Свойства гуминовых кислот различных почв Украины и их физиологическая активность
Гумусовые вещества, несмотря на общие черты строения, не являются химически индивидуальными соединениями. Представляя собой группу полимеров ароматического строения, эти вещества по своей природе и свойствам неоднородны. Общим для всех гуминовых кислот, выделенных из различных почв, является участие в их образовании полифенолов. Нашими учеными была предложена формула гуминовых кислот чернозема, торфа и леонардита, общим свойством которых является наличие в их молекуле полифенольных и хиноидных групп.
Разнообразие гумусовых веществ проявляется в различной степени конденсированности ароматических ядер в их молекулах, в соотношении ароматических и алифатических структур и т. д. Отличия в природе и свойствах гуминовых кислот различного происхождения, по-видимому, находят свое отражение в неодинаковой физиологической активности последних.
Исследователи ряда стран указывали на многостороннее участие гумусовых веществ в физиологических и биохимических процессах, происходящих в растениях. Установлено, что гумусовые вещества различного происхождения в малых концентрациях оказывают глубокое и многостороннее воздействие на растение. Однако гуминовые вещества различных почв неидентичны. Отсюда следует, что и действие их на растения не может быть совершенно одинаковым. Логично предположить, что характер и степень воздействия гуминовых кислот из различных почв на растительный организм находятся в прямой зависимости от состава и свойств этих кислот. Изучению этого вопроса в диапазоне главнейших почвенных типов Украины посвящено настоящее исследование.
Изучение природы и свойств гуминовых кислот
Приемы фракционирования
Применя различные приемы фракционирования (дробное осаждение кислотами и буферными растворами, ультрацентрифугирование, разные виды хроматографии, электрофорез и другие), гумусовые вещества можно разделить на несколько фракций. При помощи электрофореза на полосках бумаги гуминовую кислоту разделили на две фракции, которые по цвету соответствовали серой и бурой гуминовым кислотам. Все гуминовые кислоты, по мнению исследователей, представляют собой смесь этих двух фракций с преимущественным содержанием той или другой.
С помощью методов хроматографии на крахмальных колонках и бумаге, а также электрофореза на бумаге удалось разделить гуминовые кислоты чернозема и дерново-подзолистой почвы на три фракции, одна из которых обнаруживается только в ультрафиолетовом свете. Поскольку разделение гуминовых кислот при помощи электрофореза на полосках бумаги не позволяет получить достаточное количество отдельных фракций, ученые перешли к методу непрерывного электрофореза, с помощью которого удалось разделить гуминовую кислоту на 10--15 фракций, представляющих собой переход от серых гуминовых кислот к бурым.
При фракционировании гуминовых кислот различных почв посредством круговой хроматографии на бумаге их зоны различались между собой. У гуминовой кислоты из чернозема зоны были более компактными, в то время как у гуминовой кислоты дерново-подзолистой почвы они имели расплывчатый вид.
Фракционирование гуминовых кислот методом электрофореза также показало, что гуминовые кислоты чернозема состоят из малоподвижных в электрическом поле фракций, основная часть которых остается на старте, и лишь незначительное количество передвигается в сторону анода. Гуминовые кислоты краснозема и дерново-подзолистой почвы имели повышенную подвижность и флуоресцирующую способность.
В нашей работе выделение препаратов гуминовых кислот из различных почв производили из предварительно декальцированной почвы. Для изучения природы и свойств гуминовых кислот применялись методы круговой хроматографии и электрофореза на бумаге.
Фракционирование гуминовых кислот при помощи круговой хроматографии проводили по методу Кононовой и Бельчиковой с той разницей, что использовалась быстрофильтрующая бумага, что позволило сократить экспозицию до двух часов. При дневном свете на хроматограммах всех гуминовых кислот наблюдались две зоны: первая --- в центре хроматограммы, на месте нанесения препарата, и вторая --- на определенном расстоянии от первой в виде узких светло-бурых колец. Гуминовые кислоты чернозема давали узкие и более компактные кольца, дерново-подзолистой почвы --- расплывчатые, а из остальных почв кольца занимали промежуточное положение. В ультрафиолетовом свете хроматограммы выглядели иначе: наблюдались три зоны. Непосредственно вокруг темноокрашенного пятна видно еще одно кольцо, обладающее свойствами флуоресценции, которое у гуминовой кислоты чернозема флуоресцирует оранжево-желтым светом, дерново-подзолистой почвы --- ярко-желтым с голубоватым оттенком, а гуминовые кислоты из остальных почв дают флуоресцирующие кольца, занимающие промежуточное положение. Следующее за этой зоной кольцо, которое при дневном свете имеет светло-бурый оттенок, в ультрафиолетовом свете флуоресцирует в том же порядке цветов.
