Доктор биологических наук Геннадий ФЕДОТОВ, академик Глеб ДОБРОВОЛЬСКИЙ, Институт экологического почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова

Десятки тысяч лет возделывая почву - уникальную среду обитания живых организмов, человечество по сей день не все знает об этом теле природы. Мы имеем дело с объектом чрезвычайно сложным: исследователю для понимания протекающих здесь процессов необходимо обладать знаниями по органической, неорганической, аналитической, физической и коллоидной химии, энзимологии, микробиологии, зоологии, минералогии и ряду других дисциплин. Появление в арсенале почвоведов нанотехнологических методов позволяет иначе подойти к некоторым вопросам, давно занимающим естествоиспытателей. Один из них - строение и природа гумуса.

Электронно-микроскопическое изображение частицы илистой фракции дерново-подзолистой почвы: 1 - минеральные частицы; 2 - студнеобразная гумусовая матрица; 3 - полимерные тяжи; 4 - полимерная подложка.

ПРЕДЫСТОРИЯ

Почву, как и любой природный объект, изучают на разных уровнях ее организации. В частности, специалистов интересуют состав, строение и свойства коллоидов, определяющих многие ее свойства. Этой темой занимались крупные ученые - прежде всего академик АН СССР Константин Гедройц( 1872-1932), швей-царский агрохимик Георг Вигнер (1883-1936), шведский почвовед Санте Эмиль Маттсон (1886-1945). Работы Гедройца показали: именно тонкодисперсная часть почв, довольно незначительная по массе, играет важнейшую роль в их поглотительной способности, в формировании агрохимических, агрофизических и мелиоративных свойств, в почвообразовательном процессе в целом.

В последующие годы применение рентгено-фазового анализа, спектральных и термических методов, оптической и электронной микроскопии при изучении тонкодисперсной части почв позволило значительно полнее раскрыть природу многих их химических, физико-химических и даже микробиологических свойств (например, адсорбции микроорганизмов на поверхностях глинистых минералов). Были установлены химический и минералогический составы коллоидов, однако получить представление об их строении исследователям долгое время не удавалось.

Особенно сложен вопрос о природе органического вещества, о составе и структуре так называемых гуминовых кислот, содержащихся преимущественно в коллоидных фракциях почвы. Обобщая результаты

Электронно-микроскопические фотографии гелевых пленок, самопроизвольно выделяющихся из дерново-подзолистой почвы (a) (область 6x6 мкм) и чернозема (b): 1 - минеральные частицы; 2 - гумусовая матрица; 3 - органические дендриты, выделившиеся из гумусовой матрицы.

своих работ, известный отечественный почвовед, академик Иван Тюрин (1892-1962) пришел к выводу: "в составе гумуса, наряду с соединениями, известными из химии растительных и животных веществ, присутствуют и специфические соединения, возникающие из первых в результате особой категории процессов, которые характерны для гумуса, и ... нехарактерны для живой природы". Данная точка зрения получила широкое признание, и в большинстве научных монографий и учебных руководств появилось определение гумусовых веществ как комплекса специфических высокомолекулярных азотсодержащих ароматических соединений кислотной природы. При этом специалистам было очевидно: последние входят в состав почвенных гелей и, судя по их сложности и гетерогенности, могут существовать в виде различных ассоциатов и ансамблей, образующихся при объединении нескольких макромолекул.

Сейчас общепризнано, что функционирование почвы как системы с определенным набором свойств во многом обеспечивают коллоиды, в виде гелей покрывающие и связывающие между собой ее компоненты. Основа этого "клея" - гумусовый студень, армированный минеральными частицами.

Микрофотография щелочной вытяжки из торфа с добавлением алюмината калия (3,1 % AI).

МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ "ДЕРЕВЬЯ" В ПОЧВЕННЫХ ГЕЛЯХ

Во время работы с просвечивающим электронным микроскопом нам открывается интересная картина преобразования такого геля при его высыхании: в органической матрице гумусового студня, полупрозрачной для проходящих сквозь образец электронов, хаотически располагаются темные (непроницаемые для "электронного луча") минеральные частички различных размеров, сама же органическая матрица при подготовке образца, при высушивании подвергается усадке, образует тяжи, связывающие ее с полимерной подложкой, на которой размещен образец. То есть при удалении воды она ведет себя как типичный полимерный студень.

Отметим, при увлажнении сухих почв их свойства меняются в связи с преобразованием упомянутых гелей, вбирающих в себя воду и, подобно многим полимерам, увеличивающихся в объеме. Прежде исследователи воспринимали их основу - гумусовый студень - как однородную субстанцию, однако современные данные о поведении полимерных систем меняют привычные представления.

