Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Метод фракцинирования гумусовых веществ последовательным растворением и возможности его применения

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Метод фракцинирования гумусовых веществ последовательным растворением и возможности его применения"

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Я Г о л „ На правах рукописи

* 1 !!

ГИНИЯТУЛЛИН Камиль Гашикович

МЕТОД ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ РАСТВОРЕНИЕМ И ЮЗМОЖЮСТИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ

03.00.27 - почвоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ВОРОНЕЖ - 1993

Работа выполнена на кафедре почвоведения и агрохимии Казанского государственного университета им. К И. Ульянова-Ленина

Научный руководитель: доктор биологических наук,

профессор Г. Ф. Колосов

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Е С. Крьиценко

кандидат биологических наук Г. А. Шевченко

Ведущее учреждение: Казанский ■ сельскохозяйственный и

титут

на заседании специализированнох-о совета л иоЗ. 48. 05 по п] суждению ученой степени кандидата наук при Воронежском го< дарственном университете (394693, Воронеж, Университете] пл. 1, Ученый совет).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГУ.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссерта и направить отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверь ных печатью.

Защита состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

Г. И. Бараба

егуальность работы. Практически весь комплекс физических и физи-¡-химических свойств почвы в значительной степени определяется >аимодействием тонкодисперсных минеральных фракций с высокомоле-глярными органическими (главным образом гумусовыми) веществами.

Тонкодисперсные минералы, гумусовые вещэства (ГВ), двух- и зливалентные катионы существуют в почве как единое целое - "глн-з-металл- органический комплекс (ГШК)'/ от строения и свойств ко-эрого прямо или !сссЕгкно зависит протекание всех почвенных про-гссов. Исходя из этого изучение строения ГМОК и в особенности зли гумусовых компонентов в его формировании является актуальной зоблемой. Прямое изучение ГВ непосредственно в почве затруднено югофазностью и многокомпонентностью этой системы. Большинство эвременных методических подходов основывается на выделении ГВ из эчв и изучении полученных препаратов. Любые существующие способы ¿деления ГВ из почвы сопряжены с разрушением ГШК

Выделение ГВ из почвы общепринятыми зкстрагентами (разбав-знными растворами щелочей или гидролитически щелочных солей) эпряжено с пептизацией части тонкодисперсных минеральных композитов, что обуславливает необходимость очистки препаратов. Коли-зственная оценка результатов экстрагирования часто затруднена, эскольку выход ГВ и их качественный состав зависят от широкого тектра аналитических условий выделения и очистки, строгое соблю-эние и стандартизация которых без автоматизации процесса аьщеле-яя является очень сложной задачей..

Широкая гетерогенность ГВ необходимо ставит вопрос об их ракционировании. Во фракционировании ГВ существуют две группы этодов: в одном случае исходный образец почвы подвергается эследовательной экстракции различными реагентами (или их комби-ациями), при этом результаты интерпретируются с позиций сродства В к почвенной матрице, во втором - фракционированию (пригодными изико-химическими методами) подвергаются выделенные и очищенные репараты ГВ, при этом результаты характеризуют их исходную неодородность (полидисперсность и неоднородность химического состава акромолекул ГВ). Обеим группам методов присущи определенные неостатки. В первом случае, это, главным образом, проблематичность нтерпретации результатов, низкая воспроизводимость и длитель-ость выполнения. Во втором,значительные затраты времени и труда а предварительное выделение и очистку препаратов.

Вместе с тем определенные методические подходы к фракциони-ованию препаратов ГВ можно рассматривать как перспективные для

разработки гибридных методов проведения фракционирования одновр менно с их выделением непосредственно из почв при последоватед ном растворении. Наличие таких методов позволило бы снизить тр доемкость, свести до минимума возможность артефактов и повыс» воспроизводимость анализов (при возможности автоматизации меч да), а,с другой стороны,однофакторность разделения (в данном С2 чае растворяющая способность экстрагентов) позволяла бы бол корректно интерпретировать результаты фракционирования.

Перспективным, в данном аспекте можно считать использовав для фракционирования ГВ эффекта высаливания их из щелочных рас воров в градиенте концентраций электролитов, которые считают наиболее пригодными осадителями для растворов полиэлектролитов, том числе и для ГВ.

Дель работы. Разработать и апробировать метод фракционирования путем последовательного растворения их непосредственно из поч щелочными растворами солей одновалентных катионов уменьшающих концентраций.

Основные задачи исследования:

1. Изучить механизм высаливания ГВ из щелочных растворов с лями щелочных металлов.

2. Разработать.автоматизированный вариант фракционирован ГВ путем последовательного их растворения непосредственно из по вы щелочными растворами солей щелочных металлов .уменьшающих концентраций.

3. Изучить влияние экспериментальных условий на результа фракционирования с целью их оптимизации.

4. Изучить возможности использования разработанной методи фракционирования для доследования пространственной организова ности ГВ в составе почвенного ГМОК .

Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые разр ботан автоматизированный метод фракционирования ГВ путем последовательного растворения непосредственно из почвы в хром тографической колонке щелочными растворами солей щелочных мета лов уменьшающихся концентраций. Метод позволяет проводить фраки онирование при строго контролируемых условиях, что обеспечива его высокую воспроизводимость. Для выполнения анализов испол зуется обычная аппаратура для жидкостной хроматографии. Мета обладает гибкостью проведения (дробность и количество выдел емых фракций могут выбираться в зависимости от целей исследов ния), позволяет охватывать фракционированием практически весь д

лазон гетерогенности ГВ (в случае применения системы LiCl-LlOK). [нтерпретация результатов обдагчается.однофвкторностм) разделения В (высаливающая способность солей при различных концентрациях), бетод характеризуется высоким выходом ГВ (близким к выходу ГВ приг радиционных методах выделения), высокой скоростью выполнения, инимумом трудоемкости (в особенности при автоматизации выполне-ия), требует микроколичества образцов (0,1-0,6 г). Существуют одификации метода,позволяющие оценивать выход фракций определенен в элюатах органического углерода

Корреляция метода с групповым составом гумуса делает возможны его использование для сравнительно-генетических исследований очв. Высокая воспроизводимость метода позволила провести изуче-ия (при модификации метода) изменений фракционного состава гу-уса при взаимодействии корней травянистых растений с почвами Волков, 1892). На базе метода получены повые данные о прост-анственной организованности гумусовых веществ в составе ГМОК есостеиных почв.

ащишаемые подозрения. Наиболее перспективным путем повышения оспроизвбдимости анализа при фракционировании ГВ является авто-атизация его выполнения, поскольку только в этом случае возможна тандартизация условий выделения. Защивдется колоночный вариант ракционирования ГВ (одновременно с их выделением из почвы) прочными растворами солей щелочных металлов убывающих концентра-ий. Изучение механизмов высаливания ГВ из щелочных растворов лоридами щелочных металлов позволяет выбрать систему LiCl-LiOH ак оптимальную для фракционирования. Системы KF-KOH, L12S04-L10H бладают худшими характеристиками, однако позволяют оценивать вы-од фракций по содержанию в них органического углерода пробация. Основные положения диссертационной работы доложены на III Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск,1989), Всесоюзной онференции "Гуминовые вещества вгбиосфере, народнохозяйственное начение и экологическая роль" (Москва,1990), XII конференции очвоведов, агрохимиков и земледелов Среднего Поволжья и Урала Казань,1991), на конференциях молодых ученых КГУ 1991-93 г. г. убликации. По теме диссертации опубликовано 7 работ. бъем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, пкска литературы и приложения. Изложена на 116 страницах машино-исного текста Включает 10 таблиц, 19 рисунков. Список литера-уры насчитывает 123 наименования, в том числе 40 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Разработка метода фракционирования гумусовых веществ 1.1. Изменив механизмов осаждения ГВ ив щелочных растворов хлоридами Li, Na и К

Изучалось высаливание ГВ из щелочных растворов хлоридам Li , Na и К . Использовали щелочные растворы препаратов ГК ш верхних горизонтов (AI) выщзлоченных и типичных черноземы различных провинций лесостепной зоны Среднего Поволжья, а та* же непосредственные (0,1 моль/л NaOH) экстракты, выделенные после предварительного декальдарования почв и очищенные центрифугированием (6000 g).

Эксперименты проводили следующим образом: в порциях раст! ГК в 0,1 к щелочи или щелочного экстракта растворяли навески лей (LiCl, NaCl, KCl), соответствующие концентрациям раствор? 0,2 до 4,0 (3,5 в случае использования KCl) моль/кг, после * колбы помещали в термостат и выдерживали при 25°С в течение часов. Осадок отделяли центрифугированием (при g-6000) и в : кости над осадком определяли оптическую плотность при Л - 450 и толщине поглощающего слоя 1 см. Препараты ГК получали обще] нятой последовательностью операций.

Анализ кривых зависимостей осаждения ГВ от концентрации лей в случае использования щелочных (0,1 моль/л NaOH) вытяже! растворов ГК в 0,1 н NaOH показывает, что при невысоких конц рациях солей (0,2-0,5 моль/кг) осаждение имеет характер анало: ный коагуляции коллоидных систем ( рис.1), т.е. ыаксимал осаждающей способностью обладает KCl, а минимальной LiCl. увеличении концентрации солей максимальное осаждение отмечает*

0,5

D

Рис. 3.Зависимость высал

0,3 -

0,2

0,4 -

вания ГВ (щелочи раствор ГК) от к центрации электр tob: D - оптичес плотцост^ед; с -концентрация сол моль/кг; х - Li А - NaCl.o - КС

0,1

О

о

1

3

4

>иантах с LiCl и минимальное - при использовании в качестве щителя KCl. Такое осаждение характерно для" высаливания ВМС из винных растворов электролитами. При этом способность здектроли-5 осаддать ЕМС из истинных растворов растет с усилением гидранта катиона, т. е. возрастает от CS^k Lit Это обусловлено тем, ) и при достаточно высокой концентрации электролита его ионы зтолько прочно связывают молекулы растворителя, что те не могут дьватировать находящиеся в растворе молекулы ВМС, которые при dm уходят из раствора (Марченко, 1965).

Сделан вывод, что щелочные растворы ГК, как и щелочные вы-жки из почв представляют собой систему коллоидных растворов и гинных растворов Bld. При низких концентрациях электролитов лжны осаждаться прежде всего взвешенные коллоидные частицы, ко-рые по устойчивости значительно уступают ВМС, находящимся в стоянии истинного раствора фракции, осаздаэмыо при низких кон-нтрациях электролитов, предположительно представляют собой орга--шнеральные и минеральные частицы.

Фракции, осаждаемые при более высоких концентрациях электршя-в, предположительно должны быть представлены органическими но-кулами ГВ, находящейся в состоянии истинного раствора. При этом :аядение ГВ имеет характер высаливания В1Ю из истинных растворов следовательно, ГВ могут фракционироваться при высаливании »зрастающими концентрациям электролитов (или при растворении в точных растворах понижающихся концентраций электролитов) по <еньшению молекулярных масс и увеличению гидрофильности молекул.

Анализ кривых высаливания ГВ позволяет выбрать соль LiCl как гениальный электролит для фракционирования ГВ, т. к. эта соль да-г наиболее приближенную к линейной и наиболее пологую кривую гаждения ГВ. Следует также учитывать высокую растворимость LiCl 19,9 моль/кг HjP при 20°С), которая позволяет охватывать фракци-¡гарованием почти весь диапазон гетерогенности ГЕ

1. 2. Разработка метода фракционирования ГВ последовательным растворением.

На базе изучения механизма осаждения ГВ из щелочных раство-ов была разработана методика фракционирования ГВ последователь-ым растворением непосредственно иг почвы щелочными растворами ICI (в 0,2 моль/л LiОН) уменьшающихся концентраций (от 8 до 0,2 юль/л) с использованием обычной системы для жидкостной хроматог-

рафии:' включающей микронасос, .термостатируемую колонку и коллектор фракций (в некоторых случаях использовался детектор по оптической плотности с самописцем). При автоматизации анализа использовался процессор времени, управляющий кранами подачи элюентов I соответствии с заданной программой.

Пропись анализа выглядит следующим образом:

Почву в воздушпо-сухом состоянии, предварительно растертук пестиком с резиновым наконечником, в количестве 0,3-0,7 г смешивали с 1,5 см3кварцевого песка (размер верен 0,3-0,5 мм), и наби-Еали смесью хроматографическую колонку 0,8 х 12 см. Колонку термостатировали при 40°С . Элюировали снизу вверх со скоростьк 0,8#или 1.2 мл/мин последовательно: 40 мин нейтральная 8,0 моль/л соль 1ЛС1 (для декальдарования почвы), затем по 40 мин щелочными (0,2 моль/л ЫОН) растворами ЫС1 уменьшающихся концентраций - 8, 4, 2 , 1 и 0,5 моль/л . В некоторых случаях использовался также элюент 0,2 моль/л ЫС1 в 0,2 моль/л ЫОН. В случае использования детектора по оптической плотности регистрировалась оптическая плотность элюата в проточной кювете. При этом общий выход фракции определялся интегрированием кривой изменения оптической плотности. В случае использования коллектора фракций выход фракций оценивался по оптической плотности элюата (1-1 см), доведенного вилочным раствором до определенного объема (50 или 100 мл).

Испытывались также системы элюентов - МаС1-МаОН и КС1-К0Н. Анализ данных фракционирования показывает ограниченность применения систем МаС1-Ыа0Н и в ссобенности КС1-К0Н из-за достаточно высокого выхода ГВ даже при концентрациях электролита,близких к насыщению раствора, что ограничивает разделение ГВ.

Отмечалось, что растворимость молекул ГВ зависит от их молекулярной массы и молекулярной неоднородности,с одной стороны , и от гидрофилькости катиона и степени аашцгнностн: групп ГВ,с другой. Очевидно, что при высоких концентрациях электролитов основная масса ГВ находится з "фиксированном" состоянии за счет связанности молекул растворителя ионами электролита; происходит переход в раствор только наиболее гидрофильных и низкомолекулярных макромолекул. При снижении концентрации электролита долаен происходить отбор макромолекул также по гидрофильиости и молекулярным массам. Поэтому, можно предположить, что вначале растворяются ГВ, близкие по своей природе к фульвокислотам, а последние фракции представлены ГВ, близкими к гуминовым кислотам.

Известно, что ГК и Ж различаются по количественным характе-

щстикам аминокислотных составов. В ряде работ показано, что ФК ¡одержат меньше количества основных, нейтральных и гидрофобных 1минокислот и большие кислых и гидрофильных, чем ГК.

Результаты анализов аминокислотного состава гидролизатов эракций ГВ (6 н НС1) показывают, что первые фракции близки по аминокислотному составу к ФК, а последние к ГК (табл. 1). Для ра-юты использовали образец из верхнего горизонта А1 темно-серой юспой почвы.

Таблица

Аминокислотный состзв гидролизатов фракций ГВ

Группы аминокислот

Содержание, мол. % ГВ 2 ! ГВ 5

кислые ......

Основные Гидрофильные Нейтральные .

32,10 12,99 56,66 54,92

24,8С 13,45 50,15 61,75

1

Близость первых фракций к ФК, а последних к ГК пэдтвержда-этся так::в анализом кривых изменения оптических плотностей элюа-гов в диапазоне длин волн 400-560 им.

Анализ молекулярно-массового распределения фракций на сефа-дексе (Б-75, элюирующий раствор 2 ноль/л мочевины) (рте. 2) показывает закономерное увеличение исключенных" высокомолекулярных молекул ГВ от первой фракции.полученной при концентрации ЫС1 4,0 моль/л, до последней фракции,полученной при 0,2 моль/л, и обратная закономерность по более ниэкомолекулярннм молекулам, т. е. уменьшение их относительной доли.

Проведено сравнение результатов фракционирования ГВ различных почв по описанной схеме между собой и с усредненными результатами анализа группового состава гумуса общепринятыми способами (в частности, по показателю Сгк : Сфк) для тех жв почв. Анализировали образцы из верхних горизонтов (А1) дерново-среднеподзо-листой, темно-серой леской, чернозема типичного среднемощного среднегумусного и серозема типичного. Гранулометрический состав всех образцов - тяжелый иловато-пылеватый суглинок.

