Сравнение различных методов определения гумуса в почве

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

ВВЕДЕНИЕ

Черноземы давно и заслуженно пользуются репутацией лучших почв мира. С полным основанием можно считать, что продовольственная безопасность страны во многом определяется продуктивностью черноземов. Поистине Русский чернозем представляет собой геопластический феномен, и его уникальность обусловлена, прежде всего, необычностью гумусового профиля. Интенсивно темная, почти черная окраска, большая мощность, своеобразие профильного распределения органического вещества и его большие запасы придают данному типу почв особое значение. В настоящее время черноземные территории занимают около 7% всей площади России. Сельскохозяйственные угодья здесь занимают 90 млн.га, в том числе пашня - 67 млн.га черноземных почв, что составляет соответственно 43 и 52% от общей площади сельхозугодий и пашни в стране. При этом на черноземах производится больше половины всей продукции растениеводства. (Щеглов, 2004).

Исключительно высокое природное плодородие, обусловленное оптимальным сочетанием круговорота и аккумуляции углерода, азота, фосфора, кальция явилось причиной длительного использования черноземов человеком. Наиболее важное значение в сохранении природного плодородия черноземов в земледелии имеют положительный баланс органического вещества и биофильных элементов, предотвращение эрозии и организация водного режима.

Одним из важнейших неблагоприятных изменений в черноземах, вызванных земледелием, является утрата запасов органического вещества, в частности гумуса. Опасность потери черноземами гумуса отмечалась еще В.В. Докучаевым и П.А. Костычевым. Ныне это стало острой проблемой. В последние 75-90 лет 20-го столетия резко уменьшилось как суммарное содержание гумуса в черноземах, так и мощность гумусовых горизонтов. Это связано с усиленной минерализацией гумуса и резким снижением поступления органических веществ в пахотные неудобряемые почвы, а такие почти повсеместным развитием водной и ветровой эрозии. (Ковда, 1983).

Замедление потерь гумуса и повышение его содержания в пахотных черноземах, как известно, могут быть достигнуты путем применения комплекса мероприятий, включающих: обеспечение поступления органических веществ (внесение органических удобрений, посев многолетних трав, оставление более высокой стерни зерновых культур), внесение минеральных удобрений, минимализация обработок, создание оптимальных соотношений культур в севооборотах для пополнения почвы органическими веществами и усиление процессов гумификации, применение мелиорантов (извести, дефеката, гипса и др.), вызывающих закрепление гумуса минеральной частью почв.

Длительное использование черноземов при низком уровне удобрений (не более 2-3 т/га навоза в среднем за год) привело к заметному уменьшению всех групп органического вещества. Гумус пахотных черноземов становится более подвижным, чем в целинном аналоге, возрастает количество активного гумуса (Лактионов, 1970).

Для познания изменения черноземов и их плодородия под влиянием высоких доз удобрений большой интерес представляют закономерности изменения количества и качества гумуса. К настоящему времени очень слабо изучены состав и свойства гумуса в профиле черноземов под влиянием различных систем удобрения.

Целью моей работы было сравнительное изучение различных методов определения гумуса в почве, применительно к возможностям школьной лаборатории.

Для этого необходимо было решить следующие задачи: выбрать оптимальные методы определения содержания гумуса в почвенных образцах; апробировать выбранные методы; разработать элективный курс по химии, направленный на формирование понятийного аппарата рационального землепользования, включающий сохранение и повышение почвенного плодородия, и охрану окружающей среды в рамках школьного курса химии.

Глава 1. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВЫ

гумусовая кислота почва

Химический состав почвы включает две части: минеральную и органическую. Все органические вещества почвы, по степени участия в почвообразовании и плодородии, делятся на две группы: 1) сравнительно неустойчивые, зависящие от условий (углеводы, полипептиды, кислоты, липиды, хлорофилл, пигменты), 2) значительно более устойчивые вещества (гуминовые кислоты, гуматы, фульвокислоты, гумин и частично лигнин). Они обусловливают типовые и длительно сохраняющиеся признаки почв. Гуминовые и фульвокислоты носят общее название гумусовых кислот. Благодаря высокой поглотительной способности они выполняют в почве функции ионообменников [1].

Все эти вещества образуют почвенный гумус. Гумус - (от лат. humus -земля, почва) представляет собой высокомолекулярные темноокрашенные органические вещества коллоидной природы. Они относятся по химическому составу и строению к различным классам соединений [1].

Рис. 1. Номенклатура органических веществ почвы по Д.С. Орлову [2]

На рисунке 1 показана номенклатура органических веществ почвы по Д.С. Орлову [2], в соответствии с которой в составе гумуса различают специфические гумусовые вещества (собственно гумусовые вещества), неспецифические органические соединения (или «вещества известного строения», по Фляйгу) и промежуточные продукты распада и гумификации.

Специфические гумусовые вещества - это более или менее темноокрашенные азотсодержащие высокомолекулярные соединения преимущественно кислотной природы. Они представлены гумусовыми кислотами (наиболее характерные вещества), прогуминовыми веществами типа «молодых» гуминоподобных продуктов, образующихся в культуральных средах и при ферментативном синтезе, и компонентами гумина [2].

Вопросы генезиса, строения, роли и функций гумусовых кислот в биосфере по настоящее время остаются актуальными и не до конца решенными [2].

1.1 Образование гуминовых и фульвокислот

Образование гумусовых веществ - сложный и длительный процесс, зависящий от множества факторов. Так, в основе формирования черноземов лежит дерновый процесс, который заключается в аккумуляции гумуса, биофильных элементов и образовании водопрочной структуры под действием травянистой растительности. Для гумусоаккумулятивного процесса в этих почвах складываются наиболее оптимальные условия: большое количество ежегодного опада, существенная часть которого поступает в почву в виде корневой системы растений; близкая к нейтральной реакция среды; высокая насыщенность минеральной части почвы кальцием и магнием; при периодически промывном водном режиме четко выраженная контрастность режима влажности; умеренная биологическая активность [3]. В настоящее время ученые признают важную роль органического вещества в почвообразовании. Свежий опад трансформируется, подвергается минерализации и гумификации, в результате которой образуются новые молекулы гуминовых и не гуминовых соединений, которые также минерализуются, хотя и медленнее, чем свежий опад. Гумусовые вещества образуются в процессе трансформации компонентов опада, когда фенольные или хиноидные их составляющие формируют «центральное ядро», а алифатические - «боковые цепи» [4]. Опад растительности черноземной зоны богат кальцием, что приводит к образованию в почвах биогенного кальция и к его миграции в форме гидрокарбоната, в результате процесс гумификации протекает при избыточном количестве солей кальция и сопровождается повышенным поглощением ионов кальция образующимися гумусовыми веществами, что фактически исключает формирование и вынос свободных водорастворимых продуктов [5].

