [13].

Цель настоящей работы – изучение зависимости биологической активности от содержания ПМЦ нативных и модифицированных пероксидом водорода гуминовых кислот, выделенных из бурых углей.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для получения гуминовых кислот использовали образцы бурого угля Тисульского месторождения Канско-Ачинского бассейна (БУТС) и его окисленной в пласте формы (БУТСО). Гуминовые кислоты выделяли из угля обработкой раствором гидроксида натрия и последующим осаждением соляной кислотой [14]. Характеристики образцов исследуемых бурых углей и полученных из них гуминовых кислот приведены в табл. 1. Окисленный уголь отличается более высокой степенью ароматичности (С/Н = 1.72) и более высоким выходом гуминовых кислот.

Модифицирование гуминовых кислот пероксидом водорода проводилось следующим образом: к определенному объему растворов, содержащих 5 г гумата натрия, при постоянном перемешивании на магнитной мешалке из бюретки добавляли по каплям с одинаковой скоростью пероксид водорода (С = 32%, V = 5, 10, 15 мл), после добавления Н₂О₂ перемешивали еще 5 мин и осаждали ГК соляной кислотой.

Полученные осадки отфильтровали, промывали водой до pH дистиллированной воды, высушивали при температуре 70°С до постоянного веса.

Спектры ЭПР исследуемых образцов регистрировали при комнатной температуре на ЭПР-спектрометре “BrukerEMX-m40X” на частоте 9.86 ГГц. Условия записи ЭПР-спектров для всех образцов идентичны: уровень мощности 1.8–1.9 мВт, частота модуляции 100 кГц. Для определения количества органических парамагнитных центров (ПМЦ) в качестве стандарта использовали ионы Mn²⁺ в оксиде магния MgO. Характеристики ЭПР-спектров рассчитывали с помощью программы BrukerWinEPR.

Для установления зависимости “структура–свойство” были проведены тесты (фитотестирование) [15, 16] с использованием сортовых семян пшеницы “Ирень”. Определение биологической активности ГК в виде гуматов натрия (ГумNa), концентрация 0.01, 0.005 и 0.0005%, полученных как из исходных, так и модифицированных пероксидом водорода гуминовых кислот, проводили в соответствии с ГОСТ 12038-84 и ГОСТ 54221-2010 [17, 18]. Для этого семена проращивали при постоянной температуре 20°С в темноте в специальных растильнях – лотках. Биологическую активность нативных и модифицированных ГК оценивали по величине интегрального индекса фитоактивности (ИФ) с учетом трех тест-функций: энергии прорастания семян (ЭП), длины корня (ДК) и высоты проростка (ВП). Величина ИФ является обобщающим индексом, отражает отклонения от контроля и вычисляется как средняя величина суммы показателей ЭП, ДК и ВП, выраженная в долях единицы:

Повторность эксперимента трехкратная: по 50 семян в каждом лотке для каждого вида ГК и столько же для контроля. Для контрольного теста использовалась дистиллированная вода. ЭП, ВП и ДК, а также количество корней (КК) замеряли на 5 сут.

Относительная ошибка во всех экспериментах составляла 3–5% для уровня значимости α = 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 2 приведены экспериментальные данные по определению биологической активности гуминовых кислот посредством фитотестирования, в процессе которого были установлены не только эффекты, стимулирующие развитие растений, но и подавление тех или иных тест-функций. Одним из факторов, влияющих на биологическую активность, является концентрация используемых гуминовых препаратов. При концентрации 0.005% наблюдается наибольшее значение ИФ для всех исследуемых образцов гуминовых препаратов (табл. 2).

При этом следует отметить положительное влияние ГК на энергию прорастания семян, длину корней и высоту проростков. Более высокая биологическая активность свойственна гуматам, полученным из естественно-окисленной формы бурого угля (ГумNa БУТСО), применение которого дает максимальные значения высоты проростка и длины корня (38 и 23% к контролю). На примере модифицированных ГумNa БУТСО показано, что уменьшение концентрации гуминовых препаратов от 0.005 до 0.0005% также приводит к снижению ИФ.

Химическое модифицирование, изменяя функционально-групповой состав гуминовых кислот [19], должно оказывать влияние на биологическую активность ГК. Действительно, как видно из табл. 2, применение модифицированных пероксидом водорода ГК приводит к уменьшению значений тест-функций и индекса фитоактивности для всех исследуемых образцов по сравнению с нативными.

При этом наблюдается незначительное уменьшение количества корней. При обработке семян препаратами ГумNa БУТС (10), ГумNa БУТС (15), ГумNa БУТСО (15) индекс фитоактивности ниже ИФ в контрольных опытах с водой (рис. 1). Значения всех тест-функций ДК, ВП и ЭП в этих опытах ниже контрольных.

Рис. 1.

Индекс фитоактивности нативных и модифицированных гуминовых кислот, полученных из бурых углей БУТС (а) и БУТСО (б).

В табл. 2 также представлено содержание ПМЦ исследуемых образцов нативных и модифицированных гуминовых кислот. Оценивая связь биологической активности ГК с парамагнитными свойствами, следует отметить о наличии тенденции снижения значений ИФ с понижением содержания ПМЦ в процессе модификации гуминовых кислот пероксидом водорода. Нативные гуминовые кислоты с более высоким уровнем парамагнетизма наиболее биологически активны. Линейная зависимость имеет довольно низкие коэффициенты детерминации R² = 0.6 для ГК БУТС и 0.7 для ГК БУТСО (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимость индекса фитоактивности от содержания ПМЦ нативных и модифицированных пероксидом водорода гуминовых кислот, полученных из бурых углей БУТС (а) и БУТСО (б).

Вероятно, связь между содержанием ПМЦ и биологической активностью не является простой и однозначной. Есть мнение, что парамагнетизм ГК обусловлен синергическим эффектом взаимодействия ароматических систем полисопряжения и водородных связей, образованных функциональными группами [20], и определяется содержанием хиноидных групп и фенольных гидроксилов [4]. Таким образом, направленная химическая модификация ГК может изменить функционально-групповой состав ГК, а контроль содержания ПМЦ позволит оценить биологическую активность ГК.