Изучение почвенных гелей методами электронной микроскопии показало: органическая матрица не однородна - она обладает наноструктурой. На микрофотографиях при увеличении в несколько десятков тысяч раз хорошо различима пестрота ее поверхности, выявляются темные области и сравнительно осветленные. Уже при увеличении в несколько тысяч раз видно, что в некоторых случаях последние, более плотные и выпуклые, образуют дендриты (от греч. SevSpov - дерево), тянущиеся от белесых неорганических частиц в составе геля, впрочем иногда эти причудливые фигуры удалены от минеральных зерен.

Чем же обусловлена описанная картина, каков механизм возникновения подобной организации тонкодисперсной фракции? Было очевидно, что ответить на этот вопрос мы не сможем, пока не поймем строение почвенного гумуса. Приступая к исследованию, мы стремились охватить весь спектр зональных почв. Изучили образцы гелей подзолов, подзолистых, дерново-подзолистых, серых лесных, различных типов каштановых почв, черноземов, серозема, краснозема. Как оказалось, открытые нами закономерности характерны в равной степени для большинства из них.

Итак, с помощью электронных и зондовых* микроскопов мы установили: основой почвенных гелей являются образования округлой формы размером от многих десятков до нескольких сотен нанометров. Растровая электронная микроскопия, фотон-корреляционная спектроскопия и малоугловое рассеяние** нейтронов помогли увидеть, что подобные структуры органической природы характерны и для растворов гумусовых веществ (вытяжек из почв, речных и озерных вод).

* Зошювый микроскоп - класс микроскопов для получения изображения поверхности и ее локальных характеристик при сканировании специальным зондом (прим. ред.).

** Малоугловое рассеяние - упругое рассеяние электромагнитного излучения или пучка частиц (электронов, нейтронов) на неоднородностях вещества, размеры которых существенно превышают длину волны излучения (прим. ред.).

Изображения гелей, выделенных из дерново-подзолистой почвы, полученные при помощи туннельного микроскопа. Почва модифицированная ПАВ (a), без ПАВ (b).

На изображениях, полученных на туннельном микроскопе*, заметно, что обнаруженные образования состоят из еще более мелких объектов, размеры которых варьируют в почвах разных типов: у дерново-подзолистой они достигают 2-5 нм, у черноземов - 8-12 нм. Словом, органическая матрица почвенных гелей, ранее воспринимавшаяся специалистами как однородный студень, на самом деле представляет собой множество глобул размером от многих десятков до нескольких сотен нанометров, в свою очередь возникающих при объединении первичных структур гумусовых веществ размером в несколько нанометров. Назовем упомянутые глобулы кластерами (от анг. cluster - скопление).

Изучение органических растворов методом малоуглового рассеяния нейтронов показало, что они имеют фрактальную** организацию. Применив тот же подход к почвам, мы установили: их коллоиды устроены точно так же. Следовательно, можно утверждать: основой последних являются фрактальные кластеры, образованные из частиц гумусовых веществ.

ТАЙНА СТРОЕНИЯ ГУМУСА

В начале 20-х годов прошлого века немецкий химик, нобелевский лауреат 1953 г. Герман Штаудингер (1881 - 1965) выдвинул принципиально новое представление о полимерах как веществах, состоящих из макромолекул - частиц необычайно большой молекулярной массы. Это позволило объяснить их свойства, прежде всего эластичность. Стало очевидно: полученные химиками знания помогают понять многие, дотоле непонятные свойства гумусовых веществ. Академик Иван Тюрин предложил полимерную теорию гумуса, принятую тогда большинством коллег. В течение длительного времени специалисты полагали, что данное вещество, столь важное для плодородия земель, представляет собой набор макромолекул. С этих позиций почвенные гели следовало бы рассматривать как системы фрактальных кластеров из полимерных молекул. Однако по мере изучения гумуса накапливалось все больше фактов, необъяснимых с помощью старой теории.

Так, оставались неясными причины кратного изменения в течение одного сезона соотношения основных компонентов органического вещества почвы - гуминовых и фульвокислот, некоторые другие факты. Наконец, отсутствовала подтвержденная экспериментами теория образования полимерных молекул гумусовых веществ. В 1985 г. профессор факультета почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова доктор биологических наук Дмитрий Орлов, опираясь на результаты элекронно-микроскопических наблюдений, сделал вывод: данный метод позволяет увидеть не более, чем ассоциаты молекул гуминовых кислот. Это совпадало с догадкой, высказанной ранее выдающимся отечественным специалистом в области химии гумуса, доктором сельскохозяйственных наук Людмилой Александровой (1908-1983).

В последние 10-15 лет возникли принципиально новые взгляды на строение гумусовых веществ. Итальянский почвовед Алессандро Пикколо с химико-аграрного факультета Университета Наполи в середине 1990-х годов опубликовал несколько работ, где на основе экспериментальных данных выдвинул предположение: гумусовые вещества представляют собой не полимерные молекулы, в которых все части связаны между собой ковалентными связями, а являются ассоциатами относительно низкомолекулярных компонентов, возникающих при деградации биологического материала, а затем объединенных и стабилизированных множественными слабыми (нековалентными) связями.

В химии подобные образования называются "супрамолекулярными соединениями". Эти сложные вещества в отличие от смесей имеют определенные состав и структуру. Они построены по принципу "гость-хозяин", их крупные молекулы стабилизированы силами Ван-дер-Ваальса***, гидрофобными**** и другими взаимодействиями.

Первоначально почвоведы восприняли предположение Пикколо с большим недоверием, однако дальнейшие опыты подтвердили правильность его концепции, и хотя многие специалисты еще и сегодня не отказались от привычных макромолекулярных представлений о строении гумусовых веществ, в последнее десятилетие супрамолекулярный подход начинает доминировать.

В ходе оригинальных исследований мы выделили несколько уровней организации гумуса в почвах. Во-первых, молекулы, появляющиеся в результате распада биологических остатков. Затем супермолекулы, образующиеся из первых за счет нековалентных связей. Из них формируются фрактальные кластеры - это следующая ступень. А при их объединении получаются почвенные гели.

По нашим данным, ветви расположенных рядом древоподобных объединений супермолекул гумусовых веществ проникают в пустоты, имеющиеся у "соседей", тем самым создавая более плотный контакт с ними за счет множества слабых межмолекулярных взаимодействий. В итоге возникают системы, названные химиками супраполимерами, так как их свойства во многом напоминают характеристики настоящих полимеров, что и вводило в заблуждение исследователей.

УПРАВЛЕНИЕ ПОЧВЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Ответив на вопрос о строении почвенного гумуса, можно было задаться следующим - о причинах воз-

* Туннельный микроскоп - вариант сканирующего зондового микроскопа, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением (прим. ред.).

** Фрактал - геометрическая фигура, в которой каждая часть подобна всей фигуре целиком. Хорошей иллюстрацией фрактальной организации является дерево: от ствола отходят ветви, от каждой из них - более мелкие, затем все более и более тонкие ответвления (прим. авт.).

*** Ван-дер-Ваальсовы силы возникают при поляризации молекул и образовании диполей. Открыты Яном Ван-дер-Ваальсом в 1869 г. (прим. ред.).

**** Гидрофобные взаимодействия - сильное притяжение в воде между неполярными частицами (прим. ред.).

Схема фрактального кластера до взаимодействия с модификаторами (a) и после (b, c).

никновения наноструктур в органической матрице почвенных гелей. Экспериментально мы установили: инициировать такую организацию данного материала могут ионы железа, кальция, алюминия, а также некоторые поверхностно-активные вещества (ПАВ). Разумеется, подобные компоненты есть и в реальных почвах.

И введение перечисленных модификаторов в дерново-подзолистую почву привело к ожидаемому результату. ПАВ (применяемые в пищевой индустрии и экологически безвредные) вызывали заметный рост супермолекул гумусовых веществ - от 2-5 до 10 нм и более. Но это только начало сложного процесса. При использовании растрового электронного микроскопа видно: первоначально в гелях образуются наночастицы новой фазы, а при повышении концентрации модификатора начинается их объединение в относительно крупные дендриты ("деревья"), иногда размером в десятки микрон! Иными словами, внесенный экспериментатором агент запускает механизм самоорганизации в почвенных гелях.

Причем гумусовые супермолекулы в составе фрактальных ассоциатов тоже трансформируются. По-видимому, они становятся менее гидрофильными, т.е. снижается интенсивность их взаимодействия с водой. А это приводит к нарушению стабильности "построенных" из них кластеров, поскольку контакты между более гидрофобными (стремящимися избежать контакта с водой) "участниками процесса" оказываются термодинамически выгоднее. Вследствие этого в почвенных гелях происходит сегрегация на наноуровне: при низкой концентрации модификатора вступившие во взаимодействие с ним супермолекулы собираются вместе и обособляются внутри матрицы из гидрофильных гумусовых веществ. В связи с меньшим содержанием в них воды усадка данных участков при высыхании гелей намного меньше, чем у окружающей массы: они выступают над поверхностью и выглядят на электронно-микроскопических изображениях как более светлые точки или области.

При увеличении концентрации модификатора количество таких гидрофобных областей растет, они начинают взаимодействовать между собой, образуя различные, в том числе дендритные формы. И чем больше агента мы вводим в систему, тем крупнее становятся занимаемые ими участки. Наступает момент, когда большая часть супермолекул гумусовых веществ реорганизуется, а количество гидрофильной части уменьшается вплоть до полного исчезновения.

Итак, наши данные - еще один шаг к познанию природы гумуса и почвенных гелей. Кроме того, у нас появилась принципиальная возможность восстанавливать структурно-деградированные почвы и улучшать свойства их плодородных горизонтов. Ведь сегодня мы имеем 16 патентов на применение модификаторов, повышающих водоустойчивость структуры почвы при нормах их внесения 10-15 кг/га.

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: