Молекулярный состав гумусовых веществ почв большеземельской тундры и особенности их взаимодействия с ионами ртути (II)

• Автор: Василевич, Роман Сергеевич
• Шифр специальности: 03.02.08, 03.02.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Сыктывкар
• Количество страниц: 142 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Г лава 1 Обзор литературы

1.1 Общая характеристика молекулярной структуры гумусовых веществ

1.2 Состав гумусовых веществ

1.3 Состояние ртути в природных гетерогенных системах

1.4 Комплексообразующие и сорбционные свойства гуминовых кислот

Глава 2 Характеристика условий почвообразования

Глава 3 Объекты и методы исследований

3.1 Объекты исследований

3.2 Методы исследований
Г лава 4. Структурно-функциональный состав гумусовых веществ
4.1 Элементный состав гумусовых веществ
4.2 Молекулярный состав гумусовых веществ по данным |3С-ЯМР и ИК-
спектроскопии
4.3 Парамагнитные свойства гумусовых веществ по данным ЭПР-спектроскопии
4.4 Молекулярно-массовое распределение гумусовых веществ
4.5 Аминокислотный состав гумусовых веществ
Глава 5 Комплексообразование ионов ртути (II) с гуминовыми кислотами
5.1 Кинетика сорбции ионов ртути (И) гуминовыми кислотами
5.2 Влияние pH на связывание ионов ртути (II) гуминовыми кислотами
5.3 Комплексообразование в диапазоне макроконцентраций ионов ртути (II)
5.4 Комплексообразование в диапазоне микроконцентраций ионов ртути (II)
5.5 Влияние конкурентных ионов на комплексообразование ионов ртути (II)
с гуминовыми кислотами
5.6 Механизмы взаимодействия
Выводы
Список литературы
Приложения

СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
АК: аминокислота
ГВ: гуминовые вещества
ГК: гуминовые кислоты
ГК-Hg: гумат ртути
ИКС: инфракрасная спектроскопия
ММР: молекулярно-массовое распределение
И.О.: негидролизуемый остаток
ПДК: предельно допустимая концентрация
ПМЦ: парамагнитный центр
ПР: произведение растворимости
СР: свободный радикал
ТМ: тяжелые металлы
Т.П.: темное пятно
ФК: фульвокислоты
ЭПР: спектроскопия электронного парамагнитного резонанса
ЯМР: спектроскопия ядерного магнитного резонанса
с(...): молярная концентрация компонента
Со(...): начальная молярная концентрация компонента
D: оптическая плотность
Н: напряженность магнитного поля
I: интенсивность сигнала
к, : константа скорости /-го псевдо-порядка реакции
Q: сорбционная емкость
Qmax: максимальная сорбционная емкость
М: молярная масса
Mr. молекулярная масса
АД: средневзвешанная молярная масса
п: число измерений
17: количество вещества
Р: доверительная вероятность
г: коэффициент корреляции
гсг: критическое значение коэффициента корреляции при доверительной вероятности Р = 0.95 S: стандартное отклонение і : время реакции
lg Д: общая константа устойчивости комплексов по і-й ступени lg К, условная константа устойчивости комплексов по і-й ступени х: мольная доля компонента
2V(AK): относительная мольная доля аминокислоты си. массовая доля компонента
®(ПМЦ): массовая концентрация парамагнитных центров сос (АК): массовая доля аминокислоты в сухом веществе cùak (N): массовая доля азота аминокислоты от общего азота

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Территория северо-востока России - типичный мерзлотный регион циркумполярного пояса Земли (Атлас почв РК, 2010). Континентальность климата, характер растительности, слабая микробиологическая активность почв восточно-европейской тундры обеспечивают глубокое промерзание, распространение многолетней мерзлоты, что создает специфические гидротермические и физико-химические режимы в почвах. Эти процессы во многом определяют специфику почвообразования и гумификации органического вещества и низкую экологическую устойчивость тундровых почв. Особый характер почво- и гумусообразова-ния в условиях влияния многолетнемерзлых пород показан в работах отечественных и зарубежных исследователей (Барановская, 1952; Иванова, 1952; Игнатенко, 1963; Арчегова, 1967, 1972, 1979; Гришина и др., 1970; Забоева, 1975; Дергачева, 1977; Гугалинская, 1997; Мажитова, 2008; Фоминых, 2009; Dai е.а., 2001; Dixon е.а., 2005; Sistla е.а., 2012). Мировой и отечественный опыт показал, что интерес к ГВ непрерывно нарастает и это относится в первую очередь к изучению закономерностей формирования и экологическим функциям высокомолекулярных органических соединений в почвах. К настоящему времени имеются работы с использованием современных физико-химических методов при исследовании структуры и трансформации ГВ в условиях таежного почвообразования (Орлов и др., 1990; Перминова, 2000; Чуков, 2001; Попов, 2004; Лодыгин и др., 2007; Дергачева, 2008; Lodygin, Beznosikov, 2010; Kleber, Johnson, 2010), однако подобные исследования для почв тундровых ландшафтов единичны и не имеют систематического характера. Гумусовые вещества представляют собой обширный и реакционноспособный класс соединений с широким спектром функциональных групп и молекулярных фрагментов. Наличие карбоксильных, гидроксильных, карбонильных групп в сочетании с ароматическими структурами обеспечивает способность ГК вступать в обменные и донорко-акцепторные взаимодействия, образовывать водородные связи, активно участвовать в сорбционных процессах (Данченко, 1997). Различающиеся по растворимости группы ГВ, гуминовые и фульвокислоты выполняют противоположные геохимические функции. Фульвокислоты повышают миграционную способность элементов в земной коре, а гуминовые кислоты представляют собой мощный геохимический барьер (Варшал, 1999). ГК образуют прочные соединения с ионами металлов, чем определяется их глобальная геохимическая роль (Карпюк, 2008). Эти свойства во многом определяют санитарно-экологическое состояние не только почв, но и взаимодействующих с ними объектов окружающей среды (Орлов, 1990; Перминова, 2000).
Почва - главный депонирующий ТМ компонент экосистем. Загрязнение ртутью арктических экосистем представляет реальную экологическую проблему последних десятилетий. В работе Arctic Monitoring and Assessment Programm отмечается: «Ртуть, свинец и кадмий - наибо-

Глава 2 ХАРАКТЕРИСТИКА УСЛОВИЙ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ
Рельеф и почвообразующие породы. Территория исследования находится в Болынезе-мельской тундре Воркутинского района Республика Коми с распространением массивноостровной многолетней мерзлоты. Район представляет собой полого-увалистую равнину в северной части Печорской низменности в бассейне верховьев р. Усы и ее притоков рек Воркуты и Сейды высотой 120-180 м над ур. м, сложенную сильно дислоцированными палеозойскими породами, перекрытыми толщей наносов ледникового происхождения. Равнинность рельефа сочетается со сглаженными конечноморенными холмами - «мусюрами» высотой 50-60 м. Наибольшая высота на равнине достигает 250 м, однако в основном преобладают высоты 50-100 м. Почвообразующими породами почти повсеместно являются четвертичные верхнеплейстоценовые гляциальные и флювиогляциальные отложения. В воркутинской тундре почвообразующими породами являются покровные пылеватые суглинки мощностью менее 10 м, подстилаемые мореной (Карта четвертичных отложений..., 1959; Геокриологическая карта СССР, 1998; Атлас почв РК, 2010).
Климат. Район исследования относится к умеренно континентальной атлантико-арктической климатической области воркутинского климатического района, характеризуется суровой зимой и относительно прохладным летом. Среднегодовая температура воздуха по метеостанции г. Воркута -5.8 °С, среднегодовая температура июля +12 °С, января -20.5 °С. Годовая амплитуда температур воздуха достигает 33 °С. Даты переходов средней суточной температуры воздуха через 0 °С весной - 21.05, осенью - 1.10; даты переходов среднесуточных температур воздуха через 10 °С в период подъема температур - 1.07, в период падения температур -
11.08. Число дней в году со средней суточной температурой выше 0 °С - 120, выше 10 °С - 50. Среднегодовое количество осадков - 550-600 мм. Образование устойчивого снежного покрова наблюдается в среднем в период с 10 по 15 октября, сход - 5 июня, мощность достигает 60-80 мм. В теплый период года преобладают ветры северного (13-20 %) и северо-западного (14-18%) направления; в холодные (сентябрь-апрель) - южного (17-34%) и юго-западного (17-24 %) направления. Продолжительность солнечного сияния района г. Воркуты составляет 1500 ч (Атлас Республики Коми..., 1997; Строительная климатология, 2007).
Растительность. Район исследования расположен в южной полосе подзоны южных гипоарктических тундр. Зональным типом сообществ в этом районе являются кустарниковые тундры. Наибольшее распространение имеют различные варианты ерниковых, ивняковых и кустарниковых тундр, а также плоскобугристые болота. Чаще всего встречаются ерниковые и ивняково-ерниковые моховые и лишайнико-моховые тундры с хорошо выраженными кустар-