CC BY
50
УДК 631.411.6
ПОЛУЧЕНИЕ АМФИФИЛЬНЫХ ФРАКЦИЙ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА
A.А. Степанов
(кафедра химии почв)
«Гидрофобность», «гидрофильность» — термины коллоидной химии, имеющие широкое применение в теории и практике во многих областях науки. Они характеризуют молекулярную природу твердых тел, их способность к физико-химическому взаимодействию с водой, которое проявляется в явлениях смачивания и гидратации.
В почвоведении, как и в других естественных науках, изучению природных гидрофобно-гидрофиль-ных систем всегда уделялось большое внимание [1—7, 14]. Особый интерес у исследователей органического вещества почв (ОВ) вызывают амфифильные (т.е. гид-рофобно-гидрофильные) свойства гуминовых кислот (ГК). «Качество» гумуса играет важную роль в процессах агрегации и слитизации почвы, миграции ОВ, образовании органо-минеральных соединений и др.
Целью данной работы явилось исследование ам-фифильных фракций ГК, полученных с помощью метода «дробного осаждения» — высаливания из раствора при возрастающей концентрации сульфата амммония [9, 11]. Механизм фракционирования заключается в следующем. В растворе частицы гумино-вых веществ (ГВ) — молекулы, ассоциаты — имеют гидрофильные и гидрофобные участки. Соприкосновение последних с водным растворителем приводит к упорядочению структуры воды. Такие упорядоченные структуры термодинамически неустойчивы, так как в подобной системе происходит значительное снижение энтропии по сравнению с системой «ГВ—свобод-ные молекулы воды» [10]. Если молекулы воды, экранирующие гидрофобные участки, захватываются ионами солей, то гидрофобные взаимодействия могут привести к агрегации частиц ГВ.
Для интерпретации результатов «дробного осаждения» ГК как показателя их амфифильных свойств необходимы экспериментальные данные, подтверждающие различие высоленных фракций по степени гид-рофобности. С этой целью были исследованы препараты ГВ, выделенные из пахотного горизонта луговой глеевой почвы (Приморский край, Прихан-кайская низменность). Процесс выделения и очистки препаратов заключался в следующем. Из образца почвы после предварительного декальцирования экстрагировали 0,1 н. №ОН ГВ. Полученный раствор в процессе длительного центрифугирования при 25 000 об/мин очищали от минеральных коллоидов и «дробным осаждением» разделяли на три фракции: I — ГВ, осаждаемые из раствора при 10%-м насыщении сульфатом аммония; II — ГВ, осаждаемые из раствора при 100%-м насыщении сульфатом аммония; III — ГВ, остающиеся в растворе при 100%-м насыщении
сульфатом аммония. Из полученных фракций выделяли ГК, которые были дважды переосаждены, очищены от растворимых солей в электродиализаторе и высушены при 35 °С в вакуумном шкафу.
Для последующих анализов важно было иметь контрольный образец ГК — своеобразный «эталон» для оценки правильности полученных результатов и сравнения свойств высоленных фракций. Такой препарат (ГКобщ) выделяли из отдельной навески почвы по обычной методике [8]. Кроме того, по методу Форсита был получен препарат фульвокислоты (ФК) как предположительно наиболее гидрофильная фракция гумуса.
Часть общего количества препаратов была переведена в МН4-форму [2] и растворена в воде. В водных растворах гуматов определяли вязкость, поверхностное натяжение, краевой угол смачивания на гидрофобной поверхности.
