R O C Z N I K I G L E B O Z N A W C Z E T . X X X V I I , N R 2— 3 , S . 1 0 7 — 1 2 6 , W A R S Z A W A 1 9 8 6
RYSZARD TURSKI, BOŻENNA CHMIELEWSKA
K W A SY HUM INOW E GLEB CZARNOZIEM NYCH In sty tu t G leboznaw stw a, Chem ii R olnej i M ikrobiologii
A kadem ii Rolniczej w L ublinie
B adania zw iązków próchnicznych, ich sk ład u i analiza budow y che m icznej kom ponentów stanow ią w ażn y elem ent w k lasy fik acji gleb. W śród kom ponentów zw iązków próchnicznych, służących diagnostyce i podziałow i gleb z n a jd u ją się k w asy hum inow e. U podstaw ty ch b adań leży istotn e zróżnicow anie kw asów hum inow ych w zależności od u k ład u czynników bioekologicznych, użytko w an ia gleb i poziom u agrotechniki, w reszcie m ineralnego sk ład u i budow y tw orzyw a glebowego [1, 9, 18, 28].
B adania w ty m zakresie pozw alają już w p ew n ym stopniu poznać skład chem iczny poszczególnych fra k c ji kw asów próchnicznych [20, 21, 22, 23] i n a tej podstaw ie dokonać ich klasy fikacji [14, 15, 24]. M iędzy in nym i na ich podstaw ie stw ierdzono zw iązki pom iędzy stopniem h u m ifik a - cji kw asów hu m inow ych i ich ty p em a ilościow ym udziałem n iek tó ry ch elem entó w budow y: N — w układ ach arom atycznych, białkach, am ino kw asach, am inocukrach; O, — w g ru p ach fu n k cy jn y c h i inn y ch u g ru p o w an iach oraz zw iązkach zaw ierający ch te n p ierw iastek [25, 26, 27].
N iniejsza p raca p rzed staw ia w yniki bad ań kw asów hum inow ych gleb zaliczonych do czarnoziem ów z regionu W yżyny Z achodnio-W ołyńskiej i L ubelskiej.
MATERIAŁY I METODYKA. BADAŃ
Z akresem b adań objęto kw asy hum inow e w yizolow ane z gleb czarno- ziem nych w ytw orzonych z lessu W yżyny Z achodnio-W ołyńskiej i L u b el skiej. Zbadano k w asy hum inow e z poziom ów a k u m u lacy jn y ch czarnozie m ów pod lasem :
— z w ierzchow inow ych p a rtii G rzędy Sokalskiej, w a rstw y 5— 15 i 35— 40 cm (p re p a ra ty K hi i K hn),
— z te ra sy H uczw y, w a rstw y 7— 10, 25— 35 cm (p re p a ra ty K h m i K h IV),
— z K o tlin y H rubieszow skiej, w a rstw y 5— 10 cm (p re p a ra t K h v ), oraz z poziomów ak u m u lacy jn y ch czarnoziem ów upraw ny ch:
108 R. Turski, В. Chm ielew ska
— z poziom u odpow iadającego tera sie H uczw y na obszarze G rzędy Sokalskiej, w a rstw y 0— 10 i 30— 40 cm (p re p a ra ty K h i i K h 2), oraz W y żyny L ubelskiej, w a rstw y 0— 20 cm (p re p a ra t K h 3), lub u sam ej terasy , w a rstw y 0— 5, 5—25, 40— 50 cm (p re p a ra ty Kłi4, K h 5, K h 6),
— z K o tlin y Z am ojskiej, w a rstw y 0— 20 cm (p re p a ra t K h 7). W ty m m iejscu b adań pobrano rów nież p ró b k i z poziom ów А г (B) i (B) (p re p a ra ty K h 8 i K h 9).
Intensyw ność gospodarki n a czarnoziem ach u p raw n y ch była zbliżona z w y jątk iem gleby, z k tó re j uzyskano p re p a ra ty K h 4, K h 5 i K h 6. B yła ona silnie naw ożona naw ozam i m ineraln y m i. W m iejscu gdzie w zięto p róbki w celu pozyskania p re p a ra tu K h v , jak i p rep a ra tó w K h 7, 8, 9 stwierdzono- oznaki zakłóceń stosunków w odno-pow ietrznych, spotykane głów nie w ios ną (podmokłość).
P ró b k i glebow e po d w u k ro tn ej d ek alcy tacji 0,1 M HC1 i p rzem y ciu w odą do zaniku rea k c ji na Cl" poddano ek strak cji, p rzy sto su n k u gleba :
: ro ztw ór = 10, początkow o 0,1 M N aF (jednokrotnie) a n astępn ie 0,1 M NaOH (4-krotnie). Po w y soleniu połączonych w yciągów i odw irow aniu p rzy 17 000 obrotów n a m in u tę, całość zakw aszono 0,5 M H 2S 0 4 do pH około 2, Oczyszczenie i przygotow anie kw asów hum inow ych do oznaczeń przeprow adzono w sposób opisany we w cześniejszej pub lik acji [6].
W p re p a ra ta c h oznaczono sk ład y e lem en tarn e oraz w ykonano p om iary w podczerw ieni [29].
W h y d ro lizatach 6 M HC1 określono zaw artość am inokw asów , w pozo stałości kw asów h u m inow ych po h ydrolizie — azotu [29], zaś w h y d ro li zie 4 M H 2S 0 4 — zaw artość su b stan cji fenolow ych [27].
Ogólną kwasowość bad anej fra k c ji pró chn icy wyznaczono dw om a m e todam i: obejm ującą oddysocjow ane' jony w odorow e z g ru p COOH i OH [19] oraz g ru p y COOH i OH fenoli [25]. Różnice w yników z ty ch analiz pozw oliły w yliczyć zaw artość grup OH alkoholi w badanych kw asach. W oznaczeniach g ru p zaw ierających tle n zastosow ano postępow anie opisa ne w pu b lik acji S c h n i t z e r a [19] dla g ru p karboksylow ych, K u c h a - r e n k i [13] — dla g ru p С = O chinonów oraz T s u t s u k i [25] — dla gru p OH fenoli.W tej o statn iej m etodzie (kolorym etrycznej), z zastosow a niem odczynnika Folin — Ciocalteus, ro ztw o ry w zorcowe sporządzono z hydrochinonu.
DYSKUSJA WYNIKÓW
\ B adane kw asy hum inow e w yizolow ane z gleb te j sam ej k lasy gene tycznej, w ytw orzonych na analogicznym podłożu m ineralnym , nie d a ją się zakw alifikow ać do w spólnej, jednorodnie s tru k tu ra ln e j grupy.
K onw encjonalne m etody bad ań sk ład u elem entarnego, k tóre posłuży ły do w yliczenia stosunków atom ów H/C, O/C oraz. N/C (tab. 1) p o zw alają w yodrębnić dwie dość w yraźnie zarysow ujące się g ru p y (ryc. 1):
K w asy hum inowe gleb czarnoziem nych 109
Skład elementarny kwasów huminowych badanych czamoziemów (% bezpopielnych preparatów) oraz stosunki atomowe H/C, O/C, N/C
Elementary composition of humic acids (Kh) of the chernozems examined (in < o f ashless preparations) and ratics of atoms of H: С, О: С and N: С
T a b e l a 1
Kwasy huminowe
Humic acids С H N 1 OH-S
H/C 1 o / c 1 X 100 1 N/C Kh, 43,65 4,30 2,91 49,14 118,40 84,50 5,73 Kh„ 49,58 5,50 4,90 40,02 133,30 60,50 8,47 Khm 46,36 4,51 2,96 46,17 117,74 74,70 5,47 KhIV 41,38 3,78 2,47 52,37 109,62 94,90 5,12 Khv • 48,96 3,32 2,87 44,85 81,37 68,70 5,02 Kh, 54,86 4,05 4,50 36,59 87,93 50,06 7,03 Kh2 46,51 2,83 4,21 46,45 73,02 74,90 7,75 Kh3 42,86 3,15 4,57 49,42 88,19 86,48 9,14 KJ14. 48,05 4,55 4,10 43,30 113,75’ 67,65 7,32 Kh, 49,19 4,47 4,48 41,80 109,00 57,70 7,70 Kh6 49,17 3,55 3,49 43,79 86,66 66,80 6,08 Kh7 57,95 4,40 4,86 32,79 91,10 42,40 7,18 Kh8 54,51 4,22 3,61 37,66 92,90 51,82 5,67 Kh9 42,14 4,60 2,39 50,87 130,99 90,50 4,86
— pierw sza — to k w asy hum inow e: K h v , K h i, 2, з, 4, s, e, 7, в• Są to
p re p a ra ty z poziom ów ak u m u la cy jn y c h czarnoziem u leśnego i u praw nego z k o tlin oraz u p raw ian y ch z obszarów te ra s z w y ją tk ie m czarnoziem u
in-Ryc. 1. Podział kw asów hum inowych czarnoaiemów w zależności od stosunków atom ów H : С odniesionych do stosunku atomów
O :C
Fig. 1. D ivision of humic acids (Kh) of chernozems depending on the ratio of H : С atoms related to tihe ratio of 0 : С atoms
Rye. 2. Spektra podczerwieni kwasów huminowych otrzymanych z czarnoziemu leśnego wierzchowinowej partii Grzędy Sokalskiej: Khj i K hn oraz ich pozostałości po kwaśnej hydrolizie Khïa i K hna
Fig. 2. Infrared spectra of humic acids (Kh) obtained from forest chernozem of the upland part of the Sokal Ridge: Khj and K hn and Khn and their residues after the acid hydrolysis K hJa and KihjIa
Rye. 3. Spektra podczerwieni kwasów hum inow ych pochodzących z czarnoziemu leśnego terasy Huczwy: Khn i i K hlv oraz ich pozostałości po hydrolizie kwaśnej Kh i n i K hIVa
Fig. 3. Infrared spectra of humia acids (Rh) originating from forest chernozem of the Huczwa river terrace: Khjjj and K h JV and their residues after the acid hydrolysis KhIIIa and KhIVft
Ryc. 4. Spektra podczerwieni kw asu huminowego pochodzącego z czarnoziemu leśnego K otliny Hrubieszowskiej Khv i jego pozo stałości po kwaśnej hydrolizie KhVa
Fig. 4. Infrared spectra of humic acids (Kh) from forest chernozem of the Hrubieszów synklâne: Khv and its residue after the acid hydrolysis KhVa
Rye. 5. Spektra podczerwieni kw asów huminowych wypreparowanych z czarnoziemu uprawnego terasy Huczwy Kh4, Kh6 (Kh5a po hydrolizie) i Khe.
Fig. 5. Infrared spectra of humic aeitjs (Kh) prępared from cultivated chernozem of the Huczwa niver terrace Kh4 and Khs (after hydrolisis) and Khe.
Rye. 6. Spektra podczerwieni kwasów huminowych czarnoziemów uprawnych z obszaru Grzędy Sokalskiej: Khj i Kh, oraz ich pozostałości po kwaśnej hydrolizie Khla i KhJa; z obszaru Wyżyny Lubelskiej: Kh3; z Kotliny Zamojskiej z warstw y 0—20 cm: Kh7ł • oraz jego poziom ów Aj<B)
— Kh8 i (B) — Kh9
Fig. 6. Infrared spectra of humic acids (Kh) of cultivated chernozems from the Sokal Ridge: Kh! and Kh2 and their residues after the acid hydrolysis KhIa and Kh2a; from the Lublin Upland: Kh3; from the Zamość synkline for the layer of 0—20 cm: Kh7 and its horizons Aj(B) —
K w asy hum inow e gleb czarnoziemnych 115
ten sy w n ie naw ożonego naw ozam i m in eraln ym i. M ają one stosunek H/C < 1, co su g eru je znaczniejszą rozbudow ę w ich d robinach pierścieni a ro m aty czny ch kosztem łańcuchów alifatycznych;
— d ru ga obejm u je kw asy hum inow e ze w spom nianego czarnoziem u upraw neg o (K h4 i K h 5), z poziom u (B) czarnoziem u kotlinow ego (Kh9) oraz w szystkich pozostałych czarnoziem ów leśnych. T u stosunek H/C jest > 1. N a tej p odstaw ie sądzić m ożna o zw iększonym udziale w budow ie cząsteczki k w asu hum inow ego części alifatycznej niż arom atycznej.
R elacje ilościowe zachodzące m iędzy atom am i azotu i w ęgla d ają się połączyć w dw ie w yraźn e grupy. P ierw sza są to kw asy hum inow e gleb leśnych (z w y ją tk ie m głębszego poziom u — K hn) oraz głębsze poziom y czarnoziem ów u praw ny ch . S tosunek N/C w ynosił tu około 0,05 lub nieco pow yżej. D ruga obejm uje kw asy hum inow e w ierzchnich w a rstw gleb u p raw ny ch , gdzie w spom niany stosunek w yniósł od około 0,07 do 0,09. S tw ierdzone zróżnicow anie w zasadzie naw iązu je do podziału dokonane go na podstaw ie sto su n k u H/C. Podział dokonany n a podstaw ie i ty ch w skaźników potw ierdził się, a n aw et pogłębił w analizie sp e k tra ln e j p re p a ra tó w w św ietle podczerw onym , chociaż udow odniono obecność ty ch sam ych, podstaw ow ych u g ru po w ań atom ow ych w g ru pach funkcy jny ch. Są one p e ry fe ry jn ie rozm ieszczone w cząsteczkach łańcuchów alifatycz nych oraz w p ierścieniu arom aty czn ym (ryc. 2, 3, 4, 5, 6). Ogólnie m ało in form acji dostarczy ły pasm a absorpcyjne 3300 — 3400 cm -1, 1600— 1640 cm _1, 1540 cm -1, k tó re dotyczyć m ogły w iązań azotu — C = N i N— H w am idach i białk ach [18, 24]. P ozycja dwóch p ierw szych p rzy p ad ła n a ob szar absorpcji g ru p atom ow ych nie zaw ierający ch azotu, zaś pasm o 1540 cm -1 w iązań peptyd o w ych w y k ry to w sp ek tro g ram ach ty lko trzech k w a sów.
Z różnicow anie b adany ch kw asów u jaw n iło się głównie po przeanalizo w an iu zaw artości n iek tó ry ch form azotu i sk ładu am inokw asow ego p re p a rató w (tab. 2).
P rzem ian y azotu w su b stan cji organicznej gleb i w e fra k c ja c h p ró ch nicy zależą od stopnia h u m ifik acji [15]. W początkow ej fazie ogólna za w artość azotu w zrasta, a n astęp n ie m aleje. J a k stw ierdzono, p o stępu jąca h u m ifik acja kw asów hum in o w y ch prow adzi do uw olnienia się z ich cząs teczek części azotu zwanego h yd rolizujący m , co pociąga za sobą w zrost sto su n k u N nie hydrolizującego do N ogółem, a spadek N am inokw asów do N ogółem [26].
Te w skaźniki „ h u m ifik acji” mogą stanow ić także podstaw ę proponow a nego przez nas podziału kw asów hum inow ych gleb czarnoziem nych W yży n y Z achodnio-W ołyńskiej i L ubelskiej. W p re p a ra ta c h z g ru p y pierw szej udział azotu w trw a ły c h u k ładach (łącznie z heterocyklicznym i) w odnie sieniu do N ogółem b y ł w y raźn ie w iększy niż w kw asach hum in o w y ch gleb zalesionych lub o bjętych in ten sy w n ą gospodarką rolną. Rów nocześnie udział te n b ył m n iejszy w h ydrolizow anej jego części. N ależy zaznaczyć,
T a b e l a 2 Zawartość azotu i jego form w kwasach huminowych (% bezpopielnych preparatów)
Content of nitrogen and its forms in humic acids ( % of ashless preparations)
Kwasy huminowe Humic acids N ogółem Total N N nie hydro- lizujący N nonhydro lyzing N hydroli- zujący N hydro lyzing N amino kwasów N of amino acids N hydrolizujący X100 N aminokwasów ^ лл V 100 Zawartość aminokwasów w K h Content of amino acids in Kh N ogółem N hydrolyzing --- --- X 100 N total N ogółem- N of aminoacids --- X 100 N total Khi 2,51 1,18 1,33 1 ,1 1 52,9 44,2 6 ,6 Kh„ 4,38 1,92 2,46 2,30 56,2 I 52,5 13,5 Khm 2,96 1,94 1,02 1,00 34,5 33,8 6,6 KhIV 2,47 1,56 0,91 0 , 8 6 36,8 34,8 4,6 Khv 2,87 1,64 1,23 0,75 42,9 26,1 4,3 Khi 4,50 2,92 1,58 0,31 35,1 6,9 2 , 2 Kh2 4,21 3,56 0,65 0,30 15,4 7,1 1,8 Kh3 4,57 3,70 0,87 0,53 19,0 1 1 , 6 3,2 Kh4 4,10 2 , 2 2 1, 8 8 1,49 45,9 36,4 9,0 Kh5 4,48 2,25 2,23 1,90 49,8 42,4 1 1 ,1 Kh6 3,49 2,03 1,46 1 , 2 0 41,8 34,3 — Kh7 4,86 3,72 1,14 0,31 23,5 6,4 1,8 Kh* 3,61 2,91 0,70 n.o. 19,4 — n.o.
n.o. ~ nie oznaczono — not determined
K w asy hum inowe gleb czarnoziemnych 117
T a b e l a 3 Zawartość aminokwasów w kwasach huminowych w umolach.g“ 1 bezpopielnych preparatów
Content of amino acids in humic acids in ц-moles.g-1 of ashless preparations
Aminokwasy Amino acids Kh, Kh„ . K h i n 1 KhIV 1 i i Khv Kh4 Kh5 Kh6 Kwas asparaginowy Aspartic acid H,0 ! 156,5 i 1 77,9 61,5 62,5 109,4 143,1 f 79,1 Kwas glutaminowy Glutamic acid 51,3 119,8 47,2 32,4 34,8 72,7 94,3 65,3 Glicyna' Glycine 70,6 161,2 60,1 45,3 39,3 88,0 120,2 57,2 Alanina Alanine 58,4 142,5 50,7 33,2 33,1 73,4 96,0 50,3 Walina Valine 34,1 74,3 39,8 25,1 17,2 48,4 60,8 29,2 ïzoleucyna Isoleucine 25,9 61,8 20,4 13,7 12,7 26,4 36,0 19,1 Leucyna Leucine 37,4 90,7 ! 38,1 24,1 22,0 50,8 65,0 31,6 Fenyloalanina Phenophtaleine 23,0 j 50,9 ! 1 i 21,6 i ! 15,5 13,5 28,2 38,5 17,9 Prolina Proline 25,2 1 67,8 31,8 18,7 20,3 45,3 61,4 34,5 Seryna 26,6 j 74,2 29,1 22,4 18,9 44,0 62,3 25,3 Treonina Threonine 35,3 j I 68,0 32,7 24,0 20,5 44,1 61,6 28,3 Metionina Methionine 4 - 7 i 4,7 — — 8,7 10,8 13,5 7,2 . Tyrozyna Tyrozine 2,8 i 9,4 1 ! 9,4 6,5 4,8 i 10,2 19,1 6,5 Lizyna Lysine 32,8 45,8 37,0 27,6 24,2 i 39,4 43,6 47,5 Histydyna Histidine 12,8 18,7 13,1 13,5 8,8 ; !i 16,9 17,9 j 20,4 Arginina Arginine 20,1 35,6 Ю ъ П,7 13,2 26,7 i 33,9 32,4 Suma pmoli Total, д-moles 542,0 1182,0 ! ! 532,9 1 375,0 354,4 '734,7 967,2 542,8
że te kw asy hum inow e nie ró żn iły się w zasadzie ud ziałem N nie h y d ro - lizującego i N hydrolizującego (zaw ierającego przede w szystkim N am ino kwasów) w azocie ele m en ta rn y m od w ykazanego w kw asach hum inow ych różnie uży tko w any ch czarnoziem ów U k ra in y [5].
K w asy hum inow e z obu g ru p w rów nie w ysokim sto pn iu różn iły się składem am inokw asow ym (tab. 3, 4, 5). Rodzaj proteinow ego kom ponen tu w p re p a ra ta c h o w ysokiej zaw artości nie hydrolizującego N w n ic z y m , nie przy p o m in ał przeciętnego skład u am inokw asow ego białka roślinnego
118 R. Turski, В. Chmielewsika
T a b e l a 4 Względny molowy udział aminokwasów w kwasach huminowych, w %
Relative molar share of amino acids in humic acids, in %
Aminokwasy Amino acids 1 K h l i i Kh, i Khn i Kh„, 1 1 KhIV I' j K h v i Kh4 i ! Kh5 Śred nia
1
K h 6 i i Odchyle nie stan- ! dardowe Standard déviation i Kwas asparagi ! 1 i ! ! j1 i ii nowy Aspartic acid Kwas glutami j 14,9 j 13,2 i 14,6 i 1 ! 16,3 i i ; 17,6 ! i ! 14,9 i j 14,8 ! i 14,6 115,11 1,31 nowy Glutamic acid 9,5 i ’ 10,1 ! 8,9 i j 8,6 ! 9,81 j 9,9 9,7 i * 10,4 9,61 1 0,28 G /у п а Gliccine i i3,o 13,6 ! i 1 1 ,3 i ! 12,1! 1 11,1 j 1 12,01 12,4 10,5 11,98 1,17 Alaynina A lanine 10,8 i 12,1 9,5 ! 8,9 11
9,3 1 ; 10,0 9,9 9,3 9,97 0,15 Walina Valine j w 6,3 7,5 J 6,7 1 j 4,9 6,6 i 6,3 5,4 6,25 0,79 Tzoleucyna Isoleücine 1 4,8 5,2 3,8 i i' 3,7 i 3,6 ! 3,6i 3,7 3,5 3,98 0,6x Leucyna Leucine i ! 6’9 !i 7,7 ! 7,2 1 11
6,4 6,9 6,7 5,8 5,8 6,72 0,59 Fenyloalanina Phenophtaleine i 4>2 ji 4,3 I! 4>1 !i 1 4,1 3,8 3,8 1 4,0 3,3 3,95 0,32 Prolina Proline 4,6 ! 5>7 ; 6,0 1 5,0 : 5,71 i 1i 6,2 i j 6,4 6,4 5,75 0,65 Seryna Serine ! 4,9 j i 6,3 ! i 5,51
I 6,0 i 5,3 ! i i 6,0 6,4 1 4,7 5,63 0,6J Treonina Threonine 6,5 5,8 i ! 6,1 j i 6,4 ! 5 8 1j 1 i 6,0 6,4 5,2 6,02 0,42 Metionina Methionine i 0,9 1 0,4 ; _ 1i ' j ! ! 2,5 ! j 1,5 1,4 1,3 1,33* 0,70* Tyrozyna j Tyrosine ; 0,5 i 0,8 1 1,8 i 1,7 i 1,4 i i 1,4 2,0 1,2 1,35 0,51 Lizyna Lysine j 6,. 1 i 3,9 7,0 • 7,4 6,8 j 5,1 4,5 8,8 6,20 1,65 Histydyna Histidine | 2’4 ! 1,6 2,5 j 3,6 2,5 2,3 1,9 3,8 2,58 0,76 Arginina j Arginine i 3,7 ! i 3,0 i 4,5 i 3,1 3,7 3,6 3,5 i 6,0 3,88 0,96K wasy hum inowe gleb czarnoziemnych 119
T a b e l a 5
Zawartość aminokwasów ftimole. g “ 1) oraz molowy ich udział w kwasach huminowych, w % Content of amino acids (p-moles. g _1) and their molar share in humic acids, in %
I 1 Aminokwasy Amino acids i i i i Kht ! Kh2 ! Kh7 Kh3 / i i i Khi j 1 ! i Kh2 ! i i i i Kh7 i Kh3 ! Śred nia Mean Odchyle-lenie standar dowe Standard deviation S I Kwas asparagi- j 1 j i j i ! nowy Aspartic âcid Kwas glutami 19,3 22,6 20,6 i i i 41,7 1 11,8 14,8 ; 13,7 15,2 13,88 1,52 nowy Glutamic acid 24,7 23,3 18,8 32,7 15,2 15,2 12,5 ! 11,9 j 13,70 l,7x Glicyna Glycine 27,8 30,9 30,8 53,0 17,1 ! 20,2 j i 20,5 1 i 19,3 j i 1 19,28 l,5x Alanina Ananine 15,4 17,6 16,8 37,6 9,5 11,5 I I 11,2 !! 13,7 j i 1 11,48 1,7 2 Walina Valine 10,1 8,4 Ii i 7,6 j 1 ! 18,2 6,2 5,5 ; 1 1 5Д 6,6 5,85 0,67 Izoleucyna Isoleucine " T 5 4,7 J! 5>3 8,5 4,6 3,1 ! i; 3,5 3,1 3,58 .0,70 Leucyna Leucine 11,8 9,6 9,9 20,9 7,3 6,3 1 6,6 7,6 6,95 0,60 Fenÿloalanina Phenophtaleine 6,6 8,8 5,3 15,8 4,1 1 5,8 3,5 5,7 4,78 1,15 Prolina Proline 5,6 8,9 8,2 1 7,9 3,4 5,8 5,5 2,9 ! j 4,40 1,46 Seryna Serine 7,5 2,0 2,2 4,4 4,6 1,3 1,5 1,6 2,25 1,57 Treonina Threonine • 2,6 1 1,4 I 1,7 4,7 1 1,6 0,9 1,1 1 1,7 1,33 0,38 i Tyrozyna Tyrosine ' U 2,5 1,2 ! 5>6 ! 1,0 !' j 1 1,6 i i 0,81 1 2,0 !' 1,35 0,55 Lizyna Lisine 9,8 ! 10,7 16,6 i 20,4 I 6,0 7,0 11Д 7,4 7,88 j 2,2 2 Histydyna Histidine 9,9 ! — — j _ ' 6Л — — 1 _ — j __ Arginina Arginine 2,4 1 1,6 5,1 3,5 1,5 1,0 3,4 1,3 1,80 0,92 Suma, fxmoli Total, ц-moles 162,7 ! 153,0 150,1 274,9
1 2 0 R. -Turski, В. Chm ielewska
[7]. Praw dopodobnie am inokw asy w ystęp ow ały w p eptydach, nieodpor ny ch n a odczyn alkaliczny środow iska. N a zw iększone ko n cen tracje jo nów OH" z am inokw asów w rażliw e są także sery n a i treon ina. Ich p rze m iana w g licerynę zw iększyła ilość tego am inokw asu np. w kw asie h u m i- now ym poziom u iluw ialnego bielicy [22].
N ajw ięcej N am inokw asów uw olniło się do hydro lizatów 6 M HC1 z kw asów hum inow y ch (głównie p re p a ra ty II grupy) pochodzących ze śro dowisk, w k tó ry c h dopływ św ieżej m ate rii organicznej był znaczny. Skład am inokw asów był m ało zróżnicow any, n a tu ra ln ie z w yłączeniem am ino kw asów zasadow ych, k tó ry c h stężenia podlegają zawsze w iększym w a h a niom [11, 12, 31].
U działy m olowe am inokw asów w sum ie w szystkich oznaczonych były zbliżone do uzyskanych w hy d ro lizatach kw asów hum inow ych w ydziela n y ch z w ielu rodzajów i typów gleb [26], z czarnoziem ów [12] oraz boga ty ch w m aterię organiczną gleb w ulk an iczny ch [23]. S u g eru je to, że skład am inokw asow y kom ponentu proteinow ego, p rz y n a jm n ie j w tej grupie analizow anych kw asów , nie zależy od pochodzenia ani różnic w stopniu hum ifikacji.
Biorąc pod uw agę zaw artość am inokw asów w p re p a ra ta c h uzyskanych z profilów n iek tó ry ch gleb zauw ażono w zrost ich ilości w cząstkach m i g ru jący ch do głębszych w a rstw (Khi i K h n oraz K h4 i K h 5). Jed y n ie nie stw ierdzono ty ch różnic w k w asach hum in ow ych czarnoziem ów u p ra w ny ch te ra sy H uczw y (K hi i K h 2), podobnie jak to było w czarnoziem ach k an ad y jsk ich [12].
A m inokw asy były sygnalizow ane w paśm ie absorpcy jny m 1540 cm" 1 kw asów hum inow ych jedynie w p rzy p a d k u 9 % lub wyższej zaw artości białka w ich drobinach. B rak absorpcji w zakresie w iązań pep tyd ow ych w spek tro g ram ach większości kw asów w y n ik ał albo ze zbyt niskiej k o n c en tracji elem en tu białkowego, albo z odm iennego sposobu w iązania. N ie daw no zwrócono uw agę [16] na możliwość tw orzenia się s tr u k tu r łań c u chow ych — kom pleksów am inokw asów z chinonam i w kw asach h u m in o w ych. W edług ty ch danych n iesparow ane elek tro n y azotu w am inokw a sie (tyrozyna) lub w peptydzie — jako donory oraz s tru k tu ry chinonow e (ich akceptory) — tw orzą kom pleksy przejściow o naładow ane ujem nie:
W ty m p rzy p a d k u w iązania N— H czy C —N pow inny u jaw niać się w za kresie absorpcji 1640 cm “1.
K w asy hum inow e gleb czarnoziem nych 121
Obecność w kw asach g ru p karb o n y lo w ych w COOH i hy d ro k sy lo - * w y ch w fenolach ustalono w stęp n ie także n a podstaw ie ich w idm a ab sorpcyjnego w podczerw ieni, zgodnie ze w skazaniam i i in te rp re ta c ją pasm p rzedstaw io ny ch w p u blik acjach [10, 24, 30]. Na ich podstaw ie m ożna p rzy jąć, że w kw asach hu m inow ych o szerszym sto sunku atom ów H/C znaczna część gru p COOH w y stąp iła w form ie zjonizow anej COO" (in ten syw ne pasm o absorpcyjne 1400 cm "1 p rz y zanikającym 1720 cm “ 1). N ato m iast b ra k zm ian w ugięciach pasm a 1250 cm -1 w sp ek tro g ram ach w szyst kich kw asów hum inow ych nie w skazuje n a różnicow anie się w ty ch po łą czeniach zaw artości grup O— H i С— O w fenolach (grupach fenolowych). Z oznaczeń ilościow ych (tab. 6) w ynikało, że około 50% tle n u e le m en ta r nego kw asów z w ierzchnich poziom ów ak u m ulacy jny ch, a 60% z głębszych w chodziło w skład g rup zaw ierający ch tlen , głów nie COOH i C = 0 chino nów. T en w zględnie stały udział tle n u w oznaczonych grup ach w tlen ie ele m en ta rn y m był ch a ra k te ry sty c z n y nie ty lk o dla badanych kw asów h u m inow ych różnie użytk ow an ych czarnoziem ów , ale i dla w ydzielonych z gleb różniących się znacznie pochodzeniem i ty p em [4]. U zyskane rela
-T a b e . l a 6 Zawartość grup zawierających tlen w kwasach huminowych gleb czarnoziemnych uprawnych
i leśnych, meq. g_1
Content of groups containing oxygen in humic acids of cultivated and forest chernozems meq. g-1
Kwasy huminowe
OH - fenoli — OH-phenoIs 1 OH j Ogólna kwasowość
c=o chinonów COOH ! 1 kolorymetr. alkoholi OH of alcohols (D-(2) General acidity Humic acids (2)-COOHj ■ i chydrochinon colorimetric hyd roch i none
i (1) (2) C = 0 of quinones Kh, 3,23 4,75 i 1,55 0,14 ; 9 , 1 2 7 ,9 8 5,48 Kh„ 2,85 2,71 1,68 N ! 0,33 5,89 5,56 4,55 Kh„, 2,29 3,45 ! 1,42 0,76 6,50 i 5,74 4,47 KhIV 2,91 j 3,65 j 1,44 2,44 9,00 6,56 4,24 Khv 2,10 i 2,33 1,12 4,07 8,50 4,43 3,50 Khx ! 2>50 j 2,40 1,70 1,60 6,50 4,90 3,93 Kh2 4,02 3,40 ! 1,90 2,08 9,50 7,42 4,42 Kh3 2,90 2,50 i 1,71 1,10 6,50 5,40 4,06 Klu 3,48 3,72 i 1,90 0,56 7,76 7,20 4,21 Kh5 3,43 2 ,1 7 j 1,71 I 1,40 9,00 5,60 3,63 Kh6 4,07 2 ,6 5 ' 2,16 2,76 9,48 6,72 4,69 Kh7 3,64 3 ,5 0 ! 1,80 0,86 8,00 ! 7,14 3,97 Kh8 4,20 ! 2 ,7 4 i 1,77 2,56 1 9 ,5 0 i 6,94 n.o. (1) — wyznaczone według [19] — (2) — wyznaczone według [25] — (1) — determined after [19] (2) — determined after [25]
122 R. Turski, В. C hm ielewska
cje ilościowe pom iędzy g ru p am i — COOH i — OH fenoli b yły zgodne z ich zaw artościam i w kw asach pochodzących z typow ych czarnoziem ów [3, 17]. K w asy te ze w zględu n a zw iększony u dział grup COOH, a zm niejszony — OH fenoli lub OH ogółem w drobinach uw ażano za wysoce „d o jrzałe” . P otw ierd zenia tej opinii d o patrzyć się m ożna w w ynikach bad ań a u to rów japońskich [25], k tó rzy oznaczyli zaw artość grup fu n k cy jn y c h zaw ie rają cy c h tle n w różnych ty p ach kw asów hum inow ych. W śród ty ch k w a sów n ajsiln iej zhum ifikow ane (typ A) cechow ała najw yższa ogólna k w a sowość (średnio 7 m eq/g), w ysoka zaw artość .g ru p COOH (4— 6 m eq/g). Z ty ch g ru p OH fenolow e nie by ły trw ały m elem en tem kw asów hu m in o w ych gleb u p raw n ych. Zauw ażono, że u tra c ie tow arzyszy pow staw anie ich na nowo w kw asach ty p u A i B. S tw ierdzenie to m a swoje uzasadnie nie, poniew aż w szystkie kw asy hum inow e z pod lasu zaw ierały m niej OH fenoli (oznaczenia kolorym etryczne) aniżeli kw asy z poziom ów a k u m u la
cy jn ych bad any ch przez nas czarnoziem ów upraw nych.
Jako jeden ze składników s tru k tu ra ln y c h w y k ry to sub stancje fenolo we, k tó ry c h ilościowe różnice w obu w yróżnionych g ru pach p rep a ra tó w są p ew ny m dow odem istnienia różnic w sto p n iu h u m ifik acji (tab. 7).
T a b e l a 7 Zawartość substancji fenolowych w kwasach huminowych
Content of phenolic substances in humic acids
j Kwas huminowy Humic acids jimole. g-1 д-moles, g -1 i Kwas huminowy Humic acids ! (imole. g-1 ji-moles. g ~ 1 ! Kh, 1 105 Kh2 277 Kh„ 94 Kh3 280 i Khfn 171 Kh4 110 !. KhIV 164 Kh5 102 1 KhIV 164 Kh5 102 Khv 176 Kh6 94 К hi i 408 Kh7 119
U zyskane w yniki nie w skazyw ały na zm niejszenie się zaw artości hy d ro li- zujących su b stan cji fenolow ych w raz z obniżeniem się ogólnej zaw artości am inokw asów w drobinach, jak n a p rzy k ła d w K h 6 i K h 7. O istn ien iu ta k iej zależności, podobnie jak i o zm niejszeniu się zaw artości sub stancji fe nolow ych w kw asach hum inow ych silniej zhum ifikow anych doniesiono
już w cześniej [27]. Nie było jed n ak pew ności co do tego, czy h y d ro liz u ją - ce zw iązki fenolow e i białkow e p odlegają w kw asach hum inow ych ty m sam ym przem ianom .
W b ad aniach ch arak tery sty czn eg o dla s tru k tu ry kw asów hum inow ych p ierścien ia cyklicznego polim eru w ęgla określonego typu, z m niej lub b a r
Kwasy hum inowe gleb czarnoziemnych 123
dziej rozbudow anym i bocznym i alifatycznym i łańcucham i, najczęściej sto sow ano analizę sp e k tra ln ą w podczerw ieni [8, 9, 18, 24]. P odstaw ow e aro m atyczne ugrup ow an ia atom ów w kw asach w ykazyw ała absorpcja w idm a w zakresie 1640— 1600 cm -1. Intensyw ność ty ch pasm , jak rów nież pasm a ob ejm u jące w iązania azotu i tle n u w g ru p ach fu n k cy jn y c h była po d sta w ą w yróżnienia sp e k tra ln y c h typów kw asów próchnicznych.
Dla sp ek trów p rèp a ra tô w ty p u I uzyskano stosunkow o słabą absorpcję w obszarze w idm a 2900 cm -1 oraz absorpcję pasm a 1600 cm 1- rów nie in ten sy w n ą ja k 1720 cm -1. A nalogicznym uk ład em pasm c h arak tery zo w ały się kw asy hum inow e b ad anych czarnoziem ów o stosu nk u atom ów H/C m niejszy m od jedności. B yły to kw asy, na k tó re kw aśna hydroliza w y w a rła niew ielki w pływ , pow odując jedy n ie zaostrzenie ugięć p rzy 1720 i 1600 cm "1.
Pogląd, że w szystkie kw asy hum inow e czarnoziem ów różnie u żytk o w anych zaw ierają niew iele g ru p CH2 i CH3 w ich części alifaty cznej nie znalazł w naszych badaniach pełnego p o tw ierdzenia. W sp ektrog ram ach p rep a ra tó w uzyskanych z gleb pod lasem lub z głębszego poziom u gleb u p raw n y c h (Kh głów nie II grupy) abso rp cja w iązań С—H (2900 cm -1) b y ła stosunkow o in tensy w na. Trw ałość tego fra g m e n tu drobin, uważanego za n ietrw ały , okazała się nadspodziew anie duża. Nie udało się go oddzielić od s tr u k tu r kw asów za pom ocą kw aśnej hydrolizy, środka bardzo g w ał tow nego.
P rzew ażającą większość kw asów o szerszym sto sunku H/C należy zali czyć do ty p u III i to nie ty lk o ze w zględu n a w ysoką absorpcję w obsza rze sp ek tró w 2900 cm -1. W ty p ie III stw ierdzono bowiem, że abso rp cja pasm С ~ C i C = 0 aro m atycznych zw iązków pojaw ia się najczęściej w pobliżu liczby falow ej 1640 cm -1, co m oże być pow odow ane także ab sorp cją am idów w białkach. Po odhydrolizow aniu 6 M HC1, podobnie jak i u nas, uzyskuje się u k ład pasm 1720 i 1600 cm -1, ta k ch a ra k te ry sty c z n y dla kw asów hum inow ych zaliczanych do ty p u I. W ynik te n su g eru je, że n iek tó re kw asy hum inow e czarnoziem ów I i II g ru p y stoją na pograniczu typów sp e k tra ln y c h I i III.
LITERATURA
£1] A n d e г с h i n P. G., S z e w с z e n к o G. A.: Sostaw gumusa czernoziemow Centralnoj Czernoziemnoj Połosy i jew a izm ienienje pri okulturiwanii. Agro- chimia 5, 1968, 82—89.
if2] An d r z e j e w s k i M.: N iektóre w łaściw ości optyczne związków próchnicznych w zależności cd stężenia i spcsobu rozpuszczania. Rocz. glebozn. dod. do t. 15, 1965, 289—294.
[3] A 1 e k s a n d r o w a Ł. N.: N iekatoryje diskusjonnyje waprosy miechanizm a gum iiikacji organiczeskich ostatkow w poczwie. Gumus i poczwoobrazowanie 269, 1975, 8—21.
124 R. Turski, В. Chm ielewska
[4] A n d r e и х F., Р о г t e l J. М., J e a n s é n P.: Chemical devitization and in- fra-red spectroscopy of oxygen-containing groups of two humic acids. Tran sactions of the VIHth. International Symp. Praga, Humus et Planta, 1983. [5] B a c u ł a A. A., K r u p s k i j N. K.: Formy azota gum usowych w ieszczestw ce-
linnych i oswojennych poczw lewobierżnoj Ukrainy. Poczwowied. 8, 1974, 43—47.
:{6] С h m i e 1 e w s к а В.: Stability constants of soluble Си, Co and Zn com plexes com binations w ith humic acids of.low m oor. Polish J. Soil Sei;. 2, 1969, 2, 107—120.
[7] C z u c h a j o w s k i L., E r n d t A.: Amino acids com position of proteinaceous component of soil humic acids. Rocz. glebozn. 22, 1971, 1, 75.
[8] C z u c h a j o w s k i L., К r z о с z e к J.: Udział chinonów w strukturze kw asów hum inowych w św ietle widm absorpcyjnych w podczerwieni nowych zw iązków m odelowych. Rocz. glebozn. 16, 1966, 1, 3—23.
[9] D r o z d J.: Physico-chem ical properties of humic substances of soil utilized differently. Polish X. Soil Sei. 4, 1971, 1, 1, 21—27.
[10] F a l k M., S m i t h D. G.: Structure of carboxyl groups in humic acids. N atu re 200, 1963, 9, 569.
[11] G u i d i G., P e t r u z z e l l i G., S e q u i P.: Characterisation of amino acid and carbohydrate components in fulvic acid. Can. J. Soil Sei. 56, 1976, 3, 159. [12] K h a n S. P., S o w d ą n F. J.: Distribution of nitrogen in the black solonetzic
and black chernozemic soils of Alberta. Can. J. Soil Sei. 51, 1971, 185—183. [13] K u c h a r e n k o T. A., E k a t a r i n a Ł. N.: Mietod opriedielenija chinono-
w ych grupp w gum usowych kisłotach. Poczwowied. 7, 1967, 95— 100.
[14] К и m a d a K.: Studies on the colour of humic acids. I. On the concepts of hu mic substances and hum ification. Soil Sei. Plant Nutr. 11, 1965, 151.
[15] K u w a t s u k a S., T s u t s u k i K., K u m a d a K.: Chemical studies on soil humic acids. I. Elem entary composition of humic acids. Soil Sei. Plant Nutr. 24, 1978, 3, 337—347.
[16] M ü l l e r - W a g n e r W.: Interactions of humic acid w ith amino acid and pep tides. Transactions of the VIHth International Symp. Praga, Humus et Planta,
1983, 124.
[17] N a z a r o w a A. W.: N iekotoryje osnow nyje konstanty gum usowych kisłot razliczniego praizchożdienja. Gumus i Poczwoobrazowanie 1975, 295, 22—28. [18] O r ł ó w D. S., R o z a n o w a O. U., M a t u c h i n a S. G.: Infrakrasnyje spiek-
try pogłoszczenia gumusowych kisłot. Poczw owied. 1962, 1, 17.
£19] S c h n i t z e r M., G r u p t a U. C.: Determ ination of acidity of soil organic matter. Soil Sei. Soc. Amer. Proc. 29, 1965, 3, 274—277.
[20] S c h n i t z e r M., S k i n n e r J. M.: Carboxyl and hydroksyl groups in organic m atter and m etal retention. Soil Sei. 99, 1965, 4, 278—284.
[21] S c h n i t z e r M., S h e a r e r D. A., W r i g h t J. R.: A study in the infrared of highm olecular w eigh t organic m atter extracted by various reagents from podsolic В horizon. Soil Sei. 87, 1959, 252—257.
[22] S o w d e n F. J., S c h n i t z e r M.: Nitrogen distribution in iluw ial organic matter. Can. J. Soil Sei. 47, 1967, 111—116.
[23] S o w d e n F. J., G r i f f i t h S. M., S c h n i t z e r M.: The distribution of n i trogen in some tropical vulcanic soils. Soil Biol. Biochem. 8, 1976, 55—60, [24] S o w d e n F. J., G o h K. M.: Infrared spectra of humic acid and related sub
stances. Geochim. et Cosmochin. A cta 35, 1971, 471—483.
[25] T s u t s u k i K., K u w a t s u k a S.: II. Composition of oxygen-containing groups of humic acids. Soil Sei. Plant Nutr. 24, 1978, 4, 547—560.
K wasy hum inow e gleb czarnoziemnych 125
[26] T s u t s u k i K., K u w a t s u k a S.: III. Nitrogen distribution in humic acids. Soil Sei. Plant Nutr. 24, 1978, 4, 561—570.
[27] T s u t s u k i K., K u w a t s u k a S.: Aminoacid, phenol and sugar composition in the hydrolysable fraction of humic acids. Soil Sei. Plànt Nutr. 25, 1979, 1, 29—38.
{28] T u r s k i R., F l i s - B u j a k M.: The influence of plant rotation and fertiliza tion on humic acids in polish chernozem. Polish J. Soil Sei. 11, 1978, 2, 123— —132.
[29] T u r s k i R., C h m i e l e w s k a В.: K wasy hum inowe niektórych gleb w ytw o rzonych z torfów. Rocz. Glebozn. w druku.
[30] W a g e n e r G. H., S t e v e n s o n F. J.: Structuralarragement of functional groups in soil humic acid as related by infrared analyses. Soil Sei. Soc. Amer. Proc. 29, 1965, 43—48.
[31] W a t s o n J. R., P a r s o n s J. W.: Studies of soil organo-m ineral fractions. II. Extraction and characterization of organic nitrogen compounds. J. of Soil Sei. 25, 1974, 9—15. P. ТУРСКИ, Б. ХМЕЛЕВСКА ГУМИНОВЫЕ КИСЛОТЫ ЧЕРНОЗЕМОВ Институт почвоведения, агрохимии и микробиологии Сельскохозяйственной академии в Люблине Р езю м е Исследовали 15 препаратов гуминовых кислот выделенных из черноземов Западно-Во- лынской возвышенности под природной растительностью (римские цифры) и культурными растениями (латинские цифры). Исследования охватывали черноземы из возвышенностей Сокальской гряды (препараты 1, II) и Грабовецкого водораздела (препарат 3), из террасы р. Гучвы (III, IV, 1, 2, 4, 5, 6) и котлиновые черноземы (V, 7, 8, 9). Их хозяйственное использование различное, в пределах от интенсивного (препараты 4, 5, 6) до средне интенсивного (остальные препараты), В пре паратах гуминовых кислот проводились измерения оптической густоты в видимом и ин фракрасном свете, а также определяли элементарной состав и функциональной группы. Проводился также гидролиз гуминовых кислот путем обработки 6 и НС1 и 4 М H2SO* а также определяли содержание аминокислот и феноловых веществ. Предварительная характеристика основанная на элементарном составе и исследования абсорбанции позволяют разделить гуминовые кислоты на две группы: 1. Гуминовые кислоты V, 1, 2, 3, 7, 8. Это препараты из аккумуляционного горизонта лесного чернозема и пахотных горизонтов не площади котловин и террас, за исключением интенсивно удобряемых минеральными элементами (4, 5) кроме самого низкого горизонта (6). Соотношение в них Н: С<1 , что позволяет предполагать значительное разнообразие структуры молекул их ароматического ядра. 2. Гуминовые кислоты их лесных черноземов возвыш енностей и террес интенсивно удобряемых минеральными элементами ц из горизонта (В) черноземов котловин (9). Со отношение в них Н: С>1 . В некоторых профилях этих обеих групп подвергнутых кислому гидролизу отсутство вали полосы пептидов и полисахаридов. Это позволяет предполагать, что некоторые гуми- ыовые кислоты черноземов находятся на границе посредственных спектральных типов.
126 R. Turski, В. Chm ielewska
R . T U R S K I , В . C H M I E L E W S K A
HUMIC ACIDS OF CHERNOZEMS
D epartm ent of Soil Science, A gricultural Chemistry and Microbiology, Agricultural U niversity of Lublin
S u m m a r y
Fifteen preparations of humic acids isolated from chernozems of the W est-W ol- hynian Upland under natural vegetation (Roman ciphers) and crops (Latin ciphers) w ere exam ined.
The investigations comprised chernozems from uplands of the Sokal Ridge (pre parations I and II) and of the Grabowieckie Watershed (preparation 3), from the Huczwa river terraces (III, IV, 1, 2, 4, 5, 6) and basin chernozems (V, 7, 8, 9). Their agricultural utilization differs, ranging from intensive (preparations 4, 5 and 6) to m edium intensive (remaining preparations). In the preparations of humic acids the m easurements of optical density in visible and infrared light were carried out and the elem entary composition and functional groups w ere determined. Also the h y drolysis of humic acids was carried out by treating them w ith 6 M HCL and 4 M
H2S O4 and the content of amino acids and phenolic substrates w ere determined. The prelim inary characteristics based on the elem entary composition and the absorbance determination allows to divide the humic acids exam ined into 2 groups:
1. Humic acids V, 1, 2, 3, 7 and 8. They are preparations from accum ulation ho rizons of forest chernozem and chernozem of cultivated ares on terraces, excep t those intensively fertilized w ith m ineral elem ents (4, 5), beside the low est horizon (6). They show the H:C ratio < 1, which suggests more particular structure of their aromatic nucleus molecules.
2. Humic acids from forest chernozems of uplands and terraces intensively fer tilized with m ineral elem ents and from the (B) horizon of chernozem of basin (9). Their H:C ratio is > 1.
In some preparations of both these groups subjected to acid hydrolysis no bands of peptides and m onosaccharides occur. This fact suggests that some humic acids of chernozems would lie at the border of transitory spectral types.
Pro/, dr R yszard Turski
In stytu t G leboznaw stw a, Chemii R olnej i M ikrobiologii AR Lublin, L eszczyń skiego 7
