Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА, СВОЙСТВ И СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ФРАКЦИЙ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ЧЕРНОЗЕМОВ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА, СВОЙСТВ И СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ФРАКЦИЙ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ЧЕРНОЗЕМОВ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К.А.ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи ТОМАЩУК Алла Юрьевна

УДК 631.445.4:547,992(574.22)

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА, СВОЙСТВ И СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ФРАКЦИЙ ГУМИНОВЫХ кислот ЧЕРНОЗЕМОВ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА

Специальность 06.01,03 — Почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА —1982

Работа выполнена .на кафедре физической и коллоидной химии Московской . сельскохозяйственной академии им, К.А.Тимирязева. -

Научный руководитель — кандидат химических .наук, доцент В. А. Черников.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор А. Д. Фокин; кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник К. В. Дьяконова.

Ведущее предприятие— факультет почвоведения Московского ордена-Ленина и ордена Трудового Красного Знамени Государственного университета им, М. В. Ломоносова.'

Защита состоится « $ Ф.Щ&-. 1982 года

на заседании Специализированного совета К.120.35.01 в Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Адрес: 127550, г. Москва, Тимирязевская ул., д. 49, Ученый Совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА:

Автореферат разослан . ЖШ-ЪрЛ . . , 1982 г.

Ученый секретарь ■■' ■' ■ ......

Специализированного сопртя доцег

Н, А, ГОНЧАРОВА

Актуальность темы. XXVI съездом КПСС и. майский (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС поставлена задача интенсификации земледелия страны. Выполнение, этой.задачи требует ох ученых подробного изучения гумусового состояния почв и состава гумусовых веществ. Роль органических веществ лочйы в почвообразовательных процессах н в формировании плодородия почв трудно переоценить. Органические вещества почвы играют ведущую роль в создании агрономически ценной структуры, определяют йодный, теплом ой и воздушный режим, буферную и поглотительную способность, участвуют и перемешен нии минеральных компонентов почв по профилю, в снабжении растений элементами питания и биологически активными веществами. Одной из основных задач почвоведения является дальнейшая разработка мероприятий, направленных на прогрессивное развитие плодородия почвы. Совершенно очевидна поэтому необходимость детального изучения природы органического вещества почвы.

К настоящему времени выявлены особенности состава- и свойств гумусовых соединений на различных таксономических уровнях для контрастных по генезису почв. Для. генетически близких почв, различающихся на уровне подтипов, эта задача не решена. В частности, недостаточно изучены гумусовые кислоты различных подтипов черноземов Северного Казахстана, составляющие основной земельный фонд для производства сельскохозяйственной продукции в этой зоне. Значимость результатов последующих анализов и исследований в большой степени зависит от эффективности процессов выделения'и: разделения фракций, приводящих к относительно чистому к устойчивому препарату.

Поэтому часть работ посвящена препаративному выделению и фракционированию гумусовых кислот из почв.

Цель и задачи исследования. Целью проведенного исследования явилось комплексное научение-, состава, свойств Л структурных особенностей ряда фракций гумусовых Кислот (ГК) некоторых подтипов черноземов Северного Казахстана с применением современных физико-химических методов анализа. При этом предполагалось решить следующие, задачи:

1. Провести предельное фракционирование ГК некоторых подтипов черноземов Северного Казахстана с помощью двух растворителей.

2. Выявить различия в составе, свойствах н структурных особенностях всех фроиший ГК с использованием комплекса методов физико-химического анализа,

.3, Оценить принципы строения подо- и спирторастворимых ГК (гнматомелаиовых кислот — ГМК) с помощью метода пн-ролитнческой масс-спекгромегршг,

4. Изучить жириокислотпый состав гнматомеланоиых кислот исследуемых подтиио-н черноземов.

Научная новизна работы. Впервые детально комплексом физико-химических методов проведено исследование узких фракций ГК черноземов Северного Казахстана, формирующихся в особых бшж.шматических условиях. Изучены ИК-спектры и термические свойства ГК и их фракций. Впервые применен метод пиролнтической масс-сиекгрометрии для установления структурно-группового состава водо- н спирторас-творнмых ГК, который помог вскрыть генетические различия между ними. За счет увеличения числа определяемых групп и расширения числа пиков, характеризующих различные аналитические группы, была более полно использована карта массовых чисел, что дало возможность детализировать структурно-групповой состав изучаемых фракций. Выявлена закономерность изменения свойств на примере изучаемых фракций. Впервые разработана методика и проведено изучение жирно-кислотного состава ГМК методом сопиролитической хроматографии.

Практическая и теоретическая значимость работы

1. Предложена схема фракционирования ГК, которая позволяет на каждом этапе получить узкие фракции, используя метод исчерпывающей экстракции.

2. Приведена комплексная характеристика пяти фракции ГК, позволяющая определить хнмнко-генегические связи между ними.

