Роль гумуса в почве
ГОУ ВПО
«СУРГУТСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Ханты-Мансийского
автономного округа – Югры»
Кафедра химии
Реферат на тему: Гумус
Выполнила: студентка гр. 0471
Гельвер А.
Проверил преподаватель:
Цейтлин В.А.
г. Сургут 2009 год
Содержание
Введение
1)
Гумус
2)
Гумусовые
кислоты
3)
Гумификация
4)
Свойства
гуминовых веществ
5)
Химическая
структура гуминовых веществ
Список литературы
Введение
Гумус — это
совокупность органических соединений, находящихся в почве, но не входящих в
состав живых организмов или их остатков, сохраняющих анатомическое строение.
Гумус составляет 85-90 % органического вещества почвы
и является важным критерием при оценке её плодородности.
1 Гумус
Огромное
многообразие специфических гумусовых веществ делят условно (по их свойствам) на
три большие группы - гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумин - или, иначе, это
- гуминовые соединения. По-другому гуминовые соединения называют по аналогии с
солями (от производных кислот): гуматы и фульваты, подчеркивая тем их
происхождение. Но все их можно объединить - у них сходные свойства, все они
соли кислот. Основное отличие фульвокислот от гуминовых - их резко выраженная
кислая реакция (рН 2,6 -2,8). При такой реакции фульвокислоты растворяют
большинство минералов, связывая их, и выносят питательные вещества в
нижележащие слои, чем снижают почвенное плодородие для растений; их соли
практически не доступны для растений. Но это частности.
Образование
гумуса - очень сложный процесс биологических и биохимических превращений
остатков растительного (а также животного) происхождения в почве, главным
образом в третьем, заключительном слое листового и травяного опада - гумусовом
горизонте.
Таким
образом, гумус - это термин, объединяющий огромный комплекс или группу
химических веществ, в состав которых входит как органическая часть (гуминовые и
фульвокислоты), так и неорганическая составляющая - химические элементы
неорганического происхождения, или проще сказать, минералы (входящие в состав
гуматов и фульватов).
Однако,
состав гумуса, а по-другому сказать - гуминовых кислот и их солей, гуматов -
будет зависеть в большей степени не от того, какой вид микробов их
"производит" благодаря своей ферментативной деятельности, а от
состава детрита (разлагающихся органических остатков) и той минеральной части
почвы, где эти процессы происходят.
2 Гумусовые кислоты
Гуминовые
вещества – это основная органическая составляющая почвы, воды, а также твердых
горючих ископаемых. Они образуются при разложении растительных и животных
остатков под действием микроорганизмов и абиотических факторов среды. В. И.
Вернадский в свое время называл гумус продуктом коэволюции живого и неживого
планетарного вещества. Более развернутое определение уже в 90-х годах XX века
дал профессор кафедры химии почв МГУ Д. С. Орлов: «Гуминовые вещества — это
более или менее темноокрашенные азотсодержащие высокомолекулярные соединения,
преимущественно кислотной природы». Из этого следует только один вывод: вплоть
до сегодняшнего дня определение гуминовых веществ имело скорее философский, чем
химический смысл. Причины кроются в специфике образования и строения этих
соединений.
Гуминовые и
фульвокислоты, объединяемые под названием гумусовые кислоты, нередко составляют
значительную долю органического вещества природных вод и представляют собой
сложные смеси биохимически устойчивых высокомолекулярных соединений.
Главным
источником поступления гумусовых кислот в природные воды являются почвы и
торфяники, из которых они вымываются дождевыми и болотными водами. Значительная
часть гумусовых кислот вносится в водоемы вместе с пылью и образуется
непосредственно в водоеме в процессе трансформации "живого органического
вещества".
Наличие в
структуре фульво- и гуминовых кислот карбоксильных и фенолгидроксильных групп,
аминогрупп способствует образованию прочных комплексных соединений гумусовых
кислот с металлами. Некоторая часть гумусовых кислот находится в виде
малодиссоциированных солей - гуматов и фульватов. В кислых водах возможно
существование свободных форм гуминовых и фульвокислот.
Гуминовые
кислоты содержат циклические структуры и различные функциональные группы
(гидроксильные, карбонильные, карбоксильные, аминогруппы и др.). Молекулярная
масса их колеблется в широком интервале (от 500 до 200 000 и более).
Относительная молекулярная масса условно принимается равной 1300-1500.
Фульвокислоты
являются частью гумусовых кислот, не осаждающихся при нейтрализации из раствора
органических веществ, извлеченных из торфов и бурых углей обработкой щелочью.
Фульвокислоты представляют соединения типа оксикарбоновых кислот с меньшим
относительным содержанием углерода и более выраженными кислотными свойствами. Хорошая
растворимость фульвокислот по сравнению с гуминовыми кислотами является
причиной их более высоких концентраций и распространения в поверхностных водах.
Содержание фульвокислот, как правило, превышает содержание гуминовых кислот в
10 раз и более.
3 Гумификация
Растительный опад, продукты метаболизма и останки животных становятся
пищей для разнообразных организмов, обитающих в почве.
Одна часть отмершей
биоты (50–75%) минерализуется, а другая (25–50%) подвергается биохимическим
ферментативным процессам разложения и окисления – гумифицируется. В ходе
гумификации происходит синтез сложных органических соединений, в почве
накапливается гумус, «природное тело, образующееся в природе везде, где только
растительные и животные останки подвергаются разложению». В гумусе доминируют
вещества кислотной природы – гумусовые кислоты. В среднем на каждый квадратный
километр поверхности суши ежегодно поступает 33–168 т гумусовых кислот .
Со временем гумусовые вещества преобразуются, окисляясь, в конечном
итоге, до углекислого газа и воды. Вместе с тем это процесс весьма длительный,
вещества гумусовой природы демонстрируют высокую устойчивость к биохимической и
термической деструкции. Гумусовые вещества в растворах не претерпевают заметных
изменений в течение нескольких лет, а микроорганизмам требуется больше месяца,
чтобы уменьшить вдвое их концентрацию.
Как результат, они способны довольно долго сохраняться и накапливаться в естественных условиях.
Так, данные радиоуглеродного анализа, свидетельствуют, что возраст гумусовых
кислот в почвах колеблется от 500 до 5000 лет, а во взвесях речных осадков – от
1500 до 6500 лет, а их доля в органическом веществе почв и поверхностных вод
составляет 60–90%.
Важно отметить, что путь преобразования отмершей биоты – минерализация
или гумификация – зависит преимущественно от почвенно-климатических условий. В
теплом и влажном климате процессы окисления происходят очень быстро и почти
весь растительный опад минерализуется, а гумус в почве не накапливается. В
холодном климате трансформация опада замедлена, да и количество его невелико, и
содержание гумуса в почве мало. Оптимальные условия для гумификации и
сохранения гумусовых веществ в почвах – умеренный климат без переувлажнения.
• Гумификация – процесс, который происходит всюду, где есть органические
остатки и микроорганизмы;
• ежегодная продукция гумусовых кислот достигает миллиардов тонн;
Роль гумусовых кислот определяется
особенностями их химического строения. В результате гумификации в молекулах
гумусовых кислот появляются группировки, обладающие свойствами слабых кислот.
Эти группы диссоциируют, давая ионы водорода и отрицательно заряженные ионы
(анионы). Анионы же, реагируя с положительно заряженными ионами металлов,
образуют особый тип веществ – координационные соединения (комплексы), причем
комплексы большинства металлов с гумусовыми кислотами отличаются высокой
прочностью.
В присутствии гумусовых кислот концентрация ионов металлов, существующих
в виде комплексов, намного превышает концентрацию свободных ионов, и без учета
комплексообразующей роли гумусовых кислот невозможно понять процессы,
происходящие в природных системах.
В процессах комплексообразования проявляется противоположная геохимическая
роль различных фракций гумусовых кислот.
Образование
гуминовых веществ, или гумификация, — это второй по масштабности процесс
превращения органического вещества после фотосинтеза. В результате фотосинтеза
ежегодно связывается около 50·109 т атмосферного углерода, а при отмирании
живых организмов на земной поверхности оказывается около 40·109 т углерода.
Часть отмерших остатков минерализуется до СO2 и Н2O, остальное превращается в
гуминовые вещества. По разным источникам, ежегодно в процесс гумификации
вовлекается 0,6–2,5·109 т углерода.
В отличие от
синтеза в живом организме, образование гуминовых веществ не направляется
генетическим кодом, а идет по принципу естественного отбора — остаются самые
устойчивые к биоразложению структуры. В результате получается стохастическая,
вероятностная смесь молекул, в которой ни одно из соединений не тождественно
другому. Таким образом, гуминовые вещества — это очень сложная смесь природных
соединений, не существующая в живых организмах.
4
Свойства гуминовых веществ
История
изучения гуминовых веществ насчитывает уже более двухсот лет. Впервые их
выделил из торфа и описал немецкий химик Ф. Ахард в 1786 году. Немецкие
исследователи разработали первые схемы выделения и классификации, а также ввели
и сам термин — «гуминовые вещества» (производное от латинского humus — «земля»
или «почва»). В исследование химических свойств этих соединений в середине XIX
века большой вклад внес шведский химик Я. Берцелиус и его ученики, а потом, в
XX веке, и наши ученые-почвоведы и углехимики: М. А. Кононова, Л. А. Христева,
Л. Н. Александрова, Д. С. Орлов, Т. А. Кухаренко и другие.
Фундаментальные свойства гуминовых веществ — это нестехиометричность
состава, нерегулярность строения, гетерогенность структурных элементов и
полидисперсность. Когда мы имеем дело с гуминовыми веществами, то исчезает
понятие молекулы — мы можем говорить только о молекулярном ансамбле, каждый
параметр которого описывается распределением. Соответственно, к гуминовым
веществам невозможно применить традиционный способ численного описания строения
органических соединений — определить количество атомов в молекуле, число и типы
связей между ними. В какие-то моменты ученым, наверное, казалось, что работать
с этими веществами совсем невозможно — они как «черный ящик», в котором все
происходит непредсказуемо и каждый раз по-иному.
Чтобы хоть
как-то упростить систему, исследователи предложили способ классификации
гуминовых веществ, основанный на их растворимости в кислотах и щелочах.
Согласно этой классификации, гуминовые вещества подразделяют на три
составляющие: гумин — неизвлекаемый остаток, не растворимый ни в щелочах, ни в
кислотах; гуминовые кислоты — фракция, растворимая в щелочах и нерастворимая в
кислотах (при рН < 2); фульвокислоты — фракция, растворимая и в щелочах, и в
кислотах. Гуминовые и фульвокислоты, взятые вместе, называют «гумусовыми
кислотами». Это наиболее подвижная и реакционноспособная компонента гуминовых
веществ, активно участвующая в природных химических процессах.
По мере
погружения в «молекулярный хаос» гуминовых веществ химикам открылось то, что
уже давно было известно почвоведам, — хаос только кажущийся. Так, например,
диапазон вариаций атомных отношений основных составляющих элементов (C, H, O и
N) не столь уж широк. При этом он отчетливо зависит от источника происхождения
гуминовых веществ. Максимальное содержание кислорода и кислородсодержащих
функциональных групп наблюдается в веществах, полученных из воды, и дальше их
содержание снижается в ряду: «вода—почва—торф—уголь». В обратной последовательности
увеличивается содержание ароматического углерода.
Выяснилась
еще одна закономерность. У всех гуминовых веществ (не важно, какого
происхождения) единый принцип строения. У них есть каркасная часть —
ароматический углеродный скелет, замещенный функциональными группами. Среди
заместителей преобладают карбоксильные, гидроксильные, метоксильные и алкильные
группы. Помимо каркасной части, у гуминовых веществ есть и периферическая,
обогащенная полисахаридными и полипептидными фрагментами.
Важная характеристика
вещества — его химические свойства, то есть способность вступать в реакции с
другими соединениями. Спектр реакций, в которые могут вступать гуминовые
вещества, очень широк, особенно это касается их наиболее реакционноспособной
части — гумусовых кислот. Благодаря карбоксильным, гидроксильным, карбонильным
группам и ароматическим фрагментам (рис. 1) гумусовые кислоты вступают в
ионные, донорно-акцепторные и гидрофобные взаимодействия. Гуминовые вещества
способны связывать различные классы экотоксикантов, образуя комплексы с
металлами и соединения с различными классами органических веществ. Тем самым
они выполняют функцию своеобразных посредников, смягчающих действие загрязнений
на живые организмы.