После часовой разгонки на полосках бумаги выделились две зоны: первая, оставшаяся на старте, окрашена в сероватый цвет; вторая, находящаяся на определенном расстоянии от первой, окрашена в буроватый цвет. В ультрафиолетовом свете обнаруживается третья зона, обладающая флуоресцирующей способностью, причем у гуминовых кислот чернозема она флуоресцирует оранжево-желтым светом, дерново-подзолистой почвы --- желтым, остальных --- переходными оттенками.
Различия в характере распределения веществ по зонам иллюстрируются кривыми, записанными при помощи денситометра. У гуминовых кислот чернозема и темно-каштановой почвы большая часть вещества остается на старте, и лишь небольшая часть передвигается в сторону анода. Наиболее интенсивное передвижение наблюдается на фореграмме гуминовой кислоты дерново-подзолистой почвы, где большая часть вещества передвигается в сторону анода. Гуминовая и фульвовая кислота серой оподзоленной почвы занимает промежуточное положение.
Таким образом, фракционирование гуминовых кислот при помощи хроматографии и электрофореза подтверждает положение о неоднородности гуминовых кислот, причем соотношение подвижных и неподвижных фракций в гуминовых кислотах различных почвенных типов неодинаковое: гуминовая кислота чернозема содержит меньше подвижных фракций, дерново-подзолистой почвы --- больше. Содержанием тех или иных фракций в составе гумусовых веществ определяется их природа --- степень конденсированности ароматического ядра, соотношение ароматических структур, наличие и расположение функциональных групп и т. д.
Величина оптической плотности и порог коагуляции характеризуют степень дисперсности гумусовых веществ и являются косвенными показателями степени их сложности или конденсированности частиц. Оптическую плотность определяли по методу Кононовой на фотометре. Порог коагуляции устанавливали по наименьшему количеству электролита (CaCl₂), необходимого для полной коагуляции гуминовой кислоты за тот или иной промежуток времени. Концентрация рабочего раствора гуминовой кислоты составляла 0,136 г/л.
| Объекты исследования | Оптическая плотность (λ=440 нм) | Количество CaCl₂ на 1 г гумата, мг-экв | ||
|---|---|---|---|---|
| Начало коагуляции | Появление осадка через 30 минут | Полная коагуляция (через 2 и 4 часа) | ||
| Гуминовые кислоты из: | ||||
| Дерново-подзолистой почвы | 1,32 | 5 | 18 | Раствор над осадком светло-бурый (20) |
| Серой оподзоленной почвы | 1,92 | 4 | 14 | Раствор над осадком светло-бурый (18) |
| Чернозема оподзоленного | 2,32 | 3 | 12 | Раствор над осадком светло-бурый (16) |
| Чернозема обыкновенного | 2,52 | 1 | 10 | Раствор над осадком светло-бурый (18) |
| Темно-каштановой почвы | 2,08 | 2 | 13 | Раствор над осадком светло-бурый (20) |
| Чернозема южного карбонатного | 1,68 | 4 | 15 | Раствор над осадком светло-бурый (18) |
| Коричневой почвы | 1,08 | 4 | 15 | Раствор над осадком светло-бурый (18) |
Данные таблицы 1 показывают, что степень конденсированности ароматических сеток углеродных атомов в гуминовых и фульвовых кислотах от дерново-подзолистых почв к черноземам возрастает при одновременном уменьшении в их молекулах боковых алифатических цепей. Обратное соотношение этих структур наблюдается у гуминовых кислот при переходе от черноземов к каштановым и далее к коричневым почвам. Это положение подтверждается результатами, полученными при определении порога коагуляции гуминовых и фульвовых кислот. Данные таблицы указывают на высокую дисперсность гуминовых кислот дерново-подзолистых и коричневых почв, что свидетельствует о большом содержании в их молекулах боковых радикалов, несущих гидрофильные группы.
Все это свидетельствует о том, что с переходом от дерново-подзолистых почв к черноземам природа гуминовых кислот усложняется: в них более четко проявляется конденсированное ароматическое ядро при одновременном уменьшении количества боковых радикалов; обратное явление наблюдается при переходе от обыкновенных к южным карбонатным черноземам и коричневым почвам.
