Механізм утворення і дії гуматів

Будова гумінових кислот. Схема утворення гумата. Біологічна активність гуматів як сукупний фактор впливу на екосистему «вода - рослина - грунт». Зв'язок між будовою гумінових кислот і різними факторами впливу на екосистему.

У попередньому розділі ми привели приблизні значення діапазонів молекулярних мас гумінових речовин по R.T.Pettit. Насправді гумінові кислоти - це речовини дуже складної будови, що складаються з окремих фрагментів, пов'язаних між собою. Гіпотетична структурна формула такого фрагмента наведена на рис. 2.

Рис. 2. Можлива структурна формула фрагмента гуминовой кислоти

Найбільш повне уявлення про структуру цих сполук дає публікація Д.А. Князєва з співавторами. На основі моделі Шульте-Шнітцер автори встановили, що мономер (фрагмент) гуминовой кислоти має загальну формулу С305H299N16O134S з молекулярної масою 6364. Формула включає 26 карбоксильних груп (СООН), 34 фенольних і гідроксильних групи (ОН), 6 аминогрупп (NH2) а також 7 гетероциклічних атомів азоту. Молекула може містити від 2 до 15 таких фрагментів, що утворюють за допомогою вуглеводневих або хімічних зв'язків ланцюжка, які в природному стані згорнуті в клубок. Ці клубки утворюють великі агрегати, що формують органічну частину ґрунту. Розміри таких агрегатів досягають 150 Ангстрем, що не дозволяє їм проникати через клітинну мембрану. Тому в природних умовах тільки незначна частина гумусових речовин - обривки фрагментів молекул, що утворюються в результаті хімічних реакцій в грунтовому розчині або під дією мікроорганізмів, можуть потрапляти всередину клітини і виконувати функцію стимулятора росту і розвитку рослин.

Крім того, в природних каустобиолитов ГК знаходяться у зв'язаному стані. Вони входять в органомінеральні комплекси, утворюючи нерозчинні сполуки з Ca, Mg, Fe, Al і іншими мінеральними складовими. Їх молекули практично нерозчинні і нерухомі, а функціональні групи блоковані, що не дозволяє ДК повною мірою проявляти біологічну активність в грунті, торф'яних добривах і меліорантів.

Внаслідок поганої розчинності в воді біологічна активність природних гумінових кислот дуже мала, і саме тому для забезпечення родючості грунту вміст гумусу в ній повинно бути достатньо великим, як, наприклад, в знаменитих чорноземах на півдні Росії. Обробка природних гумінових комплексів лужними агентами переводить їх у водорозчинні солі - гумати натрію або калію по схемі:

З цієї схеми зрозуміло, що після такої обробки в результаті штучної заміни металу (кальцію, магнію, заліза, алюмінію і т.п.) на натрій (калій) змінюється хімічна природа гуминовой кислоти, а її конформація. Функціональні групи в результаті подальшої дисоціації набувають однойменний електричний заряд, і частини молекули, відштовхуючись один від одного, розгортають клубок в довгий ланцюжок. В результаті клубок розгортається, і утворилася ланцюжок вже в стані пройти через клітинну мембрану і потрапити всередину клітини. Це призводить до підвищення рівня біологічної активності молекул гуминовой кислоти в тисячі разів.

Кожна функціональна група, показана на фрагменті (рис.2), виконує свою власну роль, а таких груп дуже багато, тому вплив гуматів на всі стадії росту і розвитку рослин багатогранно.

Наприклад, карбоксильні (СООН) і фенольні (ОН) групи здатні утворювати хелатні комплекси з мікроелементами і в такому вигляді транспортувати їх в рослини, вони ж забезпечують високу обмінну ємність гумінових кислот. Інші групи, звані хинонами (СО = С6Н4 = ОС), містять не локалізовані електрони, здатні вловлювати, накопичувати, а потім віддавати рослинній клітині сонячну енергію, збільшуючи таким чином її енергетику.

Ці два приватних приклади ілюструють тільки окремі аспекти біологічної активності гуматів. Важливу роль відіграє не тільки наявність функціональних груп, але їх взаємне розташування.

Аналізуючи результати досліджень різних вчених, ми змогли скласти схему 16 факторів впливу гуматів на екосистему «вода - рослина - грунт» (див. Рис. 3 і табл. 3). Кожен з цих факторів незалежно від інших призводить до певного позитивного результату, що виявляється, в кінцевому рахунку, в збільшенні врожайності, підвищення поживної цінності та екологічної чистоти плодів, прискорення зростання, розвитку і дозрівання плодів, підвищення стійкості до хвороб, бур'янів, шкідників, посухи, заморозків і інших несприятливих умов.

Розгляд цієї схеми почнемо з найбільш простий системи «гумат - вода». Розчин гумата в воді служить живильним середовищем для рослин, але взаємодія гумата з водою далеко не обмежується цим очевидним фактом. Встановлено (див. Нижче), що гумати при розчиненні в воді надають розчину властивості «талої води» , яка має, як відомо, підвищеною проникною здатністю і цілющою дією на живі організми. Наприклад, американські фермери стверджують, що введення в раціон свиней талої води прискорює їх зростання і приносить «по одному біфштексу в день від кожної свині». Відзначимо, що вода в тканинах нашого тіла також має структуру «талої води». Тала вода може сприяти транспортуванню гідратованих молекул гумата в клітини рослини. У літературних джерелах зазначається ряд важливих позитивних функцій талої води, серед яких виділяють функції стимуляції імунної системи і, як наслідок, мобілізації захисних властивостей організму.

Для того, щоб зрозуміти про яку нову структуру води йде мова, в Іркутському державному університеті була встановлена ​​залежність від концентрації ГК релаксаційних характеристик води за спектрами ЯМР О17 в системі ГК-NaOH - D2O. В області відносно високих концентрацій - 0.025% і вище - значення цього параметра близькі до значення для вихідної води, але зі зменшенням концентрації гумату цей параметр різко зростає, проходячи через максимум в точці, що відповідає концентрації гумату 0.0004% (рис.4). В інтервалі концентрацій 0.0002-0.005% відзначено розширення сигналу ЯМР з 52.7 до 103 Гц, тобто, саме в цьому інтервалі зростання значень цього параметра істотно перевищує вихідне значення. Ймовірно, в цьому діапазоні концентрацій спостерігається максимальний вплив молекул води на зміну надмолекулярної структури гумінових кислот, або, іншими словами, на зміну молекулярної рухливості окремих компонентів і ступеня полідисперсності молекул гумінових кислот. Оскільки залежність сигналів ЯМР від температури води в інтервалі від 0 до точки кипіння має аналогічний пік в області 4 0С, що відповідає максимальному структурування молекул, можна припустити, що в розчині гумату в зазначеному діапазоні концентрацій відбувається структурування водної матриці, що приводить до ефекту отримання «талої води ». На наш погляд, це дуже важливий результат, що вкладався в логічний ланцюг обґрунтування оптимальної концентрації розчину гумату в клітинах і міжклітинної плазмі рослин.

Виявилося, що найлегше визначити роль структурування води в присутності гуматов на найпершій стадії розвитку рослин - при замочуванні і пророщування насіння. Тест-об'єктом служили життєздатні насіння гороху Pisum sativum L з низьким Вігор (контрольна схожість 16.7%). Набухання насіння проводили в чашках Петрі в термостаті при 24 0 С в темряві. Швидкість набухання визначали ваговим методом через 3, 4, 6 і 24 години. Набряклі насіння пророщували в рулонах фільтрувального паперу в тих же умовах. За кількістю нормально пророслого насіння протягом 5 діб розраховували схожість в% до загальної кількості насіння і енергію проростання (по числу насіння пророслих на другий день). Після закінчення 5 діб вимірювали довжини головних зародкових корінців. Всі досліди проводили в 3-кратною повторності (20 насіння в кожній). Нами доведено, що структурування води призводить до більш повільного процесу набухання насіння, так як полімери структурованої (талої) води за рахунок стеричних (просторових) ефектів більш повільно проникають всередину насіння, забезпечуючи щадний режим набрякання і запобігаючи розрив клітинних мембран. (Рис.7, крива 1) В результаті насіння в зазначеному діапазоні концентрацій проростають швидше (крива 2). При цьому обидві криві мають чітко виражений екстремум при концентрації 0.001%.

Таблиця 3 Фактори і результат впливу гуматів на екосистему «вода - рослина - грунт»

Мал. 5. Вплив концентрації гумату натрію на набухання і проростання насіння гороху. 1 - Набухання в% до вихідної масі за 6 годин, 2 Довжина зародкових корінців через 5 діб, см

Це добре ілюструється рис. 7, де показана залежність індексу зростання від концентрації гумату в розчині. На представленій діаграмі ми бачимо, що ця залежність проходить через максимум при концентрації 0.001%, що відповідає мінімуму набухання і максимуму проростання, але при подальшому зростанні концентрації знову зростає. Отже, на стадії зростання переважну роль грає вже не концентрація, а доза гумата.

Мал. 6. Зміна індексу зростання проростків гороху в залежності від концентрації гумату натрію

Встановлено також, що гумати пов'язують присутні у воді шкідливі домішки (Ca, Fe, Al і т.п.) і таким чином можуть використовуватися для очищення води від забруднень і блокування їх надходження в рослину як з грунту, так і з атмосфери (кислотні дощі, атмосферні викиди тощо.).

У системі «гумат - рослина» відзначено два незалежних явища, що мають дуже велике значення.

Перше явище - це зростання енергетики клітини і пов'язана з ним інтенсифікація обмінних процесів. Хінонову групи в складі молекули гуминовой кислоти мають чотири пов'язаних пі-зв'язку, електрони яких здатні до захоплення кванта сонячної енергії з переходом на більш високий енергетичний рівень. Накопичена таким чином сонячна енергія може бути передана рослинній клітині в потрібний момент, що призводить до інтенсифікації обмінних процесів. При зіставленні парамагнітних властивостей і фізіологічної активності гумінових кислот встановлено, що світлова енергія бере активну, а можливо, і вирішальне значення у формуванні енергетичного потенціалу, складу і фізико-хімічних властивостей гумусу. Електромагнітне випромінювання індукує парамагнетизм і стимулюючий ефект гумінових кислот. Так, спеціальні досліди на бавовнику, овочевих і зернових культурах показали, що гумінові кислоти з високим парамагнетизмом при концентраціях розчину 0.001 - 0.01% найбільш сильно стимулюють ріст і розвиток рослин.

Наші експерименти по впливу деяких видів полів на гумати привели до аналогічних результатів. Передача рослинній клітині енергії, накопиченої гуминовой кислотою, прискорює пробудження і проростання насіння, розвиток кореневої системи, стимулює зростання, активізує білковий і вуглеводний обмін речовин, покращує біохімічний склад рослин шляхом утворення спеціальних ферментів. Ці ферменти підвищують стійкість рослин до несприятливих факторів зовнішнього середовища і стресових ситуацій, таким як посуха, заморозки, хвороби та інші, і сприяють розвитку таких напрямків процесу засвоєння азоту, які знижують утворення нітратів. Одночасно прискорюється синтез хролофілла, цукрів, вітамінів, необхідних амінокислот, масел, підвищується вміст клейковини в пшениці і т.д. Відбувається інтенсифікація репараційних процесів в пошкоджених рослинах (прискорення відновлення клітин, пошкоджених пестицидами, шкідливими речовинами і патогенними організмами). Інтенсифікується дихання через вегетативну і кореневу системи.

Однак до сих пір немає повної ясності в тому, яким шляхом передається клітці ця накопичена енергія, так як немає достатніх доказів надходження цілих макромолекул ГК всередину клітини. Проте, за допомогою «міченого» вуглецю доведено, що найбільша концентрація ГК накопичується в клітинних мембранах і клітинних органелах типу мітохондрій і рибосом (R. Pettit, 1999). Інші подібні експерименти із застосуванням маркованих «міченим» вуглецем гумінових кислот показали, що низькомолекулярні фракції ГК активніші, ніж високомолекулярні.

Цікава гіпотеза була висловлена ​​відносно недавно. Автори запропонували пояснення механізму дії гумінових речовин на живу клітину, що не вимагає припущень про перенесення молекул ГК в її внутрішнє середовище. За їхньою гіпотезою, макромолекули ГК сорбируются на зовнішній стороні мембрани цитоплазми або клітинної стінки, утворюючи ажурну сітку, вільно пропускає в клітку елементи мінерального живлення і низькомолекулярні органічні сполуки типу цукрів або амінокислот і одночасно зв'язує токсичні іони і вільні радикали зовнішнього середовища. В цьому випадку енергетичний виграш від використання ГК виражений у зниженні енергетичних витрат клітини на усунення негативних ефектів від токсинів, а підвищення екологічної чистоти споживаних продуктів рослинництва виражається в блокуванні надходження токсинів в рослину і в перекладі їх в пов'язане неактивний стан. Вивільнена енергія може бути спрямована на збільшення інтенсивності клітинного ділення, що викликає прискорене зростання рослин. Зростання енергетики клітини призводить також до поліпшення засвоєння елементів живлення, що, зокрема, спричиняє зниження нітратів в плодах більш ніж на 50%. Тобто, існує пряма залежність між зростанням енергетики клітини при споживанні гуматов і поліпшенням засвоєння нею надходять в неї поживних елементів.

Друге явище - це збільшення проникності клітинної мембрани, що прискорює дихання рослин, полегшує потрапляння поживних речовин всередину клітини і, в кінцевому рахунку, призводить до збільшення інтенсивності росту і розвитку рослин. Крім того, існує пряма залежність між інтенсивністю дихання і проникненням елементів мінерального живлення в рослини, що призводить до синергетичного ефекту.

ГК одночасно впливають і на гідрофільні (що мають спорідненість до води), і на гідрофобні (водовідштовхувальні) ділянки на поверхні клітинних мембран. При цьому ЦК змінюють електричний заряд на їх фосфоліпідних компонентах. В результаті цих електричних змін поверхні мембрани вона стає більш активною для транспортування мікроелементів і інших поживних речовин всередину клітинної цитоплазми.

Важливо відзначити, що це явище досить вибірково. Наприклад, проникність іона калію збільшується на два порядки (в 100 разів), а натрію тільки на один (в 10 разів), що позитивно позначається на харчуванні рослин.

Грунтуючись на теорії, яка передбачає три послідовні етапи надходження мінерального живлення з грунту в рослину, показав, що перші два етапи активізуються в основному гумату калію ( катіон калію відіграє роль структуроутворюючої одиниці), а третій етап - гумату натрію (катіони натрію виконують транспортирующую функцію). Звідси випливає, що оптимальною є суміш гуматів калію і натрію.

У цитованій роботі показано також, що проходження другого етапу поглинання мінерального живлення рослиною пов'язано з диханням. При поглинанні кисню клітинами в грунтовий розчин виділяються катіони водню і аніони бікарбонату (HCO3-). Саме вони є обмінним фондом для поглинання кореневою системою ґрунтових іонів. Тому існує пряма залежність між підвищенням інтенсивності дихання, спричиненої гуматами, і поліпшенням проникнення елементів мінерального живлення в рослини.

В системі «гумат - грунт» спостерігається особливо велике різноманіття явищ. Родючість грунту здавна пов'язували з присутністю в них гумусу. Встановлено, що гумінові речовини беруть участь в регулюванні практично всіх найважливіших її властивостей. Вони формують більш темне забарвлення грунту, тим самим збільшують коефіцієнт поглинання сонячних променів. Для країн з холодним і помірним кліматом здатність гумата фарбувати грунт в темний колір має істотне значення. Формуючи забарвлення, гумати змінюють тепловий режим. Це особливо важливо для холодних глинистих і світлих піщаних грунтів, які під дією гуматів стають теплішими. Це покращує умови життєдіяльності грунтових мікроорганізмів, пробудження насіння, проростання рослин і їх зростання на ранніх стадіях розвитку.

Колоїдна структура гумінових кислот і висока гідрофільність функціональних кінцевих груп надають їм здатність до гелеутворення. Саме цим пояснюється неодноразово відзначене підвищення влагоудержанія грунту після обробки гуматами. Ця обставина надзвичайно важливо для посушливих регіонів, так як обробка гуматами підвищує вологонасичення грунту і зменшує кількість води, необхідне для поливу. Наприклад, у піщаних грунтів влагоудерживающая здатність під дією гумату збільшується більш ніж в десять разів. На цих же принципах засноване застосування гуматів в якості меліорантів.

Тривала обробка гуматами сприяє поліпшенню структури грунтів. Вище вже відзначалася важлива роль взаємодії гуматов з металами, що приводить до утворення комплексів або нерозчинних солей. Виявилося, що цей процес важливий не тільки для живлення рослин, але і для структурування ґрунтів. Потрапляючи в грунт, гумат, реагуючи з кальцієм, магнієм, алюмінієм і залізом, завжди присутніми в грунті, утворює органомінеральні містки, що зв'язують механічні частинки ґрунтів в якусь структуру, здатну протистояти ерозії і віднесенню родючого шару вітрами, утримувати вологу і повітря, створювати сприятливе середовище для життєдіяльності мікроорганізмів і підвищення родючості грунту.

Гумати в грунті - це кладова, де зберігається запас поживних речовин, які видаються рослині у міру його потреби в них.

Гумати утворюють нерозчинні сполуки з важкими металами (свинець, ртуть, хром, кадмій і ін.), Потрапляння яких в плоди, а потім і в організм людини і тварин призводить до серйозних захворювань, і створюють тим самим перешкоду для їх проникнення в клітину рослини. Фотозйомкою з космосу встановлено, що в регіонах, де грунти багаті гуміновими кислотами, вдається зберегти екологічну рівновагу, незважаючи на інтенсивну техногенне навантаження. Велике значення має здатність гумата пов'язувати в комплекси іони заліза і алюмінію, надлишкові кількості яких в грунті згубно позначаються на харчуванні рослин фосфором. При цьому залізо утворює комплекси з гуматами, що забезпечують транспортування його в рослини, а алюміній зв'язується в нерозчинний з'єднання і, таким чином, його шкідливий вплив на фосфати нейтралізується.

Взаємодія гуматов з грунтовими мінералами, грунтовими агрегатами, грунтовою вологою і грунтовою мікрофлорою настільки різноманітно, що ці питання будуть розглянуті нами додатково в наших наступних статтях.