Mechanizm powstawania i działania humusów

Struktura kwasów huminowych. Schemat powstawania humusu.

Aktywność biologiczna humusów jako skumulowany czynnik oddziaływania na ekosystem „woda – roślina – gleba”. Związek między strukturą kwasów humusowych a różnymi czynnikami wpływającymi na ekosystem.

W poprzedniej części podaliśmy przybliżone wartości zakresów mas cząsteczkowych substancji humusowych według RTPettit. W rzeczywistości kwasy huminowe to substancje o bardzo złożonej budowie, składające się z oddzielnych fragmentów połączonych ze sobą. Hipotetyczny wzór strukturalny takiego fragmentu przedstawiono na ryc. 2.

Figa. 2. Możliwy wzór strukturalny fragmentu kwasu huminowego

Najpełniejszy obraz budowy tych związków daje publikacja D.A. Knyazeva ze współautorami. Na podstawie modelu Schulte-Schnitzera autorzy ustalili, że monomer (fragment) kwasu huminowego ma wzór ogólny С305H299N16O134S o masie cząsteczkowej 6364. Wzór zawiera 26 grup karboksylowych (СООН), 34 grupy fenolowe i hydroksylowe (OH). , 6 grup aminowych (NH2) i 7 heterocyklicznych atomów azotu. Cząsteczka może zawierać od 2 do 15 takich fragmentów, które tworzą łańcuch za pomocą wiązań węglowodorowych lub chemicznych, które w stanie naturalnym są zwinięte w kulkę. Kule te tworzą duże agregaty tworzące organiczną część gleby. Wymiary takich agregatów sięgają 150 angstremów, co uniemożliwia im penetrację błony komórkowej. Dlatego w warunkach naturalnych tylko niewielka część substancji humusowych to fragmenty fragmentów cząsteczek,

Ponadto w naturalnych caustobiolitach GC są w stanie związanym. Zawarte są w kompleksach organiczno-mineralnych, tworzących nierozpuszczalne związki z Ca, Mg, Fe, Al i innymi składnikami mineralnymi. Ich cząsteczki są praktycznie nierozpuszczalne i nieruchome, a grupy funkcyjne są zablokowane, co nie pozwala DC na pełne wykazanie aktywności biologicznej w glebie, nawozach torfowych i meliorantach.

Ze względu na słabą rozpuszczalność w wodzie aktywność biologiczna naturalnych kwasów huminowych jest bardzo niska, dlatego dla zapewnienia żyzności gleby zawartość próchnicy w niej musi być odpowiednio wysoka, jak np. na południe od Rosji. Traktowanie naturalnych kompleksów humusowych środkami alkalicznymi zamienia je w rozpuszczalne w wodzie sole - humusy sodowe lub potasowe według schematu:

Ze schematu tego wynika, że po takiej obróbce, w wyniku sztucznego zastąpienia metalu (wapnia, magnezu, żelaza, glinu itp.) sodem (potasem), zmienia się charakter chemiczny kwasu humusowego i jego konformacja. W wyniku dalszej dysocjacji grupy funkcyjne uzyskują ładunek elektryczny o tej samej nazwie, a części cząsteczki, odpychając się od siebie, rozwijają kulę w długi łańcuch. W rezultacie kula rozwija się, a uformowany łańcuch jest już w stanie przejść przez błonę komórkową i dostać się do wnętrza komórki. Prowadzi to do tysiąckrotnego wzrostu poziomu aktywności biologicznej cząsteczek kwasu huminowego.

Każda grupa funkcyjna pokazana na fragmencie (ryc. 2) pełni swoją rolę, a takich grup jest wiele, dlatego wpływ humusów na wszystkie etapy wzrostu i rozwoju roślin jest wielopłaszczyznowy.

Na przykład grupy karboksylowe (COOH) i fenolowe (OH) są zdolne do tworzenia kompleksów chelatowych z pierwiastkami śladowymi iw tej formie transportują je do roślin, zapewniają również wysoką zdolność wymiany kwasów huminowych. Inne grupy, zwane chinonami (СО = С6Н4 = ОС), zawierają nie zlokalizowane elektrony zdolne do wychwytywania, gromadzenia, a następnie dostarczania komórce roślinnej energii słonecznej, zwiększając w ten sposób jej energię.

Te dwa prywatne przykłady ilustrują tylko niektóre aspekty biologicznej aktywności humatów. Ważną rolę odgrywa nie tylko obecność grup funkcyjnych, ale także ich wzajemne położenie.