Наличием функциональных групп (карбоксильных и фенольных гидроксилов) определяются кислотные свойства и емкость обмена гуминовых и фульвовых кислот. Общее содержание функциональных групп в гуминовых кислотах определяли по методу Драгуновой, а содержание карбоксильных групп --- по методу Кухаренко, т. е. путем настаивания навесок гуминовых кислот с 0,5 н. раствором ацетата кальция, pH которого 6,8--7. Результаты анализов приведены в таблице 2.
| Объекты исследования | Общее количество функциональных групп, мг-экв Ba, связанного 1 г гуминовой кислоты | Количество карбоксильных групп, мг-экв Ca, связанного 1 г гуминовой кислоты | Емкость обмена на 100 г абсолютного сухого беззольного вещества, мг-экв |
|---|---|---|---|
| Гуминовые кислоты из: | |||
| Дерново-подзолистой почвы | 5,91 | 2,89 | 289 |
| Серой оподзоленной почвы | 7,17 | 3,21 | 321 |
| Чернозема слабооподзоленного | 7,57 | 4,05 | 405 |
| Чернозема обыкновенного | 8,32 | 5,11 | 511 |
| Темно-каштановой почвы | 8,22 | 4,20 | 420 |
| Чернозема южного карбонатного | 6,65 | 3,79 | 379 |
| Коричневой почвы | 5,57 | 2,22 | 222 |
Из данных таблицы видно, что содержание функциональных групп, способных к обменным реакциям, возрастает от дерново-подзолистой почвы к черноземам; с переходом к темно-каштановым и коричневым почвам оно уменьшается. Все вышеизложенные различия в составе и свойствах гуминовых кислот различного происхождения в значительной мере определяют роль последних в почвенных процессах, а также их влияние на растительный организм.
Физиологическая активность гуминовых кислот различных почв Украины
Растворимые соли гуминовых кислот с одновалентными металлами усваиваются растениями и вызывают определенный физиологический эффект, усиливая рост, прежде всего корневой системы, а затем и надземной массы. Влияние гуминовых кислот наиболее сильно сказывается в начальный период развития растений. Наши ученые считают, что физиологическая активность гуминовых кислот непосредственно связана с определенным строением их молекулы и, прежде всего, с наличием в них хиноидных и полифенольных групп.
Физиологическую активность гуминовых кислот определяли постановкой опытов с ячменем на обедненной смеси Прянишникова, из которой были исключены кальций и железо, так как они коагулируют гуминовую кислоту и переводят ее в физиологически неактивное состояние. Поскольку опыты были кратковременными, предполагалось, что запаса этих элементов, содержащегося в семени, будет достаточно. Преципитат в смеси Прянишникова был заменен буферной смесью Серенсена с pH, равным 6,8--7.
Опыт закладывали по следующей методике. К смеси Прянишникова (разведенной водой 1:1) добавляли определенные количества растворов гуминовых кислот до концентрации 0,001%. Проростки семян высаживали в химические стаканы емкостью 700 мл по два растения в каждый. Повторность опыта трехкратная. Обмер опытных растений производили через две недели. Для проверки воспроизводимости такие опыты закладывали четыре раза.
| Объекты исследования | Опыт 1 | Опыт 2 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Средняя длина корня 1 порядка, мм | К контролю, % | Средняя высота надземной части, мм | Число корней 2 порядка | К контролю, % | |
| Контроль --- обедненная смесь Прянишникова (Фон) | 44±1 | 100 | 179 | 16 | 100 |
| Фон + гуминовая кислота из дерново-подзолистой почвы | 67±5 | 152 | 201 | 36 | 127 |
| Фон + гуминовая кислота из серой оподзоленной почвы | 87±9 | 198 | 190 | 39 | 158 |
| Фон + гуминовая кислота из чернозема оподзоленного | 103±2 | 234 | 201 | 44 | 186 |
| Фон + гуминовая кислота из чернозема обыкновенного | 107±3 | 243 | 203 | 39 | 172 |
| Фон + гуминовая кислота из темно-каштановой почвы | 97±4 | 220 | 211 | 41 | 193 |
| Фон + гуминовая кислота из чернозема южного карбонатного | 85±5 | 193 | 195 | 51 | 146 |
| Фон + гуминовая кислота из коричневой почвы | 86±8 | 195 | 220 | 40 | 141 |
Из приведенных данных видно, что наибольшей физиологической активностью обладают гуминовые кислоты черноземов и темно-каштановых почв, имеющие более конденсированное ароматическое ядро. Гуминовые кислоты дерново-подзолистой и коричневой почв, менее конденсированные и более дисперсные, обладают меньшей физиологической активностью. Растворы гуминовых кислот чернозема оказывают более сильное стимулирующее действие на дыхание корней, чем растворы гуминовых кислот из торфа.
