Химия твердого топлива, 2023, № 5, стр. 15-21

ВВЕДЕНИЕ

Твердые горючие ископаемые (ТГИ) являются важнейшим источником энергии. Способ переработки ТГИ для использования в сфере энергетики не способен раскрыть заложенный в них огромный потенциал. Химическая переработка ТГИ отвечает современным требованиям рационального и безопасного использования природных ресурсов и открывает возможности получения ряда экологически чистых, эффективных и недорогих продуктов. Особое место среди способов химической переработки занимает экстракция. Применение экстракционного метода переработки позволяет получить такие ценные продукты, как битумы и гуминовые вещества (ГВ). При этом максимальный выход этих продуктов достигается при использовании в качестве сырья углей буроугольной стадии образования.

В экстракционных битумах выделяют восковую и смоляную составляющие. Групповой состав воска представлен углеводородами (алканы, алкены), спиртами, кислотами, сложными эфирами [1]. Воск – ценный продукт, применяющийся в литейном производстве, бумажной промышленности, бытовой химии, косметике, медицине и т.д. Экстрагированные смолы обеднены длинными алкильными цепями и включают больше алициклических непредельных и ароматических соединений. В смолах присутствуют карбоновые кислоты, сложные алифатические и ароматические эфиры, спирты, в том числе с ненасыщенными связями [2, 3]. Экстракционные смолы, на данный момент, являются отходом производства воска. При этом в битумах как в восковой, так и в смоляной составляющей установлено присутствие различных биологически активных веществ (БАВ) растительного происхождения – терпены, стерины, жирные карбоновые кислоты и др. [1, 4, 5]. БАВ в чистом виде или в виде узких фракций могут найти свое применение в ветеринарии, фармацевтике, медицине и сельском хозяйстве. Обнаружено, что омыляемая составляющая смол битумов проявляют фитостимулирующую активность по отношению к семенам пшеницы [6].

Создание препаратов для повышения эффективности продукционного процесса сельскохозяйственных культур – актуальная задача. Одними из перспективных природных источников таких препаратов являются гуминовые вещества. Фульвокислоты (ФК) как компонент ГВ представляют собой гетерогенные макромолекулы, образовавшиеся в результате микробиологического разложения органических веществ. Согласно спектроскопическим исследованиям, в структуре ФК присутствуют ароматические кольца, фенольные гидроксилы, хиноидные, карбонильные, карбоксильные и алкоксильные группы [7]. Среди гуминовых веществ ФК растворимы в щелочных и кислых средах, характеризуются более высоким содержанием карбоксильных групп и являются наиболее биологически активными [8, 9]. Ряд авторов предполагают [8–14], что ФК при меньших молекулярных размерах и молекулярной массе (несколько сот Дальтон) способны транспортировать вещества из почвы через поверхности органов растений в клетки, улучшая усвоение растениями питательных веществ. По физиологическому воздействию на растения они аналогичны антитранспирантам и ауксинам [10]. Использование ФК при замачивании или протравливании семян значительно улучшает всхожесть, увеличивает площадь листьев и надземную массу проростков, снижает их повреждаемость [11, 12]. Установлено, что применение ФК уменьшает средние сроки прорастания семян ряда сельскохозяйственных культур (сахарная свекла, яровая пшеница, яровой ячмень) и снижает вероятность поражения их фузариозом [11]. Однако обработка семян раствором фульвокислот при высоких концентрациях негативно сказывается на вегетации растений [13]. ФК способствуют стабилизации рН почвы и снижению выщелачивания удобрений. Биологическая активность ФК в почвах может оставаться на высоком уровне даже при высокой концентрации солей в широком диапазоне рН. Наиболее ярко их положительное действие проявляется при засухах [14].

Цель работы – исследование фитостимулирующей активности фульвокислот по отношению к семенам пшеницы сорта “Ирень”, а также возможного эффекта синергизма совместного применения ФК с определенной фракцией экстракционных смол буроугольных битумов.

МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для получения битумов был выбран бурый уголь Тюльганского месторождения Южно-Уральского бассейна (БУТ), который характеризуются высокой битуминозностью (содержание битумов до 16%) и поэтому является одним из наиболее перспективных видов сырья для комплексной экстракционной переработки с получением восков, смол и гуминовых веществ. Фульвокислоты извлекали из водного раствора гумата калия, полученного из естественно-окисленной формы бурого угля Тисульского месторождения Канско-Ачинского бассейна (БУТСО). Степень извлечения гуминовых и фульвокислот (60–68% и 7–9% соответственно) из этого угля значительно превышает выход из других бурых углей [15]. Данные технического и элементного анализа исходных углей и фульвокислот приведены в табл. 1. Исследование совместного применения фракций битумов и фракций гуминовых веществ разных образцов углей, возможно, даст ответ на наличие синергизма в их биоактивности.

Выделение восков и смол (См) из БУТ проводили в соответствии со схемой на рис. 1. Экстракции битумов предшествовала стадия О-алкилирования бурого угля БУТ под воздействием ультразвука частотой 22 kHZ [4, 16]. Воздействие ультразвуком значительно снижает продолжительность процесса алкилирования и увеличивает выход битумов (в условиях эксперимента [16, 17], с 39.1 до 56.4%). В качестве алкилирующего агента использовали н-бутанол, в качестве растворителя – н-гептан, в качестве катализатора – ортофосфорную кислоту. Полученные фракции битумов (воск и смола) дополнительно фракционировались в условиях реакции омыления (рис. 1).

Фульвокислоты извлекали из солянокислых растворов, полученных при осаждении ГК из водных растворов гумата калия по методике [15]. Схема процесса извлечения ФК представлена на рис. 2.

Групповой и компонентный состав исследуемых, предварительно высушенных до постоянной массы, образцов битумов и ФК изучали с привлечением методов ИК (FTIR)- и ¹³С ЯМР (CPMAS)-спектроскопии. Образцы битумов также исследовались методом хромато-масс-спектрометрии.

Запись ИК-спектров проводилась на ИК-Фурье-спектрофотометре “Инфралюм-ФТ 801” при разрешении 4 см^–1 с накоплением 16 сканов в диапазоне 4000–500 см^–1 в сухом KBr. Интерпретация спектров проводилась согласно работам [18, 19].

Спектры ЯМР высокого разрешения в твердом теле регистрировали на приборе Avance III 300 фирмы Bruker на частоте 75 МГц с использованием стандартной методики кросс-поляризации с подавлением сигналов протонов и вращением под магическим углом (CPMAS).

Хромато-масс-спектрометрия (ХМС) проводилась на хроматографе Agilent 6890N с масс-селективным детектором Agilent 5973 при условиях: капиллярная колонка HP-5ms; температура испарителя 290°C; удаление растворителя 4 мин; деление потока 50:1; скорость газа-носителя гелия 1 мл/мин; объем пробы для анализа 5.0 мкл; программируемое повышение температуры колонки от 50°C с выдержкой 3 мин до 280°C со скоростью 5°C мин; выдержка при 280°C – 60 мин. Содержание индивидуальных соединений регистрировалось по полному ионному току. Идентификация компонентного состава исследуемых образцов осуществлялась с использованием библиотеки спектров NIST-11 и Wiley.

Для исследования фитостимулирующей активности использовали полученные ФК и фракцию омыляемой составляющей смолы битумов (ОСм), так как данная фракция полностью растворима в воде. Для обработки семян пшеницы готовили водные растворы ФК (концентрации 0.00025% и 0.00038%); ФК (0.00025%) + ОСм (0.0005%); ФК (0.00038%) + ОСм (0.0005%). Выбор концентраций обусловлен результатами предварительных опытов.

Биологическую активность ФК, смеси ФК и ОСм определяли по величине индекса фитоактивности (ИФ) с учетом энергии прорастания семян (ЭП), длины корня (ДК) и высоты проростка (ВП). ИФ – обобщающий индекс, вычисляется как средняя величина суммы показателей ДК, ВП и ЭП, выраженная в долях единицы:

где ДК, ВП и ЭП – средние величины по трем лоткам (% к контролю) [20].

Для контрольного опыта семена обрабатывались дистиллированной водой (ИФ = 1.0). Величина рН растворов составляла 7–8.2 и находилась в допустимых пределах для использованной культуры. Семена проращивали в специальных растильнях-лотках между слоями увлажненной фильтровальной бумаги. Повторность эксперимента трехкратная: по 50 семян в лотке для каждой концентрации используемых растворов и столько же для контроля. ЭП, ВП и ДК замеряли на 5 сут [21–23].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для ИК-спектров поглощения выделенных ФК (рис. 3) характерно наличие интенсивных полос поглощения в интервале частот 3500–3400 см^–1 – валентные колебания водородосвязанных O–H-групп; 2960 и 2870 см^–1 – валентные колебания С–Н в CH₃- и CH₂-группах; 1730 см^–1 – валентные колебания C=O-кислот; 1620 см^–1 – колебаниям С=С-связей; в области 1460–1380 см^–1 – деформационные колебания связи С–Н в CH₃- и CH₂-группах; 1240 см^–1 – валентные колебания С–О-связи карбоновых кислот, сложных эфиров и О–Н-связи фенолов. Менее интенсивные полосы поглощения в области 1100–1040 см^–1 – колебания С–О-спиртов, эфиров, а также могут относиться к оксидам кремния (Si–O) минеральной части фульвокислот [17, 18]. Интенсивные полосы в спектрах фульвокислот в области 2920, 2870, 1730 и 1240 см^–1 свидетельствуют о преобладании в структуре ФК алифатических фрагментов, карбоновых кислот, спиртов и эфиров.

