Механизм образования и действия гуматов

Строение гуминовых кислот. Схема образования гумата. Биологическая активность гуматов как совокупный фактор воздействия на экосистему «вода – растение - почва». Связь между строением гуминовых кислот и различными факторами воздействия на экосистему.

В предыдущем разделе мы привели приблизительные значения диапазонов молекулярных масс гуминовых веществ по R.T.Pettit. На самом деле гуминовые кислоты - это вещества очень сложного строения, состоящие из отдельных повторяющихся фрагментов, связанных между собой. Гипотетическая структурная формула такого фрагмента приведена на рис. 2.

Рис. 2. Возможная структурная формула фрагмента гуминовой кислоты

Наиболее полное представление о структуре этих соединений дает публикация Д.А. Князева с соавторами . На основе модели Шультена-Шнитцера авторы установили, что мономер (фрагмент) гуминовой кислоты имеет общую формулу С305H299N16O134S с молекулярной массой 6364. Формула включает 26 карбоксильных групп (СООН), 34 фенольных и гидроксильных группы (ОН), 6 аминогрупп (NH2) а также 7 гетероциклических атомов азота. Молекула может содержать от 2 до 15 таких фрагментов, образующих с помощью углеводородных или химических связей цепочки, которые в естественном состоянии свернуты в клубок. Эти клубки образуют крупные агрегаты, формирующие органическую часть почвы. Размеры таких агрегатов достигают 150 Ангстрем, что не позволяет им проникать через клеточную мембрану. Поэтому в естественных условиях только ничтожная часть гумусовых веществ – обрывки фрагментов молекул, образующиеся в результате химических реакций в почвенном растворе или под действием микроорганизмов, могут попадать внутрь клетки и выполнять функцию стимулятора роста и развития растений.

Кроме того, в природных каустобиолитах ГК находятся в связанном состоянии. Они входят в органоминеральные комплексы, образуя нерастворимые соединения с Ca, Mg, Fe, Al и другими минеральными составляющими. Их молекулы практически нерастворимы и неподвижны, а функциональные группы блокированы, что не позволяет ГК в полной мере проявлять биологическую активность в почве, торфяных удобрениях и мелиорантах.

Вследствие плохой растворимости в воде биологическая активность природных гуминовых кислот очень мала, и именно поэтому для обеспечения плодородия почвы содержание гумуса в ней должно быть достаточно большим, как, например, в знаменитых черноземах на юге России. Обработка природных гуминовых комплексов щелочными агентами переводит их в водорастворимые соли - гуматы натрия или калия по схеме :

Из этой схемы следует, что после такой обработки в результате искусственной замены металла (кальция, магния, железа, алюминия и т.п.) на натрий (калий) изменяется не химическая природа гуминовой кислоты, а ее конформация. Функциональные группы в результате последующей диссоциации приобретают одноименный электрический заряд, и части молекулы, отталкиваясь друг от друга, разворачивают клубок в длинную цепочку. В результате клубок развертывается, и образовавшаяся цепочка уже в состоянии пройти через клеточную мембрану и попасть внутрь клетки. Это приводит к повышению уровня биологической активности молекул гуминовой кислоты в тысячи раз.

Каждая функциональная группа, показанная на фрагменте (рис.2), выполняет свою собственную роль, а таких групп очень много, поэтому воздействие гуматов на все стадии роста и развития растений многогранно.

Например, карбоксильные (СООН) и фенольные (ОН) группы способны образовывать хелатные комплексы с микроэлементами и в таком виде транспортировать их в растения, они же обеспечивают высокую обменную ёмкость гуминовых кислот. Другие группы, называемые хинонами (СО=С6Н4=ОС), содержат нелокализированные электроны, способные улавливать, накапливать, а затем отдавать растительной клетке солнечную энергию, увеличивая таким образом ее энергетику.

Эти два частных примера иллюстрируют только отдельные аспекты биологической активности гуматов. Важную роль играет не только наличие функциональных групп, но их взаимное расположение.

Анализируя результаты исследований различных ученых, мы смогли составить схему 16 факторов воздействия гуматов на экосистему «вода – растение - почва» (см. рис. 3 и табл. 3). Каждый из этих факторов независимо от других приводит к определенному положительному результату, проявляющемуся, в конечном счете, в увеличении урожайности, повышении питательной ценности и экологической чистоты плодов, ускорении роста, развития и созревания плодов, повышении устойчивости к болезням, сорнякам, вредителям, засухе, заморозкам и другим неблагоприятным условиям.

Рассмотрение этой схемы начнем с наиболее простой системы «гумат – вода». Раствор гумата в воде служит питательной средой для растений, но взаимодействие гумата с водой далеко не ограничивается этим очевидным фактом. Установлено ( см. ниже), что гуматы при растворении в воде придают раствору свойства «талой воды», обладающей, как известно, повышенной проникающей способностью и целебным действием на живые организмы. Например, американские фермеры утверждают, что введение в рацион свиней талой воды ускоряет их рост и приносит «по одному бифштексу в день от каждой свиньи». Отметим, что вода в тканях нашего тела также имеет структуру «талой воды». Талая вода может способствовать транспортировке гидратированных молекул гумата в клетки растения. В литературных источниках отмечается ряд важных положительных функций талой воды, среди которых выделяют функции стимуляции иммунной системы и , как следствие, мобилизации защитных свойств организма.

Для того, чтобы понять о какой новой структуре воды идет речь, в Иркутском Государственном Университете была установлена зависимость от концентрации ГК релаксационных характеристик воды по спектрам ЯМР О17 в системе ГК-NaOH – D2O. В области относительно высоких концентраций – 0.025% и выше - значения этого параметра близки к значению для исходной воды, но с уменьшением концентрации гумата этот параметр резко возрастает, проходя через максимум в точке, отвечающей концентрации гумата 0.0004% (рис.4). В интервале концентраций 0.0002-0.005 % отмечено расширение сигнала ЯМР с 52.7 до 103 Гц, то есть, именно в этом интервале рост значений этого параметра существенно превышает исходное значение. Вероятно, в этом диапазоне концентраций наблюдается максимальное влияние молекул воды на изменение надмолекулярной структуры гуминовых кислот, или, иными словами, на изменение молекулярной подвижности отдельных компонентов и степени полидисперсности молекул гуминовых кислот. Поскольку зависимость сигналов ЯМР от температуры воды в интервале от 0 до точки кипения имеет аналогичный пик в области 4 0С, соответствующий максимальному структурированию молекул, можно предположить, что в растворе гумата в указанном диапазоне концентраций происходит структурирование водной матрицы, приводящее к эффекту получения «талой воды». На наш взгляд, это очень важный результат, укладывающийся в логическую цепь обоснования оптимальной концентрации раствора гумата в клетках и межклеточной плазме растений.

Оказалось, что легче всего определить роль структурирования воды в присутствии гуматов на самой первой стадии развития растений – при замачивании и проращивании семян. Тест-объектом служили жизнеспособные семена гороха Pisum sativum L с низким вигором (контрольная всхожесть 16.7 %). Набухание семян проводили в чашках Петри в термостате при 24 0 С в темноте. Скорость набухания определяли весовым методом через 3, 4, 6 и 24 часа. Набухшие семена проращивали в рулонах фильтровальной бумаги в тех же условиях. По количеству нормально проросших семян в течение 5 суток рассчитывали всхожесть в % к общему числу семян и энергию прорастания ( по числу семян проросших на второй день). По истечении 5 суток измеряли длины главных зародышевых корешков. Все опыты проводили в 3-кратной повторности (20 семян в каждой). Нами доказано, что структурирование воды приводит к более медленному процессу набухания семян, так как полимеры структурированной (талой) воды за счет стерических (пространственных) эффектов более медленно проникают вглубь семени, обеспечивая щадящий режим набухания и предотвращая разрыв клеточных мембран. (рис.7, кривая 1) В результате семена в указанном диапазоне концентраций прорастают быстрее (кривая 2). При этом обе кривые имеют четко выраженный экстремум при концентрации 0.001 %.

Таблица 3 Факторы и результат воздействия гуматов на экосистему «вода – растение - почва»

Рис. 5. Влияние концентрации гумата натрия на набухание и прорастание семян гороха. 1 – Набухание в % к исходной массе за 6 часов, 2- Длина зародышевых корешков через 5 суток, см

Это хорошо иллюстрируется рис. 7, где показана зависимость индекса роста от концентрации гумата в растворе. На представленной диаграмме мы видим, что эта зависимость проходит через максимум при концентрации 0.001%, отвечающей минимуму набухания и максимуму прорастания, но при дальнейшем росте концентрации снова возрастает. Следовательно, на стадии роста преобладающую роль играет уже не концентрация, а доза гумата.