Ученые подвергли гидролизу гуминовую кислоту торфа и установили, что гумата калия негидролизуемого остатка обладает большей физиологической активностью по сравнению с гидролизатами. По их мнению, ядру гуминовых кислот принадлежит ведущая роль в стимуляции воздействия их на биохимические процессы и весь растительный организм в целом.
Для более полной характеристики воздействия гуминовых кислот различных почв на растительный организм был заложен опыт в песчаной культуре с индикаторной культурой --- помидорами. Гуминовые кислоты вносили в виде растворов гумата калия из расчета 0,22 г гуминовой кислоты на сосуд. Опыт заложен по схеме: 1. Контроль --- полная смесь Прянишникова (фон). 2. Фон + 0,22 г гуминовой кислоты на сосуд. Повторность опыта трехкратная. Уборку производили через 4 недели после появления всходов. В растениях определяли сырой вес, активность фермента пероксидазы по методу Починка, редуцирующие сахара по методу Хагедорна-Иенсена, хлорофилл по методу Гетри, витамин С по методу Мурри. После уборки опыта в песчаной культуре определяли общее количество микроорганизмов, растущих на МПА, нитраты с дисульфофеноловой кислотой по методу Грандваль-Ляжу, подвижный фосфор по методу Труога. Результаты анализов представлены в таблице 4.
| Объекты исследования | Влияние гуминовых кислот на растения | Влияние гуминовых кислот на почву | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Вес 100 проростков (сырое вещество), г | К контролю, % | Активность пероксидазы, мг кобальта | Количество хлорофилла на 100 г сырого вещества, мг | Количество аскорбиновой кислоты на 100 г сырого вещества, мг | Сумма сахаров, % | Количество микроорганизмов на МПА, тыс. на 1 г сухой почвы | Количество NO₃ на 100 г сухой почвы, мг | |
| Контроль --- смесь Прянишникова (Фон) | 32,6 | 100 | 13,00 | 109,58 | 22,4 | 0,50 | 1760 | 4,16 |
| Фон + гуминовая кислота из: | ||||||||
| Дерново-подзолистой почвы | 40,88 | 125 | 14,16 | 121,76 | 24,8 | 0,58 | 2090 | 4,54 |
| Серой оподзоленной почвы | 47,63 | 146 | 16,20 | 121,76 | 27,2 | 0,77 | 2280 | 4,90 |
| Чернозема оподзоленного | 48,22 | 148 | 16,20 | 126,42 | 29,6 | 0,85 | 2750 | 6,09 |
| Чернозема обыкновенного | 49,79 | 153 | 16,20 | 131,50 | 30,4 | 0,95 | 2886 | 6,35 |
| Темно-каштановой почвы | 62,46 | 192 | 16,20 | 131,50 | 33,0 | 0,85 | 2640 | 7,14 |
| Чернозема южного карбонатного | 41,66 | 128 | 14,60 | 121,76 | 27,0 | 0,90 | 2616 | 6,66 |
| Коричневой почвы | 36,53 | 112 | 14,60 | 121,76 | 25,6 | 0,78 | 1932 | 4,54 |
Из данных таблицы видно, что более «зрелые» в генетическом отношении гуминовые кислоты черноземов и темно-каштановых почв являются физиологически более активными. Под их влиянием увеличивается вес зеленой массы проростков, повышается активность дыхательных ферментов, увеличивается накопление в растениях сахаров, аскорбиновой кислоты и хлорофилла в большей степени, нежели под влиянием менее конденсированных гуминовых кислот дерново-подзолистой и коричневой почв. В вариантах с гуминовыми кислотами из черноземов и темно-каштановых почв песчаные культуры содержали больше микроорганизмов и питательных веществ. Более «зрелые» гуминовые кислоты оказывают большее стимулирующее влияние на усвоение помидорами элементов питания, благодаря чему повышается вес проростков и вынос питательных веществ.
Выводы
- Гуминовые кислоты различных типов почв обладают неодинаковыми свойствами, что в значительной мере определяет роль гуминовых веществ в почвенных процессах, а также их влияние на растительный организм. Более «зрелые» в генетическом отношении гуминовые кислоты черноземов и темно-каштановых почв, имеющие более конденсированное ароматическое ядро, оказывают большее стимулирующее действие на биологические процессы в почвах и на растения по сравнению с менее конденсированными гуминовыми кислотами дерново-подзолистой и коричневой почв.
- Действие гуминовых кислот связано, по-видимому, с общим содержанием в них функциональных групп.
- Одним из факторов большей эффективности гуминовых удобрений на дерново-подзолистой и коричневой почвах является, очевидно, меньшая физиологическая активность гуминовых кислот этих почв.