ГОУ ВПО
«Сургутської ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Ханти-Мансійського автономного округу - Югри »
Кафедра хімії
Реферат на тему: Гумус
Виконала: студентка гр. 0471
Гельвера А.
Перевірив викладач:
Цейтлін В.А.
м. Сургут 2009
Зміст
Введення
Гумус
Гумусові кислоти
Гуміфікація
Властивості гумінових речовин
Хімічна структура гумінових речовин
Список літератури
Введення
Гумус - це сукупність органічних сполук у грунті, але не входять до складу живих організмів або їх залишків, що зберігають анатомічна будова. Гумус складає 85-90% органічної речовини грунту і є важливим критерієм при оцінці її родючості.
Гумус складають індивідуальні (в тому числі специфічні) органічні сполуки, продукти їх взаємодії, а також органічні сполуки, що знаходяться у формі органо-мінеральних утворень.
1 Гумус
Величезне різноманіття специфічних гумусових речовин ділять умовно (за їх властивостями) на три великі групи - гумінові кислоти, фульвокислоти, гумин - або, інакше, це - гумінові сполуки. По-іншому гумінові сполуки називають по аналогії з солями (від похідних кислот): гумату і фульвати, підкреслюючи тим їх походження. Але всі їх можна об'єднати - у них подібні властивості, всі вони солі кислот. Основна відмінність фульвокислот від гумінових - їх різко виражена кисла реакція (рН 2,6 -2,8). При такій реакції фульвокислоти розчиняють більшість мінералів, пов'язуючи їх, і виносять поживні речовини в нижні шари, чим знижують грунтову родючість для рослин; їх солі практично не доступні для рослин. Але це деталі.
Освіта гумусу - дуже складний процес біологічних і біохімічних перетворень залишків рослинного (а також тваринного) походження в грунті, головним чином у третьому, заключному шарі листового і трав'яного опаду - гумусового горизонту.
Таким чином, гумус - це термін, який би величезний комплекс або групу хімічних речовин, до складу яких входить як органічна частина (гумінові та фульвокислоти), так і неорганічна складова - хімічні елементи неорганічного походження, або простіше сказати, мінерали (що входять до складу гуматів і фульватов).
Однак, склад гумусу, а по-іншому сказати - гумінових кислот і їх солей, гуматів - залежатиме більшою мірою не від того, який вид мікробів їх "виробляє" завдяки своїй ферментативної діяльності, а від складу детриту (розкладаються органічних залишків) та тієї мінеральної частини грунту, де ці процеси відбуваються.
2 Гумусові кислоти
Гумінові речовини - це основна органічна складова грунту, води, а також твердих горючих копалин. Вони утворюються при розкладанні рослинних і тваринних залишків під дією мікроорганізмів і абіотичних факторів середовища. В. І. Вернадський у свій час називав гумус продуктом коеволюції живого і неживого планетарної речовини. Більш розгорнуте визначення вже в 90-х роках XX століття дав професор кафедри хімії грунтів МДУ Д. С. Орлов: «Гумінові речовини - це більш-менш темнофарбовані азотвмісні високомолекулярні сполуки, переважно кислотної природи». З цього випливає тільки один висновок: аж до сьогоднішнього дня визначення гумінових речовин мала швидше філософський, ніж хімічний сенс. Причини криються в специфіці освіти і будови цих сполук.
Гумінові та фульвокислоти, що об'єднуються під назвою гумусові кислоти, нерідко складають значну частку органічної речовини природних вод і являють собою складні суміші біохімічно стійких високомолекулярних сполук.
Головним джерелом надходження гумусових кислот у природні води є грунти і торфовища, з яких вони вимиваються дощовими та болотними водами. Значна частина гумусових кислот вноситься у водойми разом з пилом і утворюється безпосередньо у водоймі в процесі трансформації "живої органічної речовини".
Наявність у структурі Фульвіо-і гумінових кислот карбоксильних і фенолгідроксільних груп, аміногруп сприяє утворенню міцних комплексних сполук гумусових кислот з металами. Деяка частина гумусових кислот знаходиться у вигляді малодіссоціірованних солей - гуматів і фульватов. У кислих водах можливе існування вільних форм гумінових і фульвокислот.
Гумінові кислоти містять циклічні структури і різні функціональні групи (гідроксильні, карбонільні, карбоксильні, аміногрупи та ін.) Молекулярна маса їх коливається в широкому інтервалі (від 500 до 200 000 і більше). Відносна молекулярна маса умовно приймається рівною 1300-1500.
Фульвокислоти є частиною гумусових кислот, не осідають при нейтралізації з розчину органічних речовин, витягнутих з торфів та бурого вугілля обробкою лугом. Фульвокислоти представляють з'єднання типу оксикарбонових кислот з меншим відносним вмістом вуглецю і більш вираженими кислотними властивостями. Хороша розчинність фульвокислот порівняно з гуміновими кислотами є причиною їх більш високих концентрацій і поширення в поверхневих водах. Зміст фульвокислот, як правило, перевищує вміст гумінових кислот в 10 разів і більше.
3 Гуміфікація
Рослинний опад, продукти метаболізму і останки тварин стають їжею для різноманітних організмів, що мешкають в грунті.
Одна частина відмерлої біоти (50-75%) мінералізуєтся, а інша (25-50%) підлягає біохімічним ферментативним процесам розкладання і окислення - гуміфіціруется. У ході гуміфікації відбувається синтез складних органічних сполук, у грунті накопичується гумус, «природне тіло, що утворюється в природі скрізь, де тільки рослинні і тваринні останки піддаються розкладанню». У гумусі домінують речовини кислотної природи - гумусові кислоти. У середньому на кожен квадратний кілометр поверхні суші щорічно надходить 33-168 т гумусових кислот.
З часом гумусові речовини перетворюються, окислюючись, в кінцевому підсумку, до вуглекислого газу і води. Разом з тим це процес досить тривалий, речовини гумусової природи демонструють високу стійкість до біохімічної і термічної деструкції. Гумусові речовини в розчинах не зазнають помітних змін протягом декількох років, а мікроорганізмам потрібно більше місяця, щоб зменшити вдвічі їх концентрацію.
Як результат, вони здатні досить довго зберігатися і накопичуватися в природних умовах. Так, дані радіовуглецевого аналізу, свідчать, що вік гумусових кислот у грунтах коливається від 500 до 5000 років, а у взвесях річкових опадів - від 1500 до 6500 років, а їх частка в органічній речовині грунтів і поверхневих вод становить 60-90%.
Важливо відзначити, що шлях перетворення відмерлої біоти - мінералізація або гуміфікація - залежить переважно від грунтово-кліматичних умов. У теплому і вологому кліматі процеси окислення відбуваються дуже швидко і майже весь рослинний опад мінералізуєтся, а гумус у грунті не накопичується. У холодному кліматі трансформація опаду сповільнена, та й кількість його невелика, і вміст гумусу в грунті мало. Оптимальні умови для гуміфікації та збереження гумусових речовин у грунтах - помірний клімат без перезволоження.
• Гуміфікація - процес, який відбувається всюди, де є органічні залишки і мікроорганізми;
• щорічна продукція гумусових кислот досягає мільярдів тонн;
• гумусові кислоти у високих концентраціях присутні в природних водах і грунтах.
Роль гумусових кислот визначається особливостями їх хімічної будови. У результаті гуміфікації в молекулах гумусових кислот з'являються угруповання, які мають властивості слабких кислот. Ці групи дисоціюють, даючи іони водню і негативно заряджені іони (аніони). Аніони ж, реагуючи з позитивно зарядженими іонами металів, утворюють особливий тип речовин - координаційні сполуки (комплекси), причому комплекси більшості металів з гумусовими кислотами відрізняються високою міцністю.
У присутності гумусових кислот концентрація іонів металів, що існують у вигляді комплексів, набагато перевищує концентрацію вільних іонів, та без урахування комплексоутворюючої ролі гумусових кислот неможливо зрозуміти процеси, що відбуваються в природних системах.
У процесах комплексоутворення проявляється протилежна геохімічна роль різних фракцій гумусових кислот.
Освіта гумінових речовин, або гуміфікація, - це другий за масштабністю процес перетворення органічної речовини після фотосинтезу. У результаті фотосинтезу щорічно зв'язується близько 50.109 т атмосферного вуглецю, а при відмирання живих організмів на земній поверхні виявляється близько 40.109 т вуглецю. Частина відмерлих залишків мінералізуєтся до СO2 і Н2O, решта перетворюється на гумінові речовини. За різними джерелами, щороку в процес гуміфікації втягується 0,6-2,5 · 109 т вуглецю.
На відміну від синтезу в живому організмі, освіта гумінових речовин не направляється генетичним кодом, а йде за принципом природного добору - залишаються самі стійкі до біоразложенію структури. У результаті виходить стохастична, імовірнісна суміш молекул, в якій ні одна з сполук не тотожне іншому. Таким чином, гумінові речовини - це дуже складна суміш природних сполук, що не існує в живих організмах.
