Гумусовые вещества как система гидрофобно-гидрофильных соединений

• Автор: Милановский, Евгений Юрьевич
• Шифр специальности: 03.00.27
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 94 с. : ил.; 19х14 см

Актуальность
Современное почвоведение направлено на раскрытие механизмов процессов почвообразования и понимание законов функционирования компонентов почвенного профиля (Добровольский, Никитин, 1990, 2000; Возможности современных..., 2000; Регуляторная роль почвы, 2002 и др.). Гумус почв является основным резервуаром органического углерода современных экосистем (Кобак, Кондрашова, 1986; Degens et а!., 1984; Romankevich, 1990). Проблемы эволюции биосферы и почвы как ее компонента обуславливают актуальность и острую необходимость исследования функциональных свойств и молекулярнофизических особенностей гумусовых веществ (ГВ). ГВ выступают непременным и наиболее реакционно-активным компонентом почвенного профиля, влияющим на широкий спектр природных и антропогенных процессов в зоне гипергенеза. Выветривание минералов, иммобилизация и транспорт элементов, сорбция пестицидов, формирование агрегатной структуры, ионообменные свойства в той или иной степени индуцируются и протекают при непосредственном участии ГВ почв. Экспериментальное исследование ГВ преследует три основные задачи: изучение состава, строения и функций ГВ. Научные достижения в области химии органического вещества (OB) почв неразрывно связаны с развитием методов выделения и фракционирования ГВ. Итог исследований ГВ во многом противоречив. С одной стороны, накопленный обширный фактический материал позволяет спрогнозировать с той или иной степенью точности основные характеристики состава и свойств гумуса практически любой почвы, не прибегая к аналитической обработке. С другой - ряд основополагающих понятий и выводов имеют констатационный характер, не вскрывают механизмов явлений, содержат элементы неоднозначной интерпретации и неопределенности (Ганжара, Орлов, 1993; Чуков,1998, 2003; Орлов, 1999, 2004; Орлов, Чуков, 2004; Шинкарев, 2005; Дергачева, 2006 и др.).
При множестве экспериментальных работ и теорий по OB почв по сей день остается актуальным вопрос: что такое ГВ, как они образуются и в чем заключается их роль при почвообразовании? Исследованиями отечественных и зарубежных ученых (И.В. Тюрин, М.М. Кононова, В.В. Пономарева, Л.Н. Александрова, Д.С. Орлов, А.Д. Фокин, М.И. Дергачева, М. Шнитцер, В. Фляйг, К. Кумада и др.), убедительно показана гетерогенность ГВ почв, что позволяет рассматривать их как многокомпонентную систему. Один из подходов к анализу многокомпонентных систем заключается в их упрощении путем разделения на части и изучения этих частей. Данный подход предполагает рассмотрение исходной системы, как смеси некоторого количества дискретных состояний, число которых определяется и лимитируется принципом достаточности для описания имеющихся на данный момент экспериментальных данных. Реакционная способность ГВ, позволяющая участвовать им в различных типах взаимодействий и выполнять разнообразные экологические функции (аккумулятивная, транспортная, регуляторная, протекторная, физиологическая), обусловлена гетерогенностью и полихимизмом совокупности органических соединений, составляющих ГВ (Орлов, 1993; Орлов, Чуков, 2004). Потенциальную химическую и биологическую активность высокомолекулярных органических веществ обуславливают более 40 их параметров. К приоритетным характеристикам относятся: форма и размер молекул, степень ионизации и характер функциональных групп, тип и заряд иона, способность к образованию водородных и ван-дер-ваальсовых связей, гидрофобному и координационному взаимодействию. При биогеохимической полифункциональности ГВ опыт генетического почвоведения и химии гумуса позволяют утверждать, что за реализацию конкретных почвенно-экологических функций ответственны не гумусовые вещества в целом, а отдельные его компоненты. Проблема состоит в том, чтобы научиться идентифицировать и выделять из совокупности ГВ составляющие, которые в максимальной степени обладают определенной функциональной активностью.
Примерно с середины прошлого века фракционирование и систематика гумусовых кислот базируется на их различной растворимости в кислотах и щелочах. Несмотря на то, что данное свойство никогда не реализуется в природе, соотношение гуминовых кислот и фульвокислот, представляющее искусственную химическую классификацию по растворимости, широко применяется в почвоведении как генетическая характеристика почв и его гумуса.
В 1937г. И.В.Тюрин (Тюрин, 1937), предваряя разбор методов анализа качественного состава гумуса, писал: "...предложенные за последнее время схемы и методы анализа пока еще нельзя считать удовлетворительными, ни с точки зрения соответствия их природе органического вещества в почвах, ни с точки зрения характеристики гумуса как фактора почвообразования и плодородия почв. В этой области предстоит большая и упорная работа, успех которой во многом зависит от успехов в изучении природы гумуса и его функций в почве" (с.164). Спустя 60 лет Д.С.Орлов с соавторами (Орлов и др., 1996) повторяет мысль И.В.Тюрина: "...какая бы номенклатурная схема ни была принята исследователем, в современной науке этим схемам нет адекватного аналитического обеспечения. При использовании любых схем и любых методов результаты исследований всегда содержат элементы неопределенности, которые невозможно, по крайней мере, пока, преодолеть" (с. 17).
Неопределенность и противоречивость данных группового и фракционного состава гумуса не позволяют однозначно идентифицировать их природу, прогнозировать функциональную нагрузку и агрономическую ценность различных компонентов ГВ, не дают ответа о механизмах процессов почвообразования (Чуков,1998, 2003; Орлов, 1999; Орлов, Бирюкова, Суханова, 1996; Ганжара, Орлов, 1993). По всей видимости, необходим поиск качественно нового показателя, отражающего состав и генезис ГВ, природного свойства, которое хотя бы потенциально могло быть реализовано ГВ в почве.
В основе любого из методов фракционирования лежит выбранный исследователем конкретный физико-химический параметр анализируемых веществ, и фракционирование представляет функцию распределения характеристического признака внутри анализируемой пробы. Среди современных методов выделения, фракционирования, анализа структуры и функций органических макромолекул совокупность хроматографических методов занимает центральное место. При минимальном деструктивном воздействии они позволяют физически разделить и выделить из гетерогенной совокупности компоненты, обладающие молекулярной однородностью по строго контролируемому признаку. Гель-хроматография обеспечивает разделение молекул по размеру и их геометрии. Плотность распределения функциональных групп на поверхности молекул и величина заряда лежат в основе разделения методами электрофореза, изоэлектрического фокусирования и ионообменной хро-

