ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 10, с. 1222-1231
= ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.417.2
ПРЕПАРАТИВНЫЙ ВЫХОД И СВОЙСТВА ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ ЭКСТРАКЦИЯХ*
© 2015 г. В. А. Холодов1, 2, Н. В. Ярославцева1, А. И. Константинов3, И. В. Перминова3
Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2
e-mail: vkholod@mail.ru 2Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы 3Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
Поступила в редакцию 17.11.2014 г.
Исследованы препаративный выход, состав и структура гуминовых кислот, получаемых последовательными щелочными экстракциями из двух почв: дерново-подзолистой под лесом и типичного чернозема в варианте многолетнего опыта "бессменный чистый пар с 1964 г". Препаративный выход гуминовых кислот из первой экстракции составил 0.40 и 0.94% для дерново-подзолистой почвы и чернозема соответственно. Препаративный выход второй экстракции по сравнению с первой был меньше в несколько раз, а третьей — на порядок. На основании анализа полученных препаратов методами элементного анализа, гель-проникающей хроматографии и спектроскопии ядерно-магнитного резонанса на ядрах 13С показана незначительность изменений элементного, молеку-лярно-массового и структурно-группового состава гуминовых кислот от экстракции к экстракции. Высказано предположение, что это связано с особенностями почв: в случае дерново-подзолистой — с климатическими факторами, характерными для формирования этого подтипа, а в случае типичного чернозема — с видом использования почвы в многолетнем эксперименте. Сделан вывод о достаточности однократной экстракции при выделении гуминовых кислот для получения представительного образца.
Ключевые слова: гуминовые препараты, выделение гуминовых веществ, органическое вещество почв, многолетние полевые опыты, дерново-подзолистые почвы, черноземы, Chernozems, Retisols.
DOI: 10.7868/S0032180X15100056
ВВЕДЕНИЕ
Для получения препаратов гуминовых кислот в настоящее время используют два основных метода: принятый в российской школе почвоведения [8] и рекомендованный Международным гу-миновым обществом — International Humic Substances Society (IHSS) [24]. В основе обоих методов лежит общий принцип: щелочная экстракция гуминовых веществ из почв, разделение гуминовых кислот (ГК) и фульвокислот (ФК), очистка и сушка. Однако в методиках выделения имеется ряд различий:
— однократная щелочная экстракция гуминовых веществ при выделении препаратов рекомендована IHSS [24], российская методика предполагает многократную экстракцию [8];
— проведение щелочной экстракции в атмосфере азота предусмотрено методикой IHSS [24], в российском варианте ее проводят на воздухе [7];
* Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект РНФ № 14-26-00079.
— коагуляция минеральных взвесей: в методе, рекомендованном IHSS, эта операция осуществляется с ГК, уже отделенными от ФК, и коагулянтом служит KCl [24], согласно принятому в России методу, операцию проводят хлоридом натрия в щелочном экстракте гуминовых веществ, еще не разделенных на ГК и ФК [8];
— в методе IHSS на завершающем этапе проводят обработку осадка ГК смесью 0.1 M HCl/0.3 M HF для окончательного удаления тонких минеральных взвесей [24], в российском методе эта операция не предусмотрена.
Наиболее значимым отличием, которое потенциально может оказывать влияние на качество получаемых препаратов, и, безусловно, определять трудоемкость метода, является количество щелочных экстракций, используемых для выделения препарата. Как уже упоминалось, в методе IHSS рекомендована однократная щелочная экстракция, из которой и получают препарат ГК [24]. Согласно принятому в России методу, гуминовые вещества экстрагируют щелочью из почвы не менее трех раз, экстракты объединяют для получения интегральной пробы, из которой затем выде-
ляют препарат ГК. Многократность экстракций мотивируют тем, что: "...гумусовые вещества в первых порциях экстракта могут несколько отличаться по своим свойствам и составу от веществ, экстрагируемых позднее." [8, с. 122].
Количество щелочных экстракций — ключевой момент в различии методик. Во-первых, если при выделении препарата из 500 г почвы однократная экстракция составляет 5 л, то при трехкратном экстрагировании гуминовых веществ рабочий объем составит 15 л, что существенно увеличивает трудозатраты. Во-вторых, однократная экстракция занимает не более суток, а при трехкратной экстракции почва находится в щелочном растворе около 3 суток, что может вызвать изменения в строении гуминовых веществ вызванных щелочной или микробной деструкцией. В-третьих, трехкратное увеличение объема неизбежно приведет к уменьшению процентного выхода препарата из-за резко возросшей трудоемкости. Однако предположительно при использовании российского метода должны получаться препараты ГК более представительные и в большем количестве.