. 3, Впервые изучены данные структурно-группового состаиа водо- и спирторастворимых ГК. Полученные данные могут быть использованы при изучении химии органического вещества почв, а также в качестве диагностических показателей близких в генетическом отношении почв при достаточно большом наборе статистических данных.

4. Впервые были получены данные по жнрнокнслотному составу ГМК генетически близких подтипов почв, которые могут быть использованы для оценки группового состава почвенной микрофлоры. „ _ ^ . -

г

5. В работе дана- опенка каждого из применяемых методов физико-химического анализа и получаемых с их помощью параметров для исследования структур ГК н их фракций,

0. Результаты исследовании будут использованы к качестве дополнительной физико-химической характеристики органического вещества черноземных ночи отделом агропочповедения ВНИИЗХ (Целиноградская облает!.).

Апробация работы. Основные результаты были доложены на научной конференции ТСХА (1976 г.), на IV конференции молодых ученых Института агрохимии н почвоведения ЛН СССР (г. Пущпно, 1978 г.), на I Всесоюзном семинаре .«Биологически активные соединения и геоорганических объектах» {г.'Томск, 1978 г,), на II Всесоюзной конференции «Биосинтез н метаболизм лшшдов у микроорганизмов (г. Москва, 1979 г.), па IV Всесоюзной конференции по аналитической химии органических соединений (-г. Москва,, 1980 г.), на Межзональной научно-методической -конференции «Перспективы использования и сельском хозяйстве физиологически активных веществ гумусовой природы» (г, Днеиропегровск, 1980 г.), на Ш Всесоюзной конференции но масс-спектрометрпц (г. Ленинград, 1981 г.).

Публикации. По результатам исследовании опубликовано 7 статен.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 182 стр. машинописного текста п состоит пз введения, 6 глав к общих выводов. Иллюстрационный материал состоит из 15 таблиц и 46 рисунков. Библиография содержит 169 наименований,, в том числе 63 работы зарубежных авторов..

Основное содержание работы. В кратком литературном обзоре излагаются современные представления о природе, свойствах и методах фракционирования гумусовых веществ. Приводятся характеристики различных методов фракционирования и обоснование его необходимости при изучении химии гумусовых лещесгв. Более подробно описаны . различные взгляды ряда авторов на место гнматомелановых кислот й номенклатурной схеме гумусовых веществ, а также на их свойства и происхождение.

Глава I. Объекты и методы исследования. Исследования проведены па кафедре физической и коллоидной'химии ТСХА в период 1975—1У81 гг. Объектами исследования служили ГК Северного Казахстана, .выделенные препаративно из следующих почв: чернозема обыкновенного (гор. Л|),'чернозема южного (гор. Л]), чернозема южного карбонатного (гор. Л|), чернозема выщелоченного (гор. ЛПз1 0—'25 ем). Из образцов данных ночи били выделены препараты ГК'по общепринятой, методике (Д. С. Орлов и др., 1970 г.) при предельном извлечении.

j *

3

В первой плане основное место занимает описание предложенной схемы фракционирования ГК, позволившей из каждого полученного подтипа получить 5 узких фракций: исходные ГК (фр. 1); водорастворимые ГК (фр. 2); ГК без водорастворимых ГК (фр. 3); спирторастворимые ГК-ГМК (фр. 4); ГК без водо- и спиртораскюримых ГК (фр. 5), используя на каждом этапе метод исчерпывающей экстракции. При извлечении ГМК была использована методика холодной экстракции этиловым спиртом, позволившая получить препарат со сравнительно низкой зольностью. Дальнейшее исследование полученных фракций комплексом физико-химических методов по-

Таблица 1

Элементный состав, атомные соотношения и степень окисленности фракций ГК черноземов Северного Казахстана

(на сухое беззольное вещество)

Подтипы Атомные % Атомные <■]

С Н 0 N Н/С

1 2 3 4 о Г> 7

Исходе Обыкновенный , . . . Южный , ........ Южный карбон..... Выщелоченный . , , . ше гул 3-1,3 з-м 34,1 35,4 шновы 37,5 36,2 37,4 35.0 е кисло 26.4 28.1 272 28^6 ты (фр, 1 1,8 1,3 1,3 1,0 ) 1.09 1,05 1.10 '1,00 + 0,45 +0,58 +0,50 +0,63

Водорастворимые гуми новые кислоты (фр. 2)

Обыкновенный . . . 21,0 3/5,9 39,4 2,70 1,76 + 1,99

Южный....... 26.0 37,1 ■33,1 1,50 1,43 + 1 20

Южный карбон..... 25,3 35.5 37,1 2,10 1.4Э 1+1.53

Выщелоченный , . . . 36,9 '¿8.2 32,0 2,90 0,77 +0,98

Гумниовые кислоты без водорастворимых ГК (фр. 3)

