Гумус и гуминовые кислоты

Т.Л. Сэнн, А.Р. Кингман

Введение

Корни термина "гумус" уходят в глубь веков к римлянам, которые употребляли его для того, чтобы описать почву в целом. Позже этим термином стали обозначать органический материал почвы и компостов или различных фракций этих органических веществ. Кроме того, гумусом называют комплексы, полученные в результате реакции химических веществ с различными органическими субстанциями.

Валлериус впервые обозначил гумус (1761 год), как ферментированное органическое вещество. Однако в те времена, основные идеи, касающиеся химической природы гумуса и механизма его формирования, были очень неопределенны. Чаще всего, гумус определялся, как комплекс, формирующийся в почве или в компосте из растительных остатков путем специального процесса, называемого "гумификацией".

Де Сауссур, в своей знаменитой работе "Recherches Chimiques Sur La Vegetation" уделил большое внимание гумусу. Он обратил внимание на то, что гумус не является однородной субстанцией и состоит из большого количества комплексных веществ, которые способны достаточно быстро из него выделяться. Гумусом называют весь спектр разновидностей от "кислого гумуса", который формируется с ограниченным доступом кислорода, до "нейтрального гумуса", который формируется при наличии большого количества кислорода. Лебиг говорил о гумусе, как о "коричневой субстанции, легко разлагаемой в щелочи, при этом, в воде она растворяется неохотно, а получается из растений под воздействием кислоты и щелочи".

Термин гумус прочно вошел в обиход, в то время, когда органическая химия проявляла себя еще достаточно инфантильно, и, когда все органические и неорганические вещества казались очень простыми по химическому составу.

Ваксман определяет гумус как "…аморфный комплексный субстрат коричневого или черного цвета,

растительного и животного происхождения, перерабатываемый микроорганизмами

в аэробных и анаэробных условиях.

Чаще всего встречается в почве, компостах и илистых отложениях"

Химически гумус состоит из остатков органики растительного происхождения,

наименее подверженных разложению;

Субстанций, продолжающих разлагаться;

комплексных веществ, получившихся в результате

разложения, в том числе, и в результате гидролиза и окисления;

и веществ, являющихся продуктом жизнедеятельности микроорганизмов.

Гумус является природным телом, композитным объектом, как, впрочем, все растения, животные и микроорганизмы. Как видите, в этом определении гумус представляет из себя еще более сложное комплексное вещество, поскольку каждый из этих элементов имеет свою сложную структуру.

Уголь представляет собой несколько видов гумуса в конечной стадии разложения. Он получается из различных органических остатков растений доисторического периода, которые, с течением времени, подвергались расслоению и неимоверному давлению со стороны сверхлежащих минеральных пород.

Механизм формирования угля через стадию торфа обычно объясняется следующим образом: сначала торф превращается в лигнит, затем в смолистый уголь и, наконец, в антрацит. Происходит все это при высоких температурах, которые приводят к фракционной дистилляции.

Коричневый уголь или, как его еще называют, лигнит, сильно варьирует как по своим физико-химическим свойствам, так и по наличию различных гуминовых кислот, в зависимости от места залегания.

Изучение химических процессов, вовлеченных в формирование угля, привело к различным гипотезам, рассматривающим "гуминовые кислоты", "ульминовые кислоты", "гумины", "ульмины" и "фульвокислоты". Сейчас принято считать, что микроорганизмы сыграли решающую роль при формировании угля.

Значение органического вещества

Формирование почвы имеет сильную связь с деятельностью различных микроорганизмов. Пионерами в этой области являются микроорганизмы, которые имеют отношение к круговороту железа, серы, кальция, кремния, фосфора и других элементов в природе, что было продемонстрировано во множестве научных работ.

На формирование плодородной почвы органика оказывает прямое влияние, поскольку является источником питательных элементов для растений, которые получаются путем минерализации различных ее форм. Помимо этого, органика также играет косвенную роль.

Кроме того, что органика является источником питательных элементов для растений, она непосредственно влияет на формирование физических свойств почвы (к примеру, способность почвы удерживать воду) и в большой мере определяет такие физико-химические свойства, как объем вещественного обмена и свойства или возможности накопления. Эти свойства играют большую роль не только в питании растений и их содержании в почве, но и в подавлении вредного эффекта кислотности почвы.

Существует также несколько исследований, которые показали, что даже достаточно маленькое количество органической субстанции (очень слабый раствор гуминовых кислот) может оказать большое положительное влияние на рост и развитие растений. Необходимо провести еще множество исследований, для того, чтобы до конца понять механизм этого процесса.

Роль гуминовых кислот

Количество органического вещества, необходимого для внесения в почву, было установлено еще в доисторические времена. Однако химия и основы органического вещества стали предметом науки где-то в 18 столетии нашей эры.

До Лейбига считалось, что гумус используется растениями непосредственно, но после того, как он показал, что рост растений зависит от неорганических компонентов, многие почвоведы стали считать удобрение органикой полезным, только в случае полного разложения последней в неорганические формы.

В то же время, многие из почвоведов придерживались мнения о том, что основное влияние гумуса на растения проявляется благодаря его повышенной способности удерживать влагу в почве. Затем в нескольких научных работах было показано, что растения способны абсорбировать комплексные органические молекулы системных инсектицидов, после этого уже никто не сомневался в способности растений абсорбировать растворимые формы гумуса.

За последние 150 лет органическая химия очень сильно продвинулась и значительно увеличились наши знания об органическом веществе. Некоторые из самых ранних работ Спрэгнела о фракционировании органического вещества, все еще являются фундаментом для сегодняшних методов органической химии. В этих методах гидроксид натрия (2%) используется для разложения гумуса, как коллоидного алкалоида из растительных остатков, которые не растворяются в щелочи

Из этой гумусной соли, гуминовая фракция вытягивается кислотой, которая оставляет желтый осадок на поверхности. Последний представляет из себя фульво-фракцию. Ульминовой кислотой называется фракция гумуса, которую можно извлечь алкалоидом.

Недавние исследования, проведенные при помощи хроматографических, спектрофотометрических и рентгеновских методов, многое прояснили в строении органических веществ, присутствующих в гумусе. Интенсивно исследовались реакции катионного и анионного обменов. Однако очень мало внимания уделялось изучению связей между химией и атрибутами почвенного плодородия: буферизации, образованию питательных элементов и гормональным эффектам из того же источника.

Госпожа Кононова, работавшая в СССР, где гумусу отводили значительное место в исследованиях, сделала несколько очень экстравагантных утверждений о влиянии гуминовых кислот на почву. Она сообщила о времени, на протяжении которого гумус оказывает полезное влияние на плодородие почвы и рост растений, но проигнорировала работы, в которых ученые обнаружили вредный или просто не обнаружили полезного эффектов. Однако, краткий обзор литературы показал противоречивые результаты. Практически, на каждую ссылку об успехе гумуса, можно найти ссылку на его провал. Очевидно, что из групп веществ, которые могут быть извлечены из гумуса при помощи щелочи (гуминовые кислоты), есть как те, которые положительно влияют на плодородие, так и те, которые не оказывают никакого влияния.

Джекинсон и Тинсли показали, что лигно-протеины (гуминовый материал) из различных источников имеют различное излучение в инфракрасном излучении. Максимов и Ливски продемонстрировали различие реакций растений на гуминовые удобрения, в зависимости от методов их приготовления. Поэтому, очевидно, следует предполагать, что источник и способ получения будут особенно важны при решении вопроса улучшения плодородия почвы при помощи гуминовых кислот.

Современные работы о леонардите (окисленной форме лигнита), показали, что последний является композицией из солей гуминовых кислот. Тот факт, что в нескольких работах впервые было проверено наличие коммерческого количества гуминовых кислот в химическом и агрономическом приложениях, заслуживает внимания.

Гуминовые кислоты являются коллоидами и ведут себя подобно глине, но принято считать, что они кислоты и образуют настоящие соли. Когда в гуминовой молекуле преобладают ионы водорода, материал предполагается кислотой и называется соответственно. Однако особого влияния на уровень рН не оказывается, поскольку эти кислоты нерастворимы в воде. Когда в молекуле преобладают катионы, отличающиеся от водорода, материал называют гуматом. Гуматы моновалентных щелочных металлов растворимы в воде, мультивалентные – нерастворимы. Различные катионы оказывают малозаметное влияние на гуминовые молекулы, в смысле их растворимости и способности абсорбироваться в глинах.

Как действуют гуминовые субстанции

Строго говоря,

гуминовые субстанции участвуют в разложении камней и минералов.

Многими учеными была показана способность гуминовых кислот разлагать различные минералы. Характер реакции зависит от природы гуминовой субстанции и от устойчивости минерала.

Гуминовые субстанции ускоряют превращение различных микроэлементов в формы,

непосредственно доступные растениям

Положительный эффект, оказываемый гуминовыми кислотами на превращение железа в доступные формы, которые защищают растения от хлороза даже в присутствии фосфорного ангидрида, был показан Дэ Коком в 1995 году. В доставке редких элементов к растениям непосредственно участвуют компоненты, которые связаны с гуминовыми субстанциями в форме хелатов (химических соединений).

На сегодняшний день доступно множество исследований, в которых показана возможность реакций ауксинового типа в присутствии гуминовых субстанций. Кроме того, в нескольких работах четко установлено, что

гуминовые субстанции увеличивают степень прорастания семян

и увеличивают содержание витаминов в растениях.

Лиеске сообщает, что

гуминовые кислоты и их производные увеличивают проницаемость клеточных мембран в растении,

увеличивая, тем самым, способность вбирать питательные вещества.

Многими учеными был обнаружен

положительный эффект, оказываемый гуминовыми кислотами на размножение различных групп микроорганизмов.

Они приписывают это свойство железу, которое присутствует в гуминовых кислотах, или их коллоидной природе, кроме того, не исключается возможность того, что

гуминовые субстанции являются органическими катализаторами.

В экспериментах с пропиткой листьев подсолнуха раствором аммиачной селитры, присутствие гуминовых кислот увеличило процентное и общее содержание азота. Гуминовые кислоты в небольших количествах действуют как специфические сенсибилизирующие агенты, увеличивающие проницаемость плазмы, что приводит к увеличенному забору питательных веществ растениями. В больших объемах гуминовые кислоты являются источником доступного железа.

Христева верит, что гуминовые кислоты, попадая в растение на ранних стадиях развития, являются источником полифенола, который функционирует, как катализатор дыхания. Следующие результаты свидетельствуют об увеличении жизненной активности растений: интенсифицируется система энзимов.

Гуминовые кислоты ускоряют деление клеток, корневая система показывает большее развитие и увеличивается сухой вес урожая.

В последнее время вышло много работ, в которых хорошо продемонстрирован

значительный положительный эффект, оказываемый гуминовыми кислотами на

растения. Это влияние хорошо заметно как во внешнем виде растений, так и во

внутренних биохимических процессах.

Необходимо провести еще много исследований для того, чтобы установить каким образом производить и применять гуминовые удобрения. Основные принципы, полученные из теоретических аргументов, следующие: наличие в удобрениях субстанций хиноидной природы оказывает стимулирующее влияние на растения; способность гуминовых субстанций к мелкодисперсной растворимости в воде, приводит к повышенной способности их проникновения в растения.

Маленькие количества гуминовых удобрений не могут использоваться в качестве основного удобрения, они оказывают стимулирующий эффект только в том случае, если присутствует необходимое количество основных питательных элементов - азота, фосфора и калия.

Интерес к применению различных органических удобрений продолжает увеличиваться.

Очевидно, это вызвано следующими причинами:

- Интерес в уменьшении применения минеральных удобрений

- Общественная обеспокоенность тем фактом, что химическая промышленность очень сильно загрязняет окружающую среду

- Увеличивающаяся необходимость в консервировании энергии

Перевод с английского Николай Степанов, март 2004