Остров Вити Леву
Влажные тропики, осадки (3000 мм/год) равномерно распределены в году. Мертво-покровный, высоко сомкнутый первичный полидоминантный хвойный лес (араукария, по-докарпус, дакридиум). Почва имеет красно-желтый цвет и тяжелый гранулометрический состав. Профиль дифференцируется по гумусированности и структуре. Маломощный (2-3 см) слой свежего опада сменяется ореховато-зернистым гумусово-аккумулятивным горизонтом (до 20-30 см) с гумусом типа мулль. Начиная с поверхности, в профиле присутствует щебень (конкреции?), на 68-78% состоящий из А1203 (8Ю2/А1203 = 0.2-0.4), каверзная поверхность которого покрыта гумусовой кутаной. Ореховато-зернистые педы имеют глянцевую, «лакированную» поверхность. Гумусово-аккумулятивный горизонт переходит в серию однородных, подразделяемых по структуре и окраске ферраллитно-метаморфических горизонтов, для которых морфологически не выражена миграционная внутрипрофильная дифференциация веществ и признаки оглеения. Глинистые педы верхних горизонтов профиля пропитаны дисперсным гумусом. Ниже по профилю дисперсный гумус локализован на поверхности педов. Почва характеризуется высоким содержанием сильно окисленного гумуса, кислой реакцией среды и низкой насыщенностью основаниями, в составе обменных катионов преобладает водород (рис. 30).
Степень
Собщ, %
окисленное гумуса, %
pH КС1 Н20
Обменные
катионы,
мг-экв./ЮОг
Насыщенность основаниями, %
Рис. 30. Содержание углерода и основные физико-химические свойства ксантиковой ферральсоли, разрез Т
Таблица
Горизонт Глубина, см Содержание фракций, %; размер частиц, мм

* Диспергация пробы: УЗ в 0,4% ЫаАОз (а); растирание пасты в 4% Ма4Р207 (б)