Оптимальные условия для гумификации в черноземной зоне создаются весной и ранним летом, когда в почве возникают благоприятные условия водного и температурного режимов, для микробиологических процессов. При недостатке увлажнения летом эти процессы существенно замедляются, что позволяет предохранить образовавшиеся гумусовые вещества от быстрой минерализации. Укрупнение молекул гумусовых веществ за счет присоединения боковых цепей, увеличения «ядерной» части, в результате реакций поликонденсации и окисления наиболее активно протекает также в этот период при повышении температуры и некотором иссушении почвы. В зимний период, при промерзании почвы, происходят процессы денатурации гумусовых веществ. Вместе с тем это процесс весьма длительный, и образующиеся вещества гумусовой природы демонстрируют высокую устойчивость к биохимической и термической деструкции.

Гумусовые вещества в растворах не претерпевают заметных изменений в течение нескольких лет, а микроорганизмам требуется больше месяца, чтобы уменьшить вдвое их концентрацию [6]. Даже в жестких гидротермальных условиях при нагревании до 200 °С, за 10 дней разложению подвергается максимум 90% исходного количества гумусовых веществ [7]. Поэтому они способны довольно долго сохраняться и накапливаться в естественных условиях. Так, данные радиоуглеродного анализа свидетельствуют, что возраст гумусовых кислот в почвах колеблется от 500 до 5000 лет, во взвесях речных осадков - от 1500 до 6500 лет [8], а их доля в органическом веществе почв и поверхностных вод составляет 60-90%.

Для черноземов выщелоченных характерно отношение количества гуминовых кислот к фульвокислотам в интервале 1,7 - 2,5, высокая степень окисленности и ароматичности гуминовых кислот и преимущественное их закрепление в форме гуматов кальция, более сложное, по сравнению с подзолистыми почвами, строение фульвокислот [9]. Следует отметить, что в работах по влиянию сельскохозяйственного освоения почв на гуминовые кислоты [10] методами ИК-спектроскопии и дифференциального термического анализа установлено, что молекулы гуминовых кислот освоенных участков обладают менее выраженной периферической частью, чем гуминовых кислот целинных земель. При исследовании гумуса дерново-подзолистых почв в условиях интенсивного земледелия с помощью современных физико-химических методов A.M. Лыков [11] делает вывод, что качественный состав и природа гумусовых веществ почвы значительно влияют на стабильность гумуса и его устойчивость к минерализации. Более сложные, высококонденсированные гуминовые соединения минерализуются медленнее, чем малоконденсированные формы гуминовых кислот и фульвокислоты. Аналогичные данные получены и для лугово-черноземных почв [12], где отмечается, что сельскохозяйственная деятельность способствует увеличению степени гумификации гумусовых соединений.

Объектами исследований в настоящей работе являются гумусовые кислоты, выделенные из образцов целинного чернозема выщелоченного, которые наиболее полно отражают характеристические фрагменты структур макромолекул гумусовых кислот.

Существует несколько гипотез гумификации [2]. Согласно полимери-зационной гипотезе В.В. Кононовой, растительные остатки и продукты метаболизма микроорганизмов распадаются до мономеров, из которых путем поликонденсации и полимеризации образуются гумусовые вещества. По данным Л.Н. Александровой [13], в процессе образования гумусовых веществ основная роль принадлежит лигнину как источнику ароматических соединений. В результате реакции биохимического окисления большая его часть гумифицируется и превращается в гуминовые кислоты [14]. В соответствии с теорией В.Р. Вильямса [11], гумусовые вещества представляют собой продукты метаболизма некоторых видов микроорганизмов.

1.2 Выделение и исследование гумусовых веществ

Первые эксперименты по выделению и изучению гумусовых веществ (ГВ) приходятся на конец XVIII века. В 1786 году Ф. Ахард действием раствора щелочи на торф получил темноокрашенный раствор, из которого подкислением концентрированной серной кислотой был выделен осадок гуминовых кислот (ГК) [2]. В работе [15] они получили название «некромовые кислоты». Изучив кислотные свойства ГК методом потенциометрического титрования, С. Оден в работе [2] сделал вывод, что они являются трех- или четырехосновными кислотами. В 20-30 годы XX века В.В. Геммерлингом [11] было установлено, что ГК полидисперсны и их окраска зависит от молекулярной массы. В работе А.А. Шмука [2] было доказано присутствие в макромолекулах ГК карбоксильных и фенольных гидроксо-групп. При сплавлении С со щелочью он обнаружил структуры ароматической природы, а из продуктов окисления выделил терефталевую кислоту. В 40-60 годы XX века были попытки искусственно синтезировать ГК из мономерных соединений: моносахаридов, аминокислот, фенолов. В это же время проводились исследования строения и состава природных ГК [16]. В 70-80 годы XX века был предложен ряд схем строения ГК, на основе которого Д.С Орловым, Л.А. Гришиной, М.И. Дергачевой, Ф. Стивенсоном с использованием некоторых приближений и уточнений были построены более точные модели ГК [2].

Изучение фульвокислот (ФК) началось с работ Берцелиуса [2], который выделял из водных растворов креновую и апокреновую кислоты, относящиеся к водорастворимым органическим кислотам. Впервые термин ФК употребил С. Оден, называя так желтоокрашенные вещества, остающиеся в растворе после осаждения ГК [11]. Однако довольно обширный материал о строении ФК носил противоречивый характер. Одни исследователи считали их натуральными формами ГК или продуктами их распада (Мульдер, Оден) [11], другие - смесью органических веществ индивидуальной природы (углеводов, алифатических и аминокислот), третьи - специфическими компонентами гумуса (Тюрин) [17].