На ИК-спектрах выделенных смол (см. рис. 3) присутствуют наиболее интенсивные полосы поглощения в области 3650–3200 см^–1 – валентные колебания О–Н-групп спиртов и фенолов. Полосы поглощения в области 2920, 2850 см^–1 – валентные колебания CH₂- и CH₃-групп. Поглощение в области 1720 см^–1 характерны для валентных колебаний С=О-групп карбоновых кислот, эфиров. Полосу при 1560 см^–1 можно отнести к колебаниям С=С-связи моноароматических структур. Полосы поглощения в области 1475–1450 см^–1 характерные для деформационных колебаний СН₂- групп, в области 1440–1400 см^–1 – деформационные колебания группы СН₂ в –СН₂–СО алкановых цепочек, в области 1210 см^–1 – валентные колебания группы С–О в спиртах и фенолах. Интенсивный пик в области ≈1002 см^–1 характерен для валентных колебаний группы С–О в первичных и вторичных спиртах.

Данные ¹³С ЯМР (CPMAS)- исследования приведены в табл. 2. Для ФК (рис. 4) свойственно более высокое содержание углерода карбонильных групп C=O (220–187 м.д.), карбоксильных и сложноэфирных групп COOH(R) (187–165 м.д.), алифатического углерода C_alk (48–5 м.д.) и более низкое содержание ароматического углерода C_ar (145–108 м.д.) и С_ar–O (165–145 м.д.) по сравнению с исходным углем. О преобладании в структуре ФК алифатических фрагментов свидетельствует низкий параметр f_ar/al = 0.34 (табл. 2). Структурно-групповые параметры рассчитывались по формулам [24]: степень ароматичности  f_ar, где

степень алифатичности f_al, где ароматичность/алифатичность f_ar/f_al, где

По данным ¹³С ЯМР (CPMAS) исследования, полученные битумы представлены преимущественно веществами алифатического характера, на что указывает низкий параметр f_ar/al = 0.15 (см. табл. 2). Вещества ароматического характера концентрируются в смоляной составляющей битумов, и при фракционировании в условиях реакции омыления значительная их часть переходит в омыляемую составляющую смол (см. рис. 4) [16, 25].

При исследовании состава битумов бурого угля БУТ методом хромато-масс спектрометрии был идентифицирован ряд индивидуальных соединений [16, 25] (совпадение с NIST 11 более 90%): Tetradecanoic acid, Pentadecanoic acid, Hexadecanoic acid, Oleic acid, Octadecanoic acid, 1-Heneicosanol, Octacosanol и др. [25]. Среди идентифицированных соединений обнаружены биологически активные вещества (БАВ) [25, 26], некоторые из них (совпадение с NIST 11 более 80%) представлены в табл. 3. В последнее время в мировой фармакологии наблюдается рост интереса к применению этих веществ, однако, в литературе очень малое число систематических работ по изучению их свойств и механизма воздействия на клетки живых организмов и растений. Известно, что БАВ проявляют противовирусную, антибактериальную, антиоксидантную активность, а также обладают противогрибковыми свойствами.

Результаты лабораторных испытаний фитостимулирующего действия растворов ФК и ФК+ОСм приведены в табл. 4. Видно, что обработка семян пшеницы растворами ФК (0.00025 и 0.00038%) положительно влияет на все ростовые показатели, ИФ равен 1.24 и 1.27 соответственно. При концентрации ФК 0.00025% энергия прорастания составляет 31% к контролю, при концентрации 0.00038% – всего 10%. Добавление к растворам фульвокислот ОСм практически не изменяет этот показатель (32 и 11% соответственно). Также обработка семян раствором ФК (0.00025%) и ОСм (0.0005%) не оказывает существенного влияния на рост ДК и ВП и, как следствие, на ИФ (1.24). Высокие показатели ДК и ВП при обработке семян пшеницы раствором ФК (0.00038%) и ОСм (60 и 80% к контролю) обусловливает более высокий ИФ (1.50). Вероятно, присутствие биологически активных веществ в составе экстракционных смол битумов усиливает фитостимулирующее действие фульвокислот.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По данным ИК- и ЯМР-спектроскопии, выделенные из естественно-окисленного тисульского бурого угля фульвокислоты преимущественно состоят из алифатических фрагментов, карбоновых кислот, спиртов и эфиров. В составе битумов Тюльганского бурого угля идентифицированы биологически активные вещества (Ferruginol, Sugiol, Betulin и т.д.). Обработка семян растворами фульвокислот и фульвокислот с добавлением омыляемой смолянистой части битумов оказывает стимулирующее действие на прорастание семян пшеницы. Лабораторные испытания показали, что максимальную биологическую активность проявляют препараты, содержащие ФК (0.00038%) и ОСм (0.0005%). Дальнейшие исследования зависимости фитостимулирующей активности от концентрации ФК и ОСм будут способствовать созданию наиболее эффективных препаратов для сельскохозяйственных культур.