Фотоліз та деформація гумусових речовин під впливом світла, вологості та температури

Позитивна, а в деяких випадках і негативна дія гумусових речовин, включаючи гумінові препарати, на умови живлення та розвитку рослин встановлена багатьма дослідниками. Природа явища та механізм взаємодії гумінових кислот із рослинами дискусійні, але незалежно від цього принципового значення набуває питання: чому порівняно малі дози гумінових добрив можуть бути ефективні на ґрунтах, що містять значно вищі кількості тих самих речовин.

Загальну відповідь на це питання дає аналогія з поняттям доступності рослинам елементів мінерального живлення та азоту. Стосовно гумінових кислот це поняття значно ширше і включає, очевидно:

• їхню рухливість (розчинність) у ґрунтах;
• взаємодію з мінеральними компонентами;
• розміри та конфігурацію молекул;
• якість самих молекул: вміст функціональних груп, парамагнітних центрів тощо.

Тому, характеризуючи фізіологічну дію гумінових речовин, правильніше говорити не про доступність, а про їхню **активність** або про активні компоненти гумусу.

Одна з причин підвищеної активності гумінових препаратів, порівняно з нативними гуміновими кислотами ґрунтів, полягає, на нашу думку, у змінах, які відбуваються в них під час приготування препаратів. Крім руйнування органо-мінеральних зв'язків, вплив лужних розчинів та інших факторів може викликати:

• гідроліз гумусових кислот, їхнє окиснення;
• змінити характер молекулярно-вагового розподілу частинок;
• призвести до зміни конфігурації та конформації молекул.

Явища такого роду, що не змінюють належності сполук до класу гумусових кислот, але впливають на деталі будови, можна об'єднати терміном «**денатурація**», розуміючи її в ширшому сенсі слова, ніж це має місце в хімії білка. Нами були досліджені деякі з процесів денатурації гумусових кислот, що відбуваються під впливом їхнього висушування, нагрівання та освітлення.

Деформація молекул гумусових кислот під впливом вологості та висушування

Відмінності в конфігурації молекул гуматів і гумінових кислот у вологому (розчиненому) стані та в сухому вигляді чітко видно при вимірюванні відносних густин. Зменшення молярних об'ємів білків при розчиненні у воді добре відоме. Сухі гумінові кислоти практично нерозчинні у воді, тому ми вимірювали їхню густину спочатку у воді («сухий препарат»), а потім у слабких розчинах КОН.

У розведених розчинах КОН питомі об'єми гумінових кислот при збільшенні концентрації лугу зменшуються, а густини — збільшуються (рис. 1). При подальшому збільшенні концентрації лугу, коли практично повністю нейтралізуються всі карбоксильні і всі або більша частина фенольних груп, густина зменшується, досягаючи значень менших, ніж у сухому стані.

Таку зміну густини можна пояснити тим, що сухі препарати гумінових кислот мало гідрофільні, а введення невеликої кількості лугу різко змінює стан речовини. Поява негативних зарядів за рахунок появи карбоксилат-іонів викликає розчинення частини препарату. Молекули води орієнтуються та ущільнюються поблизу іоногенних груп, що тягне за собою уявне зменшення питомого об'єму; вимірюване значення густини збільшується. Зв'язування води підтверджується ступенем гідратації гуматів, яка за віскозиметричними даними становить не менше 1,2—2,5 г води на 1 г гумінової кислоти.

При подальшій нейтралізації карбоксильних груп з'являється велика кількість негативних зарядів; їхнє взаємне відштовхування сприяє розпрямленню ланцюгів молекули і речовина прагне зайняти більший об'єм, ніж у сухому стані. Подібне явище відоме для РНК, молекула якої набуває жорсткої структури «палиці» під дією електростатичного відштовхування сусідніх іонізованих груп. Відповідно до цих уявлень, складення гумінових кислот, ступінь орієнтованості молекул, не можуть бути однаковими в сухому стані та в гелі. У гелях («набухлих» препаратах) молекули гумінових кислот повинні розташовуватися більш упорядковано, ніж у сухих препаратах.

Щоб перевірити останнє припущення, нами були отримані дифрактограми гелів деяких гумінових кислот, а потім — дифрактограми тих самих зразків після висушування їх на повітрі. Сухі препарати гумінових кислот не мають чітких рефлексів; дифракційна картина розмита, інтенсивність відбиттів невелика: її максимум припадає на область 3,5—3,7 Å (рис. 2).

Інтенсивності відбиттів у гелів різко підвищуються, а дифрактограми за характером розподілу інтенсивностей відбиття дещо відрізняються від сухих препаратів (рис. 2). Підвищення інтенсивностей відбиттів, безсумнівно, зумовлене більшою впорядкованістю розташування молекул. Упорядкуванню в сухому стані перешкоджають як полідисперсність, так і деформованість молекул. Максимум інтенсивності зміщується з 3,5—3,7 Å до 3,3—3,1 Å, що дозволяє думати про вищу деформованість елементів структури з більшими періодами повторюваності.

На деформованість молекул гумінових кислот вказують і інші дані. Зазвичай електронно-мікроскопічні знімки свідчать про округлу форму частинок гумінових кислот. Однак віскозиметричні визначення вказують на еліпсоїдальну конформацію частинок із співвідношенням осей 1:6. Ймовірно, і при переході від розчинів гуматів, що використовуються у віскозиметрії, до сухих осадів (електронна мікроскопія) деформація молекул призводить до зміни форми частинок (або асоціатів) від витягнутої до округлої.

Додатковим підтвердженням деформації гумінових і фульвокислот при висушуванні можуть слугувати знімки поверхні сухих препаратів, отримані за допомогою скануючого мікроскопа (рис. 3, 4). На знімках добре видно шарувате складення частинок. Глибокі тріщини та розломи вказують на значну деформацію молекул органічної речовини при висушуванні.

Отримані результати дозволяють припускати, що максимальною активністю в ґрунтах володіють ті новоутворені гумінові кислоти, молекули яких найбільш випрямлені. Вони більш рухливі, енергійно реагують з мінеральними та органічними компонентами та беруть участь у структуроутворенні. Старіння гумінових кислот, що відбувається внаслідок висушування, супроводжується:

• деформацією молекул;
• втратою розчинності;
• внутрішньомолекулярним блокуванням частини функціональних груп.

Усе це призводить до зниження їхнього впливу на рослини.

Фотоліз та зміна молекулярно-вагового складу під дією світла

Іншу дію на розчини гумусових кислот має світло. У наших дослідах використовувалося випромінювання ртутно-кварцових ламп БУВ—15 (монохроматичне випромінювання з довжиною хвилі 2537 Å) та ПРК—7 (дискретний спектр випромінювання в області 312—611 нм). Дії світла піддавали розчини гумусових кислот, поміщені в герметично закриті циліндричні кварцові кювети. Розчинниками слугували 0,1 н. та 0,01 н. розчини їдкого натру та дистильована вода. Контроль за дією світла вели за електронними спектрами поглинання.

У всіх варіантах дослідів виявлено значне падіння оптичної густини вже через 10—15 хв безперервного опромінення, а через 15—25 годин у ряді випадків розчини знебарвлювалися практично повністю (рис. 4). Характер спектрів при цьому майже не змінювався (рис. 5), було відзначено лише зміну нахилу кривих поглинання.

У ході дослідів проводили контроль температури:

• При опроміненні розчинів ультрафіолетовим світлом лампи БУВ-15 зміни температури відзначено не було.
• У дослідах із лампою ПРК—7, що має сильне теплове випромінювання, температура розчинів піднімалася до 40—50°С.

Таке нагрівання лише незначно впливало на інтенсивність забарвлення, що підтверджують досліди, у яких розчини гуматів натрію нагрівали 4 години в ультратермостаті при температурі від 25° до 95°С (Табл. 1). Підвищені температури знижували оптичні густини розчинів, але не настільки, щоб із цим ефектом можна було пов'язати втрату інтенсивності забарвлення при опроміненні.

Зразок 1 — препарат гумінової кислоти Мерка; зразок 2 — дерново-сильно підзолистий ґрунт Московської області, гор. Ар; зразок 3 — вилугований (гірський) чорнозем, гор.

Використання ультрафіолетового випромінювання не виключає можливості окиснення гумусових молекул під впливом озону, що утворюється. Щоб усунути це заперечення, ми провели серію дослідів з опроміненням водного розчину фульвокислоти та гумату натрію лампою ПРК—7, що дає випромінювання у видимій та ближній ультрафіолетовій областях. З малюнка 6 випливає, що при рівних дозах поглиненої енергії оптична густина гумусових речовин змінюється однаково під дією випромінювання з будь-якою вивченою довжиною хвилі.

Досліди підтверджують, що дія озону, як і нагрівання, може бути лише супутньою, особливо якщо врахувати, що озон утворюється тільки під дією випромінювання з довжиною хвилі менше 280 нм. Випромінювання в області 300—330 нм сприяє руйнуванню озону, його перетворенню на молекулярний кисень.

Головна причина зміни оптичних характеристик гумусових речовин при опроміненні — **реакції фотолізу, фотохімічної деструкції**. Знебарвлення розчинів гумусових речовин при опроміненні супроводжується, як показують наші досліди, зміною молекулярно-вагового розподілу частинок (рис. 7).

Криві гельфільтрації гуматів натрію на сефадексах мають два максимуми: А (високомолекулярна фракція) та Б (низькомолекулярна). Після опромінення збільшується вихід фракції Б порівняно з А. Порівняння кривих елюації на гелі також вказує на зменшення молекулярної ваги гумінової кислоти після опромінення:

• Максимуми на кривих елюації зміщуються в бік менших молекулярних ваг.
• Середньозважена молекулярна вага низькомолекулярної фракції зменшується після опромінення з 13800 до 2975.
• На кривій елюювання через сефадекс з'являється нова фракція С, молекулярна вага якої 15600.

Під дією світла змінюється і склад гумусових речовин, на що вказують ІЧ — спектри (рис. 8):

• Спостерігаються тенденції до відносного посилення інтенсивності смуги 1620—1630 см⁻¹ порівняно зі смугою —СООН (1715 см⁻¹).
• Дещо зростає також поглинання в області 1000—1100 см⁻¹ та 3400 см⁻¹, що можна віднести за рахунок деформаційних коливань спиртових та фенольних гідроксилів.

Мабуть, дія світла призводить до суттєвих змін гумусових речовин:

• зменшується розмір їхніх молекул;
• збільшується окиснюваність за рахунок збільшення числа карбонільних груп (можливо хінонів), гідроксильних груп спиртів та фенолів;
• зменшується довжина ланцюгів спряження — С=С — зв'язків.

Поряд із переліченими процесами, інтенсивне освітлення гумусових кислот викликає різке збільшення в них **парамагнітних центрів** (вільних радикалів). У наших дослідах концентрація ПМЦ після опромінення лужних розчинів гуматів збільшувалася від 0,53 до 1,5, при супутньому зниженні оптичних густин.

Слід підкреслити, що фотохімічна деструкція гумусових кислот здійснюється не тільки під впливом порівняно потужних джерел випромінювання. Якщо опромінення лампами знижує оптичну густину гуматів на 50—70% за 15—20 год., то при денному освітленні той самий ефект досягається за 4—8 місяців. Експериментальні дані узгоджено вказують на фотохімічну деструкцію гумусових кислот, що протікає за типом окиснювальних процесів за участю вільних радикалів.

Той самий процес неминуче має відбуватися при вилученні гумусових речовин лужними розчинами з ґрунтів і подальшому приготуванні гумусових препаратів.

Таким чином, можна вважати, що під час приготування гумінових препаратів відбувається **активація гумусових речовин**, яка включає:

• зміну конформації їхніх молекул;
• вивільнення функціональних груп;
• частковий розпад найбільш високомолекулярних фракцій на складові фрагменти з меншою МВ;
• часткове окиснення з накопиченням карбонільних (можливо хінонних) груп;
• збільшення концентрації парамагнітних центрів.

Активовані таким чином молекули більш енергійно впливають на розвиток рослин та умови їхнього живлення. Ті самі фактори: освітленість, температура, періодичність і ступінь висушування неминуче повинні призвести і до відмінностей багатьох властивостей гумусових кислот зональних типів ґрунтів.