ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 5, с. 558-565
УДК 631.417
ХИМИЯ
почв
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ
ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ*
© 2004 г. А. А. Шинкарев, К. Г. Гиниятуллин, М. К. Латыпов, С. Г. Гневашев
Казанский государственный университет, 420008, Казань, ул. Кремлевская, 18 Поступила в редакцию 25.11.2002 г.
На примере разработанного авторами метода фракционного растворения обсуждаются перспективы решения задачи разделения гумусовых веществ как неаддитивной совокупности неопределенно большого множества высокомолекулярных веществ, различающихся по молекулярным массам и химической неоднородности, на гомогенные фракции. Задача фракционирования гумусовых веществ решаема в перспективе. Однако кинетические ограничения приводят к тому, что продолжительность фракционирования становится несовместимой с временными рамками лабораторного эксперимента. Обсуждены гносеологические аспекты задачи.
Логическим завершением редукционистского подхода к исследованию гумусовых веществ (ГВ) является установление их химической структуры, что в конечном итоге сводится к решению задачи анализа компонентного (молекулярного) состава. В наиболее сложном для решения общем виде последняя может быть сформулирована как задача качественного и количественного органического анализа неаддитивной совокупности неопределенно большого множества высокомолекулярных веществ, различающихся по молекулярным массам и химической неоднородности, при условии, что их химическая структура неизвестна вообще [18]. Непреходящая уверенность в том, что эта задача в конце концов будет решена является, по нашему мнению, очень характерной чертой всей истории изучения ГВ. С других позиций трудно объяснить феномен упорных и постоянных экспериментальных поисков в рамках классической схемы компонентного органического анализа, включающей пробоподготовку (перевод вещества в необходимое фазовое состояние, разделение, при необходимости - концентрирование и выделение индивидуальных соединений), и собственно анализ.
Идентификация органических веществ почти во всех случаях возможна только после разделения смеси на индивидуальные соединения, поэтому предметным может быть лишь обсуждение трудностей достижения целей пробоподготовки компонентов. Однако из приведенной выше формулировки прямо вытекает очень важное следствие - при анализе объектов неизвестного состава пробоподготовка и собственно анализ не могут рассматриваться как независимые части аналити-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 02-0449981).
ческого цикла, поскольку в условиях, когда химическая структура определяемых компонентов неизвестна, велика вероятность их модификации в процессе пробоподготовки [5]. Это хорошо известно специалистам, особенно когда речь идет о деструкционных явлениях. Вместе с тем необходимо заметить, что изменения химической природы ГВ теоретически могут охватывать очень широкий круг процессов - от простой деструкции отдельных макромолекул до рекомбинации всей их совокупности через любые валентные и невалентные взаимодействия между собой.
Методы разделения основаны либо на применении межфазного массообмена для достижения равновесного или квазиравновесного состояния в гетерогенной системе, либо на процессах, в которых разделение веществ зависит от скорости их перемещения в силовом поле. Остановимся на первой группе методов и априорно примем, что различие в коэффициентах распределения ГВ между фазами в принципе допускает возможность их разделения. Тогда решить задачу в части пробоподготовки означает экспериментально подтвердить возможность достижения таких параметров фазовых равновесий при проведении операций, которые были бы достаточны для того, чтобы обеспечить сохранение компонентов в неизменном состоянии, исключить явления стохастической самоорганизации их в надмолекулярные структуры и в конечном итоге достичь необходимого разрешения при фракционировании. Цель данной работы заключается в том, чтобы на примере использования для разделения ГВ колоночного варианта метода последовательного (фракционного) растворения, разработанного авторами, критически оценить те экспериментальные ориентиры, продвижение в направлении которых могло бы обеспечить постоянный про-
гресс на пути к строгим решениям задачи пробоподготовки гумусовых компонентов.
Фракционное растворение ГВ методом элюи-рования из колонки с использованием ступенчато изменяющегося градиента концентраций в деталях описано в ряде публикаций [15-17]. Операциональная последовательность включает последовательную обработку почвенного образца в колонке серией элюирующих растворов, состоящих из смеси растворителя (разбавленного раствора ЫОН или КОН) с фиксированной концентрацией осадителя (ЫС1 или КБ). Растворяющая способность элюирующих смесей растет по мере уменьшения в них концентрации осадителя, которая в ходе фракционирования меняется скачкообразно. В печати приведены и некоторые примеры использования метода для решения ряда конкретных вопросов [19, 20]. В предлагаемой статье мы считаем целесообразным более подробно, чем это делалось ранее, изложить те исходные предпосылки, которые позволяют использовать метод в качестве отправной точки для целей пробоподготовки.
Даже для химически однородных полимеров ни один из экспериментальных методов разделения не позволяет полностью исключить перекрывание кривых молекулярно-массового распределения фракций [11]. Разделение же структурированной совокупности высокомолекулярных соединений, различающихся по молекулярным массам, при условии, что структурные субъединицы макромолекул отличаются по химической природе, присутствуют в неодинаковых количествах и в пределах каждой макромолекулы распределяются различными способами, представляют собой предельно сложную задачу. В сравнительно простых случаях анализа сополимеров приближенное представление о молекулярной и композиционной неоднородности дают кривые распределения, полученные с помощью хорошо известных методов, основанных на растворимости. Если для химически однородных полимеров эти методические подходы имеют солидную теоретическую основу, то для химически неоднородных смесей особенности фракционирования описываются главным образом на феноменологическом уровне. Указанные методы все же наиболее основательно разработаны и проверены, гибки и просты в исполнении, могут быть и аналитическими и препаративными, поэтому выбор целесообразно остановить именно на них.
При фракционном растворении одним из наиболее существенных параметров в эксперименте является метод осаждения полимера на насадку [21]. Близкое к предельному разрешение достигается в том случае, если более высокомолекулярный полимер откладывается на носителе первым, низкомолекулярный - последним, то есть нанесе-
ние полимера происходит именно в таком порядке, который необходим для эффективного фракционирования путем элюирования. Для случая фракционного растворения ГВ этот вопрос, разумеется, не разработан. По этой причине растворение придется вести непосредственно из почвенного образца, что позволяет определиться и с выбором растворителя, поскольку в этом случае требования, предъявляемые к растворителю, становятся теми же, которые обычно предъявляют к экстрагенту - максимальный выход ГВ при минимальном изменении компонентов.
С учетом специфики задачи очень важным преимуществом при выборе растворителя (экс-трагента) становится возможность достаточно однозначной качественной интерпретации механизма взаимодействия его молекул с макромолекулами ГВ. Теоретические подходы к вопросам сольватации ГВ диполярными апротонными растворителями пока находятся на стадии разработки, и оставшийся перечень растворителей жестко ограничен разбавленными растворами щелочей. В условиях, когда разбавленным растворам щелочей пока нет реальной альтернативы, остается акцентировать внимание на тех артефактах пробоподготовки, которые реально могут быть устранены или сведены к минимуму. Наиболее вероятным фактором, способным вызывать как разрывы в макромолекулярных цепях, так и сложный комплекс процессов трансформации и рекомбинации структурных субъединиц макромолекул является атмосферный кислород. Окисление можно свести к минимуму, проводя все операции в атмосфере инертного газа и работая с растворителями, из которых вытеснен кислород, что технически вполне осуществимо.
Оптимальный способ осуществления строго контроля над соблюдением экспериментальных условий заключается в автоматизации процесса, что позволяет выбрать метод фракционного растворения. Метод элюирования из колонки [11, 21] не только является наиболее универсальным и широко применяемым методом фракционного растворения, с успехом используемым как для аналитических, так и для препаративных целей, но и допускает автоматизацию процесса фракционирования.
В методах разделения высокомолекулярных органических соединений, основанных на растворимости, осаждение (растворение) приводится в результате постадийного или непрерывного снижения (увеличения) растворяющей способности системы [1, 4, 21]. В этом случае разделение ГВ будет основываться на зависимости растворимости от молекулярной массы и химического состава компонентов. Для химически однородного образца механизм разделения по молекулярным массам вполне понятен, поскольку растворимость
Рис. 1. Кумулятивные кривые растворения гумусовых веществ в эксперименте с образцом из гор. А1 (10-20 см) темно-серой лесной тяжелосуглинистой почвы, подвергнутым обработке 0.05 моль/л N2804 (1) и контрольным образцом (2): ОХ - t, мин, ОУ - £ оптическая плотность в порциях элюата (X = 450 нм,
1 = 1 см) (колонка 0.8 х 12 см; навеска- 0.2 г, элюент -
2 моль/л №С1 в 0.2 моль/л №0Н, скорость подачи элюента - 0.52 мл/мин, температура на колонке -40°С, отбор на коллекторе фракций через 4 мин).
уменьшается при увеличении молекулярной массы. Но растворимость зависит также и от параметров химического состава; в связи с этим должно происходить фракционирование и по составу молекул.
Фракционное растворение ГВ при постепенном увеличении рН элюента экспериментально осуществимо [24],
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.