Таким образом, одним из необходимых условий для сопоставления препаратов ГК, выделенных по принятому в России и рекомендованному 1И88 протоколами, является сопоставление строения и свойств препаратов, извлекаемых однократной и многократной щелочными экстракциями из почв.
Ранее на основе изучения элементного состава, молекулярно-массового распределения и распределения углерода по функциональным группам для ГК трех последовательных щелочных экстракций из типичного чернозема ежегодно косимой степи (залежь более ста лет) и нативной серой лесной почвы [3] выявили ряд закономерностей [11, 13]. Показано, что препарат, извлекаемый первой экстракцией, существенно отличается от двух последующих, которые, в свою очередь, весьма близки друг к другу. В ГК типичного чернозема первой экстракции было больше углерода и меньше водорода и азота по сравнению с ГК последующих вытяжек, количество кислорода при этом практически не менялось. Соответственно, в последующих экстракциях в сравнении с первой увеличивалось атомное отношение И/С и снижалось С/Ы. Средневесовое значение молекулярной массы было меньше в ГК первой экстракции и демонстрировало близкие значения для двух последующих извлечений. В углеродном скелете ГК первой экстракции, согласно данным 13С-ЯМР-спектроскопии, было меньше алифатических и больше ароматических и карбоксильных фрагментов [11]. Аналогичные закономерности по распределению углерода по функциональным группам отмечены и для ГК, полученных из по-
следующих щелочных экстракций из серой лесной почвы [13]. Следует отметить, что подобный подход (использование гуминовых веществ из последовательных раздельных экстракций) был использован ранее в серии работ проведенных в СПбГУ [14—16], в ходе которых для выбранных объектов показано, что только первая и вторая экстракция несут значимую информацию о строении гуминовых веществ.
Показано, что ГК типичного чернозема ежегодно косимой степи и серой лесной нативной почвы, получаемые в первой экстракции отличаются от выделяемых из последующих вытяжек. Однако различия их не настолько большие, чтобы выходить за рамки значений, характерных для ГК данных почв.
Однако все отмеченные различия препаратов последовательных щелочных экстракций нивелируются в интегральном препарате. Это связано с тем, что препаративный выход ГК из первой экстракции в несколько раз превышает выход всех ГК из последующих. Так, массовый выход препарата ГК из типичного чернозема с каждой последующей экстракцией уменьшался в 3—4 раза [11], а в случае серой лесной почвы из первой экстракции было получено почти в 10 раз больше препарата, чем из второй [13]. Таким образом, для нативных (многолетне залежных) почв (типичного чернозема и серой лесной) показано, что интегральный препарат, полученный смешением всех щелочных вытяжек, наследует свойства именно первой экстракции ГК в силу их гораздо большего выхода.
Как видно из изложенного, выделение препаратов ГК черноземов и серых лесных почв многократными экстракциями с объединением вытяжек не дает заметного прироста в выходе препарата и существенно не изменяет его состав в сравнении с препаратом, полученным из одной вытяжки. При этом в несколько раз увеличивается рабочий объем для выделения, как следствие этого, возрастают трудоемкость, из-за этого увеличивается вероятность возможных потерь, что вызывает уменьшение относительного выхода препарата и эффективность всего процесса выделения в целом. В связи с этим при препаративном выделении ГК из этих почв лучше ограничиваться одной экстракцией.
Для более широкого использования высказанной рекомендации и придания ей более универсального характера проведены исследования строения и структуры ГК, получаемых последовательными щелочными вытяжками из дерново-подзолистой почвы под лесом и типичного чернозема, используемого в опытном варианте бессменный чистый пар с 1964 г. Первая почва выбрана как представитель зонального ряда дерново-подзолистые почвы — серые лесные — черноземы для за-
вершения серии работ по данной проблеме. Органическое вещество второй почвы — типичного чернозема в варианте использования бессменный чистый пар — характеризуется максимально возможной для этого типа почв степенью гумусирова-ности на фоне минимального содержания органического вещества, вследствие особенностей опыта (с 1964 г. в почву не поступают растительные остатки [5]). Использование этой почвы поможет оценить выход ГК при последовательных щелочных экстракциях при крайней степени выпаханности. Также на выбор почв оказало влияние близкое в них содержание органического вещества.
Цель работы — изучение препаративного выхода, строения и структуры ГК последовательных щелочных экстракций из дерново-подзолистой почвы под лесом и типичного чернозема в опытном варианте использования "бессменный чистый пар с 1964 г.".
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
В работе использовали дерново-подзолистую почву, отобранную на территории Московской обл. под лесным участком (ельник) на территории УОПЭЦ "Чашниково" МГУ им. М.В. Ломоносова.
Образцы типичного чернозема отбирали на длительном опыте Почвенного института им. В.В. Докучаева на территории Курского НИИ агропромышле
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.