Анализ данных (рис.3) позволяет выявить четкую закономерность. Первые фракции (выделенные при концентрации ЫС1 8, 4, 2

О 40 80 0 40 800 40 80

Рис.2. Гель-хроматограммы фракций ГВ,выделенных из темно-серой лесной почвы 4 моль/л (А), 2 моль/л (Б), 1 моль/л (В), О, 5 моль/л (Г) и 0,2 моль/л (Д) щелочными растворами LiCl.

%

100

во -

80

40

го

ÜIH

г

ШММ

С-гк/Сфк

ЕЮ ЕВ 2 ■I? 3

□ ЕВ 4 ЕШШЕВ 5

Рис. 3. Выход фракций ГВ при фракционировании дерново-среднеподз листой (а), темно-серой лесной (Ь), чернозема типичного (с) и с розема типичного (с1) ( в каадом случае за 100% принят суммарн выход ГВ в ед. условной концентрации); фрагмент кривой изменен показателя Сгк/Сфк в ряду зональных почв по Орлову (1977

оль/л) наибольшую долю составляэт в дерново-подзолистой почве, еныпую - в темно-серой лесной, минимальную - в черноземе типич-ом. Содержание последних фракций (выделенных при 1 и 0,5 моль/л 101) подчиняется обратной закономерности.

Общепринятые методы определения группового состава гумуса. снованы на экстрагировании ГВ из почвы и последующем их разделении на ГК и ФК по растворимости в кислотах. В нашей методике раз-[еление ГВ на фракции основано на последовательном их растворении ! уменьшающихся концентрациях ЫС1. Тем не менее результаты как в [ервом, так и во втором случае существенно подобны. От дерно-ю-подзолистой почвы к типичному чернозему возрастает относитель-юе содержание последних высокомолекулярных, менее растворимых фракций и уменьшается доля первых низкомолекулярных, более раст-юримых фракций; в том же направлении увеличивается показатель мубины гумификации (Сгк : Сфк) (Орлов, 1977).

Разрабатывались модификации метода,при которой количествен-1ая оценка выхода фракций была бы основана не только на измереши оптической плотности элюатов, но и на определении содержания углерода. Для этого были использованы системы: КГ-КОН и -ИОН, т. к. эти соли обладают достаточно хорошей растворимостью, а их анионы (в отличие от 01") не мешают определению органического углерода в элюатах выделенных фракций сжиганием Сг20?. Результаты фракционирования ГВ (оценка по оптической плотности выделенных фракций приД-450 нм и 1-1 см) показывают, что система КР-КОН имеет некоторые преимущества перед системой Ы^БО^- ЫОН, т. к. позволяет разделять наиболее гидрофильную часть ГВ.

Возможность определения углерода позволила сравнить полноту экстрагирования ГВ по разработанному методу с общепринятыми приемами извлечения ГВ обработкой почвы 0,1 моль/л МаОН (после де-кальдарования 0,05 моль/л Н^БО^) или смесью 0,1 моль/л раствора пирофосфата натрия и 0,1 моль/л МаОН (табл. 2). Образцы почвы об-

Таблица 2

Полнота выхода ГВ при различных приемах экстрагирования

Содержание! 0,1 моль/л 0,1 моль/л ^Н последовательное

С в образ-1 Ма^РгО^в ИаОН после декадьц. растворение

це мг/г I--------------------------------------------------------

почвы I мг/г от Собщ,! мг/г %. от Сбощ. I мг/г % от Собщ.

69,30 34,78 50,18 34,08 49.18 36.97 53.35

рабатывались экстрагентами при 23°С и отношении почва: экстрагент 1:10 в течение 24 часов при периодическом перемешивании. После центрифугирования в аликвотах экстрактов определяли углерод по методу Тюрина. Результаты анализов, приведенные в таблице 2, показывают, что при использовании разработанного метода полнота извлечения оказывается более высокой ,чем в сравниваемых методах выделения ГВ.

1.3. Оптимизация условий проведения фракционирования ГВ методом последовательного растворения

Разработанный метод фракционирования ГВ последовательным растворением непосредственно из почв щелочными растворами электролитов можно рассматривать (при некотором приближении) как частный случай применения методов фракционирования полимеров прямым экстрагированием (в данном случае, прямым элюированием из колонки), т. е. без предварительной.трансформации образца в тонкий слой вещества. При этом следует предполагать определенное влияние диффузного характера растворения, что требует выбора оптимальных условий проведения разделения ГВ по описываемой методике. Поэтому существует ряд факторов, которые необходимо учитывать при проведении фракционирования ГВ методом последовательного растворения из колонки: выбор системы растворитель-осадитель, размеры колонет, навеска почвы, скорость элюирования и др. Учитывая это, проводилось изучение влияния на результаты фракционирования некоторых экспериментальных условий с целью их последующей оптимизации, пбнимая под оптимизацией'максимально возможное приближение процессов растворения ГВ к квазиравновесным. Что позволило бы добиться максимально полного выхода фракций ГВ при их достаточно высокой концентрации в элюатах. Другими словами,стояла необходимость оптимизации кинетических параметров растворения ГВ.

Как общий характер кинетики растворения ГВ, так и кинетики растворения фракций ГВ по описанной методике (рис. 4 А) заставляют отказаться от разработки варианта фракционирования методом градиентного элюирования из колонки. Поэтому метод разрабатывался для дробного элюирования из колонок, при этом количество выделяемых фракций и концентрации солей выбирались, исходя из целей фракционирования и практической целесообразности. Время элюирования каадой фракции (по 40 мин) было выбрано как компромиссной, между выходом ГВ и длительностью анализа.

