О системе методов в изучении гуминовых веществ C. Н. Чуков Санкт - Петербургский государственный университет

Гуминовые вещества - уникальный природный аккумулятор энергии, созданной зелеными растениями при усвоении Солнечной радиации в процессе фотосинтеза, Они обладают огромным биологическим потенциалом, что делает их своего рода АТФ биосферы. Гумусовые вещества почвы покрывают поверхность контакта твердой фазы почвы с внешней средой и фактически являются своеобразным биохимическим медиатором, через который в почвенном профиле происходит контакт живого и косного материала, био и литосферы. Проблема оценки состава и свойств гуминовых веществ важна не только для почвоведения, но и для целого ряда смежных дисциплин : биологии, геологии, климатологии, охраны окружающей среды и т. п.

Несовершенство наиболее часто используемых методов оценки молекулярной структуры препаратов гуминовых веществ ( оптическая плотность, элементный состав ); несовершенство методов оценки важнейших функциональных параметров гуминовых веществ ( физиологическая и биопротекторная активность и др.); редкое использование современных прямых неразрушающих методов ( ЭПР, ЯМР и др.); необходимость расширение системы показателей гумусного состояния почв ( включение структурно - функциональных параметров гуминовых веществ ).

Причины : - гетерогенность и гетерополидисперсность гуминовых веществ ; - высокая вариабельность ( стохастический характер ) структурных параметров и свойств ; - диалектическая противоположность ряда свойств и функций.

Что совершенно не мешает нашим коллегам химикам проводить интереснейшие исследования в области химии гуминовых веществ и особенно в области получения гуминовых препаратов с « заданными свойствами », о чем еще будет речь на нашей конференции …

На основе неразрушающих методов, позволя - ющих изучать либо полностью нативные формы веществ в точках их локализации in situ, либо исследовать минимально нарушенные препа - ративно выделенные формы.

- переход с " фракционно - группового " на " молекуляр - но - фрагментарный " или нанофазовый уровень ; - исследование нанофазового уровня структурной организации гумусовых веществ почв in situ; - оценка параметров ароматической части, как основы молекулярного « скелета », и свободных радикалов, как основы биохимической активности гуминовых веществ ; - разработка и совершенствование методов оценки важнейших экологических функций гуминовых веществ.

Расширилось использование современных спектроскопических методов - ЯМР и ЭПР стали использовать в несколько раз чаще. Совершенствуются методы фракционирования ГВ ( амфифильность, методы дробной коагуляции и др.) Развиваются и совершенствуются современные физико - химические методы ( высокоэффективная жидкостная хроматографи, метод флуоресценции, конфокальная микроскопия, я и др.)

Цифровой образ почвы Цифровой образ органического вещества почвы Цифровой образ гумусовых веществ

Определение элементного состава ; Оценка структуры на основе 13 С ЯМР ; Оценка молекулярных масс методом ВЭЖХ ; Оценка биохимической активности ( СР, ФГ ); Оценка физиологической активности ( стандартный тест пока отсутствует ); ???

Для адекватного отражения роли гуминовых веществ в глобальном цикле углерод ; для корректного представления в современных имитационных моделях Должны рассматриваться все стадии эволюции соединений органического углерода : – от растительных остатков - через процесс гумификации - до максимально устойчивых гуминовых веществ с антраценовыми структурами полисопряжен - ного типа ( процесс « дальнейшей гумификации »).

Исследованиями на основе метода 13 С ЯМР и радиоизотопных методов показано присутствие в гуминовых кислотах т. наз. антраценовых и более крупных полисопряженных структур ( Чуков, 1995, Schulten H.R., Schnizer M. 1997; и др.). В процессах окислительной полимеризации и формирования полисопряженных структур важнейшую роль играют свободные радикалы.

Орлов Д.С., Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. – М.: Изд-во МГУ, 1990

Орлов Д. С., Чуков С. Н. Гуминовые кислоты : функции и особенности строения. // Сб. тезисов IV съезда Докучаевского общества почвоведов, Новосибирск, 2004, т. 1. С. 323.

Производство ГП в России 2006 г. Около 8 тыс т. Прогноз на г. - до тыс. т. ГП применяют на 6 млн. га ( около 8% существующих с / х. угодий ). По некоторым данным применение ГП в сельском хозяйстве может повысить его продуктивность до 30% и не только в растениеводстве.

Предпосевная обработка семян - стимуляция прорастания и защита от болезней. Стимуляция роста и развития растений, биопротекторная функция. Гуматизированные минеральные удобрения ( в т. ч. микроэлементные ) в оптимальных для растений формах. Биологически активная пищевая добавка в рационах скота и птицы. Использование в технологических циклах промышленности и горнодобывающих отраслей.

Медицина : антифунгальные препараты, ( превосходящие традиционные ), противоопухолевые, пелоидотерапия, антиоксидантные препараты. Экопротекторное использование ГП : иммобилизация и инактивация экотоксикантов, ремедиация загрязненных почв и вод, интенсификация переработки промышленных отходов, утилизация нефтяных загрязнений ), ремедиация почв.

1. Несмотря на расширение области применения ГП механизм их действия до сих пор не ясен. 2. До сих пор отсутствует стандартная методика тестирования физиологической активности, которая должна включать тестирование как минимум на 2-3- х биологических объектах. 3. Появляется все больше данных об стрессогенной и токсической активности гуминовых препаратов даже в сверхнизких дозах.

Изменение показателей метаболизма Chlorella vulgaris под действием препаратов ГВ из верхних слоев д.-подзолистой почвы и типичного чернозема Изменение валового фотосинтеза под действием препаратов ГВ Изменение величины прироста биомассы под действием препаратов ГВ Изменение дыхания под действием препаратов ГВ

Суммарное для всех концентраций значение показателя – чистая первичная продукция (прирост биомассы) для каждого горизонта (чернозем типичный) Чистая первичная продукция (РР) – величина видимого фотосинтеза. Эта величина - разность между валовой первичной продукцией и тратами на дыхание, идет на прирост биомассы и образует урожай фотосинтезирующих организмов.

Концентрация препарата ГК Показатели метаболизма Chlorella vulgaris Концентрация свободных радикалов Валовой фотосинтез 0.95 Прирост биомассы 0.90 Дыхание Валовой фотосинтез 0.84 Прирост биомассы 0.73 Дыхание Валовой фотосинтез 0.75 Прирост биомассы 0.64 Дыхание Валовой фотосинтез 0.83 Прирост биомассы 0.75 Дыхание Валовой фотосинтез 0.57 Прирост биомассы 0.47 Дыхание 0.01 Коэффициенты корреляции между показателями Chlorella vulgaris метаболизма и концентрацией свободных радикалов

Спасибо за внимание.