Органическое вещество почвы может быть разделено на следующие группы: свежие и неполностью разложившиеся растительные и животные остатки и гумус, который в свою очередь состоит из: а) собственно гумусовых веществ и б) продуктов глубокого распада органических остатков и продуктов ресинтеза микроорганизмов.
Продукты распада и ресинтеза представлены органическими соединениями индивидуальной природы, известными в органической химии (белки и аминокислоты; углеводы и их производные: жиры, воска, смолы, дубильные вещества, лигнин).
Среди неспецифических веществ почвенного гумуса найдены разнообразные представители аминокислот; низкомолекулярные органические кислоты (нелетучие и летучие); полисахариды, в частности, полиуроновые кислоты и их производные - aминocaxaра; глюкокозиды; полифенолы; биологически активные вещества, как ферменты, витамины, антибиотики. Большинство их присутствует в почвах в чрезвычайно малых, ничтожных количествах и возможность их обнаружения и определения обязана применению новейших методов исследования (в частности, методу хроматографии). Однако несмотря на малое содержание в почвах, многие из этих веществ очевидно, принимают важное участие в почвенных процессах (выветривание минералов; передвижение некоторых химических элементов по почвенному профилю; образование почвенной структуры) и в обмене веществ растений.
В сумме органические соединения индивидуальной природы составляют примерно 10-15% от общего запаса гумуса в почвах. Основная масса гумуса (80-90%) представлена его специфической частью - собственно гумусовыми веществами.
ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ.
Гумусовые вещества состоят из ряда высокомолекулярных соединений, имеющих кислотный характер. Большая часть из них находится в различных формах связи с минеральной частью почвы Выделение их из почвы и разделение производятся при помощи различных растворителей, разрушающих эти связи; предварительно почва освобождается от кальция при помощи обработки Н2SO4 - декальцируется.
Основными группами гумусовых веществ являются: 1) гуминовые кислоты, 2) фульвокислоты И 3) гумины. Гиматомелановые кислоты – не самостоятельная группа гумусовых веществ, а спирторастворимая фракция гуминовых кислот.
Гуминовые кислоты представляют собой группу веществ, извлекаемых из почвы щелочами (или другими растворителями) в виде более или менее темноокрашенного раствора (гуматов Na, NH4 или К) и осаждаемые кислотами в виде аморфного осадка - геля. Гуминовые кислоты, извлеченные из различных почв, имеют следующий элементарный состав:
Углерод (С) - 50-62%.
Водород (Н) - 2,8-6%.
Кислород (О) - 31-40%
Азот (N) - 2-6%
Колебания в элементарном составе гуминовых кислот объясняются тем, что они представляют собой не химически индивидуальные кислоты определенного строения, а группу высокомолекулярных химических соединений, сходных по составу и свойствам. Кроме С, Н, О и N, при анализе гуминовых кислот в золе обнаруживаются следующие элементы: Р, S, Si, Fe, Аl в количестве 1-10% в зависимости от степени очищения, но вернее всего эти элементы связаны с гуминовой кислотой вторичными реакциями присоединения.
Шеффер и Ульрих следующим образом излагают принцип строения гуминовых кислот: гуминовые кислоты состоят из полионов, полионы из мононов, а эти последние из микростроительных единиц – ядер, мостиков и функциональных групп.
Ядрами служат изо - или гетероциклические шести - или пятичленные кольца, а также конденсированные кольца, например: бензол, нафталин, антрацен, фуран, пиррол, индол, пиридин.
Ароматическая природа почвенных гумусовых кислот была установлена еще , находившим в продуктах сплава гуминовой кислоты из чернозема индол, скатол, пиррол, протокатеховую кислоту. Производные бензола и фенола находили в продуктах распада гуминовых кислот многочисленные исследователи при таких реакциях, как сплавление со щелочами, окисление концентрированной НNОз при давлении, КСl + КСlО4, бромной водой и др.
Большую роль в выяснении характера ароматических групп гуминовых кислот сыграло применение к их изучению метoдoв рентгенографии и инфракрасной спектрографии.
Как видно из приведенных выше структурных формул, в состав ядер входит гетероциклически связанный азот. Эта часть азота, составляющая до 40-50% всего азота гуминовых кислот, чрезвычайно прочно связана и освобождается лишь при разрушении ядер.
Отдельные ядра соединены между собой мостиками, которые могут состоять из одного атома (- О -, - N -) или из групп атомов (- NH -, - СН2 -).
Кислород является мостиком в эфирах между ароматическими или хиноидными ядрами.
Аминофенолы и аминохинoны имеют склонность к полимеризации с образованием азотных мостиков. Азот может при этом образовать открытый мостик.
Свободные гуминовые кислоты и их соли с двухвалентными и трехвалентными катионами нерастворимы и находятся в состоянии гелей. В почвах, в которых гуминовые кислоты в основном связаны с Са и Mg и благодаря этому неспособны к передвижению по почвенному профилю, они накопляются в местах их образования и в наибольших количествах содержатся в верхних горизонтах.