4 Властивості гумінових речовин
Історія вивчення гумінових речовин налічує вже більше двохсот років. Вперше їх виділив з торфу і описав німецький хімік Ф. Ахард в 1786 році. Німецькі дослідники розробили перші схеми виділення та класифікації, а також ввели і сам термін - «гумінові речовини» (похідне від латинського humus - «земля» або «грунт»). У дослідження хімічних властивостей цих сполук у середині XIX століття великий внесок зробив шведський хімік Я. Берцеліус і його учні, а потім, у XX столітті, і наші вчені-грунтознавці і углехімікі: М. А. Кононова, Л. А. Христєва, Л . М. Александрова, Д. С. Орлов, Т. А. Кухаренко та інші.
Фундаментальні властивості гумінових речовин - це нестехіометричного складу, нерегулярність будови, гетерогенність структурних елементів і полідисперсності. Коли ми маємо справу з гуміновими речовинами, то зникає поняття молекули - ми можемо говорити тільки про молекулярному ансамблі, кожен параметр якого описується розподілом. Відповідно, до гумінових речовин неможливо застосувати традиційний спосіб чисельного опису будови органічних сполук - визначити кількість атомів в молекулі, число і типи зв'язків між ними. У якісь моменти вченим, напевно, здавалося, що працювати з цими речовинами зовсім неможливо - вони як «чорний ящик», в якому все відбувається непередбачувано і кожен раз по-іншому.
Щоб хоч якось спростити систему, дослідники запропонували спосіб класифікації гумінових речовин, заснований на їх розчинності в кислотах і лугах. Відповідно до цієї класифікації, гумінові речовини підрозділяють на три складові: гумин - незнімний залишок, не розчинний ні в лугах, ні в кислотах; гумінові кислоти - фракція, розчинна в лугах і нерозчинна в кислотах (при рН <2); фульвокислоти - фракція, розчинна і в лугах, і в кислотах. Гумінові та фульвокислоти, взяті разом, називають «гумусовими кислотами». Це найбільш рухлива і реакційноздатні компонента гумінових речовин, активно бере участь в природних хімічних процесах.
У міру занурення в «молекулярний хаос» гумінових речовин хімікам відкрилося те, що вже давно було відомо грунтознавця, - хаос тільки здається. Так, наприклад, діапазон варіацій атомних відносин основних складових елементів (C, H, O і N) не такі вже й широкий. При цьому він чітко залежить від джерела походження гумінових речовин. Максимальний вміст кисню і кисневмісних функціональних груп спостерігається в речовинах, отриманих з води, і далі їх вміст знижується в ряду: "вода-грунт-торф-вугілля». У зворотній послідовності збільшується вміст ароматичного вуглецю.
З'ясувалася ще одна закономірність. У всіх гумінових речовин (не важливо, якого походження) єдиний принцип будови. У них є каркасна частина - ароматичний вуглецевий скелет, заміщений функціональними групами. Серед заступників переважають карбоксильні, гідроксильні, метоксільние і алкільні групи. Крім каркасною частини, у гумінових речовин є і периферична, збагачена полісахаридними і поліпептидними фрагментами.
Важлива характеристика речовини - його хімічні властивості, тобто здатність вступати в реакції з іншими сполуками. Спектр реакцій, в які можуть вступати гумінові речовини, дуже широкий, особливо це стосується їх найбільш реакційно частини - гумусових кислот. Завдяки карбоксильних, гідроксильних, карбонільним групам і ароматичним фрагментами (рис. 1) гумусові кислоти вступають у іонні, донорно-акцепторні і гідрофобні взаємодії. Гумінові речовини здатні зв'язувати різні класи екотоксикантів, утворюючи комплекси з металами і з'єднання з різними класами органічних речовин. Тим самим вони виконують функцію своєрідних посередників, що пом'якшують дію забруднень на живі організми.
Рис. 1. Хімічні властивості гумусових кислот
5 Хімічна структура гумінових речовин
За хімічною структурою гумінові речовини - високомолекулярні (молекулярна маса 1300-1500) конденсовані ароматичні сполуки, в яких встановлено наявність фенольних гідроксилів, карбоксильних, карбонільних і ацетогрупп, простих ефірних зв'язків та ін
Склад природних ГВ дуже нестабільний. Найважливіша особливість ГВ - їх різноманітність у природі, про що можна судити не тільки по елементного складу, але і по набору функціональних груп та інших властивостей.
