Сохранность хлорофиллоподобных соединений в мицеллах гуминовых веществ

Храпова Екатерина Петровна

Сохранность хлорофиллоподобных соединений в мицеллах гуминовых веществ

В работе исследуется вероятностный механизм сохранения хлорофиллоподобных соединений(ХПС) в мицеллах гуминовых веществ(ГВ). Была доказана возможность солюбилизации и протекции ХПС в мицеллах ГВ и найдена зависимость сохранности ХПС от концентрации гуминовых веществ, рН и модификации гуминовых веществ различными катионами.

Охрана окружающей среды. Экология человека

Дипломы

Вуз: Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ)

ID: 587d363a5f1be77c40d589eb

UUID: 06ebf303-ddfa-4e23-b0b6-c34d4892202f

Язык: Русский

Опубликовано: больше 7 лет назад

Просмотры: 4

Храпова Екатерина Петровна

Источник: Санкт-Петербургский государственный университет

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 3630341 bytes

Поделиться работой

1 ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (СПбГУ) Институт наук о Земле Храпова Екатерина Петровна Сохранность хлорофиллоподобных соединений в мицеллах гуминовых веществ Выпускная квалификационная работа бакалавра по направлению 021900 «Почвоведение» «К ЗАЩИТЕ» Научный руководитель: д.с.-х.н., проф. А.И. Попов ____________________ «___»___________ Заведующий кафедрой: д.с.–х.н., проф. Б. Ф. Апарин ____________________ «___»___________ 2016 Санкт – Петербург 2016

2 Содержание Введение............................................................................................................................................... 3 1 Обзор современных достижений науки в данной области........................................................6 2 Объекты и методы исследования................................................................................................11 3 Результаты и обсуждения............................................................................................................. 14 3.1 Прямое наблюдение взаимодействия ХПС с мицеллами ГВ..........................................14 3.2 Влияние pH среды на защитные свойства ГВ по отношению к ХПС...........................15 3.3 Влияние концентрации нативных ГВ на их защитные свойства по отношению к ХПС................................................................................................................................................. 16 3.4 Влияние ионной модификации ГВ на их защитные свойства по отношению к ХПС 17 Выводы............................................................................................................................................... 20 Литература........................................................................................................................................ 21 Приложение А................................................................................................................................... 24 Благодарности................................................................................................................................... 25

3 Введение Почва – самостоятельным естественно–историческое тело, которое является продуктом совокупной деятельности материнской горной породы, климата, растительных и животных организмов, возраста почвы и рельефа местности [16]. Согласно концепции «почва–память» почва способна сохранять в своих устойчивых твердофазных свойствах информацию об условиях своего формирования [19]. «Расшифровка» этой информации является одной из основных задач современного генетического почвоведения. Однако, вследствие влияния множества факторов, трактовка генезиса почвы представляет из себя комплексную задачу. В связи с этим, важной задачей становится поиск соединений–индикаторов, которые, наглядно и однозначно отражают направленность протекания элементарных почвообразовательных процессов, длительное время сохраняются в почве, а также легко поддаются лабораторному изучению. Такими веществами являются хлорофиллоподобные соединения (ХПС) и другие родственные им пигменты порфириновой природы. Анализ содержания ХПС используется в палеопочвоведении для оценки сохранности органического вещества и биологической активности [15], а также в современных почвах, как индикатор переувлажнения [20]. Эти вещества легко о п р е д е л я ю т с я в п о ч в а х д а ж е п р и н е з н ач и т е л ь н о м и х с о д е р ж а н и и спектрофотометрическим методом, учитывая, что большинство тетрапиррольных соединений в ацетоновых и спиртовых растворах имеет отчётливый максимум поглощения при λ = 660 – 670 нм. Известно, что ХПС в погребённых почвах способны сохраняться до нескольких тысяч лет [11; 14]. В то же время рядом авторов было установлено, что хлорофилл, искусственно внесённый в почву, при нормальных условиях разлагается в течение 30 – 50 дней [2; 5]. Таким образом, механизм сохранения ХПС в почвах является дискуссионным. Возможно, протекция ХПС обеспечивается солюбилизирующими свойствами ГВ. Солюбилизация – самопроизвольный и обратимый процесс внедрения лиофобных соединений в мицеллы поверхностно–активных веществ (ПАВ). Анализ литературных данных показал, что ГВ, как мицеллярные структуры, обладают солюбилизирующей способностью по отношению к некоторым органическим веществам (например, кубовым красителям, биоцидам, минеральному маслу) [27], [30], [35]. В рамках данной работы была выдвинута гипотеза, что хлорофилл способен сохраняться в почвах не только вследствие низкой биологической активности, но и благодаря специфическим протекторным свойствам мицелл гуминовых веществ (ГВ).