Сравнительная характеристика амфифильных свойств исследуемых препаратов (табл. 1) убедительно свидетельствует о наличии в составе ГК компонентов, различающихся по степени гидрофобности. Фракция I обладает явно выраженными гидрофобными свойствами: пониженной вязкостью раствора, меньшей степенью гидратации, большим сродством к гидрофобной поверхности. Фракции II и III, условно названные «ГК гидрофобные» и «ГК гидрофильные», различаются по степени выраженности амфифильных свойств. Так, фракция II имеет краевой угол смачивания на полимерной пластине меньше 90о и степень гидратации 1,02 г воды на 1 г беззольного вещества. Для фракции III характерна большая степень гидратации, а краевой угол смачивания на гидрофобной поверхности больше 90°. Фракция ФК, как и предполагалось, обладает явно выраженными гидрофильными свойствами. Ранее нами были получены сходные результаты для высоленных фракций ГК, выделенных из чернозема южного [5].
Таким образом, можно констатировать, что ГК, осаждающиеся при различных значениях насыщения
Таблица 1
Гидратация и краевые углы смачивания на гидрофобной поверхности (0) фракций ГВ
Фракция 0, град Гидратация, г Н2О на 1 г вещества
I (ОМС) 5109' 0,10
II (ГКф0б) 820 1,02
III (ГКфил) 10204' 1,46
ГКобщ 8904' 1,26
ФК 10603' 2,99
15 ВМУ, почвоведение, № 3
Таблица 2
Элементный состав фракций ГВ
Фракция Зола, % Содержание, массовые % Содержание, атомные % Атомные отношения
С Н О N С Н О N Н/С О/С С/Ы
I (ОМС) 39,4 38,7 4,1 51,4 5,8 29,6 37,3 29,3 3,8 1,26 0,98 7,8
II (ГКф0б) 1,7 55,5 4,3 35,5 4,7 40,3 37,5 19,3 2,9 0,93 0,48 13,9
III (ГКфил) 1,3 53,7 3,9 38,3 4,1 40,4 35,3 21,7 2,6 0,87 0,53 15,7
ГКобщ 1,7 54,4 4,0 37,4 4,2 40,7 35,6 21,0 2,7 0,87 0,51 15,1
ФК 3,0 42,2 3,8 49,2 4,8 32,8 35,0 29,0 3,2 1,06 0,88 10,3
раствора сульфатом аммония, различаются по степени выраженности гидрофобно-гидрофильных свойств. При низких концентрациях соли в растворе коагулируют фракции ГК с максимально выраженными гидрофобными свойствами. ГК, осаждающиеся при более высоких концентрациях сульфата аммония, а также остающиеся при этих условиях в растворенном состоянии, обладают по сравнению с первыми большей гидрофильностью.
Для выяснения природы амфифильных свойств ГВ были определены элементный состав и некоторые физико-химические характеристики препаратов. Низкозольные препараты фракций II и III представляют собой типичные ГК. Об этом свидетельствуют данные элементного состава (табл. 2), характерный
Рис. 1. ИК-спектры фракций ГВ
набор полос поглощения в ИК-спектрах, термоэффекты на кривых ДТА (рис. 1, 2).
ГК «гидрофильной» фракции (III) отличаются высокой степенью окисленности (ю = + 0,23), доминированием карбоксильных групп в молекуле при общем высоком содержании кислых функциональных групп (около 600 мг-экв/100 г препарата), максимальным среди амфифильных фракций содержанием углеводов (19% от СГК и около 78% от гидролизуемой части молекул), минимальным среди амфифильных фракций содержанием гидрофобных аминокислот (около 36% от общего содержания аминокислот и всего 7% от гидролизуемой части молекул). Меньшая, чем у «гидрофобных» ГК, степень бензоидно-сти (а), а также данные термического анализа и гидролиза препаратов 6 н. НС1 свидетельствуют о наличии у ГК «гидрофильной» фракции более развитой и менее термостойкой периферийной части молекул.
ГК «гидрофобной» фракции (II) менее окислены (степень окисленности ю = + 0,03), более обуглероже-ны, содержание карбоксильных групп в них незначительно превышает содержание фенольных гидрокси-лов (примерно в 1,5 раза), содержание гидрофобных аминокислот достигает 16,2% от гидролизуемой части молекул (около 50% от суммарного содержания аминокислот), содержание углеводов примерно в 1,5— 2 раза меньше, чем у «гидрофильных» ГК. Близость интенсивности мультиплетных сигналов в спектре протонного магнитного резонанса (рис. 3) при химическом сдвиге о = 0,86ррш и о= 1,28 ррт указывает на наличие в молекулах «гидрофобных» ГК короткой (С2—С4) и разветвленной структур радикалов, несущих СН2- и СН3-группы (например, фрагмент СН3—СН2—СН2—О—). Данные термического анализа (в частности, значения коэффициента 2), значения степени бензоидности исследованных образцов, характер спектров комбинационного рассеяния (наличие интенсивной полосы поглощения при 1580—1590 см—1, соответствующей валентным колебаниям С=С-связей (рис. 3)), указывают на то, что по сравнению с «гидрофильными» ГК молекулы «гидрофобных» ГК в большей степени обогащены ароматическими структурами. Прямое подтверждение этому — наличие в ароматической области 1Н-ЯМР-спектра препарата «гидрофобной» фракции (рис. 4) спин-спинового расщепления при химическом сдвиге
Таблица 3
Степень окисленности (ю), степень бензоидности (а), термический коэффициент Е-величины и коэффициенты цветности фракций ГВ
Фракция ю а Z* р0,0001%ГК Е 465,1 см Е 465 Е640
I (ОМС) нет нет 1,30 0,026 2,7
II (ГКф0б) +0,03 22,3 0,52 0,087 4,2
III (ГКфил) +0,23 18,5 0,59 0,082 4,3
ГКобщ +0,17 19,2 0,57 0,090 4,1
ФК +0,41 нет 0,95 0,016 8,8
Рис. 2. Термограммы фракций ГВ
* Ъ — термический коэффициент, равный отношению потери массы в низкотемпературной (200—400 °С) и среднетемпера-турной (400—600 °С) областях [13].
о = 6,67—7,70 ррт, соответствующего фенольным кольцам с ОН-группой в метаположении. Данный факт может иметь два объяснения: 1) в молекулах «гидрофобных» ГК доминируют ароматические структуры (но это противоречит результатам проведенных анализов); 2) в поверхностном слое частиц (молекул, ассоциатов) наряду с короткими алифатическими цепочками содержатся отдельные ароматические фрагменты (бензоидные, фенольные). Второе предположение следует признать более вероятным.
Таким образом, амфифильные свойства ГК определяются не столько количеством и соотношением
600 1200 1800 2400 3000 см
Рис. 3. Спектры комбинационного рассеивания фракций ГВ
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ррт
Рис. 4. 'Н-ЯМР -спектры фракций ГВ
гидрофильных и гидрофобных компонентов в составе молекул (в «гидрофобной» фракции ГК содержание гидрофобных аминокислот составило около 5% от массы препарата, а содержание ароматических структур — около 22%), сколько пространственной конфигурацией молекул и распределением заряда на их поверхности. Наличие большого числа неполярных (гидрофобных) участков в поверхностном слое обусловливает гидрофобные свойства частиц (молекул и ассоциатов) ГК. Напротив, если поверхность частиц образована структурными фрагментами (разной природы) и функциональными группами, способными в определенных условиях приобретать заряд, то ГК будут проявлять гидрофильные свойства.
Высокая зольность препарата наиболее гидрофобной фракции I значительно затрудняет интерпретацию данных элементного состава и других показателей. Рассматривая всю совокупность полученных характеристик, необходимо отметить следующее. Данная фракция представляет собой прочные органо-мине-ральные соединения (ОМС), которые в растворе проявляют свойства типичных лиофобных золей [6]. Минеральная часть препарата представлена каолинитом и, возможно, некоторым количеством гидрослюд. Содержание гидрофобных аминокислот составляет около 19% от гидролизуемой части ОВ фракции. Кислые функциональные группы в «гидрофобных ОМС» на 2/3 представлены гидроксилами. На термограмме
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Владыченский СА. Коллоидно-химические свойства почвенного гумуса // Коллоид. химия. 1940. Т. 6, № 8. С. 40—47.
2. Драгунов С.С., Богданов Т.А., Перассе Е.Э. Вязкость и поверхностное натяжение водных растворов гуматов // Там же. 1946. Т. 8, № 6. С. 51—56.
3. Золотарева Б.Н. Гидрофобные коллоиды и почвообразование. М., 1982. 58 с.
4. Лактионов Н.И. Гумус как природное коллоидное поверхностно-активное вещество. Харьков, 1978. 26 с.
5. Милановский Е.Ю., Шеин Е.В., Степанов А.А. Лио-фильно-лиофобные свойства органического вещества и структура почвы // Почвоведение. 1993. № 6. С. 122—126.
6. Милановский Е.Ю. Амфифильные компоненты гумусовых кислот// Почвоведение. 2000. №6. С. 706—715.
7. Мусил Я., Ивакова О., Кун К. Современная биохимия в схемах. М., 1984. 215 с.
8. ОрловД.С., ГришинаЛ.А. Практикум по химии гумуса. М., 1981. 272 с.
фракции I имеется всего один четко выраженный максимум (около 420 °С). Возможно, здесь происходит наложение термоэффектов минеральных компонентов на экзотермический эффект ОВ, характерный для алифатических цепей. Другим объяснением может служить предположение о том, что в ОВ данной фракции содержится небольшое количество ароматических структур и эффекты от ароматических и алифатических компонентов слабо отличаются друг от друга. Тогда в целом ОВ характеризуется повышенной устойчивостью к нагреванию.
Давно установленным фактом является сорбция ГВ на глинистых минералах. Известно также, что в свободном состоянии минералы обладают большей или меньшей водоудерживающей способностью, т.е. гидрофильностью. Можно предположить, что при сближении гидрофильные участки молекул гумино-вых кислот или неспецифических соединений почвенного гумуса взаимодействуют с гидрофильными участками на поверхности минерала, а гидрофобные участки ориентируются наружу. В результате образуется очень прочный органо-минеральный комплекс, в целом гидрофобный, обладающий высокой водо-прочностью. Гидрофобность комплекса обусловлена наличием в его поверхностном слое большого числа неполярных (гидрофобных) участков органической и неорганической природы. Подобный механизм предполагал в свое время А.Ф. Тюлин [12], исследовавший коагулирующее действие ОВ на глины.
9. Пчелин В.А. Гидрофобные взаимодействия, их физическая природа и значение в коллоидной химии // Связанная вода в дисперсных системах. М., 1974. С. 103—126.
10. Практическая химия белка/ Ред. А.М. Дарбе. М., 1989. 623 с.
11. Скоупс Р. Методы очистки белков. М., 1989.
12. ТюлинА.Ф. О формах связи гуминовых веществ с минеральной частью почвенных коллоидов и их значение для понимания различных свойств почвенных коллоидов // Почвоведение. 1938. № 5. С. 3—9.
13. Черников В.А., Кончиц В.А. Исследования строения гуминовых кислот дериватографическим методом // Биол. науки. 1979. № 2. С. 28—36.
14. Blondeav R., Kalinowski E. Fractionation of humic substances by hudrofobic interaction chromotografy // J. of Chromatography. 1986. Vol. 375. P. 585—589.
Поступила в редакцию 15.05.07
SEPARATING AND CHARACTERIZING OF THE AMPHIPHILIC FRACTIONS
OF HUMIC ACIDS
A.A. Stepanov
Humic substances derived from alluvial gley soil were fractionated by salting-cut with ammonium sulfate. Fractionated HS differed by their relative hydrophobicity. In order to understand the nature of this difference, the (elemental) composition and physico-chemical characteristics of the obtained fractions were defined. It is assumed that hydrophobic (hydrophilic) properties of HS are determined not only by the relative content of amphiphilic fragments in their molecules but also by their conformation.