Обыкновенный . , , . 34,2 34,7 28,9 2,20 1.01 +0.67

Южный ....... 28,7 36,1 33,2 2.00. 1,26 + 1,06

Южный карбон..... ■10,0 39,5 17,4 3,10 0,99 -0,12

Выщелоченный . . . 34,0 30,4 33.3 1,70 0,89 + 1,03

Спирторастворимые гумниовые кислоты (фр. 4)

Обыкновенный . . . . 34,8 63,6 10,6 1,00 1,54 —0;93

Южный....... 35.2 53,4 10.7 0,70 1,51 —0,91

Южный карбон..... 36,8 50 7 п.о 1,50- 1,34 —0,78

Выщелоченный , . . 35,4 51,0 9,8 0,80 1,53 —0,08

Гумнноеые кислоты без водо- и спирторастворнмых ГК (фр. 5)

Обыкновенный . . . зад 41,8 16,4 2,50 1,06 -0.23

Южный..... . . 31,7 44,8 21.3 2,20 1.43 -0,07

Южный карбон, . . . . 32,7 36,9 28.1 2.В0 1,13 +0,59

Выщелоченный , . . . -К>,5 37,0 21 2 1 30 0,91 +0.13

зволило вскрыть специфические особенности .генетически близких почв, а также приблизиться к решению вопроса о химической структуре ГК черноземов.

Глава II. Элементный состав и степень окисленности фракций ГК.

Результаты по исходным ГК показывают, что содержание С, Н, N почти одинаково во всех образцах черноземов (табл. 1).

Все они являются соединениями окисленным». Преобладание Н над С незначительное. Фр. 2 отличает высокое содержание кислорода, для нее характерно большое абсолютное значение степеней окисленности. Содержание углерода сравнительно невысокое, с максимальным значением для водорастворимых ГК подтипа выщелоченного. Содержание азота колеблется и пределах 1,5—3,0 ат.%. Фр. 3 отличается ог фр. 1 по всем подтипам почв. По изменению соотношения Н : С .можно говорить об обогащеппостн подтипа южного алифатическими структурами. Фракция 4 имеет более высокое атомное соотношение (II: С), чем исходные ГК, вызванное наличием в их составе большого числа алифатических структур. Соединения фр. 4 являются сильно восстановленными соединениями. По данным элементного анализа наиболее резко различающимися являются водо- и спнрторастворнмые ГК.

Глава III, Характеристика функциональных и атомных группировок ГК и их фракций. Для характеристики функциональных и атомных группировок ГК и их фракций нами были изучены ИК-снектры. Фр. 1 имеет полосы поглощения, характерные для гумусовых кислот. Наиболее характерными полосами поглощения фр. 2 можно считать широкую полосу при 3400—3420 см-1, которую дают валентные колебания гид-рокенльных Ol brpynn, преимущественно имеющие межмолекулярные водородные связи, полосы поглощения в области 1440—1410 см-1 можно отнести как за счет деформационных колебаний связи СМ в СНг-группах, так и за счет ОН-групп.

В ПК-спектрах фр. 4 присутствуют все полосы поглощения, характерные для ГК. Они свидетельствуют о наличии в молекулах ГМК карбоксильных групп, карбокенлат-нопов, СНз и СН3 группировок алифатических структур, ампдных группировок и спиртовых ОН-груин. Несмотря на сходный набор полос ИК-снектров, ГК и ГМК существенно отличаются. В ПК-спектрах ГМК более четко выражены полосы поглощения карбонплов неднссоцинрованиых карбоксильных групп (1710—1735 см~'), интенсивность этих полос выше, чем в ИК-спектрах ГК; хорошо выражены полосы СН2 и СН3 группировок алифатических цепей. Таким образом, сравнение ИК-спектров ГМК и ГК указывает на иной тип строения ГМК в сравнении с другими фракциями .и особенно с ГК.

при большем участии в них менее конденсированных ароматических структур и большем числе алифатических пеней, а также большом количестве педнссоц.ннрованиых карбоксильных групп. Во фр. 5 по сравнению с другими фракпиямня наблюдается увеличение интенсивности поглощения в области при 1060 ем-1 (спиртовые ОН-грунпы), появление полос поглощения при 1550 см-1 (амиды) и поглощение в области 1260 см-1 (карбоксильные группы). При рассмотрении ИК-спектров следует отметить отсутствие разницы между фракциями разных подтипов, можно говорить лишь о разной степени интенсивности полос поглощения.

Глава IV. Исследование жнрнокислотного состава ГМК. Дли уточнения качественного н количественного жнрнокислотного состава ГМК нами была разработана методика экспрессного газохроматографнчоского анализа свободных л связанных жирных кислот (ЖК). Предложенный нами метод основан на сочетании пиролиза анализируемого образна с высокотемпературным переметил кропанием ЖК. Хроматограммы ГМК подтипов обыкновенного и выщелоченного идентичны; можно говорить лишь о размой степени интенсивности отдельных хромятографкческих пиков. Содержание ЖК в ГМК различных подтипов неодинаково (табл. 2).

Прежде всего обращает на себя внимание факт резко пониженного содержания ЖК Си—Ct9 у чернозема выщелоченного по сравнению с содержанием их и ГМК других подтипов. В ГМК целинных черноземов наиболее постоянным является содержание пальмитиновой кислоты (16:0). Заметно пониженным содержанием ЖК (15:0) характеризуются ГМК подтипа южного карбонатного по сравнению с южным и выщелоченным. Содержание ЖК с числом углеродных атомов, равным 18, заметно увеличивается от обыкновенного чернозема через южный к южному карбонатному. Наиболее существенные различия вскрываются при анализе сум-мы низкомолекулярных — См—С,я (им AVK) и высокомолекулярных — Сг(>—С3; (им ЖК). В целинных черноземах низкомолекулярные кислоты преобладают над высокомолекулярными, в пахотном горизонте выщелоченного подтипа наблюдается противоположная зависимость. При этом, если в южном черноземе содержание низкомолекулярных ЖК незначительно превышает содержанке высокомолекулярных, то в обыкновенном и южном карбонатном содержание низкомолекулярных ЖК в 2,0—2,5 раза превышает количество высокомолекулярных. Как показали исследования последних десятилетий (Е. 3. Теппер, 1970), и разложении стабильных гумусовых веществ принимает уча? стне определенная ассоциация микроорганизмов, в состав которой входят представители рода нокарднй и близкие к ним мнкобажтерии н некоторые корннебажтерин.

Таблица 2

Абсолютное содержание »ирных кислот в ГМК (мг/г ГМК) _

Подтипы ЧфШЗСМОН Жирный кислоты Сумма ня ЖК С|4~С|9 Сумма ви ЖК Сго— Сзг Соотношении I нкЖК к Ж К

И ;0 И5:0 а 15 :0 16:0 х+18:0 18:1

Обыкновенный, гор. «V . . 1,84 1М 1,1« 9,72 4,90 7,48 26,3 14,3 1,83

Южный гор. Л|..... 1,49 1,22 1;15 9,59 МО ил 31,0 25,1 1,23

Южный карбон, гор. Л| . 1,69 0,5} 0,9(1 9,91 9.4(5 12,3 31,8 13,9 2,50

Вищслочснний, гор. Л пах 0,37 0,25 0,23 1,90 2,64 4,05 13,4 33,2 0,40 1

Нами показано, что в пахотной почве ГМК подтипа выщелоченного, где обсемененность бактериями выше, содержание низкомолекулмрных ЖК значительно ниже, а высокомолекулярных значительно выше по сравнению с целпннымн, что под--тверждает предположение о происхождении ЖК в почве, свидетельствующее о приуроченности рода нокардий к процессу минерализации гумусовых веществ, и дает основание считать, что мнколовые кислоты имеют бактериальное происхождение. Различное содержание низко- н высокомолекулярных ЖК в изучаемых подтипах черноземов отражается на качественном составе органического вещества изучаемых подтипов черноземов н коррелирует с родовым составом микрофлоры. Показатель соотношении низко- и высокомолекулярных ЖК, равный 1,23 для чернозема южною, свидетельствует о примерно равном содержании лабильных н стабильных ЖК, в то время как для обыкновенного и особенно для южного карбонатного можно говорить о явном преобладании лабильных-компонентов над стабильными. Таким образом, этот показатель может быть диагностическим для оценки соотношения лабильных и стабильных ЖК.

Глава V, Термическая характеристика и соотношение мо-стмковых и стабильных компонентов во фракциях Г К. Диф-ференцналыютермический н термотравиметрнческнй анализы (ДТА н ДТГ) позволяют ответить на ряд вопросов, касающихся структуры гумусовых веществ. Водо- и спирторастворимые ГК исследованы этим методом впервые. На термографических кривых отчетливо'выражены эндотермические эффекты в области температур 80—П0°С н две группы экзотермических эффектов — низкотемпературная — 200—400°, в которой происходит разрушение алифатических фрагментов, н область 400—800°, в которой происходит разрушение стабильных группировок. Совместное рассмотрен,не данных ДТА н ДТГ позволяет сделать заключение о соотношении этих качественно различных составных частей исследуемых препаратов но предложенному показателю «г» (В. Д. Черников, 1971 г.).