4 Таким образом, целью исследования было выявление вероятностного механизма сохранения хлорофиллоподобных соединений (ХПС) в мицеллах гуминовых веществ (ГВ). Для достижения этой цели, были поставлены следующие задачи: 1. Подтвердить возможность солюбилизации ХПС мицеллами ГВ; 2. Доказать протекторную функцию мицелл ГВ по отношению к ХПС; 3. Рассмотреть изменение протекторных свойств ГВ в зависимости от: концентрации ГВ, изменения pH среды, модификации мицелл ГВ различными катионами (Ca2+, Al3+ и Fe3+). По результатам работы были опубликованы статьи: 1) Попов А. И., Панина Е. П., Верлова Т. А., Солдатова Л. А., Храпова Е. П. Свойства гуминовых веществ, как коллоидных дисперсий (обзор литературы) // Вестник Российской академии естественных наук. 2014. № 5. С. 39 – 45. 2) Храпова Е., Солдатова Л., Калашников М., Попов А.И. Солюбилизация порфириновых соединений структурированными мицеллами гуминовых веществ // Сб. тезисов / Третья междунар. конф. СНГ МГО по гуминовым инновационным технологиям / Десятая Междунар. конф. daRostim «Гуминовые вещества и другие биологически активные соединения в сельском хозяйстве» / HIT – daRostim – 2014 / 19 – 23 ноября, 2014, МГУ им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия / Под ред. И. В. Перминовой, Н. А. Куликовой и О. С. Якименко. – М., 2014. c. 182.

5 1. Обзор современных достижений науки в данной области, связанной с изучением хлорофиллоподобных соединений в почве. Хлорофиллоподобные соединения относятся к неспецифическим органическим соединениям, и извлекаются в составе липидной фракции гумуса [24]. Кроме хлорофиллов к ХПС относят другие родственные пигменты и продукты их деструкции, в состав которых входит порфириновое кольцо [25]. Содержание хлорофилла в почве варьируется от 0,03 до 4мкг на грамм почвы [34]. Хлорофиллоподобные соединения активно используются в палеопочвоведении как показатели биологической активности [25] и как индикаторы сохранности органического вещества [15] вследствие того, что они имеют ограниченное число путей попадания в осадок (только из растительных остатков), легко анализируются в лабораторных условиях, могут быть обнаружены даже в незначительных количествах и неустойчивы в биологически активной среде [14]. Также анализ содержания ХПС используют для индикации переувлажнения почв благодаря чувствительности этого показателя к водно – воздушным условиям и динамичности его изменения [18, 19]. Существует несколько методов изучения ХПС в почве. Впервые хлорофилл в почве был качественно идентифицирован Торстенссоном по флюоресценции вытяжки из торфяной почвы [9]. Количественные методы определения ХПС просты в исполнении и не требуют наличия дорогостоящего оборудования. Почвенный хлорофилл извлекается либо экстракцией этиловым спиртом с бензолом (1:1) при анализе липидной фракции почвенного гумуса [32], либо по методике, впервые описанной П. Хойтом, при помощи 90% ацетона [5]. В вытяжке ХПС определяют спектрофотометрически при длинах волн λ = 660 – 670 нм. Однако, как было показано Ф.Н. Козыревым, спектрофотометрирование можно заменить колориметрированием с узкополосным светофильтром [19]. Кроме ХПС в ацетоновой вытяжке также могут быть определены каротиноиды. Как было сказано выше, ХПС активно используется в палеодиагностике почв. Время сохранения ХПС в почвах варьируется у разных авторов от 4 000 до 11 000 [11], [17]. Однако, при условиях крайней изолированности от биологически активной среды (например, в глинистых отложениях), ХПС могут сохраняться десятки миллионов лет [25]. При этом рядом авторов относят ХПС к группе веществ, неустойчивых в почве [5], [25]. Так, Симонаром при помощи меченого углерода было установлено, что при нормальных условиях хлорофилл разлагается в течение 30 дней [2]. Сам процесс

6 трансформации ХПС в почве остаётся не до конца изученным [25]. Д.С. Орловым был предложен следующий механизм преобразований хлорофилла в почве: «В почве под действием микроорганизмов хлорофилл быстро транс¬ формируется. Сначала он теряет магний, образуя феофитин А, а затем отщепляется фитольная боковая цепь с формированием феофорбида А. После этого осуществляется более глубокий распад при возможном включении пирролов в состав гумусовых веществ» (рисунок 1) [25]. Рисунок 1 – Преобразование хлорофилла в почве по Д.С. Орлову [25] Валентайн предполагал, что стадии отщепления магния и фитиловой группы могут меняться местами. Тогда схема преобразования хлорофилла выглядит следующим образом [5]: Chlorophyll a minus Mg→pheophytina minus phytyl→pheophorbide a Chlorophyll a minus phytyl→chlorophyllide a,minus Mg→ pheophorbide a Также существует мнение, что в почве существует пул хлорофиллов, в которых происходит замена атома магния на атом железа, через который, благодаря наличию свободной валентности, осуществляется соединение с гуминовыми веществами почвы. Хлорофилл с атомом железа было предложено выделять смесью ацетона и гидроксил амина [19]. Поступление и поведения ХПС в почве было освещено в работах П. Хойта [4], [5], [6]. Им впервые было выделено две стадии разрушения хлорофилла: первая – быстрая, происходит в клетках растений под действием энзимов, и вторая – медленная – связана с деятельностью микроорганизмов в почве [5]. Оценивая факторы, влияющие на сохранность хлорофилла в почве, Хойт отметил следующие закономерности, важные в контексте данного исследования:

7 1) Избыточное увлажнение наряду с глубоким иссушением являются основными факторами, обеспечивающими сохранность ХПС в почве. И, если недостаток влаги прямо влияет на биологическую активность (вторю стадию разрушения хлорофилла), то переувлажнение затрагивает как вторую, так и первую стадию т.к. энзимы растительной клетки инактивируются при погружении растительного материала в воду; 2) Н е од и н а ко в а с ко р о с т ь р а з л ож е н и я р а з л и ч н ы х Х П С . П р и компостировании растительного материала и дальнейшем исследованием ХПС при помощи метода бумажной хроматографии было доказано, что самым нестойким соединением является хлорофилл а, за ним следует хлорофилл b. Дольше всего в компосте сохранялся феофетин; 3) Было показано, что сохранность ХПС зависит от pH почвы. После 42 дней инкубации в почве при ph>6,8 сохранялось в среднем только 8% от исходного содержания ХПС; при рН=5 – 5,5 эта цифра достигала 38%. Самый высокий процент сохранности ХПС достигался при кислой реакции среды (рН=3,6) и составлял порядка 50%. При этом важно отметить, что в кислой среде основные потери ХПС (примерно 30%) приходились на первый день эксперимента. Возможно, это происходило вследствие кислотного гидролиза ХПС. Найденная Хойтом на модельных опытах зависимость сохранности ХПС от рН почвы подтверждается исследованиями зональных и палеопочв [14; 33]. Итак, сохранность хлорофилла всеми авторами связывалась с пониженной биологической активностью в почве вследствие ряда факторов (недостаток или избыток влаги, pH среды, физическую изоляцию вследствие погребения почвы). Отсутствуют исследования, связывающие сохранность ХПС в почвах и коллоидные (в частности, солюбилизирующие) свойства гуминовых веществ. Гуминовые вещества (ГВ) – тёмно окрашенные природные амфифильные органические азотсодержащие рандомизованные редокс – гетерополимеры арилгликопротеидной природы, являющиеся полиамфолитами и проявляющие кислотные свойства т.е. имеют в своём составе как гидрофильные, так и гидрофобные участки [29]. ГВ – дифильные (амфифильные) коллоиды [10; 22]. По этой причине они были отнесены к поверхностно–активным веществам [1; 3; 7; 21]. Как и все поверхностно–активные вещества, молекулы ГВ способны образовывать ассоциаты – мицеллы – физически рыхлые глобулы [1].

8 Рисунок 2 – Строение структурированной мицеллы гуминовых веществ [29]. Глобулы ГВ, в свою очередь способны образовывать четвертичные структуры [20], [28]. Рисунок 3 – Гуминовые вещества озерного сапропеля [29].

9 Вследствие мицеллярного строения ГВ и наличия в мицеллах порового пространства, в ядрах мицелл ГВ может происходить солюбилизация гидрофобных органических соединений [8]. Солюбилизация – самопроизвольный и обратимый процесс внедрения лиофобных веществ в мицеллы поверхностно–активных веществ [35]. Известно, что ГВ обладают солюбилизирующей способностью по отношению к таким органически веществам, как биоциды, кубовые красители, минеральное масло [23; 27; 30]. Суммируя вышесказанное, можно отметить, что хлорофиллоподобные соединения способны длительное время сохраняться в почве в условиях пониженной биологической активности. Наиболее чувствителен к изменению микробиологических условий хлорофилл А. Сохранность ХПС напрямую зависит от рН среды. Мицеллярное строение ГВ обуславливает их солюбилизирющие свойства, которые используются в различных химических производствах. При анализе литературных данных, не было найдено исследований, связывающих сохранность ХПС в почвах с солюбилизирующей способностью ГВ.

10 2. Объекты и методы исследования П р и а н а л и з е и о б о б щ е н и и л и т е р ату р н ы х д а н н ы х и с п ол ь з о ва л с я естественноисторический подход. Содержание органического вещества в экстракте ГВ, физико–химические свойства вермикомпоста, содержание общего органического углерода, влажность, pHH2O, потери при прокаливании, определялись с помощью методик, описанных в «Руководстве по химическому анализу почв» [13] и в практическом руководстве «Физика почв» [31]. Определение частиц меньше 0,25 мм проводилось с помощью универсального лазерного дифракционного анализатора размера частиц SALD-2201 фирмы Shimadzu (Япония), комплектованного ёмкостной кюветой. Фракцию 1–0,25 мм улавливали механическим путём, используя сито с диаметром ячейки 0,25 мм и проводя дальнейшее высушивание и взвешивание. Результаты дифрактометрического определения приводили к размерности фракций по Н.А. Качинскому.. При обработке результатов была проведена оценка статистических характеристик количественной изменчивости малой выборки (ПРИЛОЖЕНИЕ А). Оценка п р о в од и л а с ь п о м е тод и ч е с ком у п о с о б и ю « Ст ат и с т и ч е с ка я о б р а б от ка экспериментальных данных» [12]. Все вычисления выполнены в программе Microsoft Excel. Содержание хлорофилла а определяли фотометрическим методом, описанным в ГОСТ 17.1.4.02 – 90 [36]. Концентрат хлорофилла готовили путем экстракции из сухих листьев крапивы. Брали 5 грамм измельченных сухих листьев Urtica dioica L., добавляли 500 мл ацетона, производили холодную экстракцию в течение 2 часов. По истечении 2 часов, полученную суспензию фильтровали через фильтр синяя лента. Фильтрат помещали в темную банку с плотно закрывающейся крышкой. Результаты фотометрического определения содержания хлорофилла показали, что экстракт ХПС содержит 21 мкг/л хлорофилла А. Основной причиной выбора хлорофилла а в качестве вещества – индикатора в опытах по защите ХПС мицеллами ГВ является то, что в литературе отмечается подверженность этого вида ХПС разрушению в почвенных условиях. Это свойство хлорофилла а позволяет более точно прослеживать влияние различных факторов на защитные свойства ГВ по отношению к ХПС. Экстракция гуминовых веществ производилась из вермикомпоста, свойства которого описаны в таблице 1.

11 Таблица 1. Физико–химические свойства вермикомпоста Характеристика потери при прокаливании при температуре 600 C, % зольность, % pHH2O (1:5) сумма обменных оснований, мэкв/100 г сухого вещества влажность, % Общее содержание углерода (Собщ.), % на сухое вещество Общее содержание азота (Nобщ.), % на сухое вещество С:N общее содержание фосфора (P2O5), % на сухое вещество общее содержание калия (K2O), % на сухое вещество общее содержание кальция (CaO), % на сухое вещество общее содержание магния (MgO), % на сухое вещество подвижные соединения фосфора (Р2О5), мг/100 г субстрата подвижные соединения калия (К2О), мг/100 г субстрата Значение 26,0 74,0 7,1 35,8 10,3 12,35 0,8 15,4 0,8 0,5 0,5 0,1 358 175 Гуминовые вещества выделяли нейтральным раствором пирофосфата натрия. Раствор ГВ отделяли от минеральной части фильтрованием через фильтр синяя лента. Очищенный от минеральных примесей раствор ГВ доводили серной кислотой pH до 1. Затем ГВ сорбировали на капроновой смоле, находящейся на фильтре Нутча, собрент с сорбатом промывали 0,1 н. раствором серной кислоты. Гуминовые вещества десорбировали 0,02 н. раствором NaOH. С помощью диализа через целлофановую плёнку обессоливали до отрицательной реакции на сульфат – ион. В дальнейшем раствор ГВ разбавляли дистиллированной водой, чтобы получить растворы заданной концентрации для последующих тестов. Выбранные концентрации определялись порогом агрегативной неустойчивости (ПАН). Опыты были проведены на концентрации раствора равной концентрации ПАН, концентрации в два раза меньше и два раза больше ПАН. Порог агрегативной неустойчивости определялся следующим методом: В раствор, которым извлекались ГВ, добавлялась концентрированная H2SO4 до pH ~ 1, температуру смеси доводили до 70-80 ºС; и в горячий раствор по каплям из бюретки приливался раствор ГВ с известной концентрацией до образования легкого осадка. Минимальное количество ГВ соответствовало величине ПАН (мг C/л). Модификацию гуминовых веществ ионами кальция, алюминия и трехвалентного железа проводили следующим образом: катионит КУ–2 насыщали ионами железа окисного или ионами алюминия, или ионами кальция, а затем катионит добавляли к

12 раствору гуминовых веществ. В результате образовывались структурированные коллоидные мицеллы ГВ закрепленные поливалентными ионами. Полученную таким образом суспензию помещали в стакан, взбалтывали, давали смеси отстояться. Катионит первым оседал на дно сосуда, верхнюю часть смеси с более легкими мицеллами ГВ отделяли и использовали в работе. Оценка защитных свойств ГВ по отношению ХПС оценивали по следующей схеме: 1. Раствор ГВ заданной концентрации в количестве 10 мл смешивали с 1 мл экстракта ХПС в чашке Петри; 2. Чашку Петри с раствором в открытом виде помещали под ртутно– кварцевую лампу. Время экспозиции составляло 60 минут; 3. После обработки ультрафиолетовым излучением, содержимое чашки Петри интенсивно перемешивалось с 90 мл ацетона; 4. Полученную суспензию центрифугировали при 3000 об/мин в течение 20 минут; 5. По окончании центрифугирования, надо садочную жидко сть анализировали на спектрофотометре и определяли содержание хлорофилла А; Корректировка pH растворов ГВ производилась 0,02 н раствором гидроксида натрия и 0,02 н раствором серной кислоты. Контрольные варианты тестов, в которых экстракт ХПС заменялся на чистый ацетон, проводили для оценки уровня экстракции ГВ в ацетон. % защиты ХПС рассчитывался через отношение концентрации хлорофилла а в вариантах тестов с обработкой ультрафиолетом и раствором ГВ к концентрации хлорофилла А в вариантах теста без ГВ и облучения. В случае, если происходила экстракция ГВ в ацетон, в расчет вводили поправку – из результата содержания хлорофилла а после ультрафиолетовой обработки вычитали значение, полученное в вариантах без хлорофилла, но с ГВ, облучением ультрафиолетом и последующей экстракцией в ацетон.

13 3. Результаты и обсуждения Для подтверждения солюбилизации ХПС в мицеллах ГВ, были произведены прямые наблюдения флуоресцирующего излучения ХПС в растворах ГВ. В качестве исследуемых факторов, влияющих на протекторные свойства ГВ по отношению к ХПС, рассматривались: 1. pH среды; 2. Концентрация ГВ; 3. Модификация ГВ различными ионами; Контрольные тесты с концентратом ХПС без ГВ показали полное разложение хлорофилла а под воздействием ультрафиолета в течение 60 минут. 3.1 Прямое наблюдение взаимодействия ХПС с мицеллами ГВ Первые опыты по визуальному определению хлорофилла в почве были произведены посредством облучения вытяжки из почвы ультрафиолетовым светом с последующим наблюдением красного флуоресцирующего излучения [9]. В рамках данной работы были произведены наблюдения флуоресцирующего свечения ХПС после их обработки ГВ. Результаты наблюдений показали, что основное количество ХПС подвергается солюбилизации мицеллами ГВ. Как видно из рисунка 4, лишь малая часть, находящихся в растворе ХПС излучали флуоресцентный свет. Основная же масса ХПС полностью перекрыта от воздействия ультрафиолетовым излучением мицеллами ГВ.

14 Рисунок 4 – Ассоциаты мицеллы ГВ, наблюдаемые через флуоресцентный микроскоп. Синими стрелками помечены остатки ХПС, не подвергшиеся солюбилизации мицеллами ГВ. 3.2 Влияние pH среды на защитные свойства ГВ по отношению к ХПС Изве стно, что pH среды влияет на устойчивость мицелл ионогенных поверхностно активных веществ [20; 28]. Для установления оптимума pH обеспечивающего наиболее стабильные защитные свойства ГВ была проведена серия опытов. Для каждого из трех вариантов концентраций ГВ их защитные свойства оценивались при значениях pH 5, 9 и 7. Обработка данных не выявила достоверно значимой закономерности в проявлении защитных свойств при pH 7, По–видимому, это обусловлено пограничным значение гидрофильно–липофильного баланса (ГЛБ) ГВ в данных условиях, что в свою очередь негативно сказывается на стабильно сти мицелл ГВ в низких концентрационных диапазонах. Наиболее выраженные закономерности наблюдались при pH 9 и pH 5. Как видно из рисунка 5, защитные свойства ГВ наиболее выражены при pH 5, вероятнее всего, это обусловлено характером диссоциации функциональных групп ГВ, что в свою очередь приводит к стабилизации мицелл и повышению протекторных свойств ГВ по отношению к ХПС. В данных условиях наблюдается защита ХПС на уровне 70%. Эти значения хорошо соотносятся с данными исследователей, отмечающих повышенную стабильность ХПС в почвах с pH < 4 [5]. Обращает на себя внимание низкая защита ХПС при pH 9. По–видимому, это обусловлено пептизацией ГВ и разрушением их мицелл, что негативно сказывается на их защитных свойствах. Экстрагирование части гуминовых веществ в ацетон, как в контрольных, так и опытных вариантах при pH 9, подтверждает выдвинутую нами гипотезу.

15 Рисунок 5 – Влияние pH среды и концентрации ГВ на их защитные свойства по отношению к ХПС 3.3 Влияние концентрации нативных ГВ на их защитные свойства по отношению к ХПС В подавляющем большинстве случаев, отношение массы ГВ к ХПС в почве достигает несколько порядков [25; 33]. Тем не менее, учитывая гипотезу о решающей роли способности ГВ образовывать в почве стабильные мицеллы, фактор концентрации ГВ должен был быть изучен. Для установления влияния концентрации на защитные свойства ГВ по отношению к ХПС были испытаны 3 концентрации ГВ. Учитывая, что порог агрегативной неустойчивости для исследуемых ГВ составлял 800 мкг/мл, исследованию подверглись растворы с концентрацией 431, 863 и 1730 мкг/мл. Как видно из рисунка 5, снижение концентрации ГВ в 2 раза относительно порога агрегативной неустойчивости приводит к снижению их защитных свойств более чем в 2 раза. При незначительном превышении пороговой концентрации агрегативной неустойчивости, % защиты ХПС составляла 69%. Превышение же порога агрегативной неустойчивости более чем в 2 раза, не приводило к сколько ни будь заметному увеличению защитных свойств ГВ, что может говорить о низкой роли фактора концентрации в феномене защиты ХПС от разрушения. Тем не менее, обращает на себя внимание, что достижение высокой доли защиты ХПС при pH 7 достигается при более высоких концентрациях ГВ, что может объясняться более высоким порогом агрегативной неустойчивости при данном значении pH.

16 В виду того, что массовое отношение ГВ к ХПС во всех трех случаях превышает 1 000 000, можно предположить, что решающую роль в защите ХПС играет не столько высокая концентрация, сколько способность ГВ образовывать стабильные мицеллы при превышении порога агрегативной неустойчивости, что и обеспечивает их основные защитные свойства. 3.4 Влияние ионной модификации ГВ на их защитные свойства по отношению к ХПС Модификация различными ионами оказывает значительное влияние на стабильность мицелл поверхностно–активных веществ [28; 29]. Защитные свойства оценивались для ГВ модифицированных ионами кальция, алюминия и трехвалентного железа при концентрации ГВ 4800 мкг/мл в пересчете на нативные ГВ и pH 7. Значение pH обусловлен особенностью приготовления модифицированных ГВ. Высокая же концентрация ГВ позволяет нивелировать влияние порога агрегативной неустойчивости на результаты эксперимента. При оценке способности модифицированных ГВ экстрагироваться в ацетон, обнаружено, что данным свойством обладают только ГВ модифицированные ионами кальция. Эта особенность была учтена при оценке их защитных свойств по отношению к ХПС. Размеры модифицированных ГВ (ассоциатов мицелл) оценивались с помощью универсального лазерного дифракционного анализатора размера частиц SALD-2201 фирмы Shimadzu (Япония).. Как видно из рисунков 6 и 7, наибольшей объемной долей и количеством частиц малого размера обладают ГВ модифицированные ионами трехвалентного железа. По–видимому, это обусловлено большей стабильностью органических комплексов ГВ с железом, что в свою очередь положительно сказалось на скорости их коагуляции. Наиболее крупным размеров мицелл характеризавались ГВ модифицированные ионами алюминия. По–видимому, это обусловлено меньшей стабильностью органических комплексов ГВ с алюминием, что на ряду со схожим радиусом иона по сравнению с железом обуславливает более крупные размеры мицелл. Промежуточное положение по размеру мицелл занимает кальций, также в этом варианте модификации отмечается более низкий разброс в распределении мицелл по размеру.

17 доля частиц объемная, % 10 8 6 Fe Al Ca 4 2 0 0.1 1 10 100 Размер частиц, мкм Рисунок 6 – Распределение объема мицелл ГВ по размеру доля частиц количественная, % 40 35 30 25 20 Fe Al Ca 15 10 5 0 0.1 1 10 100 Размер частиц, мкм Рисунок 7 – Распределение количества мицелл гуминовых веществ по размеру Как видно из рисунка 8, защитные свойства ГВ модифицированных ионами кальция по отношению к ХПС значительно ниже, чем в контрольном варианте. Подобный результат соотносится с тем, что ГВ с кальцием активно экстрагировались в ацетон, что указывает на низкую стабильность мицелл на их базе. Гуминовые вещества модифицированные ионами алюминия не показали достоверной разницы по защитным свойствам по сравнению с вариантом с нативными ГВ. Обращает на себя внимание высокая степень защиты ХПС в вариантах с ГВ модифицированными ионами

18 трехвалентного железа. Уровень защиты в этом варианте приближается к 100%, что, возможно свидетельствует о повышенной степени солюбилизации ХПС или дополнительных фотопротекторных свойствах ГВ модифицированных ионами Защищено ХПС, % трехвалентного железа. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Без модификации Кальций Железо Алюминий Рисунок 8 – Влияние ионной модификации ГВ на их защитные свойства по отношению к ХПС

19 Выводы 1. Прямые наблюдения флуоресцентного излучения подтверждают гипотезу о солюбилизации ХПС мицеллами ГВ; 2. Результаты серии тестов, проведенных в рамках исследования, подтвердили защитные свойства ГВ по отношению к ХПС; 3. Концентрация ГВ прямо пропорционально влияет на их защитные свойства по отношению к ХПС; 4. Отмечено резкое увеличение защиты ХПС при превышении концентрации ГВ порога агрегативной неустойчивости. Дальнейшее увеличение концентрации не приводило к сколько ни будь заметному увеличению защиты ХПС; 5. Предельная защита нативными ГВ по отношению к ХПС составила 70%; 6. Наилучшая защита ХПС наблюдается в кислотных условиях, тогда как при щелочных условиях доля защищённых ХПС был значительно ниже. По–видимому, это обусловлено пониженной устойчивостью мицелл ГВ, что может подтверждаться тем фактом, что ГВ в этих вариантах экстрагировались в ацетон. 7. Среди модифицированных ГВ наибольшими защитными свойствами по отношению к ХПС характеризовались ГВ модифицированные трехвалентным железом (уровень защиты приближался к 100%), что может объясняться повышенной устойчивостью мицелл по сравнению с не модифицированными вариантами. ГВ модифицированные алюминием достоверно не отличаются по защитным свойствам от нативных ГВ. ГВ модифицированные кальцием экстрагируются в ацетон и характеризуются пониженной защитой по отношению к ХПС.