Рис. 1. Химические
свойства гумусовых кислот
5 Химическая структура
гуминовых веществ
По химической
структуре гуминовые вещества - высокомолекулярные (молекулярная масса
1300-1500) конденсированные ароматические соединения, в которых установлено
наличие фенольных гидроксилов, карбоксильных, карбонильных и ацетогрупп,
простых эфирных связей и др.
Состав
природных ГВ весьма нестабилен. Важнейшая особенность ГВ - их разнообразие в
природе, о чем можно судить не только по элементному составу, но и по набору
функциональных групп и другим свойствам.
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 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 .
Чтобы
составить ясное представление о построении молекул ГВ, необходимо определить,
из каких фрагментов они построены и что лежит в их основе. Для этого прибегают
к дроблению больших молекул на составные части, что возможно двумя способами:
2) жесткий -
окисление ГВ растворами марганцевокислого калия или окисью меди.
При гидролизе
в раствор переходят, отделившись от молекулы ГВ, низкомолекулярные фрагменты,
аминосахара и моносахариды. Аминокислот бывает от 17 до 22, все они
альфа-аминокислоты, те же, что есть в растениях, бактериальной плазме, причем
примерно в тех же соотношениях.
Точных молекулярных
формул для любых ГВ не существует, все предложенные варианты имеют характер
схем, они гипотетичны, поскольку учитывают только состав соединений и некоторые
их свойства, тогда как расположение атомов и атомных групп остается при этом
неизвестным. Несмотря на это, попыток составления молекулярных формул ГВ в
истории науки было немало: сейчас насчитывается не один десяток таких формул,
часть которых имеет только характер блок-схем, а часть отражает более или менее
реально состав и свойства гуминовых кислот. Негативные результаты при попытках
составления структурных формул ГВ объясняются тем, что последние не образуют
кристаллов, имеют переменный состав и полидисперсны даже в наиболее однородных
препаратах. Получить мономолекулярные фракции ГВ пока не удалось. Поэтому к ним
оказались неприменимыми те методы и приемы, которые обычно используют для
создания формул природных и высокомолекулярных биоорганических молекул.
Рис. 2. Гипотетический
структурный фрагмент гумусовых кислот почв (Кляйнхемпель, 1970). Изображение:
«Химия и жизнь»
Заключение
Гуминовые
вещества есть почти повсюду в природе. Их содержание в морских водах 0,1–3
мг/л, в речных — 20 мг/л, а в болотах — до 200 мг/л. В почвах гуминовых веществ
1–12%, при этом больше всего их в черноземах. Лидеры по содержанию этих
соединений — органогенные породы, к которым относятся уголь, торф, сапропель,
горючие сланцы.
Наличие
гумуса свидетельствует о том, насколько почва живая. Чем больше гумуса, тем
лучше водный, воздушный и тепловой режимы плодородного слоя земли, тем
насыщеннее этот слой основными элементами питания, тем активнее идет в нем
процесс создания живого из неживого.
В
почвообразовании перегной или гумус накапливается в результате разложения
остатков растений и животных. Растительные остатки так же формируют
механическую структуру, придают почвам рыхлость и лёгкость, влагоёмкость. В
пустынях, где отсутствует растительность, почвы сыпучие, песчаные и песчинки не
связаны между собой.
Список литературы
1)
Орлов
Д.С. Гуминовые вещества в биосфере // Статьи Соровского Образовательного
журнала в текстовом формате. Химия. - МГУ им. М.В. Ломоносова
2)
Химическая
энциклопедия в 5 томах. Т.1. - М.: «Сов. энциклопедия», 1988. - С.618..
3)
Орлов
Д.С., Лозановская И.Н., Попов П.Д. Органическое вещество почвы и органические
удобрения. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1985, 97с
4)
http://revolution.
14)
Гришина
Л.А. Гумусообразование и гумусное состояние почв. М., 1986. 242 с.
15) Орлов Д.С., Щербенко О.В. Гуминовые вещества. -Киев: Наук. думка,
1995. - 304 с.