Основные результаты исследований приводятся для образца из

редней части (10-20 см) горизонта' А! (2-33 см) темно-серой эсной тяжелосуглинистой почвы.

Изучалось влияние набухания почвы на кинетику растворения В. Результаты экспериментов показывают, что набухание почвы су-эственно влияет на кинетические параметры растворения ГВ из ке-екальцированной почвы,особенно в начальной стадии растворения, астворенке из де1сальцированного образца' почвы мало зависит от абухания. Тем самым предварительное декальцирование дает сущест-енные аналитические преимущества, поэтому фракционирование без екалыщрования применимо только для решения специальных задач.

Изучалось влияние температуры на кинетику растворения ГЕ Бы-о показано, что увеличение температуры вызывает увеличение кстрагируемости ГВ из почв. С другой стороны, при Ъ" выше 50° С озможна химическая деструкция ГВ . Поэтому оптимальные значения 'термостатирования колонки могут лежать в интервале 40-50вС .

Известно, что при постоянном размере колонки, и скорости люирования кинетика растворения ГВ может существенно зависеть т величины навески и соотношения почва: кварцевый песок. Для изу-ения этого явления эксперименты проводили по описанной выше схе-е с навесками почв от 0,1 до 0,6. Результаты экспериментов пока-али, что увеличение навески почвы существенно ухудшает кинети-еские характеристики растворения ГЕ

Увеличение степени дисперсности почвенных частиц (связанное увеличением их свободной поверхности) сопровождалось также худшением кинетики растворения,в то время как расширение соот-ошения почва: песок (при одновременном увеличении длины коленки) лучшало ее за счет увеличения исключенного объема колонки.

Подобное 'ухудшение кинетических параметров растворения при величенш навески или ее дисперсности не сказывается существенно :а результатах фракционирования по описываемой кгетодике при дробим элюировании фракций по 40 мин. Однако при данных размерах ко-ганки и постоянном объеме ннертного наполнителя 1,5 см3 навеска ючвы ( при любом содержании в нем гумуса)не должна превышать 0,3 •). Дальнейшее увеличение навески вызывает необходимость расшире-[ия соотношения почва: кварцевый песок и изменения размеров колон-си. Незначительные изменения других условий (скорость про-

сачки элюатов и др.) не привели к заметным изменениям результатов фракционирования ГЕ

- 14 -

2. Возможности применения метода для изучения глино-металл-органического комплекса почв

Диффузный характер растворения ГВ непосредственно из поч! стазил некоторые требования к условиям фракционирования, однакс сам по себе мог дать определенную информацию о пространственно! организованности ГВ в ГМОК почв.

Изучалась кинетика растворения фракций ГВ щэлочными 0,< моль/л растворами КЕ СЮ, 6, 2 и 0,2 моль/л). Использовались образцы из верхнего горизонта темно-серой лесной (10-20 см) почвы. Навески почв после предварительного декальцирования подвергал! фракционированию по обычной схеме анализа. Выделяемые фракции собирались на коллеютор с интервалом по 4 мин, в элюатах определялась оптическая плотность (при А =450 нм,1- 1 см).

Анализ результатов (рис. 4А) показывает, что быстрое растворение наблюдается при выходе первой (10 моль/л №) и последне!

Рис.4. А - Кинетика растворения фракций ГВ из темно-серой лесной почвы щелочными (0,2 моль/л КОН) растворами Ю7: ■ - 10, + - б, а- 2,0 - 0,2 моль/л; ОУ - степень приближения процесса к завершению, % ОХ - время, мин. Б - Молекулярно-массовое распределение ГВ в порциях элюатов в зависимости от времени после начала экстракции образца:----0-4 мин,8-12 мин,-- 24-28 мин;

(0,2 моль/л КГ) фракций. Для фракций, выделяемых при 6 и 2 моль/л Ю7 характерно более медленное растворение. Результаты можно объяснить быстрой диффузией первой наиболее низкомолекулярной фракции ГВ и более замедленной диффузией последующих более высокомолекулярных фракций из органо-минерального комплекса почв в элюирутащий щелочной раствор. Быстрое растворение последней фракции может объясняться разрушением органо-минерального комплекса почв при исчерпывающем выделении ГВ.

Изучение молекулярно-массового распределения ГВ (рис. 5) в процессе их растворения (для этого отбирались порции элюатов через 0-4, 8-12 и 24-28 минут от начала экстракции) показало, что наблюдается постепенное уменьшение доли высокомолекулярных и увеличение доли низкомолекулярных компонентов в составе фракций ГВ в процессе их растворения. При растворении полимеров с тонких слоев должна наблюдаться обратная закономерность. Медленное растворение низкомолекулярных компонентов может вызываться их диффузией из внутреннего пространства ГМЭК почв в щелочной элюирующий раствор.

Существование подобных диффузных процессов при растворении ГВ должно свидетельствовать о пространственной организованности ГШК почв, которая должна влиять на некоторые почвенные процессы, сопряженные с диффузией веществ, в том числе и на сорбционные процессы в почве. Тем самым кинетика сорбционных процессов в почве должна в определенной степени отражать пространственную доступность различных сорбционных центров в ГМОК почв.

• Большинство исследований сорбционных металл"гумусовых взаимодействий проводится на препаратах ГВ или на различных природных объектах (торф, древесные опилки и т.п.), используемых как их условные аналоги почв. Однако прямая экстраполяция этих результатов на адсорбционно-десорбционные процессы в почвах имеет существенные ограшгчения. Для получения подобной информации разрабатывался подход к изучению диффузии поливалентных металлов к сорб-ционным центрам гумусовых веществ различных фракций (выделенных по растворимости в щелочных растворах электролитов), находящихся в составе нативного ГМОК комплекса почв, что позволило бы судить о пространственной доступности этих фракций в составе ГМОК. Предполагалось проведение сорбции Си на почве при различном времени взаимодействия, с последующим выделением ГВ разработанным методом и определение меди, связанной с выделенными фракциями ГВ. Это возможно из-за способности Си при комплексообразовании с ГВ входить в анионную часть макромолекулы и давать при наличии достаточного

• - 16 -

количества свободных ионогенных групп растворимые внутрикомплекс ные соединения. Однако при взаимодействии в определенных значени ях рН могут образовываться и нерастворимые соединения меди с Г: Следовательно, сорбция ГВ может сказаться на самих результат; Фракционирования. Поэтому предварительно проводились эксперимен1 по определению влияния сорбции Си при различных значениях рН ] выход фракций ГВ по описываемой методике.

Исследования проводились на образце из верхнего (А1) горизонта темно-серой лесной почвы. Навеску предварительно декальци-ровакной почвы 0,3 г помещали в хроматаграфическув колонку аналогично с подготовкой почвы для Фракционирования методом последовательного растворения. Колонку с почвой насыщали ацетатным буферо) соответствующего рН и оставляли на 24 часа для набухания почвы. Сорбцию проводили прокачкой через колонку с почвой (при 40°С) I течение 12 часов при скорости 0,6 мл/мин ацетата меди (концентрг ции 100 мкг Си на 1 мл раствора) в ацетатном буфере (низкие знач? ния рН доводились НСЬО^). Затем почва подвергалась фракционировг нию по разработанной методике. Выход ГВ оценивали измерением злюатах оптической плотности (1=1 см, Л= 450нм).

Анализ результатов показывает, что при сорбции ацетата С1 при значениях рН больше 3 наблюдается понижение общего суммарногс выхода фракций ГВ, а также значительное перераспределение ГВ между самими фракциями. Сорбция Си при рН меньше 3 не приводит к заметным изменениям растворимости фракций ГЕ Тем самым намеченньй эксперимент реально проводить в диапазоне рН от 1- до 3.

В эксперименте использовались образцы из верхнего (А1) горизонта темно-серой лесной почвы, которые предварительно исчерпывающе декальцировались. Взаимодействие набухшей почвы с Си проводили при прокачивании через колонку (при Ь=40°С) раствора ацетатг Си (100 мкг/мл, рН-2.7), при скорости 0,6 мл/мин, при различнок времени взаимодействия от 10 мин до 12 часов. Почва в колонке промывалась ацетатным буфером (рН=2,7) для удаления ацетата Си ие межагрегатного пространства. Затем почва при тех жв условиях элю-ировалась щелочными (0,1 моль/л ЫОН) растворами 1лС1 8 , 2 , 1 у. 0,2 моль/л по 40 минут. Элюаты фракций гидролизовались концентрированной НС1 при Ь»100°С для освобождения Си. Содержание Си в гид ролизатах фракций определялось спектроколориметрически при экстракции Си диэтилдитиокарбаматом РЬ с СС1^ (рис.5). Использование раствора 100 мкг/мл СиС^в 0,02 моль/л СаС]^ вместо раствора ацетата Си дало аналогичные по характеру взаимодействия результаты.

У

Рис. 5. Содержание Си в элоатах фракций ГВ из темно-серой лесной почвы при различном времени взаимодействия почвы: —- с ацетатом Си — с СиС12в 0,02 моль/л СаС12

.+ - ГВ1 (2 моль/л 1Л01) а- ГВ2 (1 моль/л 1лС1) Д- ГВЗ (0,2 моль/л ЫС1). ОУ - содержание Си, в мкг

на фракцию ОХ - время взаимодействия почвы с Си , в мин

О 60 120 180 240 300 360

Изучалось молекулярно-массовое распределение выделенных эакций ГВ без сорбции Си и после сорбции Си (сефадекс G-75, элю-етная система 2 моль/л раствора мочевины). Отмечено, что молеку-ipHo-массовое распределение фракций" после сорбции Си практически î изменялось, что может свидетельствовать об отсутствии в выде-знных э'кстрагентах ГВ, связанных с коллоидными формами гидро-«зида Си или других коллоидных ГВ-Cu соединений.

Пропускание элюатов выделенных фракций через сефадекс G--10 жазало, что вся медь, присутствующая в элюате, выходит в исклю-гнной части гельхроматограмыы, что свидетельствует о его связан-эсти с экстрагированным почвенным органическим веществом. При гом возникал вопрос о соответствии меди,связанной с ГВ,в элюатах ракций, выделенных щелочным экстрагированием, меди, связанной с ГВ составе почвенного органо-минерального комплекса после проведе-яя сорбции при рН-2,7.

Анализ литературы показывает, что применение щелочного зкст-агирования из почв металл-органических соединений для изучения к качественного и количественного состава может сопровождаться эбочными-реакциями, однако многими авторами считалось возможным рименение этих методов изучения хметалл-ГВ соединений в почве Stevenson, Fitch, 198Í), и если не для оценки органических форм гих элементов в почве, то, по крайней мере, для оценки их распре-

деления между фракциями ГВ ( Мотузова , Зырин , Обухов, 1972), или для оценки способности почвенных ГВ связывать микроэлементы (Евпатьевский,1969).

В данной работе не ставилось целью определение количественных адсорбционных характеристик ГВ по отношению к Си, а медь использовалась лишь как метка для оценки кинетики диффузии его внутрь почвенных частиц к адсорбционным центрам ГВ, для получения информации об их пространственной доступности. Кислотная обработка в данной схеме опыта отсутствует. Отсутствует, также возможность перераспределения Си между фракциями в экстракте (как это может происходить при совместном щелочном экстрагировании ГК и ФК с последующим их разделением в кислотах), потому что каждая фракция выделяется по данной схеме отдельно и в динамических условиях, т. е. при очень незначительном времени взаимодействия.

Ошибка эксперимента могла наблюдаться за счет экстракции Си с минеральных поверхностей почвы самим элюентом ЫС1 в 0,1 моль/л ион,- или щелочными растворами ГВ. Поэтому проводилась следующая серия опытов по определению возможных артефактов:

Навеска 0,3 г из горизонта С той же почвы, после исчерпывающего декальдирования и сжигания органического" вещества обработкой Нарг, аналогично вышеизложенному эксперименту насыщалась Си, затем обрабатывалась соответствующими щелочными элюентами ЫС1, а также щелочными экстрактами фракций ГВ из той же почвы. Количество меди экстрагированного из образца горизонта С (насыщенного Си) щелочными растворами ЫС1 составляло 5-10%; щелочными растворами ГВ - 10-15 % от количества меди,экстрагированного из образца горизонта А1 (насыщенного Си при тех же условиях). Что может являться заметным количественным артефактом опыта, но не может существенно изменить сам характер полученных кривых.

Анализ кривых связывания Си фракциями ГВ при различном времени взаимодействия показывает, что характер взаимодействия всех трех выделенных фракций аналогичен как в случае взаимодействия с ацетатом Си,так и с СиС12. в 0,02 мль/л СаС1^ - быстрое взаимодействие в течение первых 10-30 минут, и затем медленное взаимодействие до б часов. Полученные кривые согласуются в целом с общим характером еорбционных процессов на почвах. Быстрое взаимодействие Си может происходить с молекулами ГВ, занимающими поверхностное положение, в органо-минеральном комплексе почв и более доступными для сорбции Си. Медленное взаимодействие объясняется скорее всего диффузией Си внутрь органо-минерального комплекса и

взаимодействием о молекулами ГВ, занимающими внутреннее положение. Аналогичность кривых для всех трех выделенных фракций позволяет предположить, что различные фракции ГВ занимают одинаково пространственно доступные места в органо-минеральном комплексе почв.

Из анализа изучения кинетики растворения различных фракций ГВ из почв и результатов изучения пространственной доступности различных фракций ГВ в составе органо-минерального комплекса почв для сорбции Си можно предложить модель .пространственной организованности ГВ в органо-минеральном комплексе почв, наиболее согласующуюся с результатами опытов.

Для модели должно быть характерно сумствование пор, перфорирующих органо-минеральный комплекс почв и обеспечивающих диффузные затруднения как для растворения самих ГВ,так и для сорбцион-ных процессов в почвах. Такие поры "могут существовать как в пространственной организованности в агрегат компонентов ГШК почв, так и в пределах ассоциатов самих ГВ в составе ГШК.

Исходя из■анализа диффузных процессов, можно сделать вывод о том, что доступность различных фракций ГВ внутри этой пространственной организованности (как в пределах микроагрегатов ГМОК, так и в пределах ассоциатов ГВ в этом комплексе) должна быть одинакова, что предполагает анизотропность пространственной организованности ГВ в ГМОК,тге. как внешние, так и внутренние 'поверхности почвенного ГШК (включая, возможно, и внутренние поверхности ассоциатов ГВ) должны содержать весь диапазон гетерогенности ГВ.

ВЫВОДЫ

1. Осаждение ГВ из щелочных (0,1 моль/л ИаОН) вытяжек и растворов ГК в 0,1 моль/л ИаОН при концентрациях хлоридов щелочных металлов менее 0,2-0,5 моль/кг имеет характер коагуляции коллоидных систем (КС1 > ЫС1), при увеличении концентрации солей -осаждение имеет характер высаливания ВМС из истинных растворов (1ЛС1 > КС1). Следовательно, при возрастании концентрации электролита выше 0,2-0,5 моль/кг осаждение ГВ будет происходить по уменьшению молекулярных масс и увеличению гидрофильности, что может быть положено в основу их фракционирования.

2. Хлорид лития дает наиболее приближенные к линейной форме кривые высаливания и позволяет охватывать фракционированием почти весь диапазон гетерогенности ГВ .поэтому целесообразно выбрать эту соль как оптимальный электролит для фракционирования ГВ.

Фракционирование ГВ при этом предпочтительнее проводить методам последовательного растворения.

3. Предложен и апробирован метод фракционирования ГВ после довательным их растворением непосредственно из почв щелочным (0,2 моль/л ЫОН) растворами ЫС1 уменьшающихся концентраций. Ме тод предусматривает колоночное выполнение, что позволяет автома тизировать процесс и стандартизировать условия растворения ГВ за счет этого добиться высокой воспроизводимости результатов (от клонения не более 2 - 5 % от суммарного выхода фракций).

4. В ходе фракционирования достигается закономерноеразделени ГВ по молекулярным массам и химической неоднородности. Фракции Г выделяемые первыми (при высоких концентрациях электролитов ), п аминокислотному составу гидролизатов близки к ФК, фракции ГВ,вы деляемые . последними, близки к ГК Результаты фракционирования Г из гумусовых горизонтов зональных почв в целом согласуются с ре зультатами анализа состава гумуса традиционными методами.

5. Шход фракций может оцениваться по оптической плотност] элюатов и по содержанию в них органического углерода. В перво) случае используется система исылОН , во втором - КР-КОН ил! Ы^БО^ -ион. Обвдй выход ГВ по разработанной методике нескольк* выше по сравнению с традиционными схемами анализа состава почвенного гумуса.

6. Выполнение анализов требует соблюдения определенных условий:

- выделение фракций целесообразно проводить последовательны! элюированием щелочных растворов электролитов по 40 мин;

- фракционирование ГВ рекомендуется проводить после декальщцх вания почвы (элюированибм через колонку с почвой нейтрального ! моль/л ЫС1 или лучше использовать образцы после предварительное исчерпывающего декальцирования);

- при фракционирование ГВ без декальцирования (для решенш специальных задач) необходимо предварительное насыщение навесга почвы в колонке водой не менее 5 часов;

- оптимальной температурой фракционирования следует ЕыОрат! интервал 40-50°С;

- при размерах колонки 12 х 0,8 см и объеме инертного наполнителя 1,5 см3 навеска почвы не должна превышать 0,3 г;

- увеличение навески приводит к необходимости расширения соотношения почва: кварцевый песок и изменения размеров колонки.

7. При растЕорении фракций наблюдается вначале быстрое раст-

орение более высокомолекулярных компонентов фракций предположи-ельно с поверхностных областей ГМОК почв, затем - медленное астворение более низкомолекулярных компонентов , предположитель-о диффундирующих из внутренних областей ГМОК.

8. Исследование связывания Си фракциями ГВ в зависимости от ремени взаимодействия показывает,, что характер взаимодействия ;сех трех выделяемых фракций аналогичен как в случае с ацетатом !и,так и с СиС12 в 0,02 моль/л СаС12 - быстрое взаимодействие в ■ечение первых 10-30 минут, и затем медленное взаимодействие до б ¡асов. Быстрое взаимодействие Си мояет происходить с молекулами 'В, занимающими поверхностное положение в органо-минеральном комп-юксе почв и, следовательно;, более доступными для сорбции Си. Мэд-генное взаимодействие объясняется скорее всего диффузией Си шутрь органо-минерального комплекса и связыванием с молекулами ПВ, занимающими внутреннее, менее доступное положение. Аналогич-гость кривых для всех трех выделенных фракций позволяет предположить, что различные фракции ГВ занимают одинаково пространственно доступные места в органо-минеральном комплексе почв.

Предложена модель пространственной организации ГВ в составе ГМОК почв, согласующаяся с результатами изучения кинетики растворения ГВ и взаимодействия фракций ГВ с Си.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Шинкарев А. А. .Гиниятуллин КГ.,Фишер Т. - Высаливание гумусовых веществ лесостепных черноземов.-Почвоведение, 1988, N 2, 3 с.

2. Шинкарев А. А., Гиниятуллин К. Г. - К вопросу о пространственной организации гумусовых веществ в составе гликисто-органическо-го комплекса почвы. - Тез. докл. к VIII Всесоюзн. съезду почвоведов, Новосибирск. - 1989, т. 4, 1 с.

3. Шинкарев А. А., Гиниятуллин К Г., Фишер Т., Григорьян Б. Р.-Фракционирование гумусовых веществ чернозема, темно-серой лесной и"дерново-подзолистой почв методом последовательного растворения. -"Высшая иКола", Биоло'гические наЗгси. - Í990, N 1, 5 с..

4. Шинкарев А. А., Гиниятуллин К. Г., Волков 0. И. , Перепелкина Е. Б. - Использование метода последовательного растворения гумусовых веществ почвы. Казане, ун-т.- Казань, 1990, 17 с. Биб-лиогр. 13 назв. -Рус.-Деп. в ВИНИТИ. 16.01.91 N280B 91.

5. Шинкарев А. А. .Мельников JL В. .Гиниятуллин К. Г. .Волков 0. И. - Модификация адсорбционных свойств темно-серой лесной почвы путем гидрофобизации дихлорметилсиланом. Казане, ун-т.-Казань, 1990, 10 с. Библиогр. 7 назв.-Рус.-Деп. в ВИНИТИ 16.01.91. N 282-В 91.

6. Волков 0. И. , Гиниятуллин К. Г. Изучение десорбции Си из темно-серой лесной почвы некоторыми низкомолекулярными органи-

ческими веществами. -Почвы Среднего Поволжья и Урала, теория i __ практика их использования и охраны. Тез. докл. XII конференцш почвоведов, агрохимиков и земледелов Среднего Поволжья и Урала Казань - 1991, 1 с.

7. Волков 0. И., Гиниятуллин КI'., Шинкарев А. А. -Влияние корневыз систем проростков ячменя (Hordeum vulgare L.) на фракционньй состав гумусовых веществ темно-серой лесной почвы.-Почвы Среднего Поволжья и Урала, теория и практика их использования i охраны. Тез. докладов XII конференции почвоведов, агрохимиков и земледелов Среднего Поволжья и Урала.- Казань, 1991, 1 с. 62