20 Литература 1. Engebretson R.R. The effect of molecular size on humic acid associations / R.R.Engebretson, R. Von Wandruszka // Org. Geochem. 1997. V. 26. Is. 11 – 12.P. 759 – 767. 2. Etude de la decomposition de la matiere organique dans le sol au moyen de carbon radioactiv. IV. Decomposition des pigmetnt foliares / Simonart P. etc // Plan and soil. – №11. – 1959. 3. Guetzloff T.F. Does humic acid form a micelle? / T.F. Guetzloff, J.A. Rice // Sci. Total Env. 1994. V. 152. P. 31 – 35. 4. Hoyt P. Chlorophill – type compounds in soil. I. Their origin // Plant & Soil.1966. Vol. XXV. № 2. 5. Hoyt P. Chlorophill – type compounds in soil. II. Their decomposition // Plant & Soil. 1966. Vol. XXVI. № 3. 6. Hoyt P. Chlorophill – type compounds in soil. III. Their significance in arable soil // Plant & Soil. 1967. Vol. XXVI. № 1. 7. Kawahigashi M. Change in Configurations and Surface Active Properties of Humic Acid with Increasing Concentration of NaCl // The Role of Humic Substances in the Ecosystems and in Environmental Protection: Proc. 8thMeeting IHSS / Eds J. Drozd, S.S. Gonet, N. Senesi, J. Weber / M.Kawahigashi, N. Fujitake, T. Tsurudome et al.. Wroclaw, Poland: PTSH Polish Society of HS, Polish Chapter of the IHSS, 1997. P. 127 – 132. 8. Schnitzer M. Humus Substances: Chemistry and Reactions // Soil Organic Matter / Eds M. Schnitzer, S.U. Khan / Development of Soil Science. N 8 /M. Schnitzer. Ottawa, 1978. P. 1 – 64. 9. Torstensson G. Fluorescence of gyttja soil/ Torstensson G., Eriksson S., Wiklsnder L. // Lantbr Högsk. Annlr. – 1939. – №7. 10. Tombácz E. Changes of Colloidal State in Aqueous Systems of Humic Acids //Understanding Humic Substances. Advanced Methods, Properties and Applications / Eds E.A. Ghabbour G. Davies / E. Tombácz, J.A. Rice.Cambridge: Royal Society of Chemistry, 1999. P. 69 – 78. 11. Vallentyne J.R. Sedimentary chlorophyll determination as a paleobotanical method / Vallentyne J.R. // Can J Bot. – 1955. – No 33. 304 –313. 12. Абакумов Е.В., Попов А.И. Методические указания по оформлению и выполнению письменных работ и статистической обработке результатов научных исследований / Абакумов Е.В., Попов А.И. – Санкт – Петербург: Лема, 2000. – 42 с.

21 13. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв: учеб. пособие для вузов / Е. В Аринушкина. 2 – е изд., знач. доп. М.: МГУ, 1970. – 488 с. 14. Бирюкова О.Н., Орлов Д.С. О содержании хлорофилла в современных и погребенных почвах в ископаемых почвах и ископаемых осадках // Изв. АН СССР. Биол.науки. 1978, № 6. 119- 123 с 15. Дергачева М.И. Органическое вещество ископаемых почв / М.И. Дергачева, В.С. Зыкина. – Новосибирск: Наука, 1988. – 129 с. 16. Докучаев В. В Русский чернозём. Популярный очерк // Новь:. – СПб., 1885. – Вып. 18. – С. 194 – 215. 17. Дроздова Т.В. Геохимия органического вещества современных и ископаемых осадков – Автореф. Докт. Дис. М., 1974. – 315 с. 18. Зайдельман Ф.Р., Данилова Г.А. Влияние глееобразования на содержение липидов, хлорофилла, зеленого пигмента и углеводов в дерново – подзолистых почвах. // Биол. науки 1989. Т. 305. 19. Козырев Ф.Н. Почвенный хлорофилл как индикатор переувлажнения почвы / Ф.Н. Козырев.// Доклады ВАСХНИЛ. 1991. № 5. 20. Кононова М.М. Органическое вещество почвы, его природа, свойства и методы изучения / М.М. Кононова. М.: Изд – во АН СССР, 1963. – 314 с. 21. Лактионов Н.И. Гумус как природное коллоидное поверхностно–активное вещество / Н.И. Лактионов. Харьков, 1978. – 25 с. 22. Лиштван И.И. Коллоидная химия и физико–химическая механика торфа: история развития и современные направления исследований / И.И. Лиштван // Природопользование. 2012. Вып. 22. С. 47–56. 23. Мальцева Е . В . Ф и з и ко – х и м и ч е с к и е с во й с т ва г ум и н о в ы х к и с л от, модифицированных методом механоактивации каустобиолитов, и их взаимодействие с биоцидами: Автореферат канд. хим. Наук. – Томск, 2010. – 23 с. 24. Орлов Д.С., Гришина Л.А., Ерошичева Н.Л. Практикум по биохимии гумуса. М.: Изд – во МГУ. 1969. – 157 с. 25. Орлов Д.С. Химия почв. – М.: МГУ 1985. – 376 с. 26. Память почв: Почва как память биосферно–геосферно–антропосферных взаимодействий. / Отв. ред. В.О. Таргульян, С.В. Горячкин. – М.: URSS. 2008. – 680 с. 27. Погорелова А.С. Разработка теоретических основ применения гуминовых кислот в крашении и печатании тканей кубовыми красителями: Диссертация канд. хим. Наук. – Иваново, 2002. – 193 с.

