Гумус

Гумус (от лат. Humus – земля, почва) – совокупность всех органических соединений, находящихся в почве, но не входящих в состав живых организмов или образований, сохраняющих анатомическое строение.

Гумус составляют индивидуальные (в т.ч. специфические) органические соединения, продукты их взаимодействия, а также органические соединения, находящиеся в форме минеральных образований (гумусовые вещества). В составе гумуса различают специфические гуминовые вещества (характерные продукты почвообразования – синтезируются в почвах), неспецифические органические соединения (синтезируются в живых организмах и поступают в почву с растительными и животными остатками) и промежуточные продукты распада и гумификации. В качестве синонима «гумуса» используется термин «перегной». Однако неверно употреблять термин «гумус» для обозначения лесной подстилки и других морфологических форм накопления органического вещества на земной поверхности или на дне водоемов. Гумусом иногда ошибочно называют органическую часть почвы (синоним – «органическое вещество почвы»). «Органическая часть почвы» – общее понятие, которое объединяет все органические вещества, присутствующие в пределах почвенного профиля, исключая только вещества, которые входят в состав живых организмов. Соответственно вся совокупность органических соединений, присутствующих в почвах, т.е. органическое вещество почвы подразделяется на две группы: органические остатки – отмершие части живых организмов не утратившие анатомического строения и собственно гумус.

↑Географические закономерности распределения содержания гумуса, его состав и формы органического вещества

В зависимости от географических условий имеет место закономерное изменение количества гумуса в различных типах почв. На европейской части территории России содержание гумуса увеличивается от таежных подзолистых почв (1-3%) на юг к дерново-подзолистым и серым почвам (4-6%) и далее к черноземам (иногда более 10%), а также закономерно уменьшается до 2-4% в каштановых почвах сухих степей и до минимальных количеств в почвах полупустынь.

Запасы гумуса определяются в тоннах на гектар в слое почвы 0-20 см. Запас гумуса считается большим, если превышает 200т/га. Принято считать, что за ХХ век пахотные почвы потеряли 20-30% запасов гумуса.

Как показывают исследования с меченными изотопами углерода ¹⁴С, атомный и фрагментарный состав гумуса постоянно обновляется. Задача исследований баланса гумуса в почвах заключается в количественной оценке источников органического вещества с целью оптимизации гумусового режима в условиях использования почв человеком. Бездефицитный баланс гумуса можно поддержать за счет снижения его потерь в результате проведения системы специальных мероприятий, котораявключает борьбу с эрозией, рациональные способы обработки почв, систематическое внесение органических удобрений, проведение севооборотов, запашку сидератов и др.

Используется также понятие «формы гумуса», хотя корректнее было бы употреблять термин «формы органического вещества». По морфологическим признакам (цвет, степень разложенности органических остатков, степень сродства органической и минеральной части почвы) выделяют следующие формы органического вещества: мор (от нем. moor – торфяник), модер (от нем. moder – труха) и моль (от нем. mull – пыль).

↑Гумусовые вещества, их функции и состав

Гумусовые вещества ¾группа высокомолекулярных веществ специфической природы, образование которых происходит благодаря биологическим процессам (определение И.В.Тюрина). Гумусовые вещества вместе с неспецифическими соединениями, находящимися в свободном состоянии или в форме органо-минеральных веществ, образуют почвенный гумус.

Особая роль гумуса в создании и поддержании почвенного плодородия была отмечена несколько тысячелетий тому вазах известным мыслителем Заратустрой в книге "Авеста". К этой проблеме позже обращались ученые и философы многих стран. В России ей уделял много внимания великий ученый М.В. Ломоносов, позже В.В. Докучаев, П.А. Костычев. Очень много внимания этому уделял великий русский ученый В.И.Вернадский, который связывал понятие биокосных тел именно с гуминовыми веществами. Он писал: "Понятие биокосного естественного тела есть понятие новое, биогеохимически научно точно и определенно отличающееся от понятия косного и живого естественного тела. Биокосные естественные тела характерны для биосферы. Это закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел одновременно (например, почвы), причем все их физико-химические свойства требуют, иногда очень больших, поправок, если при их исследовании не учтено проявление находящегося в них живого вещества"[1].

Преобладающая часть органического углерода, находящегося на планете Земля вне живых организмов, приходится на сушу и, в первую очередь, на почвенный гумус. Главными источниками этого углерода, конечно, служат растения, связывавшие диоксид углерода атмосферы в процессе фотосинтеза в органические соединения. Часть растительного опада вновь минерализуется до СО₂, но большая его доля превращается в гумусовые вещества (ГВ). В первой приближении можно принять, что в ГВ ежегодно из растительных остатков превращается до 2-3х10⁹ т углерода в год. В этом процессе очень важным представляется то, что в ходе такого процесса, называемого гумификацией, возникают совершенно новые органические соединения, принадлежащие к классу гуминовых веществ. Сам процесс протекает только в почвах или в близких к ним природным телам. Поэтому гуминовые вещества часто называют специфическими почвенными веществами и с их составом и свойствами напрямую связывают многие почвенные свойства, прямо и очень сильно влияющие на рост и развитие напочвенного растительного покрова.

Исторически, гуминовые вещества стали вплотную изучать сравнительно недавно. Впервые их выделил из торфа немецкий ученый Ф.Ахард (J.Achard) в 1786 г, который провел их первые исследования в соответствии с понятиями, принятыми в то время. Конечно, его описания были еже довольно наивны. Последующие исследования долгое время оставались на уровне накопления первоначальных знаний. Так, великий шведский химик Я.М. Берцелиус в книге "Учебник химии" (Lehrbuch der chemie, 1839) посвятил гуминовым веществам несколько разделов, он изложил классификацию этих соединений, их химический состав, мысли об их происхождении. В ХIХ веке многие крупные химики разных стран немало написали о гуминовых веществах, но наиболее обоснованные исследования проведены в XX веке. Среди советских ученых в это время значимое влияние на развитие учения о гуминовых кислотах оказали И.В. Тюрин, М.М. Кононова, С.С.Драгунов, В.В. Пономарева. Влияние русской и советской школы было настолько велико, что доктора наук М.М. Кононову в ряде стран называли "королевой гумуса". В это время установлены и общеприняты многие разделы учения о гуминовых веществах, в частности, учение об элементном и вещественном составе гуминовых кислот, о диапазоне величин и уровнях молекулярных масс, многие оптические свойства, о наборе внутримолекулярных химических связей, учение об электронном парамагнитном резонансе, наборе и типах внутримолекулярных химических связей, материалы о степени гидролизуемости гуминовых кислот и наборе отгидролизуемых группировок или фрагментов гуминовых веществ и др.

В настоящее время различают несколько групп гуминовых веществ:

• гуминовые кислоты, практически растворимые только в растворах щелочей,
• гиматомелановые кислоты, извлекаемые из сырого геля гуминовой кислоты этиловым спиртом,
• фульвокислоты, растворимые в воде, кислотах и щелочах; на практике принято рассматривать два типа фульвокислот, по Тюрину и по Ф.У.Форсайту,
• практически нерастворимый и остающийся в почве после всех экстракций остаток- гумин, который, как считают прочно связан с минеральной частью почвы.

В последние годы были высказаны предположения, что реально существуют только гуминовые кислоты, тогда как гиматомелановые кислоты и фульвокислоты представляют собой обрывки (обломки) гуминовых кислот, отщепленные в ходе аналитических процедур. С этой точки зрения и гумин не является индивидуальным веществом, а представлен только гуминовыми кислотами, но прочно (необратимо) связанными с минеральной частью почвы[2].

Некоторая часть почвенного гумуса представлена сравнительно низкомолекулярными компонентами, начиная от простейших моносахаридов и аминокислот, включающая также олигосахариды, жиры, пигменты и пр.. Но их содержание обычно невелико и их можно не принимать во внимание, если только речь не идет о торфянистых почвах и торфах.

Реальная значимость гуминовых веществ в почвах очень велика, даже при их сравнительно невысоком содержании. Гуминовые вещества выполняют ряд функций, из которых важнейшими можно назвать следующие.

1. Аккумулятивная функция. Ее сущность состоит в накоплении химических элементов и энергии, необходимой живущим в почве и на почве организмам. Гуминовые вещества ответственны за жизнеобеспечение почвенной биоты. Они очень устойчивы и сохраняются в почвах сотни и даже тысячи лет, именно это обстоятельство гарантирует непрерывное снабжение растений и микроорганизмов энергией и « строительными материалами».
2. Формирование почвенной окраски. Почти все дневные (поверхностные), горизонты почв имеют серую или даже темно серую окраску. Это обусловлено преимущественно гуминовыми веществами, аналогичная, роль минеральных компонентов встречается редко. В черноземах черная окраска прослеживается до глубины 1м и даже глубже. Поэтому темно-серые и черные по цвету почвы в народе считаются плодородными, хотя их далеко не всегда правильно называют черноземами.
3. Транспортная функция. Гумусовые вещества активно участвуют в формировании потоков различных веществ путем формирования устойчивых, но сравнительно легкорастворимых соединений гумусовых кислот с катионами металлов и гтдроксидами. Транспортная функция, конечно, до некоторой степени противоречит функции аккумулятивной, но это и обеспечивает многообразие влияния гуминовых веществ на почвенный профиль.
4. Регуляторная функция. Эта функция включает многие явления и процессы и о ней прямо связаны формирование почвенной структуры, водно-физических свойств почв, регулирование ионообменных реакций, кислотно-основных и окислительно-восстановительных режимов, а также тепловых свойств почв.
5. Протекторная функция. Эта функция выражается в способности гуминовых веществ переводить токсичные и другие отрицательные компоненты в труднорастворимые соединения или, иными словами, защищать растения от негативного влияния пестицидов, углеводородов, фенолов и других соединений,
6. Физиологическая функция. Она включает стимулирование прорастания семян, активизацию дыхания растений, повышение устойчивости произрастающих организмов к условиям среды.

В этом обзоре названо далеко не всё, чему могут содействовать в почвах гуминовые вещества, но они наглядно показывают поистине незаменимую роль гуминовых веществ в биосфере в целом.

Любые гуминовые вещества извлекаются из почв или из иных природных образований преимущественно растворами щелочей, но те вещества, которые наиболее прочно связаны с минеральными компонентами почв, извлечь не удается не только растворами щелочей, но и другими экстрагентами, таков, в частности, гумин.

Элементный состав гуминовых веществ довольно однообразный, но количественные соотношения элементов и их сочетаний варьируют в широких пределах. Содержание углерода в массовых долях в зависимости от происхождения и источника составляет 40-60%, второй, по массе ¾кислород ¾33-37%, водорода обычно 3-5%, азота¾3-5%, обязательно присутствуют сера¾до 0,7-1,2%, фосфор¾ до 0,5%. Но основные и обязательные¾это четыре перечисленные выше элемента: С, 0, Н, N. Все прочие элементы могут присутствовать, хотя и не обязательно, но в очень малых, условно «примесных» количествах.

Гуминовые кислоты разных почв существенно различаются по составу. В Российской Федерации гуминовые кислоты северных и южных: почв содержат меньше углерода, и повышенное количество кислорода, тогда как в гуминовых кислотах черноземов, особенно, типичных, в наибольшем количестве содержится углерод. О причинах таких зональных различий высказано несколько гипотез. Вещества, содержащие максимальное количество углерода, обычно наиболее интенсивно окрашены, наиболее компактны но строению, отличаются повышенной оптической плотностью.

Любые гуминовые вещества содержат большой набор функциональных групп, характерные линейные и ароматические углерод-углеродные цепочки и сходный набор фрагментов, которые могут быть отгидролизованы и идентифицированы. В их числе не менее 17 аминокислот, известных в биоорганической химии, различные моносахариды, (в том числе глюкоза), остатки (осколки) лигнина, флавоноиды, бензолполикарбоновые кислоты и ряд других, многие из которых обнаруживаются не систематически и присутствуют в гуминовых веществах нерегулярно.

Наиболее полные сведения о строении любого вещества, несомненно, дает его структурная формула, для гуминовых кислот предложено несколько (более десяти) таких формул, начиная от простейших блок-схем и вплоть до наиболее вероятных и химически обоснованных, хотя, до сих пор и вероятностных, формул. Одна из формул приведена, на рисунке. Эта формула содержит все точно идентифицированные сочетания атомов, типы связей, сравнительную гидролизуемость молекул. Количественное соотношение всех компонентов строго соответствует их количеству, найденному прямыми независимыми методами. Однако, такую формулу ещё нельзя считать окончательно установленной, поскольку она точно характеризует набор и количественное сочетание атомных группировок и типов связей, но реальные сочетания группировок имеют здесь пока только гипотетический характер, хотя они и выглядят здесь очень близкими к реальному. Окончательное решение вопроса о реальном строении гуминовых кислот пока ещё принадлежит будущему.

↑Рекомендуемая литература

Орлов Д.С. (1992) Химия почв