При исследовании термических свойств фр. 1 следует отметить, что термостабильные и термолабильные фрагменты принимают почти одинаковое участие в их построении. У фр. 2 наблюдается преобладание фрагментов, разрушающихся и низкотемпературной области, что приводит к резкому увеличению «г» до 1,46. Основная потеря массы происходит в низкотемпературной области и сопровождается тремя реакциями разрушения, что говорит о разнокачественном составе макромолекулы во фр. 2. Во фр.' 3 основная потеря образца происходит в высокотемпературной области, что приводит к уменьшению значения «г», которое почти одинаково для всех 6

изучаемых поди той. Потеря массы в высокотемпературной области происходит в одну реакцию. Фр. 4 по термическим свойствам отличается от остальных фракций прежде всего четкими и интенсивными экзоэффектами. Лля них характерно наличие второго экзоэффекта в высокотемпературной области, где происходит основная потеря массы образна. При этом у чернозема выщелоченного удаление адсорбционной поды и потери массы к ннзко- и высокомолекулярной областях происходят в две реакции, что говорит о разнокачественном состане макромолекулы этой фракции. Для фр. 5 значение резко уменьшается для всех подтипов. Доля стабильных фрагментов возрастает, основная потеря массы'Происходит в высокотемпературной области н для всех подтипов, кроме выщелоченного, протекает в две реакции. Обобщая дернватографические данные по 'ксем фракциям исследуемых подтипов, можно отметить, что исследуемые препараты по доле участия стабильных группировок в построении макромолекул располагаются в ряд: фр. 3 = фр. 5>фр. 1>фр. 4>фр. 2.

Гласа VI. Структурно-групповой состав фракций ГК по данным метода пиролитнческой масс-спектрометрии (ПМС). Разработанная на кафедре физической н коллоидной .химии ТСХА методика масс-спектрометрического анализа пиролиза-тон, состоящих из С, И, N и О элементов, была впервые нс-иользонана нами при анализе фракций ГК, полученных ирн исчерпывающей экстракции водой и спиртом ГК одного региона. Была изучена динамика выделения суммарных продуктов пиролиза, «газов» (Г) и «жпдкнх-г твердых» (ЖТ), включающих ароматические и пеа ром этические компоненты. Для этого были использованы термические "кривые," построенные по пнтенсивностям характеристических лонов —,масс-термограм-мы.

■Метод непрерывной съемки масс-спектров' в процессе пиролиза (при программированном нагреве) открывает возможность определения как общего выхода продуктов, образующихся при пиролизе, так и установления вклада отдельных компонентов. Для установления полуколнчественного состава продуктов деструкции анализируемых фракции определялся вклад каждого типа соединений в полный ионный ток. Общее содержание каждой группы рассчитывалось интегрированием по времени значений полных токов, приходящихся па долю анализируемых групп. Полученные величины нормировались по интегральному значению полного тока.

Для установления изменений структурных признаков при последовательном снятии каждой фракции были рассмотрены масс-термограммы фракции одного подтипа чернозема обыкновенного. Из сравнения кривых суммарного выделения продуктов, пиролиза, полученных в начале и в конце фракциоииро-

.вання, наглядно видны изменения, которые при этой происходят. Для ГК исходных выделение продуктов пиролиза происходит в относительно широком интервале температур (.100—600"), что свидетельствует о малой скорости протекания деструкции и косвенно указывает на экранирование лабильных мастиковых структур, входящих в структуры данных соединений. Исходные ГК без водо- и спирторастворимых ГК имеют узкий мощны!*! ггик (максимум 390°), что свидетельствует об увеличении скорости выделения суммарных продуктов, многие составляющие компоненты освобождены н идет интенсивное выделение мостиковых структур, а также отчасти стабильной части макромолекулы. Таким образом, при последовательном снятии фракций происходят изменения в структуре макромолекулы гумусовых веществ, вероятно, как за счет разрушения лабильных мостиковых структур, так и за счет уменьшения их экранирования. При анализе образцов одного подтипа наблюдаются заметные различия и .в температурпых пределах протекания характерных реакций, таисих как дегидрирование, декарбокснл нрава»не, выделение СО, ароматиче-

ТаСлица 3

Относительное содержание компонентов пнролнзата фракций ГК чернозема обыкновенного (% к ионному току)

Фракции

Продукт пиролиза 1 3 4 5

31.5 87;! Г>1,7 40,9

п том числе:

со2............. 10,7 54,2 28,3. 15,1 3<1,6

СО........... 0,1 20,9 20,4 12,3 19,1

нго.......... 8,7 8.4 8,0 9,6 8,1"

Сумма «жидких-{-твердых» . , . 68,5 12,9 38,3 59,1 30,3

н том числе:

неароматнческне соединения . . 45>1 12,5 33,4 44,9

ароматические н гндроароматнче-

скне соединения....... 23,4 0,4 4,9 14,2 3,5

Фр. 1 — исходные ГК, фр, 2 — водорастворимые ГК, фр. 3 — ГК без водорастворимых ГК, фр. 4—ГМК, фр. 5 — без водо- и сгтртчрастворимых ГК.

ских и неароматическнх фрагментов. Выделение неароматических фрагментов как бы разблокирует ароматическую часть макромолекулы,,при этом выделяются фрагменты, содержащие, по-видимому, функциональные группы и входящие в стабильную часть макромолекулы. Максимумы выделения ароматических фрагментов для всех исследуемых препаратов чернозема обыкновенного примерно одинаковы по ннтенснв-

ностн н лежат в пределах 360—400°. После выделения ароматических наблюдаются разные по интенсивности инки выделения неаромэтических фрагментов в температурной области :вьмпе 450°, по-видимому, входящих в стабильную часть мак-юмолекулы. Наиболее интенсивны они для водо- и спнрто-^астворимы.х ГК. В таблице 3 представлены данные об отно-знтелыюм содержании компонентов пнролизата фракций ГК.

Гиматомелановые кислоты изучаемых подтипов имеют одн-1аковое положение максимумов суммарных продуктов пнро-тпза при 360—390°. Ка-к показало экспериментальное о преде-теине площадей, построенных по полному ионному току, велн-мша их практически одинакова. Максимальное выделение продуктов пиролиза происходит во второй температурной об-1 астн и, судя по.маес-термограммам, а также по составу ппро-тнзата (табл. 4), состоит примерно из равных количеств Г н ЖТ продуктов пндролиза.

Процесс декарбоксилированин у ГМК исследуемых подтипов имеет более сложный характер, чем .процесс дегидратации.

Таблиц а 1

Относительное содержание компонентов пиролизатов водо» и сп нрто раствор» мы к ГК исследуемых подтипов черноземов (отн. %)

Подтип м

Продукт пиролиза ' (>быкно- ШЧ11ШЙ Южны К Южный карбон. Выиим<>'1

ГМК.1 ГМК-2 ГМК-л ГМК-1

ВР-1 ВР-а ВР-о ВР-1

^умма <газоо»........ ■■10.9 11,0 ■10.8 ■19.0

«7,1 75, 1

и том числи: СО)........... Но.] 23,0 17.7 31,2

51,2 43,7 •1-М з«.«

СО ..... 12,3 7.9 15.2 10,4

35,0 30,3

нго........... 9.6 7,0 II 1.2 5.1

¿л 7

«ж)1лки\+тнерлич» , . . 59.0 50.2 51.0

п том числе: неараматинссм«! соединения , . 12,» 7,В 43,5 15,0 38,3 2-l.fi 39,0

12,Г, 7.7 Ы,3 22,С

ароматические и гилриарпчатнче-скле соединения....... 14.2 15,5 12.9 П.1

0,1 0,1 0,7 2,0

Судя по лнтенсивностям кривых, основное количество СОа выделяется во второй температурной области (200—500°), наиболее четкие инки газовыделения характерны для подтипа южного карбонатного. В высокотемпературной области имеются пики .выделения (разные по четкости) при 540, 720 н ¿90". В этой температурной области за выделение С02 ответственны, по всей вероятности, Солее термоустойчивые фрагменты. При общности температурных интервалов в процессе выделения С02 наблюдаются некоторые различия в количестве эффектов, а также значительные колебания в относительном содержании С02 в пиролизатах ГМК различных подтипов (табл. 4), что нашло свое отражение в интенснвностях кривых выделения. Выделение СОг происходит в той же температур-нон области, что НгО н СО;, но носит более сложный характер, при этом температурные интервалы для различных подтипов одинаковы. Колебания 'В относительном содержании СО ■в ГМК различных подтипов от 7,9 до 15,2 отн.%. Содержание неароматнческнл структур в ГМЗ в 3,1 раза превышает содержание ароматических (табл. 4). Исследование динамики выделения компонентов пиролиза ГМК исследуемых подтипов позволило сделать вывод о предположительной структуре ■макромолекул этих кислот, отличающихся соотношением и пространственным расположением близких по структуре аро-■мапгческих и неароматических фрагментов. Для водорастворимых ГК изучаемых подтипов выделение до 80% суммарных продуктов пиролиза происходит во второй и третьей температурных областях, при этом температурные максимумы для них совпадают. До 92% суммарных продуктов состоит из Г фрагментов (табл. 4). Процесс декарбоксилнровання протекает в несколько стадий, в основном во второй и третьей температурных областях. При этом, если энергия активации декарбоксилнровання в первой температурной области имеет низкое значение, то образованию этого соединения при более высоких температурах соответствуют большие значения энергии активации (до 400 кдж/моль). Низкая энергия активации указывает на то, что вначале идет процесс выделения СОг пз лабильных мостикопых структур, разрушение стабильных фрагментов с выделением С02 происходит при более высоких температурах II при этом затрачивается энергия в 10 раз большая, чем лргп низких температурах. Выделение СО и НгО также носит сложный характер, который выражается в большом числе перегибов на масс-термограммах и различной интенсивности пнков газо вы деления. Для водорастворимых так же, как и для спнрторастворимых ГК наблюдаются малоинтенсивные близко расположенные лики, свидетельствующие о сходстве механизма дегидратации и, вероятно, осуществляемые за счет гндроксильных групп карбоксилов, находящихся в орто-

положении, а также карбоксильных и фенолышх гндрокснлоН, находящихся или п ортоноложешш или в близко расположенных ядрах.

Таким образом, исходя из кривых масс-термограмм и данных таблицы 4, можно заключить, что водорастворимые ГК генетически близких почв имеют сходный характер кривых, а также близкий качественный состав лнролнзатов. Тем не менее следует отметить специфический характер выделения продуктов пиролиза у чернозема обыкновенного, что может говорить о более сложном строении макромолекулы этой фракции и о сложной связи ее фрагментов между собой. При близком качественном составе водорастворимые ГК имеют достаточно заметные колебания в количественном соотношении продуктов пиролиза. Особенно заметны эти различия в относительном содержании сум,мы Г, а также в содержании ароматических соединений. Распределение ароматических и неарома-тнческнх продуктов пиролиза имеет сложный характер и позволяет выделить две группы подтипов. В первую входят фракции ВР-1 и ВР-2, в которых содержание неароматнче-ских продуктов превышает 95%; во вторую — содержащие менее 95%. 'Для полного представления о'последовательности разрыва связей необходимо располагать данными о динамике выделения ароматических п неароматнческих продуктов пиролиза. В первой температурной области происходит в основном выделение неароматнческих фрагментов. До 80% ароматических и неароматических соединений выделяются во второй и третьей температурных областях. Сначала происходит интенсивное выделение неароматнческих соединений, по-видимому, из моспгковых структур, выше 350° происходит незначительное выделение ароматических продуктов. После выхода наиболее интенсивного пика ароматических компонентов наблюдается вторая стадия выделения неароматическпх фрагментов, наиболее интенсивная для ВР-1 н ВР-3.

Для более детального изучения структурпо-группового состава этих фракций, а следовательно, конкретизации их сходств и различий между ними ц в пределах одного подтипа нами был привлечен метод пнролитической масс-спектрочетрнн с непосредственным вводом образца в ионный источник, с проведением пиролиза при постоянной температуре. Методика расчета масс-спектров была намщ модифицирована с целью расширения числа никои, характеризующих различные аналитические группы, а также для увеличения числа определяемых групп. Это позволило полнее использовать карту массовых чисел и тем самым уменьшить ошибки за счет уменьшения числа пепдентнфнцнронанных компонентов, а также детализировать структурно-групповой состав.

Выводы^

I. Методом исчерпывающей экстракции препаратов гуми-новых кислот генетически близких подтипов черноземов получено 5 фракций из каждого изучаемого подтипа. Проведено сравнительное изучение их состава, свойств и структурных особенностей комплексом физико-химических методов анализа. Наиболее подробно изучены водо- и.спнрторастворнмие. гумн-иоиые кислоты (ГМК).

2.. Выявлены особенности элементного состава полученных фракций, Обогащенность ГМК водородом обусловливает низкую степень окнслеиностн, и: наоборот, водорастворимые ГК имеют высокую степень окислен и ости за счет обога [Ценности их кислородом. Высокое значение атомного соотношения (■>•1,0) у водо- ц сп и р тор а-с тво р 1имых ГК свидетельствует о преобладании в этих фракциях: структур с сильно разветвленными алифатическими фрагментами. Данные по содержанию-азота, говорят о том, что азот входит как в состав тер>моста-бнльных структур, так и в. так называемые мостиковые структуры.

3. Данные ПК-спектроскопии:показали» что каждая из полученных фракций имеет, характеристический набор полос поглощения. Так, для спирторастворимых ГК в отличие от исходных ГК и других фракций характерно значительное содержание групп С На и СНз, а также карбоксильных группировок..

4. Впервые разработан и. применен метод сопиролитнче-скон хроматографа» для исследования ж и р но кислотного состава. ГМК генетически близких подтипов черноземов. Определено содержание кислот- С16—Сзг,- прочно связанных со стабильной частью гумуса. Различное содержание низко- и высокомолекулярных. жирных.кислот, отражает качественный состав органического вещества н, как следствие, родовой состав микрофлоры. Показано, что в пахотном горизонте выщелоченного чернозема преобладает: автохтонная, группа микроорганизмов но сравнению с целинными.подтипами. Сделан предположительный иьшод о том, что миколовые кислоты имеют бактериальное происхождение..

5. Исследование термографических характеристик свидетельствует о явном отличии одной фракции от другой в пределах. одного подтипа,, а также о незначительном различии между ними в разных подтипах. Сравнительное изучение термографических-характеристик в рамках одного Подтипа на примере чернозема обыкновенного показало существенную разницу для водо- и спирторастворимых ГК. Обнаружены значительное преобладание в построении водорастворимых ГК термолабильных группировок и их термостабильная-разнокачест-векность. Для исходных ГК, ГК. без водо- и спирторастворн-.

н

мых ГК характерно преобладание термостабилпных- группировок. Для ГМК характерна разнокачествепность термоста-Знльной части макромолекулы при равном вкладе тсрмосга-бнльных к термолабильных группировок.

В. Впервые проведено сравнительное исследование структур но-группового состава полученных фракций двумя разновидностями метода пнролитичегкой масс-сиектрометрин: при линейном программировании температуры и в изотермическом режиме с непосредственным шюдом образца в ионный источник. Осуществлена модификация разработанной на кафедре физической и коллоидной химии методики, позволившая расширить число пиков, характеризующих различные аналнтнче-:кие группы.

7. Исследование фракций ГК чернозема обыкновенного позволило установить, что процессы дегидратации осуществляются за счет гндроксильных групп карбоксилов, находящихся 1 ортоположеннн, а также карбоксильных и фенолышх гнд-[юксилов, находящихся в близко расположенных ядрах.

В соответствии с найденными величинами энергии актина-иш установлено, что процесс декарбоксн.тнрюланни иачннзет-;я из лабильных мостиковых структур. На процесс разрушения стабильных фрагментов, затрачивается энергия п 10 раз Зольшая,

Из данных метода ПМС следует, что ГМК генетически близких почв имеют одинаковые по качественному составу структурные единицы, из которых складывается макромоле-<ула, но соотношение структурных единиц и их пространственное расположение, а также связи между собой и с оргаио-мн-неральной матрицей различаются, что находит свое отражение ) разной динамике выделения продуктов пиролиза.

Структурными особенностями ГМК являются почти1 одинаковое присутствие лабильных мостиковых структур алифатнче-гкого и циклического характера с функциональными замесги-гелями н ароматических фрагментов. Полнинклнческне О- и ^-содержащие фрагменты присутствуют в незначительном солнчестпе.

9. При близком качественном составе продукты пиролиза юдорастворнмых гуминовых кислот имеют заметные колебания в количественном соотношении. В составе водорастворимых ГК исследуемых подтипов черноземов находит-:н до 98,8% неароматическнх компонентов, имеющих слож-тую дииалигсу выделения. Наибольшие колебания наблюдается в содер'жаннн оксинафталннов и нафталинкарбоновых (нслот. Такие же существенные колебания наблюдаются н ео-1ержании хинонов .и полициклическнх кислород- и азотсодержащих соединений.

10. Сравнительное исследование усредненных данных для

бодо- н спиртор а створим ых ГК показало существенную разницу между ними. На основе данных комплекса методов физико-химического анализа предложены предположительные диагностические показатели характеристики.состава, свойств и структурных особенностей фракций гуминовых кислот почв.

Основное содержание диссертации изложено в следующих

работах:

1. Томащук Л. Ю., Хлебникова М. В. Выделение, анализ ч сравнительная характеристика г им а том е л а н ов ы х даслот черноземных почв. Доклады ТСХЛ, 1978, вып. 238, с, 114—118.

2. Андреев Л. В., Немировская И. Б„ Томащук Л. Ю., Ил-катин Д. И., Хмельницкий Р. Л. Оценка вклада различных групп микроорганизмов в формирование липидного пула почв. Тезисы докладов и стендовые сообщения на II Всесоюзной конференции. М., 1979, с. 243—246.

3. Андреев Л. В., Немировская И, Б„ Никитин Д. И,, Томащук Л. Ю„ Хмельницкий Р. Л. Исследование липидного состава почтенного гумуса. Почвоведение, 1980, .Чз 8, с. 61 — 69..

4. Бродск-ий Е. С., Томащук Л. КХ, Расулев У, X., Занд-берг Э, Я., Лукашенко И. М„ Хмельницкий Р. А. Использование масс-епектрометрин с поверхностной ионизацией для анализа сложных природных объектов. Тезисы докладов на IV Всесоюзной конференции по аналитической химии органических соединений. М., 1980, с. 18..

5. Томащук А. Ю., Хлебникова ДА. В.„ Кончиц В. А. Фнзи-ко-хнмнческие свойства водорастворимых фракций гуминовых кислот черноземов Северного Казахстана, Изв. ТСХД, 1981, вып. 3, с. 71—75.

6. Томащук А. Ю„ Немировская И. Б. Исследование глма-томелановых кислот методами масс-спектрометрни и хроматографии. Тезисы докладов на /II Всесоюзной конференции по масс-спектрометрни. Л., 1981, с. 286.

7. Томащук Л. КХ Исследование группового состава фракций чернозема обыкновенного методом пиролнтической масс-спектрометршг. Изв. ТСХА, вып.. 2, 1982, с. 182—189.

Л 73851 17/1Х—82 г. Объем I я. л. Заказ 2083. Тираж 100

Типография Московской с.-х. академии им. К. Л.. Тимирязева 127550, Москва И-550; Тимирязевская ул., 44