22 28. Попов А.И. Коллоидно – химические свойства гуминовых веществ / А.И. Попов, А.Ю. Бурак // Гумус и почвообразование / Сб. науч. трудов С. – Петерб. гос. аграрн. ун – та. ― СПб., 1998. С. 26 – 30. 29. Попов А.И. Гуминовые вещества: свойства, строение, образование / Под ред. Е.И. Ермакова / А.И. Попов. СПб.: Изд – во С. – Петерб. ун – та, 2004. – 248 с. 30. Попов А.И. Солюбилизация углеводородов гуминовыми веществами почв // Органическое вещество / Материалы междунар. науч. конф., посвящённой 105 – летию со дня рождения Л. Н. Александровой (21 – 22 ноября 2013 г., Санкт – Петербург). – СПб.: С. – Петерб. гос – й аграрн. ун – т, 2013. С. 24 – 29. 31. Растворова О.Г. Физика почв (практическое руководство) Л.: 1983. – 193 с. 32. Спектрофотометрическое определение в почвах хлорофилла и его производных / Фридланд Е.В. и др. // Биол. науки. – 1975. – №9. 33. Федорос Е.И. Содержание хлорофиллоподобных соединений в профиле почв. На примере почв Европейской части России и Южной Украины: Автореферат канд. с. – х. наук. – Санкт – Петербург, 2000. – 188 с. 34. Фридланд Е.В. Липидная (растворимая в спиртобензоле) фракция органического вещества различных почв / Фридланд Е.В. // Почвоведение. – 1976. – № 10. 35. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. – М.: Химия, 1988. – 464 с. 36. ГОСТ 17.1.4.02 – 90. Вода. Методика спектрофотометрического определения хлорофилла – Введ. 1991 – 01 – 01. – М.: ФГУП. "СТАНДАРТИНФОРМ", 2010. – 15 с.

23 Приложение А Оптическа Относительна я Ошибка я ошибка плотность Выборочное Диспервыборочной Стандартное Коэффициент выборочной II среднее сия средней отклонение вариации средней 0,105 0,109 0,0000320 0,00400 0,00566 5,18977 3,66972 0,110 0,113 0,0000180 0,00300 0,00424 3,75455 2,65487 0,105 0,109 0,0000320 0,00400 0,00566 5,18977 3,66972 0,112 0,109 0,0000129 0,00254 0,00359 3,29325 2,32868 0,047 0,049 0,0000080 0,00200 0,00283 5,77230 4,08163 0,168 0,171 0,0000180 0,00300 0,00424 2,48108 1,75439 0,043 0,044 0,0000020 0,00100 0,00141 3,21412 2,27273 0,092 0,096 0,0000320 0,00400 0,00566 5,89256 4,16667 0,154 0,151 0,0000131 0,00256 0,00362 2,38819 1,6887 0,069 Варианты Оптическая экспериментов плотность I ГВ (1,73мг/мл;рН=5) 0,113 ГВ (1,73 мг/мл;рН=7) 0,116 ГВ (1,73 мг/мл;рН=9) 0,113 ГВ (0,863;ph5) 0,106 ГВ (0,863;pH7) 0,051 ГВ (0,863;Ph9) 0,174 ГВ (0,431;Ph5) 0,045 ГВ (0,431;Ph7) 0,100 ГВ (0,431;Ph9) 0,149 Мицеллы ГВ, модифицированные ионами кальций 0,073 0,071 0,0000080 0,00200 0,00283 Мицеллы ГВ, 0,171 модифицированные ионами железа 0,165 0,168 0,0000173 0,00294 0,00416 Мицеллы ГВ, 0,122 модифицированные ионами алюминия 0,111 0,116 0,0000614 0,00554 0,00783 ХФ (безУФ+гв) рН=7 0,159 0,181 0,170 0,0002420 0,01100 0,01556 ХФ (безУФ+гв) рН=5 0,156 0,159 0,158 0,0000032 0,00127 0,00180 ХФ (безУФ+гв) рН=9 0,460 0,400 0,430 0,0018000 0,03000 0,04243 Статистическая обработка данных фотометрических измерений при определении концентрации хлорофилла. 3,98370 2,8169 2,47738 1,75177 6,75060 9,15672 1,14232 9,86661 4,77339 6,47478 0,80774 6,97674

БАГОДАРНОСТИ Я выражаю глубокую признательность за помощь в процессе подготовки дипломной работы всему коллективу кафедры Почвоведения и экологии почв СПбГУ и кафедры Агрохимии СПбГУ. Отдельную благодарность хотелось бы выразить моему научному руководителю - Попову Александру Ивановичу за постановку целей и задач и интеллектуальную поддержку на всём протяжении исследования. Благодарю Рюмина Александра Георгиевича, Романова Олега Васильевича, Русакова Алексея Валентиновича, Гагарину Галину Алексеевну, Фёдорову Нину Николаевну, Лабутову Наталию Марковну, Орлову Елену Евгеньевну за приобретённые знания и создание располагающей к обучению атмосферы; Антонову Наталью Сергеевну, Нуретдинову Александру Ивановну, без помощи которых выполнение исследовательской части было бы невозможно. Отдельно хотелось бы поблагодарить Павла Дмитриевича Гурина, моего первого и любимого учителя, за зарождение интереса к почвоведению и неоценимую помощь на всех этапах обучения. Благодарю моих родителей за веру и моральную и материальную поддержку.

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв