Гуминовое вещество

редактировать

Гуминовые вещества - это органические соединения, которые являются важными компонентами гумуса, основной органической фракции почвы, торфа и угля (а также составляющей многих горных водотоков, дистрофических озер и океанской воды ). В течение долгого времени в XIX и XX веках гуминовые вещества часто рассматривались через призму кислотно-основной теории, которая описывала гуминовые кислоты как органические кислоты и их сопряженные основания, гуматы, как важные компоненты органическое вещество. С этой точки зрения гуминовые кислоты были определены как органические вещества, извлеченные из почвы, которые коагулируют (образуют небольшие твердые частицы) при подкислении экстракта сильного основания, тогда как фульвокислоты представляют собой органические кислоты, которые остаются растворимыми (остаются растворенными), когда экстракт сильного основания подвергается действию кислоты. подкисленный.

Изолированный гуминовый материал является результатом химической экстракции органического вещества почвы или растворенного органического вещества и представляет собой гуминовые молекулы, распределенные в почве или воде. Новое понимание рассматривает гуминовые вещества не как высокомолекулярные макрополимеры, а как гетерогенные и относительно небольшие молекулярные компоненты органического вещества почвы, автоматически собирающиеся в супрамолекулярные ассоциации и состоящие из множества соединений биологического происхождения и синтезируемые абиотическими и биотическими реакциями. в почве. Большая молекулярная сложность почвенного хумомома придает гуминовому веществу его биологическую активность в почве и его роль в качестве стимулятора роста растений.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Традиционный вид на формирование и описание
    • 1.1 Критика
  • 2 Химические характеристики гуминовых веществ в природе
  • 3 Химические характеристики традиционно производимых гуминовых веществ
  • 4 Определение гуминовых кислот в пробах воды
  • 5 Экологические эффекты
  • 6 Технологические приложения
  • 7 Древняя кладка
  • 8 Экономическая геология
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Внешние ссылки
  • 12 Дальнейшее чтение

Традиционный взгляд на формирование и описание

Образование гуминовых веществ в природе - один из наименее изученных аспектов химии гумуса и один из самых интригующих. Есть три основные теории, объясняющие это: теория лигнина Ваксмана (1932), теория полифенолов и теория конденсации сахара и амина Майяра (1911). Этих теорий недостаточно для объяснения наблюдений при исследовании почв. Гуминовые вещества образуются в результате микробного разложения мертвых растительных веществ, таких как лигнин и древесный уголь. Гуминовые вещества в лаборатории очень устойчивы к дальнейшему биоразложению. Точные свойства и структура данного образца зависят от источника воды или почвы и конкретных условий экстракции. Тем не менее, средние свойства лабораторных гуминовых веществ из разных источников удивительно похожи.

Гуминовые вещества в почвах и отложениях можно разделить на три основные фракции: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумин. Их присутствие и относительное количество определяется лабораторным извлечением, процессом, который изменяет их первоначальную форму до неузнаваемости. Гуминовые и фульвокислоты экстрагируются в виде коллоидного золя из почвы и других источников твердой фазы в сильно щелочной водный раствор гидроксида натрия или гидроксида калия. Гуминовые кислоты осаждают из этого раствора путем доведения pH до 1 с помощью соляной кислоты, оставляя фульвокислоты в растворе. Это функциональное различие между гуминовыми и фульвокислотами. Гумин не растворяется в разбавленной щелочи. Растворимая в спирте часть гуминовой фракции обычно называется ульминовой кислотой. Так называемые «серые гуминовые кислоты» (GHA) растворимы в щелочных средах с низкой ионной силой; «коричневые гуминовые кислоты» (BHA) растворимы в щелочных условиях независимо от ионной силы; и фульвокислоты (FA) растворимы независимо от pH и ионной силы.

Гумус в природе образуется в результате биодеградации тканей мертвых организмов и, таким образом, является примерно синонимом органического вещества ; различия между ними часто не проводятся точно и последовательно.

