ГУМИНОВЫЕ ВЕЩЕСТВА В БИОСФЕРЕ*

Гуминовые вещества (далее – ГВ) образуются в почвах, торфах, углях и других природных телах. Они накапливают элементы питания и энергию, участвуют в миграции катионов снижают негативное действие токсичных веществ, влияют на развитие организмов и тепловой баланс планеты.

Они устойчивы, высокомолекулярны, полидесперсны, содержат различные функциональные группы, аминокислоты, полисахариды, бензоидные фрагменты.

Различают несколько групп ГВ:

1. гуминовые кислоты, растворимые только в щелочных растворах;
2. гиматомелановые кислоты, извлекаемые из сырого остатка (геля) гуминовых кислот этиловым спиртом;
3. фульвокислоты, растворимые в воде, щелочных и кислых растворах;
4. гумин – практически нерастворимое и неизвлекаемое из природных тел и компостов органическое вещество.

О всех этих группах гуминовых кислот обычно говорят во множественном числе (например, гуминовые кислоты), поскольку их состав и свойства меняются в зависимости от источника ГВ, но даже в препаратах, полученных из одного источника (одного типа почв, торфа, угля), они неоднородны, полидисперсны и представлены большим набором сходных по строению, но неидентичных молекул.

Гуминовые вещества выполняют в биосфере множество функций, из которых важнейшие следующие.

1. Аккумулятивная функция. Она заключается в накоплении химических элементов и энергии, необходимых живым организмам. Практически это означает, что ГВ ответственны за жизнеобеспечение почвенной биоты и гидробиоты, но поскольку они благодаря своей устойчивости сохраняются длительное время (по радиоуглеродному датированию сотни и тысячи лет), то тем самым гарантируют непрерывное снабжение растений и микроорганизмов энергией и строительным материалом. В составе гуминовых веществ найдено от 40 до 60% С, 3-5% N, 30-40% О, а также водород, сера, фосфор, многие металлические катионы, в том числе так называемые микроэлементы. Не случайно темно-серые и черные по цвету почвы в народе всегда считали плодородными и называли, хотя и не всегда правильно, черноземами. Окраску таким почвам придают ГВ. Гуминовые вещества отдают живым организмам необходимые им элементы питания постепенно, по мере их потребления, сохраняя тем самым необходимый запас этих элементов для последующих поколений. Этим они существенно отличаются от многих минеральных соединений, которые могут снабжать растения элементами питания, но представлены, как правило, легкорастворимыми веществами, которые быстро расходуются или вымываются из почвы. В то же время часть минеральных элементов входит в кристаллическую решетку алюмосиликатов, они недоступны живым организмам и только после разрушения минералов потребляются растениями.
2. Транспортная функция. Она заключается в формировании геохимических потоков минеральных и органических веществ, преимущественно в водных средах, за счет образования устойчивых, но сравнительно легкорастворимых комплексных соединений гумусовых кислот с катионами металлов или гидроксидами. Транспортная функция до некоторой степени противоречит аккумулятивной функции, поскольку их результаты прямо противоположны, но противоречивость действия обеспечивает многообразие влияния гуминовых веществ на минеральные компоненты почв и горных пород.
3. Регуляторная функция. Эта функция объединяет множество различных явлений и процессов и относится к почвам, водам и другим природным телам. В регуляторной функции гуминовых веществ можно выделить несколько главных составляющих:
   1. формирование почвенной структуры и водно-физических свойств почв;
   2. регулирование реакций ионного обмена между твердыми и жидкими фазами;
   3. влияние на кислотно-основные и окислительно-восстановительные режимы;
   4. регулирование условий питания живых организмов путем изменения растворимости минеральных компонентов;
   5. регулирование теплового режима почв и атмосферы, включая проявления парникового эффекта.
4. Протекторная функция, которая заключается в способности гуминовых веществ связывать в малоподвижные или труднодиссоциирующие соединения токсичные и радиоактивные элементы, а также соединения, негативно влияющие на экологическую ситуацию в природе, в том числе они могут инкорпорировать некоторые пестициды, углеводороды, фенолы. Защитная функция гуминовых веществ настолько велика, что богатые ими почвы могут полностью предотвратить поступление в грунтовые воды ионов свинца и других токсичных веществ.
5. Физиологическая функция. Многими исследователями было установлено, что различные гуминовые вещества, особенно гуминовые кислоты и их соли, могут стимулировать прорастание семян, активизировать дыхание растений, повышать продуктивность крупного рогатого скота, птицы. Более того, было показано, что некоторые препараты гуминовых веществ сдерживают развитие злокачественных опухолей, повышают устойчивость организмов к различного рода воспалительным процессам.

О способе выделения гуминовой кислоты из торфа Ф. Ахард писал так: "Экстракты из торфа, полученные посредством каустической щелочи, я насытил купоросной кислотой. Смесь потемнела и казалась темно-коричневой, почти черной, осадок опустился на дно". Этот способ применяют практически до сих пор для выделения ГВ из любых природных тел. Иными словами, ГВ извлекают растворами щелочей, затем осаждают кислотой гуминовые кислоты и гиматомелановые кислоты, тогда как в растворе остаются фульвокислоты и неспецифические вещества.

Хорошо изучено содержание различных химических элементов в этих веществах. Содержание углерода в массовых долях колеблется от 40 до 60 % в зависимости от происхождения и источника ГВ. Азот есть всегда, это доказал еще русский ученый Р. Германн в середине прошлого века, но его мало – 3-5 %. Водорода обычно содержится 3-6 %, а кислорода – 33-37%. Обязательно входят сера – до 0,7-1,2 % и фосфор – до 0,5 %. Всегда есть разные металлы, хотя пока трудно сказать, обязательны ли они для ГВ или просто являются примесью, поскольку очистить ГВ нелегко. Например, в препаратах ГВ были найдены мелкокристаллический кварц SiO2, мелкокристаллический гетит FeOOH, что приходится признать явными примесями.

Любые ГВ содержат большой набор функциональных групп, они полифункциональны. Их молекулы содержат карбоксильные группы –СООН, фенольные –ОН, хинонные =С=О, аминогруппы –NH2 и др. Их количество, во-первых, велико, во-вторых, они распределены неравномерно по молекулам различного размера, и даже молекулы одного размера могут различаться по содержанию функциональных групп. Более того, молекулы ГВ различаются по количеству входящих в их состав остатков аминокислот (всего их 17–20), по количеству углеводных остатков и характеру их расположения.

Содержание функциональных групп, выраженное в мМ ⋅ кг-1 по М. Шнитцеру, колеблется в гуминовых кислотах в следующих пределах: – СООН – 1500–5700, кислые – ОН – 2100–5700, слабокислые и спиртовые – ОН – 200–4900, хиноидные – С=О – 100–5600, кетонные – С=О – около 1700, – ОСН3 – 300–800. Кроме того, большую роль играют группы –NН2. Разнообразие кислых функциональных групп столь велико, что Л.И. Глебко предложила их не идентифицировать, а лишь разделить в соответствии с кажущимися константами диссоциации, pK = −lgK, где K – константа диссоциации.

Таблица 1. Средний элементный состав гуминовых кислот из различных природных тел, %

_________________

*Д.С. Орлов, МГУ