Будь-які ГВ містять великий набір функціональних груп, вони поліфункціональні. Їх молекули містять карбоксильні групи-СООН, фенольні-ОН, хінони = С = О, аміногрупи-NH2 та ін Їх кількість, по-перше, велике, по-друге, вони розподілені нерівномірно по молекулам різного розміру, і навіть молекули одного розміру можуть відрізнятися за змістом функціональних груп. Більш того, молекули ГВ розрізняються за кількістю входять до їх складу залишків амінокислот (всього їх 17-20), за кількістю вуглеводних залишків і характеру їхнього розташування.
Зміст функціональних груп, виражене в ММ коливається в гумінових кислотах у таких межах:-СООН - 1500-5700, кислі-ОН - 2100-5700, слабокислі і спиртові-ОН - 200-4900, хіноїдного-С = О - 100-5600, кетон-С = О - близько 1700,-ОСН3 - 300-800. Крім того, велику роль відіграють групи-NН2.
Щоб скласти чітке уявлення про побудову молекул ГВ, необхідно визначити, з яких фрагментів вони побудовані і що лежить в їх основі. Для цього вдаються до дроблення великих молекул на складові частини, що можливо двома способами:
1) відносно м'який - гідроліз розчинами кислот або лугів;
2) жорсткий - окислення ГВ розчинами марганцевокислого калію чи окисом міді.
При гідролізі в розчин переходять, відокремившись від молекули ГВ, низькомолекулярні фрагменти, аміноцукри і моносахариди. Амінокислот буває від 17 до 22, всі вони альфа-амінокислоти, ті ж, що є в рослинах, бактеріальної плазмі, причому приблизно в тих же співвідношеннях.
Точних молекулярних формул для будь-яких ГВ не існує, всі запропоновані варіанти мають характер схем, вони гіпотетичність, оскільки враховують тільки склад з'єднань і деякі їх властивості, тоді як розташування атомів і атомних груп залишається при цьому невідомим. Незважаючи на це, спроб складання молекулярних формул ГВ в історії науки було чимало: зараз налічується не один десяток таких формул, частина яких має тільки характер блок-схем, а частина відображає більш-менш реально склад і властивості гумінових кислот. Негативні результати при спробах складання структурних формул ГВ пояснюються тим, що останні не утворюють кристалів, мають змінний склад і полідисперсних навіть у найбільш однорідних препаратах. Отримати мономолекулярні фракції ГВ поки не вдалося. Тому до них виявилися непридатними ті методи і прийоми, які зазвичай використовують для створення формул природних і високомолекулярних біоорганічних молекул.
Рис. 2. Гіпотетичний структурний фрагмент гумусових кислот грунтів (Кляйнхемпель, 1970). Зображення: «Хімія і життя»
Висновок
Гумінові речовини є майже всюди в природі. Їх вміст у морських водах 0,1-3 мг / л, у річкових - 20 мг / л, а в болотах - до 200 мг / л. У грунтах гумінових речовин 1-12%, при цьому найбільше їх в чорноземах. Лідери за змістом цих сполук - органогенні породи, до яких відносяться вугілля, торф, сапропель, горючі сланці.
Наявність гумусу свідчить про те, наскільки грунт жива. Чим більше гумусу, тим краще водний, повітряний і тепловий режими родючого шару землі, тим насиченішим цей шар основними елементами живлення, тим активніше йде в ньому процес створення живого з неживого.
У грунтоутворенні перегній або гумус накопичується в результаті розкладання залишків рослин і тварин. Рослинні залишки так само формують механічну структуру, надають грунтам рихлість і легкість, вологоємність. У пустелях, де відсутня рослинність, грунти сипучі, піщані і піщинки не пов'язані між собою.
Список літератури
Орлов Д.С. Гумінові речовини в біосфері / / Статті Соровського Освітнього журналу в текстовому форматі. Хімія. - МДУ ім. М.В. Ломоносова
Хімічна енциклопедія в 5 томах. Т.1. - М.: «Рад. енциклопедія », 1988. - С.618 ..
Орлов Д.С., Лозановская І.М., Попов П.Д. Органічне речовина грунту і органічні добрива. М.: Изд-во Моск. Ун-ту, 1985, 97с
http:// ecolife.org.
http://universitates.kharkov.ua
http://ecology.sci-lib.com
http://biology.krc.karelia.ru
http://elementy.ru
Орлов Д.С. Гумінові кислоти грунтів. - М.: Ізд.МГУ, 1974. - 332
http://pochva-all.ru
http://green-dale.ru
Тейт Р. Органічне речовина грунту. - М.: Світ, 1991. - 400 с.
http://revolution.allbest.ru
Гришина Л.О. Гумусообразованія і гумусне стан грунтів. М., 1986. 242 с.
Орлов Д.С., Щербенко О.В. Гумінові речовини. -Київ: Наук. думка, 1995. - 304 с.