Современный этап изучения ФК начинается с работ Тюрина и Пономаревой. В соответствии с данными Тюрина, почвенные ФК составляют группу оксикарбоновых азотсодержащих кислот, имеющих более светлую по сравнению с ГК окраску, меньшее содержание в молекулах углерода, растворимых в воде и минеральных кислотах. ФК имеют высокую обменную емкость (до 700 мг-экв/100 г), разрушительно действуют на минералы и склонны к образованию комплексных соединений с ионами металлов [2].

Большое количество разнообразных функциональных групп в составе молекул гумусовых кислот обусловливает их высокую реакционную способность. Это, прежде всего, карбоксильные, фенольные, спиртовые, аминные, хинонные группы, способные к образованию ковалентных и электровалентных связей, внутрикомплексных соединений [11]. Гуминовые кислоты содержат в среднем 46-62% С, 3-6% N, 3-5% Н и 32-38% О. Молекулы фульвокислот имеют более низкое содержание углерода и повышенное содержание кислорода: 36-44% С, 3-4,5% N, 3-5% Н и 45-50% О. В составе молекул гумусовых кислот также практически всегда содержатся сера, фосфор и катионы различных металлов [18-21].

Почти все современные экспериментальные данные подтверждают образование ФК в ходе щелочного или кислотного гидролиза как органического вещества почвы, так и собственно ГК или гумина [22]. Так, Т.А. Гореловой [23] было показано постоянство количественного выхода ФК из торфяных почв в расчете на общее содержание органического вещества, что отрицает существование ФК как отдельного класса природных соединений.

1.3 Модели строения гуминовых и фульвокислот

Гумусовые кислоты относятся к соединениям переменного состава, вследствие чего полную и однозначную их структурную формулу вывести невозможно. Следует отметить, что замена в молекуле гуминовой или фульвокислоте отдельных структурных фрагментов, боковых цепей и функциональных групп существенно не изменяет их свойства в целом. Таким образом, существуют вероятностные (статистические) формулы, отражающие средний состав, строение и средние свойства гумусовых кислот.

В настоящее время существует несколько структурных формул гумусовых кислот, но все они имеют гипотетический характер, отражая в той или иной мере подробно накопленные экспериментальные данные. Гипотетический структурный фрагмент гумусовых кислот почв, предложенный Кляйнхемпелем [24], показанный на рисунке 2, наглядно демонстрирует сложность их строения.



Рис. 2. Гипотетический структурный фрагмент гумусовых кислот почв по Кляйнхемпелю [24].

В соответствии с моделью Драгунова С.С. [2] гуминовая кислота представляет собой цепь ароматических ядер, расположенных линейно, и включает фенольные и хинонные группировки, гетероциклический азот, углеводные остатки с высокой степенью замещения ароматических колец. Однако данная модель имеет несколько существенных недостатков: ароматическая часть представлена только четырехзамещенными кольцами, почти все бензольные кольца имеют кислородсодержащие заместители. Данная формула не подтверждает экспериментальные данные о высокой оптической плотности растворов гумусовых веществ.

Наиболее достоверно, на наш взгляд, отражает строение гуминовой кислоты модель, предложенная Стивенсоном [25]. В соответствии с его представлениями главная цепь макромолекулы гуминовой кислоты состоит из фрагментов фенилкарбоновых кислот с привитыми к ней углеводными и белковыми цепочками. В составе гуминовой кислоты он выделяет следующие функциональные группы: карбоксильные, фенольные, амидные, спиртовые, альдегидные, карбоксилатные, кетонные, метоксильные, хинонные, гидроксихинонные и аминогруппы. Структура фрагмента гуминовой кислоты, соответствующая модели Стивенсона, построенная нами в программе HyperChem 7.01 и оптимизированная методом молекулярной механики (mm+), а затем полуэмпирическим методом AMI, показана на рисунке 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

4

Рис. 3. Структура и ее оптимизированная модель строения ГК по Стивенсону [25]

Количество функциональных групп, содержащихся в макромолекуле ГК, и их роль в органоминеральных процессах окончательно не определены. Однако основу ГК как ионообменников составляют фиксированные карбоксильные и фенольные, гидроксильные группы. Карбоксильные группы ГК входят в различные фрагменты структуры и отличаются по кислотности [2].

Для ФК, в отличие от ГК, характерно высокое содержание в молекуле фенольных гидроксилов, которое в 1,5-3 раза выше [2]. ФК имеют такое пространственное строение, когда арильные и алкильные фрагменты чередуются, что подтверждает положение Орлова [26] о том, что в ФК ароматические структуры распределены более равномерно, чем в ГК. Большой вклад в изучение строения молекул ФК внес М. Шнитцер [27, 28]. В соответствии с одной из его моделей молекула ФК с молекулярной массой 700 Да должна включать два ароматических кольца, шесть карбоксильных групп, две кетонные группы, два фенольных гидроксила, три спиртовые группы. Молекула также должна включать алифатические цепи и алициклические кольца. Оптимизированная модель, соответствующая этим данным, показана на рисунке 4 [29].

Рис. 4. Структура и ее оптимизированная модель строения ФК по Шнитцеру [27, 29]

1.4 Методы выделения препаратов гумусовых кислот из почв

Традиционным методом выделения ГВ из почвы считается разработанный М.М. Кононовой и Н.П. Бельчиковой [30], где экстракция гумусовых кислот проводится раствором гидроксида натрия или смеси гидроксида с пирофосфатом натрия, а затем экстракт разделяют на ГК и ФК по растворимости в кислой среде. ГК при подкислении щелочного почвенного экстракта до рН 1-2 выпадают в осадок, а в растворе остаются ФК. Далее компоненты раствора разделяют на хроматографической колонке с активированным углем [31]. К.В. Дьяконова [32] предложила экстрагировать лабильные формы ГВ из почвы последовательными вытяжками от мягких к жестким экстрагентам: смесью пирофосфата и гидроксида натрия с рН 7, 10, 13 и щелочью. При этом степень извлечения ГВ составляет 90-95%. Однако состав выделяемых ГК различается в зависимости от применяемых реагентов. Существуют методики выделения препаратов ГК и ФК, основанные на использовании различных синтетических смол: КУ-2, Amberlite XAD, PVP и других [33].

В работе [34] выявлено, что содержание гумуса влияет на выход препаратов ГК, который не зависит от подтипа почв. Полученные препараты ГК имеют высокое содержание органо-минеральных соединений и поэтому требуется их очистка. Обеззоливание и очистка проводятся методами сорбции на адсорбентах различной природы (цеолиты, глинистые минералы), а также на ионообменных смолах [35]. Эти методы очистки также применимы и к ФК. Г. Варшал использовал способ вымораживания с последующим фракционированием ФК на активированном угле марки БАУ [2]. Р. Обеноус и Н. Оберлендер [36] деминерализацию ФК осуществляли на сефадексах, промывая сорбционную колонку обессоленной водой. Г.В. Славинская применила для деминерализации растворов ФК сильносшитые ионообменники [37]. Раствор пропускали через колонку с анионитом, затем - через слой катионита. Деминерализация считалась достигнутой, когда рН фильтрата после контакта с ионообменниками не изменялся, что свидетельствовало об отсутствии солей в растворе ФК. Растворы ФК при обессоливании пропускали с максимально возможной скоростью, чтобы сократить время контакта ионитов и ФК и предотвратить адсорбцию препарата. Следует отметить, что процесс деминерализации ФК связан с большими потерями целевого продукта и считается, что получение препарата с содержанием примесей 0,3 % - достаточно эффективный результат [38].

Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ГУМУСОВЫХ КИСЛОТ

Для изучения физико-химических свойств гумусовых веществ используются: ИК- и УФ-спектроскопия, электронная микроскопия, термогравиметрия, рентгенодифрактометрия [39]. Методы определения элементного состава и функциональных групп могут быть дополнены исследованиями структурных фрагментов на основе газожидкостной хроматографии, определения молекулярных масс с помощью светорассеивания, ультрацентрифугирования, гель-фильтрации, методов ядерного и электронного парамагнитного резонанса, потенциометрического титрования, полярографии и вольтамперометрии [40].

2.1 Оптические методы

Для ГВ характерна высокая интенсивность светопоглощения в ультрафиолетовой области, что дает возможность использовать метод УФ-спектроскопии при изучении их строения [41]. С помощью этого метода можно проводить качественный и количественный анализ. Еще в 1876 г. Витт установил, что светопоглощение органических соединений связано с присутствием в них определенных групп атомов и связей (хромофоров), таких, как азо-, виниленовой, нитро-, нитрозо-, карбонильной и других [2]. За счет поглощенной дополнительной энергии происходит изменение электронного состояния молекулы вещества: она переходит в электронно-возбужденное состояние [42]. Энергия электронных переходов соответствует видимому и УФ излучению. Спектры поглощения соответствующего излучения получили название "электронных" [2]. Метод электронной спектроскопии достаточно давно и широко используется при изучении почвенных гумусовых веществ [43].

Наиболее широкое применение получили показатели оптической плотности (D) растворов ГВ в видимой области спектра (350-800 нм) [44]. Изучению же спектральных свойств ГВ в ближней УФ-области (195-350 нм) уделяется значительно меньшее внимание, несмотря на то, что эта область спектра является наиболее информативной при изучении структуры органических молекул [45].

Зависимость энергии светопоглощения от длины волны, представляющая собой спектр поглощения, используется для изучения строения ГВ. По максимумам на кривых электронных спектров определяют наличие соответствующих структурных компонентов. Кроме того, метод УФ-спектроскопии используют для сравнительной характеристики ГВ различного происхождения; для быстрого определения содержания гуминовых и фульвокислот; в экспериментальных работах для контроля за растворимостью ГК, условиями их осаждения, образованием соединений с катионами металлов и др. [43].

Количественная спектрофотометрия растворов ГВ основана на приложимости к ним закона Бугера-Ламберта-Бера при всех значениях длин волн. Для количественной оценки интенсивности светопоглощения ГВ используют следующую запись закона:

D = EСL (1),

где Е - условный коэффициент поглощения, рассчитанный на условную единицу молекулярной массы.

Следует отметить, что публикуемые в специальной литературе электронные спектры экстрактов почвенных ГВ, а также растворов гумусовых кислот (ГК и ФК), характеризуются, как правило, отсутствием полос поглощения [43, 46, 47]. Спектры в основном представляют собой пологие кривые, монотонно снижающиеся с увеличением длины волны. Тем не менее, даже такие спектры выявляют различие спектральных свойств ГВ не только почв разного типа, но и одной и той же почвы при разных обработках [43]. Монотонность спектральной кривой может обусловливаться многими причинами, среди которых выделяют следующие [48]:

1) полосы поглощения располагаются в далекой (вакуумной) УФ-области (л менее 190 нм);

2) использование кювет с относительно большой толщиной поглощающего слоя (как правило, 10 мм) и спектрофотометров, не позволяющих выбирать оптимальную шкалу оптической плотности при достаточно высокой концентрации в растворе молекул с С=С-связями;

3) полоса поглощения сопряженных С=С-связей, имеющая максимум в коротковолновой области УФ-спектра [45], может перекрываться полосой поглощения растворителя, как правило, раствора NaOH (0.1 н.), наиболее широко используемого для извлечения из почвы ГВ и растворения ГК. Поэтому авторы [48] советуют использовать в качестве эталона сравнения 0.1 н. NaOH. Автоматическое вычитание спектра растворителя способствует выявлению полосы поглощения сопряженных С=С-связей в спектрах гумусовых молекул [49]. В результате информативность спектра ГВ значительно повышается.

Анализируя полученные таким приемом спектральные кривые, А.Ю. Кудеярова [48] делает вывод, что молекулы гумусовых веществ целинной и пахотной серой лесной почвы характеризуются разной степенью электронной поляризуемости и соответственно разной реакционной способностью. В сравнении с гумусовыми молекулами целинной почвы, гумусовые молекулы пахотной почвы активнее вступали в реакции с анионами минеральных кислот, используемых для осаждения гуминовых кислот. Е.С. Гридяевой в работе [50] данным приемом были исследованы образцы ГК выделенные из чернозема выщелоченного методом последовательной экстракции. На основании полученных данных автор предполагает, что водой из почв экстрагируются только слабо связанные органические соединения не гумусовой природы. Обработка почвы нейтральным раствором пирофосфата натрия вызывает связывание ионов поливалентных металлов в комплексы, и, как следствие, повышает растворимость низкомолекулярных алифатических соединений и отщепление некоторой части боковых цепей ГК и ФК, имеющих также алифатический характер. Увеличение рН до 10 при последующей экстракции вызывает появление максимума при 207 нм и ряда слабых при более высоких длинах волн (238, 247, 270, 307 нм). В этих условиях начинается процесс извлечения собственно гумусовых кислот из почв, а наиболее интенсивное извлечение имеет место при рН = 3.

В работе Черникова В.А. [51] исследованы состав и свойства ФК черноземов с различной молекулярной массой методом УФ-спектроскопии. Изучение отдельных фракций ФК, по мнению Орлова [2], должно явиться предметом следующего этапа исследования гумусовых кислот. Интересные результаты получены при разделении гумусовых веществ методом систематизированной гель-хроматографии [43, 52, 53]. С использованием данного метода разделения ФК Черников В.А. получил 14 фракции ФК. Установлено, что значения молярного коэффициента погашения увеличиваются с увеличением молекулярной массы ФК. Почти для всех ФК с ростом значения молярного коэффициента погашения наблюдается и возрастание коэффициентов цветности.

Другим из распространенных оптических методов исследования ГВ является инфракрасная спектроскопия (ИК). Это метод дает исключительно богатую информацию не только о наборе важнейших атомных групп и типов связей, но и о конкретном расположении отдельных групп, дает возможность идентифицировать отдельные соединения, изучать механизмы органо-минерального взаимодействия, адсорбцию и десорбцию влаги, определять присутствие минеральных соединений. Метод ИК-спектроскопии дает сведения как о качественных особенностях строения вещества, так и о его количественном содержании в образце [43, 54]. Следует отметить, что в технике ИК-спектроскопии и интерпретации спектров остается еще много нерешенных задач не только в области точной идентификации отдельных полос поглощения ГК и ФК, но даже при сравнительной характеристике веществ и установлении их идентичности.

Осложнения при расшифровке и использовании ИК-спектров ГВ вызваны многими причинами. ГК и ФК содержат очень большой набор разнообразных атомных группировок, поэтому полосы поглощения, как правило, составные, широкие, обусловлены колебаниями количества различных групп. Положение максимумов определяется не всегда четко и может быть промежуточным между максимумами составляющих компонентов. Значительные осложнения вносят минеральные компоненты, многие из которых дают собственные полосы поглощения в тех же областях, что и ГВ. Взаимодействие минеральных компонентов с функциональными группами ГВ также существенно изменяет спектр последних [11]. Поэтому остается важным изучение как можно более чистых препаратов ГК и ФК, получение которых является главной задачей данной работы.

На основе изменения коэффициента цветности установлена динамика выхода фракций ГК в ходе диализа [55]. Согласно данным ИК-спектроскопии ГК, разлагаемые при более высокой температуре фракции, характеризуется большей величиной коэффициента цветности. При этом они содержат небольшое количество алифатических группировок по сравнению с ГК, прошедшими через полупроницаемую мембрану. Методом ИК спектроскопии Черниковым В.А. изучены различия между фракциями ФК [56]. Наиболее четкая и интенсивная полоса поглощения при 2950 см-1, обусловленная асимметричными и симметричными валентными колебаниями СН3- и СН2-групп, отмечена для фракции ФК чернозема обыкновенного с ММ (молярная масса) > >50 000. В спектрах ФК с ММ 9200, 6300 и 3220 Да южного, южного карбонатного и обыкновенного черноземов наиболее интенсивное поглощение наблюдалось в области 3240-3200 см-1, обусловленное присутствием азотсодержащих группировок. Установлено, что низкомолекулярные фракции ФК содержат больше кислородсодержащих группировок по сравнению с высокомолекулярными фракциями [51].

Данные работы [56] хорошо согласуются с проведенным исследованием аминокислотного состава гидролизатов ФК с различной ММ, выделенных из чернозема южного карбонатного. Гидролизаты всех фракций ФК имеют качественно однотипный набор аминокислот. Однако содержание аминокислот и групп аммония увеличивается параллельно увеличению ММ фракций.

2.2 Методы определения валового гумуса по Густавсону

Принцип метода. В основу положен гравиметрический метод. Содержание углерода находят по количеству СО2, выделившегося в процессе озоления органического вещества почвы. Сжигание органического вещества почвы в токе воздуха проводят в контакте с оксидом меди при температуре 700-750°С. Образующийся СО2 количественно улавливается поглотителями и взвешивается. СuО, реагируя с органическим веществом, сначала восстанавливается до Сu2О, а затем до металлической меди. СuО, используемую в опыте, получают прокаливанием медных листов или медной проволоки на воздухе.

Устройство прибора. В прибор для определения гумуса по Густавсону входит трубка для сжигания из тугоплавкого стекла, кварца или фарфора длиной 50-100 см (на 15 см длиннее печей для сожжения) и внутренним диаметром 12-20 мм (рис. 5).

Рис. 5. Прибор для определения углерода:

1 - поглотительная колонка с аскаритом, 2 - трубка для сжигания, 3 - лодочка с навеской, 4 - электропечи, 5 - трубки-поглотители, 6 - предохранительная колонка с хлоридом кальция

Передняя часть трубки соединяется со склянкой Тищенко, заполненной концентрированной H2SO4 для поглощения паров воды из пропускаемого кислорода или воздуха, а затем с поглотительной колонкой с гранулированным аскаритом для поглощения СО2 из воздуха. Колонка с аскаритом подключается непосредственно к источнику кислорода или воздуха.

К другому концу трубки подключают поглотители:

· U-образную трубку с гранулированным хлоридом кальция для поглощения образующихся при сжигании гумуса паров воды:

СаС12+Н2О > СаС12 + nН2О;

· U-образные трубки с поглотителями (аскарит) для СО2;

· колонку с гранулированным хлоридом кальция для предохранения поглотителей от паров воды, которые могут проникать в прибор из аспиратора или водоструйного насоса.

Реакция протекает по следующему уравнению:

СО2 + 2NaOH> Na2CO3 + Н2О

Навеска почвы помещается в кварцевую или фарфоровую лодочку. Трубка для сжигания заполняется в следующем порядке. В переднем конце расположена медная спираль, затем помещается лодочка с навеской почвы, после которой следует слой оксида меди, предварительно освобожденной от органических примесей прокаливанием в железном тигле. Рекомендуется закреплять слой оксида меди при помощи медной сетки, вырезанной в форме диска, или рыхлых асбестовых пробок. Вплотную к ней примыкает слой РbСrO4 длиной 5 см и размером зерен 2-3 мм. Хромат свинца служит для поглощения диоксида серы, образующегося при окислении соединений серы в процессе анализа. Затем следует спираль из серебряной сетки длиной 8 см для связывания свободных галогенов. В конце трубки находится блестящая восстановленная медная спираль, служащая для восстановления оксидов и полуоксидов азота до свободного азота. Для ее получения накаленную медную спираль быстро переносят из пламени горелки в пробирку, содержащую 1 мл чистого метилового спирта. Спираль мгновенно восстанавливается парами спирта. Пробирку сразу закрывают пробкой и после полного охлаждения выдерживают в эвакуированном вакуум-эксикаторе для удаления остатков органических соединений. Медную спираль необходимо вновь восстанавливать перед каждым сжиганием

Трубку для сжигания наиболее удобно обогревать двумя трубчатыми электрическими печами. При их отсутствии можно использовать железный желоб, обогреваемый газовыми горелками. В желобе делается вырез в том месте, где находится оксид меди. Использование электрических печей позволяет точнее регулировать температуру и создавать в трубке требуемый перепад температур. Подвижная печь, служащая для сжигания гумуса, нагревается до светло-красного каления и находится сначала в крайнем положении у переднего конца трубки и затем постепенно передвигается вдоль трубки. Вторая печь нагревается до темно-красного свечения и на 1/3 находится в зоне хромата свинца и серебряной спирали, и на 2/3 - в зоне оксида меди.

Ход анализа. Для удаления органических примесей перед началом определения трубку прокаливают в токе кислорода или воздуха в течение 30 мин. Нагревание ведется при отключенных поглотителях. В итоге сжигаются органические примеси в трубке, доокисляется медь и накаляется оксид меди к началу определения. В это время навеску почвы (1-5 г в зависимости от содержания гумуса) помещают в фарфоровую или кварцевую лодочку и взвешивают поглотительные трубки.

Не прекращая нагревание заднего конца трубки, соединяют трубку для сжигания с аспиратором. С холодного конца трубки извлекают проволокой спираль оксида меди, задвигают в трубку лодочку с навеской почвы, вставляют спираль оксида меди и закрывают каучуковой пробкой со стеклянной трубочкой, которая подсоединяется к склянке Тищенко с серной кислотой. Пропускают воздух, лишенный СО2, в течение 15-20 мин затем подсоединяют поглотители.

Установив скорость тока воздуха (2-3 пузырька в секунду) начинают медленно нагревать передний конец трубки, где стоит лодочка, постепенно повышая температуру в течение 15 мин до темно-красного каления. Если печь подвижна, ее постепенно передвигают от переднего конца до места нахождения лодочки. В этот период необходимо постоянно наблюдать за скоростью прохождения пузырьков в кали-аппарате. При слишком большой скорости нужно либо уменьшить нагревание, либо отрегулировать аспиратор. Если в переднем конце трубки у резиновой пробки конденсируется вода, ее удаляют, нагревая трубку в этом месте пламенем газовой горелки. При темно-красном калении проводят сжигание в течение 10 мин. К концу сжигания печь должна быть доведена до светло-красного каления. Затем постепенно уменьшают нагревание и усиливают ток воздуха или кислорода через трубку, следя, чтобы не произошло засасывания воздуха в прибор.

По окончании сжигания органического вещества поглотительные трубки осторожно отключают и сразу закрывают их колпачками. Поглотительные трубки протирают чистой тряпочкой без ворса и взвешивают. По привесу хлоркальциевой трубки определяют количество воды, а по привесу трубок с аскаритом - количество диоксида углерода. После охлаждения трубки лодочку взвешивают. Уменьшение массы соответствует потере от прокаливания. Количество углерода (%) в почве находят по формуле:

С=

где: т - привес СО2, мг;

р - навеска почвы, г,

0,273 - коэффициент пересчета СО2 на углерод;

100 - коэффициент пересчета в проценты;

1000 - перевод мг в г.

Метод сухого озоления достаточно точен, но требует больших затрат времени: на одно определение уходит 2,5-3 ч. Он неприменим для почв, содержащих карбонаты, так как при нагревании возможно их разложение и привес трубок будет зависеть не только от СО2 органического вещества, но и от СО2 карбонатов. Кроме того, большое количество кальциевых солей ведет к образованию карбонатов кальция за счет СО2 гумуса. Если вновь образованные карбонаты останутся в прокаленной навеске, то получатся заниженные результаты.

Вычисление содержания гумуса. Для перевода содержания углерода в гумус пользуются коэффициентом 1,724, который был получен из расчета, что в гумусе содержится 58 % углерода [57].

2.3 Определение углерода сухим сжиганием по прописи Аринушкиной

Принцип метода. При сжигании навески почвы в токе кислорода при температуре ?950° С углерод окисляется до СО2 по уравнению:

С + О2>СО2.

Выделившийся диоксид углерода количественно учитывают гравиметрическим или титриметрическим методами и пересчитывают на содержание углерода.

Газообъемное определение углерода проводят с помощью газоанализатора ГОУ-1. С помощью этого аппарата сначала измеряют объем смеси СО2 + О2 после сжигания углерода, затем газовую смесь направляют в поглотительный сосуд с раствором КОН, который поглощает СО2: СО2 + 2КОН = К2СО3 + Н2О

Оставшийся кислород переводят в газоизмерительную бюретку (эвдиометр) и по разности между первоначальным объемом газов и объемом, полученным после поглощения СО2, находят по шкале бюретки процентное содержание углерода в навеске.

Установка для определения углерода газообъемным методом. Газоанализатор ГОУ-1 является частью установки для определения углерода (рис.6).

Установка состоит из газометра, наполненного кислородом (1), двух промывных склянок, одна из которых (2) наполнена 4 % раствором КМnО4 в 40 % растворе КОН, другая (3) - концентрированной H2SO4. Щелочной раствор с перманганатом служит для очистки кислорода от примеси диоксида углерода и органических соединений, серная кислота - для высушивания кислорода. Очищенный и высушенный кислород поступает через кран (4) в фарфоровую трубку (5) для сжигания. Для этой цели используют неглазурованные и газонепроницаемые трубки № 7 или 8 длиной 750 мм с внутренним диаметром 18-20 мм. Концы трубки должны выступать из печи не менее чем на 160 мм с каждой стороны. Стеклянным краном (4) регулируют скорость поступления кислорода в трубку для сжигания.

Трубку помещают в электрическую печь (6), обеспечивающую температуру нагрева 950-1000°С. Печь включают через трансформатор с терморегулятором (7) в сеть переменного тока.



Рис. 6. Схема установки для определения углерода газообъемным методом

Газообразные продукты сгорания органических веществ почвы вместе с кислородом поступают из трубки для сжигания, в которую помещают PbCrCО4 для поглощения оксидов Сl и S, через хлоркальциевую трубку (8), заполненную стеклянной ватой для задержания пылеобразных продуктов сгорания, в змеевиковый холодильник (9) и после охлаждения в нем - в газоизмерительную бюретку (10).

Газоизмерительная бюретка представляет собой узкий цилиндрический сосуд с расширением в верхней части. Бюретка имеет двойные стенки, между которыми через специальное отверстие в верхней части наливают воду.

Образующаяся водяная рубашка служит для поддержания постоянной температуры газа в бюретке. Бюретка снабжена термометром (11) с пределом измерения 0-45 °С, помещенным в ее верхней расширенной части. Верхняя часть бюретки соединена резиновой трубкой с крановой гребенкой, которая имеет центральный 3-ходовый (12) и боковой кран (13). С помощью 3-ходового крана бюретка может соединяться с холодильником (9), поглотительным сосудом (16) и атмосферой. Одноходовой кран соединяет газоизмерительную бюретку лишь с атмосферой. Стеклянный затвор (пустотелый поплавок) запирает верхнее выходное отверстие бюретки при ее заполнении жидкостью.

Узкая нижняя часть бюретки имеет шкалу (14), при помощи которой отсчитывают измеряемые объемы. Деления шкалы рассчитаны таким образом, что соответствуют непосредственно процентному содержанию углерода в определенной навеске вещества, равной 1 г. Шкала должна обязательно соответствовать бюретке, для которой она предназначена; перенос ее на другую бюретку не допускается.

Примечание: Таблица 1 содержит поправочные коэффициенты для измерительной бюретки (эвдиометра), калиброванной при 16"С и давлении 760 мм рт. ст. с использованием в качестве запирающей жидкости 2 % раствора серной кислоты. Для других условий проведения измерений (давление ниже 730 и выше 770 мм рт. ст.) следует брать поправочные коэффициенты из табл. прилагаемой к прибору ГОУ - 1. При измерении объема газа вводят поправку на температуру и атмосферное давление по специальной таблице 1.

Подготовка установки к определению углерода. Перед началом работы концы фарфоровой трубки закрывают резиновыми пробками со вставленными в них стеклянными трубками.

Уравнительная склянка (15) служит для перекачивания газовой смеси из газоизмерительной бюретки в поглотитель. Склянка заполняется окрашенным 2% раствором H2SO4 в таком объеме, чтобы уровень жидкости в ней при нижнем положении склянки совпадал с нулевым делением шкалы и меткой на бюретке.

Поглотительный сосуд (16) заполнен 40% раствором КОН. Поглотитель снабжен автоматическими затворами-поплавками, запирающими поглотительный сосуд при наполнении его жидкостью, благодаря чему исключается возможность попадания раствора щелочи в бюретку.

Все стеклянные части прибора должны быть плотно соединены между собой при помощи толстостенных эластичных отрезков резиновой трубки. Для измерения атмосферного давления служит ртутный барометр или барометр-анероид.

Для того чтобы пробки не обгорали, внутреннюю торцовую поверхности пробки закрывают асбестовой прокладкой, надетой на конец стеклянной трубки (рис. 7).

Рис. 7. Резиновая пробка со стеклянной трубкой и асбестовой прокладкой: 1 - пробка; 2 - асбестовая прокладка

Проверяют герметичность всех кранов и соединений. Для этого конец фарфоровой трубки, направленной к газометру, соединяют с ним через очистительные склянки, а другой конец соединяют с газоанализатором. Наполняют поглотительный сосуд 40 % раствором КОН, а в уравнительную склянку наливают 400-450 см3 2 % раствора H2SO4, подкрашенного метиловым оранжевым. Если раствор изменит окраску (из красного станет желтым), значит, в бюретку проникает щелочь из поглотительного сосуда. В этом случае жидкость в бюретке необходимо заменить свежей и еще раз проверить работу поплавков-затворов. После каждого наполнения уравнительной склянки свежей жидкостью следует произвести 1-2 сжигания навески почвы для насыщения этой жидкости диоксидом углерода. В противном случае первые определения углерода могут оказаться заниженными.

После этого центральный 3-ходовый кран гребенки (12) ставят в такое положение, при котором бюретка, поглотительный сосуд и холодильник разобщены между собой. Открыв кран (13), соединяющий бюретку с атмосферой, поднимают уравнительную склянку (15). Бюретка при этом наполняется окрашенной жидкостью, пока выходное отверстие ее не закроется автоматически поплавком. Как только жидкость заполнит бюретку, кран (13) закрывают, а центральный 3-ходовый кран (12) ставят в положение, при котором бюретка соединяется с поглотительным сосудом.

Опустив уравнительную склянку вниз, дают окрашенной жидкости стечь из бюретки обратно в уравнительную склянку. При этом уровень раствора щелочи в поглотительном сосуде повышается, поднимая поплавок. Как только поплавок закроет выход из поглотителя, центральный 3-ходовый кран (12) ставят в положение соединения бюретки с атмосферой. Поднимая уравнительную склянку, наполняют бюретку жидкостью до верхнего предела.

Когда бюретку заполнят жидкостью, кран (13), соединяющий ее с атмосферой, закрывают, а уравнительную склянку (15) опускают. Если аппарат герметичен, т. е. все краны хорошо притерты, поглотитель остается заполненным, а уровень жидкости в газоизмерительной бюретке 2-3 мин остается без изменения. Если же уровень раствора в бюретке опускается, аппарат не герметичен. В этом случае краны смазывают вазелином и снова проверяют аппарат на герметичность.

При герметичности прибор готов для проведения анализа. Перед сжиганием навески измерительная бюретка должна быть заполнена жидкостью до такого уровня, чтобы поплавок закрыл бюретку. Поглотительный сосуд также должен быть заполнен раствором щелочи. Кран, соединяющий бюретку с атмосферой, должен быть закрыт. Для проверки правильности работы установки производят несколько контрольных определений углерода в образцах почв с известным его содержанием.

Ход анализа. Почву проверяют на наличие карбонатов, т.е. на вскипание от 10 % НCl. В случае их обнаружения определяют СО2 карбонатов для внесения поправки в результаты определения углерода органического вещества почвы.

Навеску растертой и просеянной через сито с отверстиями диаметром 0,25 мм некарбонатной почвы, с отобранными корешками, в количестве 1 г при содержании углерода 0,2-1 % и 0,5 г, при содержании углерода от 1 до 2,5 %, а при большем содержании углерода 0,25 г и меньше, помещают в предварительно прокаленную в потоке кислорода при температуре 950-1000°С фарфоровую лодочку.

Открывают резиновую пробку печи со стороны поступления кислорода, берут лодочку с навеской пинцетом, ставят в трубку и вводят ее при помощи металлического крючка в самую накаленную часть предварительно нагретой электрической печи.

Закрывают пробку, соединяющую печь с газометром, и поворотом 3-ходового крана (12) соединяют другой конец фарфоровой трубки через холодильник с измерительной бюреткой. Открывают кран (4) и пропускают поток кислорода со скоростью 4-5 пузырьков в секунду.

Предварительно приводят газоанализатор в рабочее состояние: заполняют бюретку раствором H2SO4, поглотительный сосуд заполняют 40 %-ным раствором щелочи и закрывают кран, соединяющий бюретку с атмосферой.

Уравнительную склянку ставят на подставку в верхней части газоанализатора и оставляют в таком положении до тех пор, пока кислород и продукты горения не вытеснят жидкость из широкой верхней части газоизмерительной бюретки, чтобы процесс сгорания навески проходил при повышенном давлении. Сгорание продолжается около 3 мин.

Затем уравнительную склянку ставят на нижнюю подставку и оставляют в таком положении до тех пор, пока уровень жидкости в измерительной бюретке не опустится до 0,2 деления шкалы. После этого вынимают из трубки пробку, через которую поступал кислород. Извлекают лодочку металлическим крючком.

Поворотом центрального 3-ходового крана (12) соединяют бюретку с поглотителем и, поднимая или опуская уравнительную склянку, газовую смесь (СО2+О2) переводят из газоизмерительной бюретки в поглотитель, наблюдая за тем, чтобы в верхней части бюретки не оставалось пузырьков газа.

Остаток газа из поглотителя снова перекачивают в бюретку. Эту операцию повторяют два раза. После второго перекачивания поворотом 3-ходового крана разобщают бюретку с поглотителем и устанавливают уровни жидкости в бюретке и уравнительной склянке на одном уровне. Дают выдержку 20-25 с, чтобы жидкость стекла со стенок, уравнивают мениск по шкале измерительной бюретки и отмечают объем поглощенного диоксида углерода, т.е. находят содержание углерода в процентах.

Записывают соответствующие деления шкалы, отмечая при этом температуру газа в бюретке и атмосферное давление по барометру. Поскольку эти величины быстро изменяются, регистрация их должна производиться в течение рабочего дня не менее 4-5 раз. При массовых определениях проверку температуры и атмосферного давления рекомендуют производить каждые 1,5 часа.

Освобождают бюретку от газа, открывая кран (13), соединяющий бюретку с атмосферой. Подготовляют установку для следующего сжигания, заполняя бюретку окрашенной жидкостью из уравнительной склянки, после чего кран (13) закрывают.

Сжигание почвы проводят в 2-3 навесках. Содержание углерода (%) вычисляют по формуле:

C =

где: а - показания шкалы эвдиометра (измерительной бюретки) после поглощения СО2, %; р - поправочный коэффициент на температуру и давление, найденный по таблице 18; г - навеска почвы, г.

Пример вычисления. Определение содержания углерода произведено при температуре газовой смеси в измерительной бюретке 20° и атмосферном давлении 750 мм рт. ст. Навеска почвы - 0,5 г. Отсчет по бюретке - 1,24. Поправочный коэффициент для данных условий равен 0,9680:

С = = 2,50%

Реактивы.

1. 4 %-ный раствор КМnО4 в 40%-ом растворе КОН;

2. H2SO4kонц (с = 1,84);

3. 40 %-ный раствор КОН (400 г/дм3);

4. 2 %-ный раствор H2SO4 (11,5 cm3 H2SO4, с = 1,84 г/дм3).

5. 0,1 %-ный водный раствор индикатора метилового оранжевого.

6. Хромат свинца РbСrO4 чда, гранулированный.

Примечание. Крючок для вынимания лодочек из раскаленной трубки должен быть из безуглеродистой стали или хромникелевой проволоки [57].

2.4 Определение углерода методом Кнопа-Сабанина

Принцип метода. Метод основан на окислении органического вещества почвы хромовой смесью (мокрое сжигание), и учете образовавшегося при окислении СО2 гравиметрически. Если рассматривать только окисление углерода, то реакцию можно выразить уравнением:

3С + 4СrО3 + 6H2SO4 = 3СО2^ +2Cr(SO4)3 + 6Н2О

Применяя для окисления К2Сr2О7 приходится увеличивать кислотность среды, т.к. реакция протекает по уравнению:

3C+2K2Cr2O7+8H2SO4 = 3CO2^+K2SO4+2Cr2(SO4)3+8H2O.

Прямое определение выделяющегося диоксида углерода делает этот метод применимым для засоленных и болотных почв. Лишь присутствие карбонатов в почве вызывает искажение результатов, поэтому выполнение анализа для карбонатных почв имеет ряд особенностей указанных далее в ходе анализа для карбонатных почв. Выделившийся диоксид углерода улавливают в трубках с поглотителем и учитывают при взвешивании. В качестве поглотителей применяют раствор КОН, натронную известь, аскарит. Аскарит (натронный асбест) наиболее удобен, так как он способен поглощать СО2 в количестве до 20 % своей массы, а полное поглощение диоксида углерода происходит даже при токе газа до 500 см3/мин.