Фотолиз (или фотодиссоциация) — это химическая реакция, при которой молекула распадается под действием фотона, то есть света, поглощенного ею. В результате фотолиза могут образовываться меньшие молекулы, атомы, свободные радикалы или ионы.

Положительное, а в некоторых случаях и отрицательное действие гумусовых веществ, включая гуминовые препараты, па условия питания и развития растений установлено многими исследователями. Природа явления и механизм взаимодействия гуминовых кислот с растениями дискуссионны, но независимо от этого принципиальное значение приобретает вопрос: почему сравнительно малые дозы гуминовых удобрений могут быть эффективны па почвах, содержащих значительно более высокие количества тех же веществ.

Общий ответ на этот вопрос дает аналогия с понятием доступности растениям элементов минерального питания и азота. Применительно к гуминовым кислотам это понятие значительно шире и включает, очевидно:

• их подвижность (растворимость) в почвах;
• взаимодействие с минеральными компонентами;
• размеры и конфигурацию молекул;
• качество самих молекул: содержание функциональных групп, парамагнитных центров и т. и.

Поэтому, характеризуя физиологическое действие гуминовых веществ, правильнее говорить не о доступности, а об их **активности** или об активных компонентах гумуса.

Одна из причин повышенной активности гуминовых препаратов, по сравнению с нативными гуминовыми кислотами почв, заключается, по нашему мнению, в изменениях, которые происходят в них в ходе приготовления препаратов. Кроме разрушения органо-минеральных связей, воздействие щелочных растворов и других факторов может вызвать:

• гидролиз гумусовых кислот, их окисление;
• изменить характер молекулярно-весового распределения частиц;
• привести к изменению конфигурации и конформации молекул.

Явления такого рода, не меняющие принадлежности соединений к классу гумусовых кислот, но влияющие на детали строения, можно объединить термином «**денатурация**», понимая ее в более широком смысле слова, чем это имеет место в химии белка. Нами были исследованы некоторые из процессов денатурации гумусовых кислот, происходящих под влиянием их высушивания, нагревания и освещения.

---

Деформация молекул гумусовых кислот под влиянием влажности и высушивания

Различия в конфигурации молекул гуматов и гуминовых кислот во влажном (растворенном) состоянии и в сухом виде отчетливо видны при измерении относительных плотностей. Уменьшение молярных объемов белков при растворении в воде хорошо известно. Сухие гуминовые кислоты практически нерастворимы в воде, поэтому мы измеряли их плотность сначала в воде («сухой препарат»), а затем в слабых растворах КОН.

В разбавленных растворах КОН удельные объемы гуминовые кислоты при увеличении концентрации щелочи уменьшаются, а плотности — увеличиваются (рис. 1). При дальнейшем увеличении концентрации щелочи, когда практически полностью нейтрализуются все карбоксильные и все или большая часть фенольных групп, плотность уменьшается, достигая значений меньших, чем в сухом состоянии.

Такое изменение плотности можно объяснить тем, что сухие препараты гуминовых кислот мало гидрофильны, а введение небольшого количества щелочи резко меняет состояние вещества. Появление отрицательных зарядов за счет появления карбоксилат—иолов вызывает растворение части препарата. Молекулы воды ориентируются и уплотняются вблизи ионогенных групп, что влечет за собой кажущееся уменьшение удельного объема; измеряемое значение плотности увеличивается. Связывание воды подтверждается степенью гидратации гуматов, которая по вискозиметрическим данным составляет не менее 1,2—2,5 а воды на 1 г гуминовой кислоты.

При дальнейшей нейтрализации карбоксильных групп появляется большое число отрицательных зарядов; их взаимное отталкивание способствует распрямлению цепей молекулы и вещество стремится занять больший объем, чем в сухом состоянии. Подобное явление известно для РНК, молекула которой приобретает жесткую структуру «палки» под действием электростатического отталкивания соседних ионизированных групп. В соответствии с этими представлениями сложение гуминовых кислот, степень ориентированности молекул, не могут быть одинаковы в сухом состоянии и в геле. В гелях («набухших» препаратах) молекулы гуминовых кислот должны располагаться упорядоченнее, чем в сухих препаратах.

Чтобы проверить последнее предположение, нами были получены дифрактограммы гелей некоторых гуминовых кислот, а затем — дифрактограммы тех же образцов после высушивания их па воздухе. Сухие препараты гуминовых кислот не имеют четких рефлексов; дифракционная картина размыта, интенсивность отражений невелика: ее максимум приходится на область 3,5—3,7 Å (рис. 2).

Интенсивности отражений у гелей резко повышаются, а дифрактограммы по характеру распределения инстенсивностей отражения несколько отличаются от сухих препаратов (рис. 2). Повышение интенсивностей отражений, несомненно, обусловлено большей упорядоченностью расположения молекул. Упорядочению в сухом состоянии препятствуют как полидисперсность, так и деформированность молекул. Максимум интенсивности смещается с 3,5—3,7 Å до 3,3—3,1 Å, что позволяет думать о более высокой деформируемости элементов структуры с большими периодами повторяемости.

На деформируемость молекул гуминовых кислот указывают и другие данные. Обычно электронно-микроскопические снимки свидетельствуют об округлой форме частиц гуминовых кислот. Однако вискозиметрические определения указывают на эллипсоидальную конформацию частиц с соотношением осей 1:6. Вероятно, и при переходе от растворов гуматов, используемых в вискозиметрии, к сухим осадкам (электронная микроскопия) деформация молекул приводит к изменению формы частиц (или ассоциатов) от вытянутой к округлой.

Дополнительным подтверждением деформации гуминовых кислот и фульвокислот при высушивании могут служить снимки поверхности сухих препаратов, полученные с помощью сканирующего микроскопа (рис. 3, 4). На снимках хорошо видно слоистое сложение частиц. Глубокие трещины и разломы указывают на значительную деформацию молекул органического вещества при высушивании.

Полученные результаты позволяют предполагать, что максимальной активностью в почвах обладают те новообразованные гуминовые кислоты, молекулы которых наиболее выпрямлены. Они более подвижны, энергично реагируют с минеральными и органическими компонентами и участвуют в структурообразовании. Старение гуминовых кислот, происходящее в результате высушивания, сопровождается:

• деформацией молекул;
• потерей растворимости;
• внутримолекулярным блокированием части функциональных групп.

Все это приводит к снижению их воздействия на растения.

---

Фотолиз и изменение молекулярно-весового состава под действием света

Иное действие па растворы гумусовых кислот оказывает свет. В наших опытах использовалось излучение ртутно-кварцевых ламп БУВ—15 (монохроматическое излучение с длиной волны 2537 Å) и ПРК—7 (дискретный спектр излучения в области 312—611 нм). Действию света подвергали растворы гумусовых кислот, помещенные в герметически закрытые цилиндрические кварцевые кюветы. Растворителями служили 0,1 н. и 0,01 н. растворы едкого натра и дистиллированная вода. Контроль за действием света вели по электронным спектрам поглощения.

Во всех вариантах опытов обнаружено значительное падение оптической плотности уже через 10—15 мин непрерывного облучения, а через 15—25 часов в ряде случаев растворы обесцвечивались практически нацело (рис. 4). Характер спектров при этом почти не изменялся (рис. 5), было отмечено лишь изменение наклона кривых поглощения.

В ходе опытов проводили контроль температуры:

• При облучении растворов ультрафиолетовым светом лампы БУВ-15 изменения температуры отмечено не было.
• В опытах с лампой ПРК—7, обладающей сильным тепловым излучением, температура растворов поднималась до 40—50°С.

Такое нагревание лишь незначительно влияло на интенсивность окраски, что подтверждают опыты, в которых растворы гуматов натрия нагревали 4 часа в ультратермостате при температуре от 25° до 95°С (Табл. 1). Повышенные температуры снижали оптические плотности растворов, но не настолько, чтобы с этим эффектом можно было связать потерю интенсивности окраски при облучении.

Таблица 1. Изменение оптической плотности растворов гумусовых веществ при нагревании

Температура, °С	Гуматы натрия, рН 12—13				Фульвокислоты
	образец 1	образец 2	образец 3	образец 3; рН 12	образец 3; рН 2,5	образец 2; рН 2,5
20	0,351	4 0,572	0,765	0,510	0,294	0,214
40	0,340	0,560	0,750	0,508	0,306	0,216
60	0,334	0,560	0,741	0,489	0,380	0,218
80	0,327	0,548	0,725	0,482	0,398	0,238
95	0,316	0,508	0,737	0,466	0,408	0,253

Образец 1 — препарат гуминовой кислоты Мерка; образец 2 — дерново-сильно подзолистая почва Московской области, гор. Ар; образец 3 — выщелоченный (горный) чернозем, гор.

Использование ультрафиолетового излучения не исключает возможности окисления гумусовых молекул под влиянием образующегося озона. Чтобы устранить это возражение, мы провели серию опытов с облучением водного раствора фульвокислоты и гумата натрия лампой ПРК—7, дающей излучение в видимой и ближней ультрафиолетовой областях. Из рисунка 6 следует, что при равных дозах поглощенной энергии оптическая плотность гумусовых веществ изменяется одинаково под действием излучения с любой изученной длиной волны.

Опыты подтверждают, что действие озона, как и нагревание, может быть лишь сопутствующим, особенно если учесть, что озон образуется только под действием излучения с длиной волны менее 280 нм. Излучение в области 300—330 нм способствует разрушению озона, его превращению в молекулярный кислород.

Главная причина изменения оптических характеристик гумусовых веществ при облучении — **реакции фотолиза, фотохимической деструкции**. Обесцвечивание растворов гумусовых веществ при облучении сопровождается, как показывают наши опыты, изменением молекулярно-весового распределения частиц (рис. 7).

Кривые гельфильтрации гуматов натрия на сефадексах имеют два максимума: А (высокомолекулярная фракция) и Б (низкомолекулярная). После облучения увеличивается выход фракции Б по сравнению с А. Сравнение кривых элюации на геле также указывает на уменьшение молекулярного веса гуминовой кислоты после облучения:

• Максимумы на кривых элюации смещаются в сторону меньших молекулярных весов.
• Средневесовой молекулярный вес низкомолекулярной фракции уменьшается после облучения с 13800 до 2975.
• На кривой элюирования через сефадекс появляется новая фракция С, молекулярный вес которой 15600.

Под действием света меняется и состав гумусовых веществ, на что указывают ИК — спектры (рис. 8):

• Наблюдаются тенденции к относительному усилению интенсивности полосы 1620—1630 см⁻¹ по сравнению с полосой —СООН (1715 см⁻¹).
• Несколько возрастает также поглощение в области 1000—1100 см⁻¹ и 3400 см⁻¹, что можно отнести за счет деформационных колебаний спиртовых и фенольных гидроксилов.

По-видимому, действие света приводит к существенным изменениям гумусовых веществ:

• уменьшается размер их молекул;
• увеличивается окисляемость за счет увеличения числа карбонильных групп (возможно хиноиов), гидроксильных групп спиртов и фенолов;
• уменьшается длина цепей сопряжения — С=С — связей.

Наряду с перечисленными процессами, интенсивное освещение гумусовых кислот вызывает резкое увеличение в них **парамагнитных центров** (свободных радикалов). В наших опытах концентрация ПМЦ после облучения щелочных растворов гуматов увеличивалась от 0,53 до 1,5, при сопутствующем снижении оптических плотностей.

Следует подчеркнуть, что фотохимическая деструкция гумусовых кислот осуществляется не только под воздействием сравнительно мощных источников излучения. Если облучение лампами снижает оптическую плотность гуматов на 50—70% за 15—20 час., то при дневном освещении тот же эффект достигается за 4—8 месяцев. Экспериментальные данные согласованно указывают на фотохимическую деструкцию гумусовых кислот, протекающую по типу окислительных процессов с участием свободных радикалов.

Тот же процесс неизбежно должен иметь место при извлечении гумусовых веществ щелочными растворами из почв и дальнейшем приготовлении гумусовых препаратов.

Таким образом, можно полагать, что в ходе приготовления гуминовых препаратов происходит **активация гумусовых веществ**, которая включает:

• изменение конформации их молекул;
• высвобождение функциональных групп;
• частичный распад наиболее высокомолекулярных фракций па составляющие фрагменты с меньшим МВ;
• частичное окисление с накоплением карбонильных (возможно хинонных) групп;
• увеличение концентрации парамагнитных центров.

Активированные таким образом молекулы более энергично влияют на развитие растений и условия их питания. Те же факторы: освещенность, температура, периодичность и степень высушивания неизбежно должны привести и к различиям многих свойств гумусовых кислот зональных типов почв.