Характеристика химических и биологических свойств различных фракций гуминовых кислот торфов и сапропелей

ХАРАКТЕРИСТИКА ХИМИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАЗЛИЧНЫХ ФРАКЦИЙ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ТОРФОВ И САПРОПЕЛЕЙ

Томский государственный педагогический университет, г. Томск,

e-mail: *****@***ru

На основании данных исследования молекулярно-массового распределения, инфракрасных спектров и биологической активности, показано, что гуминовые кислоты различных фракций торфов и сапропеля отличаются как по химическим, так и по биологическим свойствам. При этом гуминовые кислоты сапропеля и низинного древесно-травяного вида торфа содержат больше ароматических фрагментов и кислородсодержащих групп, являются более низкомолекулярными, а также проявляют наибольшую биологическую активность по сравнению с гуминовыми кислотами других торфов.

Гуминовые кислоты (ГК) представляют собой различные по структуре и составу полисопряженные системы с широким спектром функциональных групп. В зависимости от генезиса сырья, степени его метаморфизма в составе ГК могут преобладать как низкомолекулярные, так и высокомолекулярные соединения с различным содержанием алифатических и ароматических фрагментов, функциональных групп. Свойства ГК, выделенных из различных видов сырья, а также разными способами, в каждом конкретном случае специфичны и определяются составом и соотношением индивидуальных веществ [1-3]. Именно этим и обусловлена различная биологическая активность гуминовых кислот торфов различного происхождения [4, 5]. Поэтому исследования гуминовых кислот определенных торфов и сапропелей, выделенных с помощью разных экстрагентов, их свойств и биологической активности, позволяют оценить сырьевую базу для производства, например, препаратов для медицины и ветеринарии, что представляет задачу огромной фундаментальной и практической значимости.

Целью данной работы является изучение химических и биологических свойств ГК, выделенных разными растворителями из трех видов торфов и одного сапропеля.

Методика исследований

Для исследования взяты репрезентативные торфа и сапропель Томской области: низинный древесно-травяной (торфяное месторождение «Тёмное»), переходный осоковый и верховой сосново-пушицевый (торфяное месторождение «Васюганское»), органический сапропель (озеро «Карасёвое»). Ранее в работе [6] нами описаны общетехническая и химическая характеристики вышеперечисленных объектов. Гуминовые кислоты выделяли 0.1 н NaOH и нейтральным 0.1 М Na4P2O7 (далее как щелочные и пирофосфатные ГК соответственно) по схеме, описанной в [7]. Молекулярно-массовое распределение (ММР) ГК проводили на сефадексе G-75, оптическую плотность регистрировали на спектрофотометре SPECOL-21 при длине волны 465 нм. Инфракрасные (ИК) - спектры ГК записывали на ИК-Фурье-спектрометре Vector-22 фирмы Bruker (Германия) в таблетках с KBr в соотношении 1 : 300, в интервале значений частоты от 500 до 4000 см-1.

Исследование биологической активности ГК проводили на основании их влияния на показатели обратимой агрегации эритроцитов (ОАЭ) с использованием прибора, описанного в [8]. Для сравнительной оценки степени биологической активности исследуемых ГК взяты общеизвестные фармакопейные препараты, широко применяемые в медицинской практике: трентал (уменьшает агрегацию эритроцитов, снижает вязкость крови) и викасол (способствует свертыванию крови) [9, 10]. Контролем служили экстрагенты ГК: 0.1 н NaOH, 0.1 М Na4P2O7 соответственно, для трентала и викасола – вода.