Рис. 6. Изменение индекса роста проростков гороха в зависимости от концентрации гумата натрия

Установлено также, что гуматы связывают присутствующие в воде вредные примеси (Ca, Fe, Al и т.п.) и таким образом могут использоваться для очистки воды от загрязнений и блокирования их поступления в растение как из почвы, так и из атмосферы (кислотные дожди, атмосферные промышленные выбросы и т.п.).

В системе «гумат – растение» отмечено два независимых явления, имеющие очень большое значение.

Первое явление - это рост энергетики клетки и связанная с ним интенсификация обменных процессов. Хиноновые группы в составе молекулы гуминовой кислоты имеют четыре сопряженных пи-связи, электроны которых способны к захвату кванта солнечной энергии с переходом на более высокий энергетический уровень. Накопленная таким образом солнечная энергия может быть передана растительной клетке в нужный момент, что приводит к интенсификации обменных процессов. При сопоставлении парамагнитных свойств и физиологической активности гуминовых кислот установлено, что световая энергия принимает активное, а возможно, и решающее значение в формировании энергетического потенциала, состава и физико-химических свойств гумуса. Электромагнитное излучение индуцирует парамагнетизм и стимулирующий эффект гуминовых кислот. Так, специальные опыты на хлопчатнике, овощных и зерновых культурах показали, что гуминовые кислоты с высоким парамагнетизмом при концентрациях раствора 0.001 – 0.01% наиболее сильно стимулируют рост и развитие растений.

Наши эксперименты по воздействию некоторых видов полей на гуматы привели к аналогичным результатам. Передача растительной клетке энергии, накопленной гуминовой кислотой, ускоряет пробуждение и прорастание семени, развитие корневой системы, стимулирует рост, активизирует белковый и углеводный обмен веществ, улучшает биохимический состав растений путем образования специальных ферментов. Эти ферменты повышают устойчивость растений к неблагоприятным факторам внешней среды и стрессовым ситуациям, таким как засуха, заморозки, болезни и другие, и способствуют развитию таких направлений процесса усвоения азота, которые снижают образование нитратов. Одновременно ускоряется синтез хролофилла, сахаров, витаминов, необходимых аминокислот, масел, повышается содержание клейковины в пшенице и т.д. Происходит интенсификация репарационных процессов в поврежденных растениях (ускорение восстановления клеток, поврежденных пестицидами, вредными веществами и патогенными организмами). Интенсифицируется дыхание через вегетативную и корневую системы.

Однако до сих пор нет полной ясности в том, каким путем передается клетке эта накопленная энергия, так как нет достаточных доказательств поступления целых макромолекул ГК внутрь клетки. Тем не менее, с помощью «меченого» углерода доказано, что самая большая концентрация ГК накапливается в клеточных мембранах и клеточных органеллах типа митохондрий и рибосом (R. Pettit, 1999). Другие подобные эксперименты с применением маркированных «меченым» углеродом гуминовых кислот показали, что низкомолекулярные фракции ГК более активны, чем высокомолекулярные.

Интересная гипотеза была высказана относительно недавно. Авторы предложили объяснение механизма действия гуминовых веществ на живую клетку, не требующее предположений о переносе молекул ГК в ее внутреннюю среду. По их гипотезе, макромолекулы ГК сорбируются на внешней стороне цитоплазматической мембраны или клеточной стенки, образуя ажурную сетку, свободно пропускающую в клетку элементы минерального питания и низкомолекулярные органические соединения типа сахаров или аминокислот и одновременно связывающую токсичные ионы и свободные радикалы внешней среды. В этом случае энергетический выигрыш от использования ГК выражен в снижении энергетических затрат клетки на устранение негативных эффектов от токсинов, а повышение экологической чистоты потребляемых продуктов растениеводства выражается в блокировании поступления токсинов в растение и в переводе их в связанное неактивное состояние. Высвобожденная энергия может быть направлена на увеличение интенсивности клеточного деления, что вызывает ускоренный рост растений. Рост энергетики клетки приводит также к улучшению усвоения элементов питания, что, в частности, влечет снижение нитратов в плодах более чем на 50%. То есть, существует прямая зависимость между ростом энергетики клетки при потреблении гуматов и улучшением усвоения ею поступающих в нее питательных элементов.

Второе явление - это увеличение проницаемости клеточной мембраны, что ускоряет дыхание растений, облегчает попадание питательных веществ внутрь клетки и, в конечном счете, приводит к увеличению интенсивности роста и развития растений. Кроме того, существует прямая зависимость между интенсивностью дыхания и проникновением элементов минерального питания в растения, что приводит к синергетическому эффекту.

ГК одновременно влияют и на гидрофильные (имеющие сродство к воде), и на гидрофобные (водоотталкивающие) участки на поверхности клеточных мембран. При этом ГК изменяют электрический заряд на их фосфолипидных компонентах. В результате этих электрических изменений поверхности мембраны она становится более активной для транспортировки микроэлементов и других питательных веществ внутрь клеточной цитоплазмы.

Важно отметить, что это явление весьма избирательно. Например, проницаемость иона калия увеличивается на два порядка (в 100 раз), а натрия только на один (в 10 раз), что положительно сказывается на питании растений.

Основываясь на теории, предусматривающей три последовательных этапа поступления минерального питания из почвы в растение, показал, что первые два этапа активизируются в основном гуматом калия (катион калия играет роль структурообразующей единицы), а третий этап – гуматом натрия (катионы натрия выполняют транспортирующую функцию). Отсюда следует, что оптимальной является смесь гуматов калия и натрия.

В цитируемой работе показано также, что прохождение второго этапа поглощения минерального питания растением связано с дыханием. При поглощении кислорода клетками в почвенный раствор выделяются катионы водорода и анионы бикарбоната (HCO3-). Именно они являются обменным фондом для поглощения корневой системой почвенных ионов. Поэтому существует прямая зависимость между повышением интенсивности дыхания, вызываемой гуматами, и улучшением проникновения элементов минерального питания в растения.

В системе «гумат – почва» наблюдается особенно большое многообразие явлений. Плодородие почвы издавна связывали с присутствием в них гумуса. Установлено, что гуминовые вещества принимают участие в регулировании практически всех важнейших ее свойств. Они формируют более темную окраску почвы, тем самым увеличивают коэффициент поглощения солнечных лучей. Для стран с холодным и умеренным климатом способность гумата окрашивать почву в темный цвет имеет существенное значение. Формируя окраску, гуматы изменяют тепловой режим. Это особенно важно для холодных глинистых и светлых песчаных почв, которые под действием гуматов становятся теплее. Это улучшает условия жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, пробуждения семян, прорастания растений и их роста на ранних стадиях развития.

Коллоидная структура гуминовых кислот и высокая гидрофильность функциональных концевых групп придают им способность к гелеобразованию. Именно этим объясняется неоднократно отмеченное повышение влагоудержания почвы после обработки гуматами. Это обстоятельство чрезвычайно важно для засушливых регионов, так как обработка гуматами повышает влагонасыщение почвы и уменьшает количество воды, необходимое для полива. Например, у песчаных грунтов влагоудерживающая способность под действием гумата увеличивается более чем в десять раз. На этих же принципах основано применение гуматов в качестве мелиорантов.

Длительная обработка гуматами способствует улучшению структуры почв. Выше уже отмечалась важная роль взаимодействия гуматов с металлами, приводящего к образованию комплексов или нерастворимых солей. Оказалось, что этот процесс важен не только для питания растений, но и для структурирования почв. Попадая в почву, гумат, реагируя с кальцием, магнием, алюминием и железом, всегда присутствующими в почве, образует органоминеральные мостики, связывающие механические частицы почв в некую структуру, способную противостоять эрозии и уносу плодородного слоя ветрами, удерживать влагу и воздух, создавать благоприятную среду для жизнедеятельности микроорганизмов и повышения плодородия почвы.

Гуматы в почве – это кладовая, где хранится запас питательных веществ, выдаваемых растению по мере его потребности в них.

Гуматы образуют нерастворимые соединения с тяжелыми металлами (свинец, ртуть, хром, кадмий и др.), попадание которых в плоды, а затем и в организм человека и животных приводит к серьёзным заболеваниям, и создают тем самым преграду для их проникновения в клетку растения. Фотосъёмкой из космоса установлено, что в регионах, где почвы богаты гуминовыми кислотами, удаётся сохранить экологическое равновесие, несмотря на интенсивную техногенную нагрузку. Большое значение имеет способность гумата связывать в комплексы ионы железа и алюминия, избыточные количества которых в почве губительно сказываются на питании растений фосфором. При этом железо образует комплексы с гуматами, обеспечивающие транспортировку его в растения, а алюминий связывается в нерастворимое соединение и, таким образом, его вредное влияние на фосфаты нейтрализуется.

Взаимодействие гуматов с почвенными минералами, почвенными агрегатами, почвенной влагой и почвенной микрофлорой настолько разнообразно, что эти вопросы будут рассмотрены нами дополнительно в разделе 2.1.