JERZY PACHA
STRUK TURA SU B ST A N C JI PRÓCH NICZY CH W ŚW IETLE NA JN O W SZY CH BADAN
Katedra M ikrobiologii U niw ersytetu Śląskiego
WSTĘP
S u b stancje próchnicze m ają c h a ra k te r w ielkocząsteczkow y i są w d u żej części heteropolim eram i, dlatego ich budow a chem iczna jest tru d n a do zdefiniow ania [10].
W prow adzenie now oczesnych m etod badań, jak analiza absorpcyjna w podczerw ieni, elek tro n ow y rezonans p a ra m e try c z n y (EPR), m ag nety czn y rezonan s jąd ro w y (NMR) oraz ch ro m atog rafia gazow a i sp e k tro m e tria m asow a pozw oliły na bardziej szczegółowe określenie s tru k tu ry su b sta n cji próchniczych [11]. N iestety , do b ad ań chrom ato grafią gazową, jak i sp e k tro m e trią m asow ą n a d a ją się ty lk o su b stan cje lotne, toteż w p rz y p a d k u zastosow ania ty ch m etod do b ad ań su b stan cji próchniczych po dda je się je n a jp ie rw p irolityczn ej, oksydacyjnej lub red u k c y jn ej, d eg rad a cji. W iele jed n ak składników m ate rii próchniczej podczas ty ch zabiegów ro zk ład a się i dlatego s tr u k tu ra b ad an ej su b stan cji może być określona ty lk o w sposób przybliżony [10].
Szersze zastosow anie w bad aniach próchnicy znalazły więc an ality cz ne tech n ik i n ied estru k cy jn e. Początkow o jed n ak odznaczały się one m ałą rozdzielczością oraz niską czułością [11]. S p e k tro m e tria w podczerw ieni dostarczyła w artościow ych in fo rm acji co do zaw artości poszczególnych g ru p fun k cy jn y ch , lecz niezb y t w iele d anych co do s tru k tu ry cząsteczki su b stan cji próchniczych [5]. Za pom ocą b a d ań z użyciem EPR udow od niono, że w olne rod niki są u trw a la n e w su bstan cjach próchniczych p ra w dopodobnie przez s tru k tu ry chinow e lub sem ichinow e [13, 14]. Poza tym i obserw acjam i m etoda ta dostarczyła m ało in form acji s tru k tu ra ln y c h . NM R b ył stosow any do bad ań su b stan cji próchniczych już od la t sześć dziesiąty ch [1], lecz m ała rozdzielczość i niska czułość ów czesnych spek tro m etró w , jak też nierozpuszczalność lu b słaba rozpuszczalność p ró ch n i cy w większości niew odnych rozpuszczalników stosow anych w te j tec h
-nice nie pozw alały n a uzyskanie in fo rm acji o s tru k tu rz e zw iązków pró ch niczych [11]. D opiero zw iększenie czułości sp ek tro m etró w NMR, w p ro w a dzenie tech n ik i F o u rie ra oraz zastosow anie deuterow anego w odoro tlenk u sodowego (NaOD) jako rozpuszczalnika pozw oliło n a otrzym anie już w pełni in fo rm acy jn y ch w idm p ro to no w y ch i w ęglow ych [3, 11, 17, 19]. O statnie udoskonalenia te j techniki, tj. w prow adzenie p olaryzacji skrzyż- nej, zw iększającej czułość m etod y odprzęgania p ro to n u red uk ująceg o po szerzenie linii i zw iększającego czułość oraz w prow adzenie szybkiej ro ta cji bad anej pró b k i o osi ustaw ionej pod tzw . k ą te m m agicznym (54,7°) w sto sun ku do zew nętrznego pola m agnetycznego, pozwoliło na otrzym anie w idm su bstancji próchniczych w stanie stały m o w ysokiej rozdzielczości. Połączenie ty ch udoskonaleń i w prow adzenie tech nik i CPMAS (cross po
larization m agic angle spinning) zapoczątkow ało badania porów naw cze
s tru k tu ry su b stan cji próchniczych z różnych źródeł [5, 9, 11, 18, 20]. P rz e sunięcia chem iczne sygnałów rezonansow ych 13C dla ty p ó w w ęgli oraz g rup fu n k cy jn y ch w y stęp u jący ch w su b stan cjach próchniczych podane są w tab. [1].
T a b e l a 1 Przesunięcia chemiczne sygnałów rezonansowych 13C w związkach organicznych
i grupach funkcyjnych występujących w substancjach próchnicznych
13C-NMR chemical shift regions for organic compounds and functional groups present in humic substances
0-50 ppm 1 50-110 ppm j 110-160 ppm j 160-190 ppm j 190-220 ppm
Parafiny alkohole olefiny kwasy aldehydy
Paraffins alcohols olephines acids aldehydes
.
aminy związki aromatyczne estry ketony
amines węglowodany carbohydrates etery ethers metoksyl metoxyl acetale acetales
aromatic compounds esters amidy amides
ketones
i"
SUBSTANCJE PRÓCHNICZE Z OSADÓW WODNYCH
K w a s y f u l w o w e . Cechą c h a ra k te ry sty c z n ą kw asów fu lw o - w ych, e k strah o w an y ch z osadów w odnych, jest d uży udział w ich b u d o w ie kw asów poliuronow ych, w ielocukrów zaw ierający ch kw as u ro n o w y
(rezonans p rz y 72 i 105 ppm ) oraz g ru p karboksylo w ych i am idow ych (rezonans p rzy 175 ppm ) (rye. 1) [4].
Rye. 1. Widmo 1SC-NMR kw asów fulw cw ych z osadów w odnych [4]
Fig. 1. 13C-NMR spectrum of fulvic acidä from aquatic sedim ents [4]
Rye. 2. Wiidmo 13C-NMR kw asów hum ino- w ych z osadów wodnych [5]
Fig. 2. 13C-NMR spectrum of humic acids from aquatic sedim ents [5]
Rye. Э. Widmo 13C-NMR hum in z osadów w odnych [5]
Fig. 3. 13C-NMR spectrum of humic from aquatic sedim ents [5]
K w a s y h u m i n o w e . K w asy hum inow e w yodrębn ion e z osa dów w odnych różnią się od kw asów h u m in o w y ch gleb w ysoką z aw arto ś cią azotu (z re g u ły pow yżej 3%) oraz w odoru (powyżej 5'°/o) [16]. W
y-soka zaw artość ty c h p ierw iastk ó w może być w yn ik iem ich alifaty czn ego c h a ra k te ru oraz zaw artości bog aty ch w azot białek. W idm a w podczer w ieni ty ch kw asów hu m in o w y ch w y k a z u ją obecność zw iązanych z w o d orem g ru p h y d ro ksylow ych oraz s tr u k tu r parafin ow ych, karb o k sy lo w ych i w ęglow odanów [15]. Je śli chodzi o w idm a NMR kw asów h u m in o w ych z osadów w odnych, to obszarem o n a jsiln ie jsz y m rezon ansie jest z re g u ły obszar 0— 50 ppm , c h a ra k te ry sty c z n y dla w ęgli p arafin o w y ch lub w ęgli połączonych ty lk o z ty m sam ym p ierw ia stk iem [7].
H u m i n y. H u m in y z osadów w odnych, podobnie jak i k w asy h u m ino w e z tego sam ego źródła, są o w iele bogatsze w azot (powyżej 4% ) niż h u m in y gleb, odznaczające się zw ykle niską zaw artością tego p ierw ia stk a [12]: Poza ty m duży odsetek w odoru (około 7%) oraz duża w artość sto su n k u H/C (około 1,5) św iadczą, że h u m in y osadów w odnych za w iera ją w ięcej s tr u k tu r alifaty czn y ch niż ich odpow iedniki w glebie [5]. A lifaty czny c h a ra k te r h u m in z osadów w odnych p o tw ierd z ają ró w nież w idm a NMR, w k tó ry c h rezon an s p rz y 30 ppm , c h a ra k te ry sty c z n y dla zw iązków alifatyczn y ch, stanow ić może n a w e t 67% (ryc. 3). A rom a- tyczność h um in , tj. odsetek w ęgli w y stę p u ją c y ch w s tru k tu ra c h aro m a tycznych, jest m ała i w ynosi z reg u ły poniżej 20% [5].
OSADY LĄDOWE
Ź ródłem m ate rii organicznej w osadach lądow ych, tak ic h jak gleby czy torfow iska, są przede w szystkim resz tk i roślin naczyniow ych, k tó ry c h głów nym sk ład n ik iem są ligniny. Jeżeli chodzi o w idm a NMR lig nin, to n a jsiln ie jsz y rezo n ans w y stę p u je p rz y 55 ppm (g ru p y m etoksy- lowe) (ryc. 4), co zresztą p o tw ierd ziły bad ania chem iczne, k tó re
w~ykaza-Ryc. 4. Widmo 13C-NMR lignin [21 Eig. 4. 13C-NMR spectrum of lLgnins [2]
ły, że g ru p y m etoksylow e stanow ią rzeczyw iście 10— 15% ciężaru lignin. W zakresie 0— 50 p p m nie obserw u je się w yraźnego rezonansu, co w sk a zuje, że s tr u k tu ry alifaty czn e m ogą być podstaw ione przez tle n lub
za-Ryc. 5. Widma 13C-NMR k w asów fulw ow ych
A i hum inow ych В gleby [5]
Fig. 5. ljC-NM R spectra of fu lvic A and hu mic В acids from soil [5]
w ierające te n p ierw ia ste k g ru p y fu n k c y jn e (rezonans w zakrpsie 50— 100 ppm ). Cechą w łaściw ą ligninom jest poza ty m in te n sy w n y rezonans, c h a ra k te ry s ty c z n y dla w ęgli aro m aty czn y ch (110— 160 ppm ), głów nie p rzy 150 ppm , o b ejm ujący ch w ęgle p ierścien i aro m atycznych zw iązane z tle n em (g rup y fenolow e i m etoksylow e). In n ą cechą w idm NMR lignin jest b ra k w yraźnego rezon an su w zak resie 0— 50 pp m (stru k tu ry a lifaty c z ne) [2].
G l e b y . Także k w asy h um inow e i fulw ow e gleby d a ją c h a ra k te ry sty c z n e w id m a NM R (ryc. 5). P ra w ie we w szystkich w idm ach dom i n u ją sygnały, k tó ry c h źródłem są w ęgle p ierścieni arom aty czn y ch (110— — 160 ppm ) oraz g ru p y karbo k sy lo w e (160— 190 ppm ). In n e sy g nały po chodzą od w ęgli g ru p p arafin o w y ch (0— 50 ppm ), g ru p m etoksylow ych, eterow ych, w ęglow odanów (50— 110 ppm ) oraz gru p karbo ksy lo w y ch (190— 220 ppm ). J a k w idać, w idm a te różnią się m iędzy sobą co do „aro - m atyczności”, k tó ra w aha się m iędzy 21 a 73% . In te re su ją c ą obserw acją dla w id m kw asów h u m in o w y ch jest w ystęp ow anie w yraźnego sygnału dla w ęgli g ru p p arafin o w y ch , p rzy czym w zględna inten syw ność tego r e zonansu w ah a się w g ranicach 7,1— 36% . S y gnały w ty m sam ym z a k re - nie w y stęp o w ały tak że w w idm ach kw asów h u m inow ych z osadów w od nych, w y d a je się więc, że k w asy h u m ino w e pochodzące z obydw óch śro dow isk m ają to sam o źródło części a lifaty czn ej, tj. resz tk i pochodzące z glonów oraz m ikroorganizm ów [8].
„A rom atyczność” kw asów h um inow ych, określona za pom ocą m etod chem icznych, osiągała w artość 61 do 100% [8]. W ydaje się jednak, że m
e-to d y chem iczne p rzed staw iały n a d m ie rn ie te w are-tości, gdyż podczas p ro cesu deg rad acji s tr u k tu ry alifaty czn e m ogły być całkow icie u tlen io n e do C 02 i H20 . W artości o trzy m an e z w idm NMR w y d a ją się być d o k ład n ie j sze. W idm a NMR kw asów fulw o w y ch ró żn ią się w y raźn ie od w idm k w a sów hum inow ych. K w asy fulw ow e w y k azu ją w y raźn iejszy rezonans p rzy
175 p pm (węgle g ru p karboksylow ych i am idow ych). Z aw ierają one po n a d to w ięcej w ęgli gru p etero w y ch oraz w ięcej w ęglow odanów (rye. 5A). N ajb ard ziej jed nak uderzającą różnicą m iędzy w idm am i NMR kw asów fulw ow ych i hum inow ych jest w iększa zaw artość w ty ch drugich s tru k tu r parafin ow y ch . Poza ty m rezo nan s w zak resie ty c h s tr u k tu r w p rzy p a d k u kw asów h u m ino w y ch w y stę p u je n a jsiln ie j p rz y 30 ppm , w p rzy p a d k u zaś kw asów fulw o w ych — p rzy 50 p pm (rye. 5B). W ydaje się to w sk a zywać, że s tr u k tu ry p arafin o w e nie są id en ty czne w obydw óch zw iąz kach. P rzesunięcie chem iczne 50 ppm jest c h a ra k te ry sty c z n e dla w ęgli, k tó re są w pozycji a do elektronów ta k ic h g ru p jak fenolow a, k arb o k sy lowa, am inow a lub am idow a i s tr u k tu ry parafin o w e kw asów fulw o w ych m ogą być połączone z tak im i w łaśnie g rupam i.
W idm a NMR kw asów h u m in o w y ch nie w y k a z u ją bardzo często rezo nan su p rzy 150 ppm , ch arak tery sty czn eg o dla g ru p fenolow ych [8]. Ilość ty ch grup, oznaczona za pom ocą m etod chem icznych, jest dużo w iększa niż by to w ynikało z pow ierzchni sy g nału w idm NMR p rzy 150 ppm . S tosunkow o słaba intensyw no ść tego rezo nan su może być w ytłu m aczona w różny sposób. Po pierw sze, podczas oznaczania m etodam i chem iczny m i m ogła być w y kazan a n ad m iern a ilość g ru p fenolow ych, zwłaszcza że określa się je zw ykle jako różnicę m iędzy całkow itą kw asow ością a iloś cią g ru p k arboksylow ych. S tąd m ogą w yn ik ać pew ne niedokładności, zw łaszcza gdy oznacza się całkow itą kw asow ość w s tru k tu ra c h ta k zło żonych jak kw asy hum inow e. Po drugie, sy gn ały w y stęp u jący ch w p r e p a ra ta c h w olnych rodnik ó w m ogłyby in te rfe ro w a ć z sygnałam i w z a k re sie g ru p fenolow ych [5].
R easum ując, kw asy fulw ow e i hum in ow e p raw ie w szystkich rod za jów gleby w y d a ją się zaw ierać dużo s tr u k tu r aro m atycznych, w n ie k tó ry c h jed n a k p rzy p ad k ach „aro m atyczność” p re p a ra tó w jest bardzo n isk a i m ogą dom inow ać s tr u k tu ry alifaty czn e [6]. S u b stan cje próchnicze osa dów lądow ych z a w iera ją podobne s tr u k tu ry alifatyczn e jak su b stan cje próchnicze osadów m orskich. P odobieństw o ta k ie może w skazyw ać n a to, że źródło ich w obydw óch p rzy p ad k ach może być tak ie samo, tj. że są to resz tk i pochodzące z glonów i m ikroorganizm ów żyjących w glebie [5]. P o n ad to s tr u k tu ry arom atyczne su b sta n c ji p róchniczych w y d a ją się być in n e od s tr u k tu r aro m aty czn ych lignin. M ałe ilości p ierścien i aro m aty cz nych, połączonych z g ru p am i fenolow ym i lub m etoksylow ym i m ogą w skazyw ać, że lig n in y są rzeczyw iście źródłem części arom atyczn ej su b sta n c ji próchnicznych, podlegają one jed n a k zasadniczym zm ianom , p od
czas k tó ry c h g ru p y te u le g a ją elim in acji, praw dopodobnie w w y n ik u p ro cesów oksyd acy jn ych [5].
P o n ad to ilość g ru p karboksylow ych, określona za pom ocą NMR, b a r d ziej k o relu je z całkow itą kw asow ością niż z ilością g ru p k a rb o k sy lo w ych, o k reślan y ch za pom ocą m etod chem icznych. Może to być w y n i k iem in te rfe re n c ji sygnałów g ru p k arb ok sy lo w ych z sygnałam i pocho d zący m i od in n y ch grup, tak ic h ja k g ru p y am idow e czy estrow e [5]. N ie m ożna rów nież w ykluczyć, że p rz y oznaczaniu chem icznym g ru p k a rb o ksylow ych pop ełnia się błęd y i w p rzy p a d k u gdy w y k azu je się za n isk ą ilość gru p karboksylow ych, ty m sam y m ok reśla się b łędnie ilość g ru p fenolow ych, gdyż, jak w spom inano, ilość g ru p -OH oznacza się jako ró ż n icę m iędzy całkow itą kw asow ością a ilością g ru p karboksylo w ych [5].
T o r f . S u b stan cje próchniczne stan o w ią głów ny sk ład n ik m a te rii organicznej to rfu . T w orzy się on w osadach, w k tó ry c h poziom w ody się ga w ierzcho łka p ro filu lub też jest niew iele niższy i w k tó ry m d ostęp ność tle n u dla organizm ów d eg rad u jący ch m a te rię organiczną jest o g ra niczona. W zw iązku z ty m d o m in u ją tam w a ru n k i beztlenow e, d eg ra d a c ja m a te rii organicznej jest w olniejsza niż w glebie i jest ona zachow ana lepiej [5].
W w idm ach NMR k w a s ó w f u l w o w y c h to rfu d o m in u ją syg n a ły c h a ra k te ry sty c z n e dla w ielocukrów i kw asów poliuronow ych, d la tego też są one podobne do w idm ty ch su b stan cji pochodzących z osadów
Ryc. 6. Widma 13C-NMR kw asów fulw ow ych
A, hum inowych В oraz humin С torfu [5]
Fig. 6. 13C-NMR sipectra of fulvic A and hu m ic В acids and humins С from peat [5]
w o dnych (ryc. 6A). D odatkow y rezo n ans p rz y 130 oraz 150 p p m w sk azu je n a obecność w ęgli p ierścien i aro m aty czn y ch oraz w ęgli zw iązanych z tlen em , pochodzących praw dopodobnie z resz t ligninow ych. W kw asach
fu lw ow y ch z to rfu do m in u ją więc w ielocukry, a s tr u k tu ry aro m aty czn e w y stę p u ją w m ałej ilości [5].
W idm a k w a s ó w h u m i n o w y c h pochodzących z to rfu ró żn ią się w yraźn ie od w idm kw asów fu lw ow y ch pochodzących z tego sam ego m a te ria łu (rye. 6B) [5]. O bserw u je się w nich siln y rezo nan s (110— 160 ppm ), którego źródłem są w ęgle pierścien i arom atyczn ych , p rzy czym n a jsiln ie jsz y rezon ans zauw aża się p rz y 130 ppm , nieco zaś m n iejszy p rzy 150 ppm , te n o statn i jest c h a ra k te ry sty c z n y dla lignin. W p rzeciw ień stw ie do w idm kw asów h u m in o w ych g leby kw asy hum in ow e to rfu odz naczają się w y raźn y m rezonansem c h a ra k te ry sty c z n y m dla w ęgli zw ią zanych z tlen em . Także obszar c h a ra k te ry sty c z n y dla zw iązków aro m a tycznych, różni się od kw asów h u m in o w y ch gleby, co su g eru je, że k w a sy hum inow e to rfu m ogą być s tru k tu ra ln ie różne od kw asów h u m in o w ych gleby.
R ezonans c h a ra k te ry sty c z n y dla s tr u k tu r pochodzących z lignin w y stę p u je także p rzy 130 i 120 ppm (s tru k tu ry arom atyczne) oraz 55 pp m (w ęgle g ru p m etoksylow ych). Rezonans p rz y 55 pp m jest w p rzy p a d k u kw asów h u m in ow y ch to rfu w y raźn iejszy niż w p rzy p a d k u kw^asów h u m inow ych gleby, co pozw ala przypuszczać, że pierścienie arom atyczne kw asów h u m ino w y ch to rfu za w iera ją w ięcej g ru p m etoksylow ych. W ę glow odany oraz w ęgle s tr u k tu r alifaty czn y ch pow iązane z tle n e m w y d a ją się nie być isto tn y m i sk ład n ik am i kw asów h u m inow ych to rfu . Rezo nans p rzy 90 ppm , c h a ra k te ry sty c z n y dla w ęgli p arafin o w y ch i w y stę p u jący w w idm ach kw asów hu m in o w y ch gleby i osadów w odnych, zau w a żany jest także w kw asach h u m in ow ych to rfu . W ydaje się, że, podobnie ja k i w p rzy p a d k u gleby oraz osadów w odnych, jego źródłem są resz tk i pochodzące z glonów i m ikroorganizm ów . Rezonans c h a ra k te ry sty c z n y dla g ru p k arboksylow ych, j e s t w p rzy p a d k u kw asów h u m inow ych to rfu m n iejszy niż w p rzy p a d k u ty ch kw asów w glebie, co w skazuje, że k w a sy hum in ow e to rfu są m niej utlen io ne. S to su n ek atom ow y H:C jest z r e gu ły ró w n y 1,1 lub m niejszy, co po d k reśla w ysoką arom atyczność k w a sów hum in ow y ch to rfu .
W idm a NMR h u m i n to rfu w y k a z u ją siln y rezo n an s p rz y 72 i 105 ppm (rye. 6C), co pozw ala przypuszczać, że isto tn y m i sk ład n ik am i ty ch su b stan cji są nie rozłożone resz tk i ro ślin o c h a ra k te rz e w ielocukrów , przede w szy stk im zaś celuloza [5]. W yraźny rezonans w y stę p u je także w przedziale 0— 50 p pm (zw iązki parafino w e) oraz 110— 160 ppm (zw iązki arom atyczne). W w idm ach NMR h u m in to rfo w ych o b serw u jem y ta k ż e rezonans w ęgli g ru p k arboksylow ych, am idow ych oraz karbonylow ych, chociaż jest on m n iejszy niż w p rzy p a d k u kw asów hum inow ych, p rz y czym w y d aje się, że g ru p y karbo k sy low e są w p rzy p a d k u h u m in to rfo w ych zw iązane ze s tru k tu ra m i p arafin o w y m i. Duża zaw artość s tr u k tu r o c h a ra k te rz e p arafin o w y m pozw ala przypuszczać, że rów nież i w ty m
p rzy p a d k u ich źródłem są resz tk i glonów lub m ikroorganizm ów ży jących w ty m środow isku [5].
R easum ując, h u m in y pochodzące z to rfu w y d ają się składać z co n a j m n iej trz e ch fra k c ji: resztk o w y ch w ęglow odanów pochodzących z n ie rozłożonej m a te rii ro ślinnej, s tr u k tu r arom atycznych, k tó ry c h źródłem są resz tk i lig nin oraz s tr u k tu r p arafin ow y ch , pochodzących z resz tek glo nów i m ikroorganizm ów . J a k zaznaczono, procesy u tle n ia n ia są w to rfie słabe i już k ilk a c e n ty m etró w pod jego pow ierzchnią d o m in u ją procesy beztlenow e. D latego to rf zaw iera duże ilości nie rozłożonych lig n in i ty l ko ich niew ielk a część u leg a zm ianom w w y n ik u procesu u tlen ian ia. Z tego też w zględu zarów no kw asy fulw ow e, jak i h u m in ow e oraz h u m in y zaw ierać m ogą zarów no przetw orzone, ja k i nie zm ienione resztki ligni now e. J e s t oczywiście tru d n o stw ierdzić za pom ocą w idm NMR, czy k w a sy hum in o w e lub h u m in y z a w ierają zm ienione lub też nie przetw orzo ne lign iny. W ystępow anie silnych sygnałów dla zw iązanych z tle n e m w ęgli p ierścien i aro m aty czn y ch oraz w ęgli g ru p m etoksylow ych zarów no w kw asach hum inow ych, ja k i h u m in ach w y raźn ie św iadczy o ty m , że nie zm ienione resz tk i ligninow e w y stę p u ją w nich w dużych ilościach. Rezo nans te n jest obserw ow any w w idm ach kw asów fulw o w ych i h u m in o w ych gleby. W ydaje się, że wva ru n k i beztlenow e, d om inujące podczas ro zk ład u m ate rii o rganicznej w to rfie, są przyczyną, że s tr u k tu ry aro m aty czn e su b sta n c ji próchn iczn y ch tego środow iska są podobne do su b sta n c ji w yjściow ych w sy ntezie próchnicy, głów nie zaś lignin [5].
LITERATURA
[1] B a r t o n D. H. R., S c h n i t z e r M.: A new experim ental approach to the hu mic acid problem. N ature 198, 1963, 217—218.
[2] B a r t u s k a V. J., M a c i e l G. E., B o l k e r H. I., F l e m i n g B.: Structural studies of lignin isolation procedures by 1SC NMR. Holzforschung 34, 1980, 214—217.
[3] G o n z a l e s V ila F. J., L e n t z H., L u e d e m a n n Hl. D.: FT-C13 nuclear m agnetic resonance spectra of natural humic substances. Biochem. Biophys. Res Commun. 73, 1076, 3, 1063—1070.
[4] H a t c h e r P. G., B r e g e г I. A., M a t t i n g l y M. A.: Structural characte ristic of fulvic acids from continental shelf sedim ents. Nature 285, 1980, 560— —562.
[5] H a t h e r P. G., B r e g e r I. A., D e n n i s L. W., M a c i e l G. E.: Solid-state 1SC-NMR of sedim entary humic substances: new revelation s on their chem ical composition. In: Aquatic and terrestrial humic m aterials. Eds. R. F. Christman, E. T. Gjessing; Ann Arbor Science Publishers, A nn Arbor, 1983, 37—81. [6] H a t c h e r P. G., M a с i e 1 G. E., D e n n i s L. W.: Aliphatic structure of humic
acids a clue to their origin. Org. Geochem. 3, 1981, 43—48.
[7] H a t c h e r P. G., R o w a n R., M a t t i n g l y M. A. : *H and 18C NMR of m a rine hum ic acids. Org. Geochem. 2, 1980, 77—85.
[8] H a t c h e r P. G., S c h n i t z e r M., D e n n i s L. W., M a c i e i G. E.: A rom a- ticity of humic substances in soils. Soil Sei. S o a ;Amer. J. 45, 1981, 6, 1089— —1094.
[91 N e w m a n R. H., T a t e K. R., B a r r o n P. F., W i l s o n M. A.: Towards a direct, non-destructive m ethod of characterising soil humic substances using 13C NMR. J. Soil Sei. 31, 1980, 623—631.
[10] N e y r o u d J. A., S c h n i t z e r M.: Structure chim ique des acides hum iques et fulviques du sol. W: Soil Organic M atter Studies, vol. II, International A to mic Energy Agency, Wien 1977, 157—169.
[Il l S c h n i t z e r M/: Recent advances in humic acid research. Proc. Int. P eat Symp., Bemidji, M innesota, October 21—23, 1981, 17—44.
[121 S c h n i t z e r M., K h a n S. U..: Humic substances in the environm ent Marcel Dekker Inc., N ew York 1972, 327.
[13] S e n e s i N., S c h n i t z e r M.: Free radicals in humic substances. In: Envi ronm ental Biogeochem istry and Geomicrobiology. Vol. 2: The Terrestrial En vironm ent; Ed. W. E. Krumbein; Ann Arbor Science Publishers, Ann Arbor, 1978, 467—481.
[14] S t e e l i n к С., T o 11 i n G.: Free radicals in soil. In: Soil Biochem istry. Voli 1, Eds. A. D. McLaren, G. H. Peterson, Marcel Dekker Inc., N ew York 1967, 147—169.
[15] S t e v e n s o n F. J., G o h K. M.: Infrared spectra of humic acids and related substances. Geochim. Cosmochim. Acta, 35, 1971, 4711— 483.
[16] S t u e r m e r D. H., K a p l a n I. R., P e t e r s K. E.: Source indicators of hu- j mic substances and proto-kerogen. Stable isotope ratios, elem ental com posi
tions and electron spin resonance spectra. Geochim. Cosmochim. Acta, 42, 1978, 989—997.
[17] W i l s o n M. A.: Application of nuclear m agnetic resonance spectroscopy to the study of the structure of soil organic matter. J. Soil Sei. 32, 1981, 167—186. [18] W i l s o n M. A., B a r r o n P. F., G o h K. M.: Cross polarisation 13C-NMR
spectroscopy of some genetically related N ew Zealand soils. J. Soil Sei. 32, 1981, 419—425.
[19] W i l s o n M. A., G o h K. M.: Proton-decoupled pulse Fourier-transform 1J*C m agnetic resonance of soil organic matter. J. Soil Sei. 28, 1977, 645—652. [20] W i l s o n M. A., P u g m i r e R. J., Z i 1 m K. W., G о h K. M, H e n g S*
G r a n t D. M;: Cross-polarization 1SC-NMR spectroscopy w ith “magic angle” spinning characterizes organic m atter in w hole soils. Nature 294/5842, 1981, 648—650. E. ПАХА СТРУКТУРА ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ В СВЕТЕ НОВЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Кафедра микробиологии Силезского университета в Катовицах Р езю м е Наилучшей тейникой применяемой в настоящее время в исследованиях по происхож дению и химической структуре гумусовых веществ является магнитный ядерный резонанс (МЯР). Исследования с его использованием значительно расширили наши знания относи тельно химического состава гуминовых и фильвовых кислот, а также гуминов происходящих
из разных источников. Установлено, что в водных осаждениях, а также в почве и торфе гумусовые вещества были составлены из нескольких структурных компонентов, проис ходящих из по крайней мере двух источников: водных растений в цервом случае и сосудистых расте ний во втором. Фракция, источником которой являются водные растения, преимущест венно алифатического характера. Компонент типичный для гумусовых веществ лочвы и торфа содержит главным образом ароматические структуры и происходит из лигнинов, что явля ется характерным для сосудистых растений, высокомолекулярного полимера, кумарилового, кониферидового и синапилового алкоголей. Хотя структуры характера параффинов, по всеместно встречаемые в гумусовых веществах водных осаждений, содержатся также в гу мусе континентальных осаждений, однако основным компонентом этих последних являются ароматические структуры. Сверх того спектры МЯР показывают, что ароматические соеди нения встречаемые в торфе характеризуются высоким содержанием функционных групп в состав которых входит кислород, чем напоминают лигины, основные исходные вещества в их синтезе. J. PACHA
STRUCTURE OF HUMIC SUBSTANCES IN THE LIGHT OF THE NEWEST RESEARCH
Department of Microbiology, Silesian U niversity of K atowice ,
S u m m a r y
Nuclear m agnetic resonance spectroscopy (NMR) is a most valuable technique for elucidating the origin and chem ical structure of humic substances. Exam ination of humic m atter from a variety of depositional environm ents has expanded the know ledge of their chem ical structural composition. In sedim entary deposits such as soils, peats and marine sediments, humic substances appear to be composed of several structural components that are derived from at least two major sources of plant rem ains — aquatic plants and vascular plants. One component, presumed to be derived from aquatic plants, has a macromolecular structure that is predom i nantly aliphatic. Another structural component of humic substances, observed m os tly in peats and soils, is the one derived from vascular plant remains. Lignin, the insoluble macromolecular and predom inantly aromatic substance that is ubiquitous in vascular plants, is presumed to be the source of this arom atic com ponent of hu mic substances. Such structures are chem ically distinct from those produces by aqu atic plants. Though the paraffinic structures that are so common in aquatic sedi m entary humic substances are also observed in the terrestrial sedim ents, the m a jor components of humic substances in terrestrial sediments, are the aromatic struc tures. The NMR spectra indicate that, in peats, aromatic structures are more highly substituted by oxygen-bearing functional groups, and these structures resem ble lig nin, their probable progenitor.
Dr J e rzy Pacha K a ted ra M ikrobiologii U n iw ersytetu Śląskiego K atow ice, ul. Jagiellońska 28