Результаты исследований

По данным гель-хроматографии исследуемые ГК различаются между собой характером ММР, в связи, с чем их можно разделить на три группы (рис. 1). К первой группе относятся щелочные ГК торфов (рис. 1а). Кривые ММР этой группы имеют три выраженных максимума в высокомолекулярной области. Низкомолекулярная фракция проявляется небольшим пиком на шлейфе, более выражена у ГК древесно-травяного вида торфа. Отличия по степени дисперсности ГК этой группы обусловлено влиянием древесных компонентов на формировании структуры ГК древесно-травяного вида торфа. Ко второй группе относятся щелочные ГК сапропеля (рис. 1б). Кривая ММР имеет два пика в высокомолекулярной и три – в низкомолекулярной области, что свидетельствует о большей подвижности этих ГК и соответственно лучшей растворимости, по сравнению с ГК первой группы. Необходимо отметить, что по характеру ММР в низкомолекулярной области ГК сапропеля и древесно-травяного вида торфа подобны, что говорит о некоторой схожести их химического строения, и возможно, одинаковой биологической активности. Отличия в структуре молекул ГК различного генезиса торфов и сапропеля объясняются, надо полагать, изначально разным типом образования этих болотных отложений. Существенное влияние на молекулярные показатели ГК торфов оказывают растения – торфообразователи, а на ГК сапропеля, помимо этого, животный мир водоёмов и высокая зольность. В третью группу входят пирофосфатные ГК торфов и сапропеля (рис. 1в). Для них характерно преобладание низкомолекулярной фракции. Соотношение низко - и высокомолекулярной фракции составляет примерно 3:1, причем доля высокомолекулярной фракции слабо выражена, и просматривается в ГК верхового сосново-пушицевого и переходного осокового видов торфов. Также отмечено, что в ГК низинного древесно-травяного вида торфа и сапропеля наблюдается проявление наименьшей дисперсности по сравнению с другими ГК, что еще раз подтверждает идентичность их химического состава. Таким образом, характер ММР ГК в первую очередь обусловлен способом получения: максимумы на кривых щелочных ГК приходятся на высокомолекулярную область, кроме ГК сапропеля, в которых содержание высоко - и низкомолекулярных фракций составляет примерно равное количество, а на кривых пирофосфатных ГК - на низкомолекулярную область. А также различным происхождением: самыми высокомолекулярными являются ГК сосново-пушицевого и осокового видов торфа, а низкомолекулярными – ГК древесно-травяного вида торфа и сапропеля.

Во всех ИК-спектрах ГК наблюдаются характерные полосы поглощения, свидетельствующие о многофункциональности их соединений. Нами были обнаружены интенсивные полосы поглощения при длинах волн 3500-3300 см-1 (гидроксилсодержащие соединения), 2920 см-1, 1460-1440 см-1, 700-900 см-1 (длинные метиленовые цепочки), 2860 см-1 (метильные концевые группы), 1725-1700 см-1 (карбонилсодержащие соединения), 1625-1610 см-1 , 1510-1500 см-1, 1390-1400 см-1 (бензоидные структуры), 1250-1225 см-1 (С-О - эфирные), 1050-1150 см-1 (СО - углеводов).

Количественную оценку содержания функциональных групп проводили на основании отношений оптических плотностей полос поглощения (ОППП) кислородсодержащих групп к оптическим плотностям, соответствующим ароматическим полисопряженным системам (1610 см-1) и алифатическим заместителям при 2920 см-1. Расчет структурных параметров ГК (табл.) показал однотипность и постоянство функционального состава независимо от типа болотного отложения и способов получения гуминовых кислот.

Рис. 1. Молекулярно-массовое распределение: а – ГК, полученных 0.1 н NaOH из торфов; б – ГК, полученных 0.1 н NaOH из сапропеля; в – ГК, полученных 0.1 М Na4P2O7 из торфов и сапропеля.

Одной из основных кислородсодержащих форм в ГК торфов являются гидроксильные, карбоксильные группы, С-О -связи при 1225 см-1 и СО - ОН –углеводов. Соотношение ОППП функциональных кислородсодержащих групп и алкильных заместителей к ароматическим фрагментам показало преобладание последних над алкильными (2920 см-1) и С-О –связей (1225 см-1). Относительное количество гидроксильных групп (D3400/D1610) в ГК не высокое. Карбоксильных групп в пирофосфатной фракции ГК больше, чем в щелочной. В макромолекулах ГК преобладают карбоксильные группы над алкильными заместителями, отношение D1720/D2920 для всех образцов больше 1. Близкие значения отношений D1720/D2920 во всех образцах и вытяжках ГК характеризует их как структуры с подобной системой полисопряжения и системой Н-связей. Эти результаты также подтверждаются практически одинаковыми значениями относительного содержания алифатических связей по отношению к ароматическим (D2920/D1610). Значительные различия наблюдаются также в спектральных коэффициентах, отображающих соотношение гидрофильной и гидрофобной составляющей в структурах ГК торфов. Кроме того число кислородсодержащих групп всех типов выше числа алифатических С-Н-связей. Для ГК пирофосфатной вытяжки ГК спектральный коэффициент D3400/D2920 меньше, чем для щелочной фракции ГК.