Analizując wyniki badań różnych naukowców, udało nam się sporządzić diagram 16 czynników wpływu humusów na ekosystem „woda – roślina – gleba” (patrz ryc. 3 i tabela 3). Każdy z tych czynników, niezależnie od pozostałych, prowadzi do określonego pozytywnego rezultatu, który ostatecznie objawia się wzrostem plonu, wzrostem wartości odżywczej i czystości ekologicznej owoców, przyspieszeniem wzrostu, rozwoju i dojrzewania owoców, wzrost odporności na choroby, chwasty i szkodniki, suszę, mróz i inne niekorzystne warunki.

Rozważanie tego schematu rozpoczniemy od najprostszego systemu „humat - woda”. Roztwór humatu w wodzie służy jako pożywka dla roślin, ale interakcja humatu z wodą nie ogranicza się do tego oczywistego faktu. Ustalono (patrz poniżej), że humaty po rozpuszczeniu w wodzie nadają roztworowi właściwości „wody stopionej”, który ma, jak wiadomo, zwiększoną przepuszczalność i leczniczy wpływ na organizmy żywe. Na przykład amerykańscy rolnicy twierdzą, że wprowadzenie wody z roztopów do diety świń przyspiesza ich wzrost i przynosi „jeden befsztyk dziennie od każdej świni”. Odnotuj, że woda w tkankach naszego organizmu też ma strukturę "roztopionej wody". Stopiona woda może ułatwić transport uwodnionych cząsteczek humusu do komórek roślinnych. W źródłach literackich odnotowuje się szereg ważnych pozytywnych funkcji wody roztopionej, wśród których podkreśla się funkcje pobudzające układ odpornościowy , a w efekcie mobilizujące właściwości ochronne organizmu.

Aby zrozumieć, o jakiej nowej strukturze wody mówimy, Irkuck State University ustalił zależność charakterystyki relaksacji wody od stężenia HA według widm O17 NMR w układzie HA-NaOH - D2O. W rejonie stosunkowo wysokich stężeń – 0,025% i powyżej – wartości tego parametru są zbliżone do wartości dla wody źródłowej, jednak wraz ze spadkiem stężenia humatu parametr ten gwałtownie wzrasta, przechodząc przez maksimum przy punkt odpowiadający stężeniu humusu 0,0004% (ryc. 4). W zakresie stężeń 0,0002-0,005% odnotowano rozszerzenie sygnału NMR od 52,7 do 103 Hz, czyli właśnie w tym zakresie wzrost wartości tego parametru znacznie przekracza wartość początkową. Prawdopodobnie w tym zakresie stężeń obserwuje się maksymalny wpływ cząsteczek wody na zmianę struktury supramolekularnej kwasów huminowych, czyli innymi słowy: zmiany ruchliwości molekularnej poszczególnych składników oraz stopnia polidyspersyjności cząsteczek kwasu huminowego. Ponieważ zależność sygnałów NMR od temperatury wody w przedziale od 0 do temperatury wrzenia ma podobny pik w rejonie 4 0С, co odpowiada maksymalnemu ustrukturyzowaniu cząsteczek, można przyjąć, że ustrukturowanie wody matryca występuje w roztworze humusowym w określonym zakresie stężeń, co prowadzi do uzyskania efektu „wody stopionej”. Naszym zdaniem jest to bardzo ważny wynik, który został włączony w logiczny łańcuch uzasadnienia optymalnego stężenia roztworu humusowego w komórkach i plazmie międzykomórkowej roślin. co odpowiada maksymalnemu ustrukturyzowaniu molekuł, można przyjąć, że w roztworze humusowym w określonym zakresie stężeń dochodzi do ustrukturyzowania matrycy wodnej, co prowadzi do efektu uzyskania „wody stopionej”. Naszym zdaniem jest to bardzo ważny wynik, który został włączony w logiczny łańcuch uzasadnienia optymalnego stężenia roztworu humusowego w komórkach i plazmie międzykomórkowej roślin. co odpowiada maksymalnemu ustrukturyzowaniu molekuł, można przyjąć, że w roztworze humusowym w określonym zakresie stężeń dochodzi do ustrukturyzowania matrycy wodnej, co prowadzi do efektu uzyskania „wody stopionej”. Naszym zdaniem jest to bardzo ważny wynik, który został włączony w logiczny łańcuch uzasadnienia optymalnego stężenia roztworu humusowego w komórkach i plazmie międzykomórkowej roślin.

Okazało się, że najłatwiej określić rolę strukturyzowania wody w obecności humusów na najwcześniejszym etapie rozwoju roślin – podczas moczenia i kiełkowania nasion. Obiektem badań były żywotne nasiona grochu Pisum sativum L o niskim wigorze (kontrolne kiełkowanie 16,7%). Pęcznienie nasion prowadzono na płytkach Petriego w termostacie w temperaturze 24 0 C w ciemności. Szybkość pęcznienia określano metodą wagową po 3, 4, 6 i 24 godzinach. Napęczniałe nasiona kiełkowano w rolkach bibuły filtracyjnej w tych samych warunkach. Na podstawie liczby nasion normalnie wykiełkowanych w ciągu 5 dni obliczono podobieństwo w % do ogólnej liczby nasion oraz energię kiełkowania (według liczby nasion wykiełkowanych drugiego dnia). Po 5 dniach zmierzono długości głównych korzeni zarodkowych. Wszystkie doświadczenia przeprowadzono w 3 powtórzeniach (po 20 nasion). Udowodniliśmy że struktura wody prowadzi do wolniejszego procesu pęcznienia nasion, ponieważ polimery strukturyzowanej (topionej) wody ze względu na efekty steryczne (przestrzenne) wolniej wnikają do wnętrza nasion, zapewniając łagodny reżim pęcznienia i zapobiegając pękaniu błon komórkowych. (Rys. 7, krzywa 1) W rezultacie nasiona w określonym zakresie stężeń kiełkują szybciej (krzywa 2). Jednocześnie obie krzywe mają wyraźnie określone ekstremum przy stężeniu 0,001%.

Tabela 3 Czynniki i skutki oddziaływania humusów na ekosystem „woda – roślina – gleba”.

Figa. 5. Wpływ stężenia humusu sodu na pęcznienie i kiełkowanie nasion grochu. 1 - Pęcznienie w % do pierwotnej masy w ciągu 6 godzin, 2 Długość korzeni zarodkowych po 5 dniach, cm

Jest to dobrze zilustrowane na ryc. 7, na którym przedstawiono zależność wskaźnika wzrostu od stężenia substancji humusowych w roztworze. Na przedstawionym wykresie widać, że zależność ta przechodzi przez maksimum przy stężeniu 0,001%, co odpowiada minimalnemu pęcznieniu i maksymalnemu kiełkowaniu, ale ponownie wzrasta wraz z dalszym wzrostem stężenia. Tak więc na etapie wzrostu dominującą rolą nie jest stężenie, ale dawka humatu.

Figa. 6. Zmiana wskaźnika wzrostu sadzonek grochu w zależności od stężenia humusu sodu

Stwierdzono również, że humaty wiążą obecne w wodzie szkodliwe zanieczyszczenia (Ca, Fe, Al itp.), dzięki czemu mogą być wykorzystywane do oczyszczania wody z zanieczyszczeń i blokowania ich przedostawania się do rośliny zarówno z gleby, jak i z atmosfery (kwaśne deszcze , emisje do atmosfery itp.).

W układzie „humat – roślina” odnotowano dwa niezależne zjawiska o dużym znaczeniu.

Pierwsze zjawisko- jest to wzrost energii komórkowej i związane z tym nasilenie procesów wymiany. Grupa chinonowa w cząsteczce kwasu humusowego ma cztery połączone wiązania pi, których elektrony są w stanie uchwycić kwant energii słonecznej z przejściem na wyższy poziom energetyczny. Zgromadzona w ten sposób energia słoneczna może zostać w odpowiednim momencie przekazana do komórki roślinnej, co prowadzi do intensyfikacji procesów wymiany. Porównując właściwości paramagnetyczne i aktywność fizjologiczną kwasów humusowych ustalono, że energia świetlna odgrywa aktywną i być może decydującą rolę w kształtowaniu potencjału energetycznego, składu i właściwości fizykochemicznych próchnicy. Promieniowanie elektromagnetyczne indukuje paramagnetyzm i pobudzające działanie kwasów huminowych. Tak, specjalne eksperymenty na bawełnie,

Nasze eksperymenty nad wpływem niektórych typów pól na humaty dały podobne wyniki. Przekazywanie energii zgromadzonej przez kwas huminowy do komórki roślinnej przyspiesza przebudzenie i kiełkowanie nasion, rozwój systemu korzeniowego, stymuluje wzrost, aktywuje metabolizm białek i węglowodanów, poprawia skład biochemiczny roślin poprzez tworzenie specjalnych enzymów. Enzymy te zwiększają odporność roślin na niekorzystne czynniki środowiskowe i sytuacje stresowe, takie jak susza, mróz, choroby i inne oraz przyczyniają się do rozwoju takich kierunków procesu asymilacji azotu, które ograniczają powstawanie azotanów. Jednocześnie przyspieszana jest synteza chlorofilu, cukrów, witamin, niezbędnych aminokwasów, olejów, zwiększa się zawartość glutenu w pszenicy itp. Następuje intensyfikacja procesów naprawczych w uszkodzonych roślinach (przyspieszenie regeneracji komórek uszkodzonych przez pestycydy, substancje szkodliwe i organizmy chorobotwórcze). Nasila się oddychanie przez system wegetatywny i korzeniowy.

Jednak nadal nie jest do końca jasne, w jaki sposób ta skumulowana energia jest przekazywana do komórki, ponieważ nie ma wystarczających dowodów na wejście całych makrocząsteczek HA do komórki. Jednak przy pomocy „znakowanego” węgla udowodniono, że największe stężenie HA gromadzi się w błonach komórkowych i organellach komórkowych, takich jak mitochondria i rybosomy (R. Pettit, 1999). Inne podobne eksperymenty z użyciem kwasów huminowych znakowanych węglem wykazały, że frakcje niskocząsteczkowe HA są bardziej aktywne niż frakcje wysokocząsteczkowe.

Interesująca hipoteza została wyrażona stosunkowo niedawno. Autorzy zaproponowali wyjaśnienie mechanizmu działania substancji humusowych na żywą komórkę, które nie wymaga założenia o przenoszeniu cząsteczek HA do jej środowiska wewnętrznego. Zgodnie z ich hipotezą makrocząsteczki HA są sorbowane na zewnątrz błony cytoplazmatycznej lub ściany komórkowej, tworząc ażurową siatkę, swobodnie wpuszczając do wnętrza komórki mineralne składniki odżywcze i niskocząsteczkowe związki organiczne, takie jak cukry czy aminokwasy i jednocześnie wiąże toksyczne jony i wolne rodniki z otoczenia. W tym przypadku zysk energetyczny z zastosowania HA wyraża się w obniżeniu kosztów energetycznych komórki w celu wyeliminowania negatywnego wpływu toksyn, a wzrost czystości środowiska spożywanych produktów roślinnych wyraża się w zablokowaniu wejście toksyn do rośliny i ich translacja do czyli stan nieaktywny. Uwolniona energia może być skierowana na zwiększenie intensywności podziałów komórkowych, co powoduje przyspieszony wzrost roślin. Wzrost energii komórkowej prowadzi również do poprawy przyswajania składników pokarmowych, co w szczególności powoduje spadek azotanów w owocach o ponad 50%. Oznacza to, że istnieje bezpośredni związek między wzrostem energii komórkowej podczas spożywania humusu a poprawą jego przyswajania wchodzących do niego składników odżywczych.

Drugim zjawiskiem jest wzrost przepuszczalności błony komórkowej, co przyspiesza oddychanie roślin, ułatwia wnikanie składników pokarmowych do wnętrza komórki i ostatecznie prowadzi do zwiększenia intensywności wzrostu i rozwoju roślin. Ponadto istnieje bezpośrednia zależność między intensywnością oddychania a przenikaniem składników mineralnych do roślin, co prowadzi do efektu synergistycznego.

GKS działają jednocześnie zarówno na hydrofilowe (powinowactwo do wody), jak i hydrofobowe (odpychające wodę) obszary na powierzchni błon komórkowych. W tym samym czasie CC zmieniają ładunek elektryczny na swoich składnikach fosfolipidowych. W wyniku tych zmian elektrycznych powierzchnia błony staje się bardziej aktywna w transporcie pierwiastków śladowych i innych składników odżywczych do cytoplazmy komórki.

Należy zauważyć, że zjawisko to jest dość selektywne. Na przykład przepuszczalność jonu potasu wzrasta o dwa rzędy wielkości (100 razy), a sodu tylko o jeden (10 razy), co ma pozytywny wpływ na odżywianie roślin.

Opierając się na teorii, która przewiduje trzy kolejne etapy odżywiania mineralnego z gleby do rośliny, wykazał, że pierwsze dwa etapy aktywowane są głównie humianem potasu (kation potasu pełni rolę jednostki strukturotwórczej), a trzeci etap przez humian sodu (kationy sodu pełnią funkcję transportową). Wynika z tego, że mieszanina humusów potasu i sodu jest optymalna.

Z cytowanej pracy wynika również, że przejście drugiego etapu pobierania składników mineralnych przez roślinę jest związane z oddychaniem. Kiedy komórki absorbują tlen do roztworu glebowego, uwalniane są kationy wodoru i aniony wodorowęglanowe (HCO3-). Stanowią fundusz wymiany dla wchłaniania jonów glebowych przez system korzeniowy. Istnieje zatem bezpośredni związek między zwiększeniem intensywności oddychania powodowanego przez humaty a poprawą przenikania mineralnych składników odżywczych do roślin.

Szczególnie dużą różnorodność zjawisk obserwuje się w układzie „humat – gleba”. Żyzność gleb od dawna kojarzona jest z występowaniem w nich próchnicy. Ustalono, że substancje humusowe uczestniczą w regulacji niemal wszystkich jego najważniejszych właściwości. Tworzą ciemniejszy kolor gleby, zwiększając tym samym współczynnik absorpcji promieni słonecznych. Dla krajów o klimacie zimnym i umiarkowanym duże znaczenie ma zdolność humatu do malowania gleby na ciemny kolor. Tworząc kolor, humaty zmieniają reżim termiczny. Jest to szczególnie ważne w przypadku zimnych gleb gliniastych i lekkich piaszczystych, które nagrzewają się pod wpływem humatów. Poprawia to warunki życia mikroorganizmów glebowych, przebudzenie nasion, kiełkowanie roślin i ich wzrost we wczesnych fazach rozwoju.

Koloidalna budowa kwasów humusowych oraz wysoka hydrofilowość funkcyjnych grup końcowych nadają im zdolność do żelowania. Wyjaśnia to wielokrotnie notowany wzrost retencji wilgoci w glebie po zastosowaniu humusów. Ta okoliczność jest niezwykle ważna dla regionów suchych, ponieważ traktowanie humusami zwiększa nasycenie wilgocią gleby i zmniejsza ilość wody potrzebnej do nawadniania. Na przykład w glebach piaszczystych zdolność zatrzymywania wilgoci pod wpływem humatu wzrasta ponad dziesięciokrotnie. Stosowanie humusów jako meliorantów opiera się na tych samych zasadach.

Długotrwałe traktowanie humusami poprawia strukturę gleby. Ważną rolę interakcji humusów z metalami, która prowadzi do tworzenia kompleksów lub nierozpuszczalnych soli, zauważono już powyżej. Okazało się, że proces ten ma znaczenie nie tylko dla odżywiania roślin, ale także dla strukturyzacji gleby. Dostając się do gleby, humus, reagując z wapniem, magnezem, glinem i żelazem, które są zawsze obecne w glebie, tworzy mostki organiczno-mineralne, które wiążą mechaniczne cząstki gleby w strukturę odporną na erozję i usuwanie żyznej gleby. warstwy przez wiatry, zatrzymując wilgoć i powietrze, tworzą sprzyjające środowisko dla życia mikroorganizmów i zwiększają żyzność gleby.

Humaty w glebie są magazynem, w którym gromadzone są zapasy składników odżywczych, które są dostarczane roślinie w miarę jej potrzeb.

Humaty tworzą nierozpuszczalne związki z metalami ciężkimi (ołowiem, rtęcią, chromem, kadmem itp.), których przedostanie się do owoców, a następnie do organizmu ludzi i zwierząt prowadzi do poważnych chorób, a tym samym stwarza przeszkodę dla ich przenikania do organizmu. komórka roślinna. Fotografia z kosmosu wykazała, że w regionach, gdzie gleba jest bogata w kwasy humusowe, możliwe jest utrzymanie równowagi ekologicznej, pomimo intensywnego obciążenia antropogenicznego. Duże znaczenie ma zdolność humatu do wiązania jonów żelaza i glinu w kompleksy, których nadmiar w glebie niekorzystnie wpływa na odżywianie roślin fosforem. Jednocześnie żelazo tworzy kompleksy z humatami, które zapewniają jego transport do roślin, a glin wiąże się w nierozpuszczalny związek i tym samym neutralizuje się jego szkodliwy wpływ na fosforany.

Interakcja humusów z minerałami glebowymi, agregatami glebowymi, wilgotnością gleby i mikroflorą glebową jest tak różnorodna, że tym zagadnieniom zajmiemy się dodatkowo w naszych kolejnych artykułach.