Властивості гумінових кислот різних ґрунтів України та їх фізіологічна активність
Гумусові речовини, незважаючи на спільні риси будови, не є хімічно індивідуальними сполуками. Представляючи собою групу полімерів ароматичної будови, ці речовини за своєю природою та властивостями неоднорідні. Спільним для всіх гумінових кислот, виділених із різних ґрунтів, є участь у їх утворенні поліфенолів. Нашими вченими була запропонована формула гумінових кислот чорнозему, торфу та леонардиту, спільною властивістю яких є наявність у їх молекулі поліфенольних та хіноїдних груп.
Різноманітність гумусових речовин проявляється у різному ступені конденсованості ароматичних ядер у їх молекулах, у співвідношенні ароматичних та аліфатичних структур тощо. Відмінності у природі та властивостях гумінових кислот різного походження, ймовірно, знаходять своє відображення у неоднаковій фізіологічній активності останніх.
Дослідники низки країн вказували на багатобічну участь гумусових речовин у фізіологічних та біохімічних процесах, що відбуваються в рослинах. Встановлено, що гумусові речовини різного походження у малих концентраціях справляють глибокий та багатобічний вплив на рослину. Однак гумінові речовини різних ґрунтів не є ідентичними. Звідси випливає, що й їх дія на рослини не може бути абсолютно однаковою. Логічно припустити, що характер та ступінь впливу гумінових кислот із різних ґрунтів на рослинний організм знаходяться у прямій залежності від складу та властивостей цих кислот. Вивченню цього питання у діапазоні основних ґрунтових типів України присвячено це дослідження.
Вивчення природи та властивостей гумінових кислот
Прийоми фракціонування
Застосовуючи різні прийоми фракціонування (дробове осадження кислотами та буферними розчинами, ультрацентрифугування, різні види хроматографії, електрофорез та інші), гумусові речовини можна розділити на кілька фракцій. За допомогою електрофорезу на смужках паперу гумінову кислоту розділили на дві фракції, які за кольором відповідали сірим та бурим гуміновим кислотам. Усі гумінові кислоти, на думку дослідників, є сумішшю цих двох фракцій із переважним вмістом тієї чи іншої.
За допомогою методів хроматографії на крохмальних колонках та папері, а також електрофорезу на папері вдалося розділити гумінові кислоти чорнозему та дерново-підзолистого ґрунту на три фракції, одна з яких виявляється лише в ультрафіолетовому світлі. Оскільки розділення гумінових кислот за допомогою електрофорезу на смужках паперу не дозволяє отримати достатню кількість окремих фракцій, вчені перейшли до методу безперервного електрофорезу, за допомогою якого вдалося розділити гумінову кислоту на 10–15 фракцій, що представляють собою перехід від сірих гумінових кислот до бурих.
При фракціонуванні гумінових кислот різних ґрунтів за допомогою кругової хроматографії на папері їх зони відрізнялися між собою. У гумінової кислоти з чорнозему зони були більш компактними, тоді як у гумінової кислоти дерново-підзолистого ґрунту вони мали розпливчастий вигляд.
Фракціонування гумінових кислот методом електрофорезу також показало, що гумінові кислоти чорнозему складаються з малорухомих у електричному полі фракцій, основна частина яких залишається на старті, і лише незначна кількість переміщується у бік анода. Гумінові кислоти червонозему та дерново-підзолистого ґрунту мали підвищену рухливість та флуоресцентну здатність.
У нашій роботі виділення препаратів гумінових кислот із різних ґрунтів проводили із попередньо декальцинованого ґрунту. Для вивчення природи та властивостей гумінових кислот застосовувалися методи кругової хроматографії та електрофорезу на папері.
Фракціонування гумінових кислот за допомогою кругової хроматографії проводили за методом Кононової та Бельчикової з тією різницею, що використовувалася швидкофільтруюча папір, що дозволило скоротити експозицію до двох годин. При денному світлі на хроматограмах усіх гумінових кислот спостерігалися дві зони: перша — у центрі хроматограми, на місці нанесення препарату, і друга — на певній відстані від першої у вигляді вузьких світло-бурих кілець. Гумінові кислоти чорнозему давали вузькі та більш компактні кільця, дерново-підзолистого ґрунту — розпливчасті, а з інших ґрунтів кільця займали проміжне положення. В ультрафіолетовому світлі хроматограми виглядали інакше: спостерігалися три зони. Безпосередньо навколо темно-забарвленої плями видно ще одне кільце, що володіє властивостями флуоресценції, яке у гумінової кислоти чорнозему флуоресціює оранжево-жовтим світлом, дерново-підзолистого ґрунту — яскраво-жовтим із блакитним відтінком, а гумінові кислоти з інших ґрунтів дають флуоресцентні кільця, що займають проміжне положення. Наступне за цією зоною кільце, яке при денному світлі має світло-бурий відтінок, в ультрафіолетовому світлі флуоресціює у тому ж порядку кольорів.
Після годинної розгонки на смужках паперу виділилися дві зони: перша, що залишилася на старті, забарвлена у сіруватий колір; друга, що знаходиться на певній відстані від першої, забарвлена у буруватий колір. В ультрафіолетовому світлі виявляється третя зона, що володіє флуоресцентною здатністю, причому у гумінових кислот чорнозему вона флуоресціює оранжево-жовтим світлом, дерново-підзолистого ґрунту — жовтим, інших — перехідними відтінками.
Відмінності у характері розподілу речовин за зонами ілюструються кривими, записаними за допомогою денситометра. У гумінових кислот чорнозему та темно-каштанового ґрунту більша частина речовини залишається на старті, і лише невелика частина переміщується у бік анода. Найінтенсивніше переміщення спостерігається на фореграмі гумінової кислоти дерново-підзолистого ґрунту, де більша частина речовини переміщується у бік анода. Гумінова та фульвова кислота сірого опідзоленого ґрунту займає проміжне положення.
Таким чином, фракціонування гумінових кислот за допомогою хроматографії та електрофорезу підтверджує положення про неоднорідність гумінових кислот, причому співвідношення рухливих та нерухомих фракцій у гумінових кислотах різних ґрунтових типів неоднакове: гумінова кислота чорнозему містить менше рухливих фракцій, дерново-підзолистого ґрунту — більше. Вмістом тих чи інших фракцій у складі гумусових речовин визначається їхня природа — ступінь конденсованості ароматичного ядра, співвідношення ароматичних структур, наявність та розташування функціональних груп тощо.
Величина оптичної густини та поріг коагуляції характеризують ступінь дисперсності гумусових речовин і є непрямими показниками ступеня їхньої складності або конденсованості частинок. Оптичну густину визначали за методом Кононової на фотометрі. Поріг коагуляції встановлювали за найменшою кількістю електроліту (CaCl₂), необхідного для повної коагуляції гумінової кислоти за той чи інший проміжок часу. Концентрація робочого розчину гумінової кислоти становила 0,136 г/л.
| Об'єкти дослідження | Оптична густина (λ=440 нм) | Кількість CaCl₂ на 1 г гумату, мг-екв | ||
|---|---|---|---|---|
| Початок коагуляції | Поява осаду через 30 хвилин | Повна коагуляція (через 2 та 4 години) | ||
| Гумінові кислоти з: | ||||
| Дерново-підзолистого ґрунту | 1,32 | 5 | 18 | Розчин над осадом світло-бурий (20) |
| Сірого опідзоленого ґрунту | 1,92 | 4 | 14 | Розчин над осадом світло-бурий (18) |
| Чорнозему опідзоленого | 2,32 | 3 | 12 | Розчин над осадом світло-бурий (16) |
| Чорнозему звичайного | 2,52 | 1 | 10 | Розчин над осадом світло-бурий (18) |
| Темно-каштанового ґрунту | 2,08 | 2 | 13 | Розчин над осадом світло-бурий (20) |
| Чорнозему південного карбонатного | 1,68 | 4 | 15 | Розчин над осадом світло-бурий (18) |
| Бурого ґрунту | 1,08 | 4 | 15 | Розчин над осадом світло-бурий (18) |
Дані таблиці 1 показують, що ступінь конденсованості ароматичних сіток атомів вуглецю в гумінових та фульвових кислотах від дерново-підзолистих ґрунтів до чорноземів зростає при одночасному зменшенні в їх молекулах бічних аліфатичних ланцюгів. Зворотне співвідношення цих структур спостерігається у гумінових кислот при переході від чорноземів до каштанових і далі до бурих ґрунтів. Це положення підтверджується результатами, отриманими при визначенні порогу коагуляції гумінових та фульвових кислот. Дані таблиці вказують на високу дисперсність гумінових кислот дерново-підзолистих та бурих ґрунтів, що свідчить про великий вміст у їх молекулах бічних радикалів, що несуть гідрофільні групи.
Все це свідчить про те, що з переходом від дерново-підзолистих ґрунтів до чорноземів природа гумінових кислот ускладнюється: у них чіткіше проявляється конденсоване ароматичне ядро при одночасному зменшенні кількості бічних радикалів; зворотне явище спостерігається при переході від звичайних до південних карбонатних чорноземів та бурих ґрунтів.
Наявністю функціональних груп (карбоксильних та фенольних гідроксилів) визначаються кислотні властивості та ємність обміну гумінових та фульвових кислот. Загальний вміст функціональних груп у гумінових кислотах визначали за методом Драгунової, а вміст карбоксильних груп — за методом Кухаренка, тобто шляхом настоювання наважок гумінових кислот із 0,5 н. розчином ацетату кальцію, pH якого 6,8–7. Результати аналізів наведено в таблиці 2.
| Об'єкти дослідження | Загальна кількість функціональних груп, мг-екв Ba, зв'язаного 1 г гумінової кислоти | Кількість карбоксильних груп, мг-екв Ca, зв'язаного 1 г гумінової кислоти | Ємність обміну на 100 г абсолютно сухої беззольної речовини, мг-екв |
|---|---|---|---|
| Гумінові кислоти з: | |||
| Дерново-підзолистого ґрунту | 5,91 | 2,89 | 289 |
| Сірого опідзоленого ґрунту | 7,17 | 3,21 | 321 |
| Чорнозему слабоопідзоленого | 7,57 | 4,05 | 405 |
| Чорнозему звичайного | 8,32 | 5,11 | 511 |
| Темно-каштанового ґрунту | 8,22 | 4,20 | 420 |
| Чорнозему південного карбонатного | 6,65 | 3,79 | 379 |
| Бурого ґрунту | 5,57 | 2,22 | 222 |
З даних таблиці видно, що вміст функціональних груп, здатних до обмінних реакцій, зростає від дерново-підзолистого ґрунту до чорноземів; з переходом до темно-каштанових та бурих ґрунтів він зменшується. Усі вищезазначені відмінності у складі та властивостях гумінових кислот різного походження значною мірою визначають роль останніх у ґрунтових процесах, а також їхній вплив на рослинний організм.
Фізіологічна активність гумінових кислот різних ґрунтів України
Розчинні солі гумінових кислот з одновалентними металами засвоюються рослинами та викликають певний фізіологічний ефект, посилюючи ріст, перш за все кореневої системи, а потім і надземної маси. Вплив гумінових кислот найсильніше проявляється у початковий період розвитку рослин. Наші вчені вважають, що фізіологічна активність гумінових кислот безпосередньо пов'язана з певною будовою їхньої молекули і, перш за все, з наявністю в них хіноїдних та поліфенольних груп.
Фізіологічну активність гумінових кислот визначали постановкою дослідів із ячменем на збідненій суміші Прянишникова, з якої були виключені кальцій та залізо, оскільки вони коагулюють гумінову кислоту та переводять її у фізіологічно неактивний стан. Оскільки досліди були короткочасними, передбачалося, що запасу цих елементів, що міститься у насінні, буде достатньо. Преципітат у суміші Прянишникова був замінений буферною сумішшю Серенсена з pH, рівним 6,8–7.
Дослід закладали за такою методикою. До суміші Прянишникова (розведеної водою 1:1) додавали певні кількості розчинів гумінових кислот до концентрації 0,001%. Проростки насіння висаджували у хімічні склянки ємністю 700 мл по дві рослини у кожну. Повторність досліду триразова. Обмір дослідних рослин проводили через два тижні. Для перевірки відтворюваності такі досліди закладали чотири рази.
| Об'єкти дослідження | Дослід 1 | Дослід 2 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Середня довжина кореня 1 порядку, мм | До контролю, % | Середня висота надземної частини, мм | Число коренів 2 порядку | До контролю, % | |
| Контроль — збіднена суміш Прянишникова (Фон) | 44±1 | 100 | 179 | 16 | 100 |
| Фон + гумінова кислота з дерново-підзолистого ґрунту | 67±5 | 152 | 201 | 36 | 127 |
| Фон + гумінова кислота з сірого опідзоленого ґрунту | 87±9 | 198 | 190 | 39 | 158 |
| Фон + гумінова кислота з чорнозему опідзоленого | 103±2 | 234 | 201 | 44 | 186 |
| Фон + гумінова кислота з чорнозему звичайного | 107±3 | 243 | 203 | 39 | 172 |
| Фон + гумінова кислота з темно-каштанового ґрунту | 97±4 | 220 | 211 | 41 | 193 |
| Фон + гумінова кислота з чорнозему південного карбонатного | 85±5 | 193 | 195 | 51 | 146 |
| Фон + гумінова кислота з бурого ґрунту | 86±8 | 195 | 220 | 40 | 141 |
З наведених даних видно, що найбільшою фізіологічною активністю володіють гумінові кислоти чорноземів та темно-каштанових ґрунтів, що мають більш конденсоване ароматичне ядро. Гумінові кислоти дерново-підзолистого та бурого ґрунтів, менш конденсовані та більш дисперсні, мають меншу фізіологічну активність. Розчини гумінових кислот чорнозему справляють сильніший стимулюючий вплив на дихання коренів, ніж розчини гумінових кислот із торфу.
Вчені піддали гідролізу гумінову кислоту торфу та встановили, що гумату калію негідролізованого залишку має більшу фізіологічну активність порівняно з гідролізатами. На їхню думку, ядру гумінових кислот належить провідна роль у стимуляції впливу їх на біохімічні процеси та весь рослинний організм у цілому.
Для більш повної характеристики впливу гумінових кислот різних ґрунтів на рослинний організм був закладений дослід у піщаній культурі з індикаторною культурою — помідорами. Гумінові кислоти вносили у вигляді розчинів гумату калію із розрахунку 0,22 г гумінової кислоти на посудину. Дослід закладений за схемою: 1. Контроль — повна суміш Прянишникова (фон). 2. Фон + 0,22 г гумінової кислоти на посудину. Повторність досліду триразова. Збирання проводили через 4 тижні після появи сходів. У рослинах визначали сиру вагу, активність ферменту пероксидази за методом Починка, відновлюючі цукри за методом Хагедорна-Єнсена, хлорофіл за методом Гетрі, вітамін С за методом Муррі. Після збирання досліду в піщаній культурі визначали загальну кількість мікроорганізмів, що ростуть на МПА, нітрати з дисульфофеноловою кислотою за методом Грандваль-Ляжу, рухливий фосфор за методом Труога. Результати аналізів представлені в таблиці 4.
| Об'єкти дослідження | Вплив гумінових кислот на рослини | Вплив гумінових кислот на ґрунт | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Вага 100 проростків (сира речовина), г | До контролю, % | Активність пероксидази, мг кобальту | Кількість хлорофілу на 100 г сирої речовини, мг | Кількість аскорбінової кислоти на 100 г сирої речовини, мг | Сума цукрів, % | Кількість мікроорганізмів на МПА, тис. на 1 г сухого ґрунту | Кількість NO₃ на 100 г сухого ґрунту, мг | |
| Контроль — суміш Прянишникова (Фон) | 32,6 | 100 | 13,00 | 109,58 | 22,4 | 0,50 | 1760 | 4,16 |
| Фон + гумінова кислота з: | ||||||||
| Дерново-підзолистого ґрунту | 40,88 | 125 | 14,16 | 121,76 | 24,8 | 0,58 | 2090 | 4,54 |
| Сірого опідзоленого ґрунту | 47,63 | 146 | 16,20 | 121,76 | 27,2 | 0,77 | 2280 | 4,90 |
| Чорнозему опідзоленого | 48,22 | 148 | 16,20 | 126,42 | 29,6 | 0,85 | 2750 | 6,09 |
| Чорнозему звичайного | 49,79 | 153 | 16,20 | 131,50 | 30,4 | 0,95 | 2886 | 6,35 |
| Темно-каштанового ґрунту | 62,46 | 192 | 16,20 | 131,50 | 33,0 | 0,85 | 2640 | 7,14 |
| Чорнозему південного карбонатного | 41,66 | 128 | 14,60 | 121,76 | 27,0 | 0,90 | 2616 | 6,66 |
| Бурого ґрунту | 36,53 | 112 | 14,60 | 121,76 | 25,6 | 0,78 | 1932 | 4,54 |
З даних таблиці видно, що більш «зрілі» у генетичному відношенні гумінові кислоти чорноземів та темно-каштанових ґрунтів є фізіологічно більш активними. Під їхнім впливом збільшується вага зеленої маси проростків, підвищується активність дихальних ферментів, збільшується накопичення у рослинах цукрів, аскорбінової кислоти та хлорофілу у більшій мірі, ніж під впливом менш конденсованих гумінових кислот дерново-підзолистого та бурого ґрунтів. У варіантах із гуміновими кислотами з чорноземів та темно-каштанових ґрунтів піщані культури містили більше мікроорганізмів та поживних речовин. Більш «зрілі» гумінові кислоти справляють більший стимулюючий вплив на засвоєння помідорами елементів живлення, завдяки чому підвищується вага проростків та винос поживних речовин.
Висновки
- Гумінові кислоти різних типів ґрунтів мають неоднакові властивості, що значною мірою визначає роль гумусових речовин у ґрунтових процесах, а також їхній вплив на рослинний організм. Більш «зрілі» у генетичному відношенні гумінові кислоти чорноземів та темно-каштанових ґрунтів, що мають більш конденсоване ароматичне ядро, справляють більший стимулюючий вплив на біологічні процеси в ґрунтах та на рослини порівняно з менш конденсованими гуміновими кислотами дерново-підзолистого та бурого ґрунтів.
- Дія гумінових кислот пов'язана, ймовірно, із загальним вмістом у них функціональних груп.
- Одним із чинників більшої ефективності гумінових добрив на дерново-підзолистому та бурому ґрунтах є, очевидно, менша фізіологічна активність гумінових кислот цих ґрунтів.