Соотношение оптических плотностей полос поглощения при определенных длинах волн в ГК по данным ИК-спектроскопии

Соотношения оптических полос поглощения	Вид торфа, сапропеля / вытяжка ГК
верх. сосново-пушицевый	переходный осоковый	низ. древесно-травяной	органический сапропель
щел	п/ф	щел	п/ф	щел	п/ф	щел	п/ф
ОН3400/С=С1610	1.02	0.86	1.03	1.00	1.06	0.87	1.06	0.97
С=О1720/С=С1610	0.95	1.03	0.93	1.00	0.83	0.95	0.76	0.88
Салк2920/С=С1610	0.84	0.86	0.80	0.84	0.77	0.79	0.64	0.70
СО1225/С=С1610	0.84	0.89	0.83	0.91	0.80	0.92	0.73	0.82
ОН3400/Салк2920	1.22	1.00	1.29	1.19	1.37	1.10	1.67	1.39
С=О1720/Салк2920	1.14	1.20	1.17	1.19	1.07	1.20	1.19	1.26
СО1225/С=С2920	1.00	1.04	1.04	1.07	1.04	1.17	1.14	1.17

Примечание: щел. – ГК, полученные 0.1 н NaOH, п/ф – ГК, полученные 0.1 М Na4P2O7.

В целом, можно констатировать, что ИК различных вытяжек ГК аналогичны. Различия наблюдаются, главным образом, в неодинаковой интенсивности, в уширении и сдвигах полос поглощения, что может быть связано с межмолекулярным взаимодействием в аморфных областях и с образованием комплексов. В составе ГК пирофосфатной фракции наблюдается больше ароматических фрагментов, карбоксильных групп и С-О-эфирных групп, в составе ГК щелочной фракции - больше содержание гидроксильных групп. Для всех ГК торфов отмечено снижение алкильных заместителей.

По результатам определения биологической активности было отмечено, что фракции, полученные из торфа и сапропеля разными экстрагентами, оказывают на обратимую агрегацию эритроцитов (ОАЭ) неодинаковый эффект (рис. 2). При этом биологическая активность ГК сапропеля и древесно-травяного вида торфа выше по сравнению с активностью ГК остальных торфов при любых концентрациях. Так при изучении влияния щелочной вытяжки ГК на показатели ОАЭ было выявлено, что биологическая активность этих ГК проявляется в усилении агрегации эритроцитов крови. Также отмечено, что биологическая активность ГК сапропеля в среднем в 1.5 раза выше, чем активность ГК древесно-травяного вида торфа, в 2.0 и в 2.5 раза, чем активность ГК осокового и сосново-пушицевого видов торфов соответственно. Например, способность усиливать агрегацию эритроцитов крови известного препарата «Викасол» в 2.2 раза ниже, по сравнению с таковой ГК сапропеля. В исследовании влияния пирофосфатной вытяжки ГК на показатели ОАЭ наблюдается противоположный механизм их воздействия относительно щелочной вытяжки, т. е. биологическая активность пирофосфатной фракции ГК проявляется в ослаблении ОАЭ. При этом активность ГК сапропеля в 1.1, в 1.3 и в 1.4 раза выше, чем активность ГК древесно-травяного, сосново-пушицевого и осокового видов торфов соответственно. Активность антиагрегантного препарата «Трентал» в этом случае в 1.1 раза ниже, чем биологическая активность ГК сапропеля. Также отмечено, что растворы с концентрацией ГК 0.001 % и 0.1 % в обеих фракциях всех торфов и сапропеля более активны.

Рис.2. Биологическая активность: 1- ГК щел. сосново-пушицевого торфа; 2- ГК щел. осокового торфа; 3- ГК щел. древесно-травяного торфа; 4- ГК щел. сапропеля; 5- ГК п/ф сосново-пушицевого торфа; 6- ГК п/ф осокового торфа; 7- ГК п/ф древесно-травяного торфа; 8- ГК п/ф сапропеля; 9- Викасола; 10- Трентала, щел. – ГК, полученные 0.1 н NaOH, п/ф – ГК, полученные 0.1 М Na4P2O7.

Заключение

Таким образом, из всех исследованных образцов, ГК сапропеля и древесно-травяного вида торфа содержат больше ароматических фрагментов и кислородсодержащих групп и являются более низкомолекулярными. Этими свойствами возможно и объясняется наибольшая биологическая активность по сравнению с ГК других торфов. Как и отмечалось ранее, ГК сапропеля и древесно-травяного вида торфа имеют похожие химические свойства, что отражается и на их практически одинаковой биологической активности. Гуминовые кислоты щелочной экстракции отличаются характером ММР от ГК пирофосфатной, вероятно, это оказывает определенное влияние на проявление неодинаковой биологической активности этих вытяжек. В результате чего можно констатировать, что различия в механизме и интенсивности воздействия ГК на ОАЭ и соответственно, проявлении их биологической активности определяются видом торфа, разновидностью вытяжки ГК из сырья (щелочная и пирофосфатная), а также концентрацией ГК в растворе. Способ исследования биологической активности ГК торфов и сапропеля по показателям ОАЭ может применяться как тестовый анализ при характеристике биологической активности торфов конкретных торфяных месторождений как сырьевой базы для получения торфяной продукции.

Автор выражает благодарность за помощь в работе рук. лаб. реологии нефти ИХН СО РАН, к. т.н. и рук. лаб. реологии крови НИИ ББ при ТГУ, д. б.н.

Работа выполнена под руководством д-ра с.-х. наук, член-корр. РАСХН, профессора .

Литература

1. Лиштван И. И., Абрамец А. М., Скоропанова Л. С., и др. Фракции гуминовых кислот торфа и их свойства // Природопользование. 1996. Вып. 1. С. 4-6. 2. Лиштван И. И., Капуцкий Ф. Н., Янута Ю. Г., и др. Гуминовые кислоты торфа и препараты на их основе // Природопользование. 2004. Вып. 10. С. 114-119. 3. Марыганова В. В., Бамбалов Н. Н., Парамон  вида экстрагента на структуру извлекаемых из торфа гуминовых кислот // Химия твёрдого топлива. 2003. № 1. С. 3-10. 4. Flaig W. Chemische Untersuchungen an Humin Stoffen // Zeitschrift fur Chemie. 4 Yahrgang. 1964. Heft 7, S. 253-265. 5. Flaig W. Organische Kolloide des Bodens, Bildung und Eigenschaften // Agrochemica. 1978. № 22. S. 226-247. 6. Гостищева М. В., Кузьменко  некоторых видов торфа Томской области // Болота и биосфера / Сборник материалов четвёртой Научной Школы. Томск, 2005. С. 151-157. 7. Бамбалов Н. Н., Беленькая -групповой состав органического вещества целинных и мелиорированных торфяных почв // Почвоведение. 1998. № 12. С. 1431-1437. 8. Тухватулин Р. Т., Левтов В. А., Шуваева В. Н., и др. Агрегация эритроцитов в крови, помещенной в макро - и микрокюветы // Физиологический журнал. 1986. № 6. С. 775-784. 9. Машковский  средства. Харьков, 1998. Т. 1. 560 с. 10. Машковский  средства. Харьков, 1998. Т. 2. 592 с.

The characteristic of chemical and biological properties of arious fractions of humic acids of peats and sapropels

M. V. Gostishcheva

On the basis of the data of research of molecular-mass distribution, infra-red spectra and biological activity, it is shown, that humic acids of various fractions of peats and sapropel differ both on chemical, and on biological properties. Thus humic acids of sapropel and a low-mire wood-grassy type of peat contain more than aromatic fragments and oxygen-containing groups, are more low-molecular, and also show the greatest biological activity in comparison with humic acids of other peats.