Гуминовые кислоты представляют собой наиболее ценную часть гумуса: они обладают большой поглотительной способностью по отношению к катионам и играют важную роль в создании агрономически ценной структуры почв; велико также значение гуминовых кислот в качестве запасного фонда питательных для растений веществ, прежде всего азота.
Фульвокuслотамu называют гумусовые вещества желтой или красноватой окраски, которые остаются в растворе после подкисления щелочной вытяжки из почвы и выпадения в осадок гуминовых кислот. Название фульвокислоты связано с их цветом: латинское слово fulvus означает желтый.
Так же, как и гуминовые кислоты, фульвокислоты представляют собой группу близких между собой по строению высокомолекулярных соединений. Следует отметить, что, как показал ряд исследований, не все органические вещества, извлекаемые из почвы щелочами и не осаждаемые кислотами, могут быть отнесены к фульвокислотам; значительная часть их представлена низкомолекулярными соединениями. Среди этих исследований должна быть упомянута работа Форсита (Forsyth, 1947), в которой кислый экстракт, содержащий фульвокислоты, был фракционирован при помощи адсорбции на угле, и фульвокислоты - специфические почвенные вещества отделены от примесей методом, исключающим резкие изменения их химического состава.
Элементарный состав фульвокислот отличается от элементарного состава гуминовых кислот меньшим содержанием С и N и большим содержанием О и Н, как это видно из следующих данных:
Углерод (С) - 44--49 %
Водород (Н) - 3,5--5 %
Кислород (О) - 44--49 %
Азот (N) - 2-4 %
Отношение С : Н всегда уже в фульвокислотах, чем в гуминовых кислотах. Содержание золы в фульвокислотах достигает 7-10%.
Так же, как в гуминовых кислотах, в фульвокислотах имеются ароматические и алифатические группы, что подтверждено в последние годы методом инфракрасной спектроскопии. В отличие от гуминовых кислот ароматическая часть молекулы у фульвокислот выражена менее ярко, что, очевидно, объясняется меньшей конденсированностью ядра. О меньшей конденсированности ядра фульвокислот говорит и более светлая их oкpacкa соответствующая более низкой оптической плотности.
Так как алифатические группы являются носителями гидрофильных свойств (в отличие от гидрофобных ароматических групп), фульвокислоты с более широким, чем у гуминовых кислот, отношением алифатических групп к ароматическим отличаются и большей гидрофильностью.
В числе функциональных групп фульвокислот имеются карбоксильные (СООН) и фенолгидроксильные (ОН) группы. Выделенные из почвы фульвокислоты всегда содержат метоксильные группы и притом в значительных количествах (до 5-7%). Менее ясен вопрос о наличии групп С =О в составе молекул фульвокислот.
Фульвокислоты содержат азот, часть которого переходит в раствор при кислотном гидролизе. Гидролизат содержит аминокислоты, состав которых близок к составу аминокислот в гуминовых кислотах.
Вопрос о величине молекулярного веса фульвокислот не изучен и решение его представляет те же трудности, что и для гуминовых кислот.
Фульвокислоты растворимы (вернее, коллоиднорастворимы) в воде. По данным (1964), электродиализованные золи фульвокислот с общей кислотностью - 0,005-0,006 н. (по титрованию 0,02 н. NaOH) имели рН в пределах 2,6-2,8. Следовательно, фульвокислоты являются довольно сильными органическими кислотами. (Золь гуминовых кислот примерно одинаковой с фульвокислотами концентрации имеет рН 3,7.)
Благодаря своей кислотности фульвокислоты разрушающе действуют на минералы. Соли фульвокислот со щелочными и щелочноземельными металлами растворимы в воде в почвенных условиях. С железом и алюминием фульвокислоты образуют комплексные соединения, обладающие большой подвижностью и выпадающие в осадок лишь в узком диапазоне рН. При этом условия подвижности (величина отношения R2О3 к фульвокислотам и степень разведения) для комплексных соединений фульвокислот с гидратом окиси железа значительно шире, чем условия подвижности комплексов с гидратом окиси алюминия. Подвижностью соединений фульвокислот с железом определяется усиленное выщелачивание железа в процессе подзолообразования.
За последние годы накоплен большой материал, показывающий тесную связь между гуминовыми кислотами и фульвокислотами
Кононова указывает, что фульвокислоты могут рассматриваться как начальные формы гуминовых кислот или продукты их деструкции. В связи с этим немецкие исследователи не выделяют особо фульвокислоты, считая их частью единого комплекса гумусовых веществ, в состав которого входят как гуминовые кислоты упрощенного строения, так и большое количество промежуточных продуктов разложения (Шеффер и Ульрих). Однако советские ученые во главе с
считают целесообразным в комплексе гумусовых веществ выделять две основные группы: темноокрашенные гуминовые кислоты и светлоокрашенные фульвокислоты - поскольку они существенно различаются по свойствам и роли в почвообразовании.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 |