Гуминовая кислота, традиционно производимая в лаборатории, не является отдельной кислотой ; скорее, это сложная смесь многих различных кислот, содержащих карбоксильные и фенолятные группы, так что смесь функционально ведет себя как двухосновная кислота или, иногда, как трехосновная кислота. Гуминовая кислота, используемая для улучшения почвы, производится с использованием тех же хорошо установленных процедур. Гуминовые кислоты могут образовывать комплексы с ионами, которые обычно встречаются в окружающей среде, создавая гуминовые коллоиды. Гуминовые кислоты нерастворимы в воде при кислом pH, тогда как фульвокислоты также являются производными гуминовых веществ, но растворимы в воде во всем диапазоне pH. Гуминовые и фульвокислоты обычно используются в качестве добавки к почве в сельском хозяйстве и реже в качестве пищевой добавки для человека. В качестве пищевой добавки фульвокислота встречается в жидкой форме как компонент минеральных коллоидов. Фульвокислоты - это полиэлектролиты и уникальные коллоиды, которые легко диффундируют через мембраны, тогда как все другие коллоиды - нет.

Последовательное химическое фракционирование, называемое Humeomics, может использоваться для выделения более гомогенных гуминовых фракций и определения их молекулярной структуры с помощью передовых спектроскопических и хроматографических методов. Вещества, указанные в гуминовых экстрактах и непосредственно в почве, включают моно-, ди-, три- и оксикислоты, жирные кислоты, дикарбоновые кислоты, линейные спирты, фенольные кислоты, терпеноиды, углеводы и аминокислоту.

Критика

Продукты разложения мертвых растительных материалов образуют тесные ассоциации с минералами, что затрудняет выделение и определение характеристик органических компонентов почвы. Почвенные химики 18 века успешно использовали щелочную экстракцию для выделения части органических компонентов из почвы. Это привело к теории, что процесс «гумификации» создает «гуминовые вещества»; чаще всего «гуминовая кислота», «фульвокислота» и «гумин». Однако в почве эти гуминовые вещества не обнаружены. Хотя теория «гумификации» не подтверждена доказательствами, «основная теория сохраняется в современной литературе, включая современные учебники». Попытки переопределить «гуминовые вещества» в правильных терминах привели к быстрому увеличению несовместимых определений, «с далеко идущими последствиями, выходящими за рамки нашей способности сообщать о научно-точных почвенных процессах и свойствах».

Химические характеристики гуминовых веществ в природе

С момента зарождения современной химии гуминовые вещества являются одними из самых изученных среди природных материалов. Несмотря на долгие исследования, их молекулярная структура и химический состав остаются неуловимыми. Традиционно считается, что гуминовые вещества представляют собой гетерополиконденсаты, которые в той или иной степени связаны с глиной. Более поздняя точка зрения состоит в том, что относительно небольшие молекулы также играют роль. На гуминовые вещества приходится от 50 до 90% катионообменной емкости. Подобно глине, уголь и коллоидный гумус содержат катионные питательные вещества. {{в стадии строительства }}

Химические характеристики традиционно производимых гуминовых веществ

Пример типичной гуминовой кислоты, содержащей множество компонентов, включая хинон, фенол, катехол и сахарные фрагменты.

Типичное гуминовое вещество представляет собой смесь многих молекул, некоторые из которых основаны на мотиве ароматических ядер с фенольными и карбоксильными заместителями, связанными вместе; на рисунке показана типичная структура. Функциональные группы, которые вносят наибольший вклад в поверхностный заряд и реакционную способность гуминовых веществ, - это фенольные и карбоксильные группы. Гуминовые кислоты ведут себя как смеси двухосновных кислот со значением pK 1 около 4 для протонирования карбоксильных групп и около 8 для протонирования фенолятных групп. Между отдельными гуминовыми кислотами имеется значительное общее сходство. По этой причине измеренные значения pK для данного образца являются средними значениями, относящимися к составляющим видам. Другая важная характеристика - это плотность заряда. Молекулы могут образовывать супрамолекулярную структуру, удерживаемую вместе нековалентными силами, такими как сила Ван-дер-Ваальса, π-π и связи CH-π.

Наличие карбоксилатных и фенолятных групп дает гуминовым кислотам способность образовывать комплексы с такими ионами, как Mg 2+, Ca 2+, Fe 2+ и Fe 3+. Многие гуминовые кислоты имеют две или более из этих групп, расположенных так, чтобы обеспечить образование хелатных комплексов. Образование (хелатных) комплексов является важным аспектом биологической роли гуминовых кислот в регулировании биодоступности ионов металлов.

Определение гуминовых кислот в пробах воды

Наличие гуминовой кислоты в воде, предназначенное для питьевого или промышленного использования может иметь существенное влияние на излечимости этой воды и успехе химических дезинфицирующих процессов. Например, гуминовые и фульвокислоты могут реагировать с химическими веществами, используемыми в процессе хлорирования, с образованием побочных продуктов дезинфекции, таких как дигалоацетонитрилы, которые токсичны для человека. Следовательно, точные методы определения концентраций гуминовой кислоты имеют важное значение для поддержания водоснабжения, особенно с торфяных водосборов на возвышенностях в умеренном климате.

Поскольку множество различных биоорганических молекул в самых разных физических ассоциациях смешиваются вместе в естественной среде, трудно измерить их точные концентрации в гуминовой надстройке. По этой причине концентрации гуминовой кислоты традиционно оцениваются по концентрациям органических веществ (обычно по концентрациям общего органического углерода (TOC) или растворенного органического углерода (DOC).

Процедуры экстракции неизбежно изменяют некоторые химические связи, присутствующие в гуминовых веществах почвы (в основном, сложноэфирные связи в биополеэфирах, таких как кутины и суберины). Гуминовые экстракты состоят из большого количества различных биоорганических молекул, которые еще не были полностью разделены и идентифицированы. Однако отдельные классы остаточных биомолекул были идентифицированы путем селективной экстракции и химического фракционирования и представлены алкановой и гидроксиалкановой кислотами, смолами, восками, остатками лигнина, сахарами и пептидами.

Экологические эффекты

Фермеры знали, что внесение органических веществ в почву способствует росту растений дольше, чем это было зарегистрировано. Однако химия и функция органического вещества были предметом споров с тех пор, как люди начали высказывать предположения об этом в 18 веке. До времен Либиха предполагалось, что гумус используется непосредственно растениями, но после того, как Либих показал, что рост растений зависит от неорганических соединений, многие почвоведы придерживались мнения, что органическое вещество полезно для плодородия только в том случае, если оно расщепляется с помощью высвобождение входящих в его состав питательных элементов в неорганические формы. В настоящее время почвоведы придерживаются более целостного взгляда и, по крайней мере, признают, что гумус влияет на плодородие почвы через свое влияние на водоудерживающую способность почвы. Кроме того, поскольку было показано, что растения поглощают и перемещают сложные органические молекулы системных инсектицидов, они больше не могут дискредитировать идею о том, что растения могут поглощать растворимые формы гумуса; Фактически это может быть важным процессом для поглощения нерастворимых в других случаях оксидов железа.

В Университете штата Огайо было проведено исследование влияния гуминовой кислоты на рост растений, в котором частично говорилось, что «гуминовые кислоты увеличивают рост растений» и что были «относительно большие отклики на низкие нормы внесения».

Исследование, проведенное в 1998 году учеными из Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни Университета штата Северная Каролина, показало, что добавление гумата в почву значительно увеличивает массу корней в ползучем полевистом газоне.

Исследование, проведенное в 2018 году учеными из Университета Альберты, показало, что гуминовые кислоты могут снижать инфекционность прионов в лабораторных экспериментах, но этот эффект может быть неопределенным в окружающей среде из-за минералов в почве, которые сдерживают этот эффект.

Технологические приложения

Способность гуминовых кислот связывать тяжелые металлы была использована для разработки технологий восстановления для удаления тяжелых металлов из сточных вод. С этой целью Юрищева и соавт. покрытые гуминовыми кислотами магнитные наночастицы. После захвата ионов свинца наночастицы могут быть захвачены с помощью магнита.

Древняя кладка

Археология обнаруживает, что в Древнем Египте использовались сырцовые кирпичи, усиленные соломой и гуминовыми кислотами.

Экономическая геология

В экономической геологии термин гумат относится к геологическим материалам, таким как выветрившиеся угольные пласты, илистая порода или поровый материал в песчаниках, которые богаты гуминовыми кислотами. Гумат добывался в формации Фрутленд в Нью-Мексико для использования в качестве почвенной добавки с 1970-х годов, и к 2016 году было произведено около 60 000 метрических тонн. Залежи гумата также могут играть важную роль в генезисе урановых рудных тел.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

дальнейшее чтение

  • Hessen, DO; Транвик, LJ (редакторы) (1998). Водные гуминовые вещества: экология и биогеохимия. Берлин: Springer. ISBN   978-3-540-63910-7. CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  • Силланпяя, М. (Ред.) Природные органические вещества в воде, характеристика и методы обработки ISBN   9780128015032
Последняя правка сделана 2023-04-04 03:11:13
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте