ROCZNIKI GLEBOZNAWCZE T. XXXVII, NR 2—3, S. 55—62, WARSZAWA 1986
JERZY DROZD
ZASTOSOW ANIE M IK R O SK O PII ELEK TR O N O W EJ (ТЕМ) W BADANIACH KW ASÓW HUM INOW YCH GLEB M URSZOW YCH
W YTW ORZONYCH W RÓŻNYCH W ARUNKACH W ILGOTNOŚCIOW YCH
Katedra Gleboznawstwa Akadem ii Rolniczej w e W rocławiu
WSTĘP
Dzięki rozw ojow i now oczesnych m etod badaw czych obserw uje się obecnie coraz w iększe zainteresow anie budow ą i w łaściw ościam i zw iąz ków próchnicznych. Szczególną ro lę spełnia m ikroskopia elektrono w a, k tó ra bezpośrednio pozw ala poznać ich s tr u k tu ry [9, 10]. W dotychcza
sow ych badan iach [2—8, 11— 13] uzyskano rozbieżne w y n ik i dotyczące
w ielkości i k sz ta łtu d robin kw asów h um inow ych. P rzy czy n ą tego m ogło być stosow anie zróżnicow anych m ateriałó w w yjściow ych i tec h n ik b a daw czych. Stw ierd zono n a p rzy k ład , że d ro b in y kw asów h u m ino w ych m ają postać k u listą, tw orząc m ik rosko p ijn e łań cu ch y i grona dzięki w ią
zaniom w odorow ym [5, 6]. Istn ieje rów nież pogląd, że asocjacje drobin
kw asów h u m ino w y ch m ają form ę lekko spłaszczoną, up od ab n iającą je do dysków [9]. Zw rócono tak że u w agę n a luźną, gąbczastą s tr u k tu rę k w a sów h u m in o w ych [3, 7]. P rz ec iętn a w ielkość d robin kw asów hum in o w y ch w św ietle dotychczasow ych b ad ań jest bardzo zróżnicow ana i zależy, w e dług n iek tó ry ch autorów , od pH [2, 11], sposobu w y o drębn iania p re p a ra tów [2, 3, 9, 12, 13] oraz zróżnicow ania i genezy m ate ria łó w w yjściow ych
[4, 7, 8]. D użą rolę w kształto w an iu procesu h u m ifik a c ji i w łaściw ości
p o w stających zw iązków próchn iczn y ch o dg ry w ają stosunki w ilgotnościo w e i te m p e ra tu ra [1]. Na te j podstaw ie m ożna sądzić, że sy nteza kw asów hum ino w y ch, a szczególnie ich budow a, m ogą zależeć od w ilgotności, w ja k ie j przebiega proces h u m ifik acji.
C elem n in iejszej p rac y jest p o rów nanie budow y kw asów hum inow y ch gleb m urszow ych, w ytw orzonych w różnych w a ru n k a ch w ilgotności, p rz y pom ocy m ikroskopii elek tro n o w ej (ТЕМ).
56 J . D r o z d
OBIEKTY I METODYKA BADAN
O biekt b ad ań stanow iła k a te n a gleb m urszow ych, obejm ująca 5 p ro
filów położonych w bliskim sąsiedztw ie. Ich stosunki w ilgotnościow e u w a
ru n k o w a n e b y ły wysokością poziom u w ody g ru n to w ej (rye. 1), k tó ry w
Rye. 1. Schem at budowy profilów badanej kateny gleb m urszowych Fig. 1. Schem e of the structure of profiles of the muck soil catenae invastigated
okresie m a ja w ystępow ał poniżej 150 cm w p ro filach 2 i 5, a w pozosta ły ch na głębokościach: 120 cm (profil 1), 90 cm (profil 3) i 70 cm (profil 4). Z poziom ów pow ierzchniow ych (A tM 1} A ±M 2 lub M 2T) w ym ienionych profilów pob ran o próbki glebowe, w k tó ry c h oznaczono С ogółem m eto dą A llisona i po d ek alcy tacji w ydzielono z nich zw iązki próchniczne roz tw o rem 0,1 M NaOH. R oztw ór alkaliczny zakw aszono do pH 1 w celu w y trą c e n ia kw asów hum inow ych, w po w stały żel rozpuszczono 0,01 M N a H C 0 3. O trzym ane h u m ian y — Na oczyszczono przez elektrodializę do pH 3,5, a n astęp n ie suszono m etodą „freezd ry in g ” w tem p e ra tu rz e — 40°C, p rz y ciśnieniu 1,33 hPa. U zyskane w ten sposób p re p a ra ty kw asów h u m inow ych (Kh) odznaczały się m akroskopow o bardzo luźną i p uszy stą stru k tu rą .
W ta k przy gotow anych p re p a ra ta c h w ykonano analizę sk ład u elem en tarn eg o oraz przeprow adzono obserW acje pod tra n sm isy jn y m m ikrosko pem elektronow ym (ТЕМ).
OMÓWIENIE WYNIKÓW
O dm ienne w a ru n k i wilgotnościow e, p an u ją c e w om aw ianej k aten ie gleb m urszow ych, w p ły n ęły n a p ro cesy k u m u lacji i przeob rażan ia m a te rii organicznej. E fektem ich oddziaływ ania jest zm iana zaw artości С ogó
M ikroskopia elektronowa w badaniach kw asów hum inowych 57
łem w poziom ach pow ierzchniow ych b adanych gleb, którego ilość zm n iej
sza się w p rofilach o niższym zw ierciadle w ody g ru n to w ej (ryc. 2).
Rye. 2. Zawartość С organicznego w po ziomach powierzchniowych gleb murszo- wych w zależności od głębokości pozio
m u w ody gruntowej
Fig. 2. Content of organie С in superfi cial layers of muck soils depending on
the ground w ater depth
_ l ____________ I--- :---1---L.
Ч- 3 1 5 2
N r p r o f i l u - P r o f i l e No. W z r o s t gtą bo k o S c i H^O g r u n t o w e j In c r e a s e o f d e p th g r o u n d w a t e r
B ezpośrednią p rzyczyną zróżnicow anej k u m u lacji m ate rii organicznej w pro filach k a te n y gleb m urszow ych jest różny dostęp pow ietrza zw iąza n y z różną głębokością poziom u w ody g ru n to w ej. W yw iera to przem ożny w pływ n a intensyw ność procesu m ineralizacji, k tó ry zachodzi w om aw ia nych glebach, a ty m sam ym w pływ a rów nież n a przebieg p rocesu łium i- fik acji m ate rii organicznej. Św iadczy o ty m skład e le m en ta rn y kw asów
hum inow ych (tab. 1), k tó ry w skazuje, że w procesie hum ifikacji, p rzeb ie
gającym p rzy w iększym dostępie pow ietrza, po w stają d robiny kw asów hum inow ych zaw ierające w ięcej w ęgla i m niej tlen u . Rów nocześnie ob se rw u jem y w nich w zrost sto su n k u C/H, co w edług niek tó ry ch autorów
[4, 8] jest w skaźnikiem wyższego stopnia kondensacji ją d ra arom atyczn e
go w cząsteczkach kw asów h um inow ych pow stający ch w ty ch w a ru n kach. Chcąc spraw dzić te spostrzeżenia przeprow adzono o bserw acje k w a sów hum in ow ych pod tra n sm isy jn y m m ikroskopem elektronow ym w celu określenia zm ian w y stęp u jący ch w ich budow ie (ryc. 3 a— j).
A naliza m ikrofotografii pozw ala stw ierdzić, iż w szystkie p re p a ra ty kw asów hum inow ych m ają zbliżoną budow ę stru k tu ra ln ą . Poszczególne ich drob in y w y stęp u ją w p re p a ra ta c h w ysuszonych m etodą „freezd ry in g ” w postaci skom plikow anych agregatów o kształcie k u listy m lub ow alnym . N ajczęściej p rz y jm u ją one form y pierścieni, łańcuchów i gron, w k tó ry c h pojedyncze elem enty są zw iązane m iędzy sobą w ięcej niż dw om a w
iąza-R y c . 3. M i k r o f o t o g r a f i e k w a s ó w h u m i n o w y c h p o d t r a n s m i s y j n y m m i k r o s k o p e m e l e k t r o n o w y m ( Т Е М )
p r o f i l 2: fl — p o z i o m A yM lt b — p o z i o m p r o f i l 5: с — p o z i o m А гМ и d — p o z i o m AiM 2;
p r o f i l l: e — p o z i o m А гМ и / — p o z i o m M 2T; p r o f i l 3: g — p o z i o m A , M b h — p o z i o m М гТ \
F i g . 3. M i c r o p h o t o g r a p h s of h u m i c a c i d s u n d e r t h e t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p e (Т ЕМ )
p r o f i l e 2: a — А ХМ^ h o r i z o n , b — A XM« h o r i z o n ; p r o f i l e 5: с — A l M l h o r i z o n , d — A XM2 h o r i z o n ; p r o f i l e 1: a — A x M i h o r i z o n , f — M 2T h o r i z o n ; p r o f i l e 3: g — A \ M X h o r i z o n , h —
T a b e l a 1 Skład elementarny kwasów huminowych
Elementary composition of humic acids
Nr profilu Profile No. Poziom genetyczny Genetic horizon Głębokość pobrania próbki Sampling depth Zawartość popiołu Ash content %
Procent w stosunku do suchej bezpopielnej substancji Per cent in relation to ash-free
dry matter C/H C/N С H 11 o 1 N 2 A XM X 5-20 3,53 52,82 5,13 37,78 4,27 10,3 12,4 AyM2 25-40 4,17 51,95 5,17 38,36 4,52 10,0 11,5 5 5-20 4,73 52,41 5,23 38,68 3,68 10,0 14,2 a,m2 25-35 4,47 52,62 5,44 37,60 4,34 9,7 12,1 1 AyM^ 5-20 3,50 51,27 5,03 38,35 5,35 10,2 11,8 M 2T 30-45 4,15 50,60 5,36 38,98 5,06 9,4 10,0 3 . A ,M , 5-20 3,63 51,19 5,18 38,58 5,05 9,9 10,1 M 2T 25-40 3,18 50,78 5,39 38,90 4,93 9,4 10,3 4 Ai Mi 5-20 3,05 50,20 5,08 40,08 4,64 9,9 10,8 M 2T 30-45 2,55 50,41 5,44 40,53 3,62 9,2 13,9
M ikroskopia elektronow a w badaniach kw asów huminowych 59
niam i. Często w ty m sam ym p rep a ra cie wielkość i k sz ta łt zw iązanych ze sobą m ak r odrobin kw asów hu m inow ych jest różna.
Może to w skazyw ać n a w ystępow anie w nich form przejściow ych. Poszczególne ich zespolone m ak ro d ro b in y m iały w y m iary w granicach 11,6 do 49,2 nm (tab. 2), a przeciętn a wielkość i budow a p rze strz e n n a nie
T a b e l a 2 Wielkość makrocząsteczek kwasów huminowych
obliczona na podstawie 20 pomiarów Size of macromolecules determined on the basis
of 20 measurements Nr profilu Profile No. Poziom I genetyczny Genetic horizon i Granice wielkości j makrodrobin Range of size of macromolecules nm ! Przeciętna średnica makrodrobin Average size of a macromolecule nm 2 Ai Mi 23,2-34,8 25,8 a,m2 11,6-34,8 20,4 5 AiMi 24,0-32,0 26,4 Л, М г 23,2-34,8 24,8 1 A , M t 24,5-49,2 32,5 М2Т 23,2-34,8 26,6 3 А\ М\ 15,0-21,6 19,8 М 2Т 12,3-24,5 16,2 4 А , М У 23,2-34,8 25,2 М 2Т 11,6-23,2 15,4
w ykazy w ały w y raźn ej zależności od zm iennych w aru n k ó w w ilgotnościo w ych, w jakich p rzebiegał proces hum ifikacji. P rz y szczegółowej analizie zw racają uw agę niższe przeciętne średnice m ak ro d ro b in kw asów h u m in o w ych pochodzących z poziom ów Л 1М 2 oraz M 2T, leżących pod poziom em AxMi. Na tej podstaw ie m ożna przypuszczać, że in tensy w niejsze oddzia ływ anie czynników glebotw órczych w poziom ach pow ierzchniow ych sp rzy ja syntezie m ak ro drobin kw asów hum inow ych o w iększej średnicy. Przeprow adzone bad an ia w sk azują n a m ożliwość w y ko rzy stan ia tra n s m i sy jn ej m ikroskopii elektrono w ej (ТЕМ) do pogłębienia znajom ości bud o w y kw asów hum inow ych.
WNIOSKI
— S kład e le m en ta rn y kw asów hum inow ych gleb m urszow ych w sk a zuje na w zrost zaw artości w ęgla i sto pn ia k o ndensacji ich drobin w m ia rę obniżania poziom u w ody g ru n to w ej w profilach.
60 J. Drozd
— K w asy hum inow e gleb m urszow ych, w ysuszone m etodą „freez- d ry in g ” , m iały form ę zw iązanych z sobą m ak ro d ro b in o kształcie k u lis ty m lub ow alnym , k tó ry c h w ielkość w ah ała się od 11,6 do 50,0 nm i nie w yk azyw ała w y raźn ej zależności od wilgotności, w jak iej przebiegał p ro ces hum ifikacji.
— W ystępow anie w te j sam ej glebie m urszow ej zespolonych m ak ro d ro b in kw asów hum in ow y ch o różnej w ielkości w skazuje na m ożliwość w ystępow ania w n ich fo rm przejściow ych, tw orzących łańcuchy, p ie rś cienie i grona.
— M akrodrobiny kw asów h um inow ych w ydzielone z poziom ów po w ierzchniow ych gleb m urszow ych m iały nieznacznie w iększe p rzeciętn e średnice w porów nan iu z p re p a ra ta m i pochodzącym i z poziom ów głębiej leżących.
LITERATURA
[1] B i r j u k o w a O. N., O r ł ó w D. C.: Pieriod biołagiczeskoj aktiw nosti poczw i jewo swjaz s grupowym sostawom gumusa. Nauczn. dokł. wysszej szkoły. Biol. nauki 1978, 6, 115—119.
[2] С h e n Y., S c h n i t z e r M.: Scanning elektron microskopy of a humic acid and of a fulvic acid and its m etal and clay com plexes. Soil. Sei. Soc. Am. J. 40, 1976, 5, 682—686.
[3] D o r a d о E., P о 1 о A., G e l v a n J.: Microskopia electronica de acidas hum i-cos. An. edafologia y agrobiologia 34, 1975, 1—2, 41.—45.
[4] D r o z d J.: Studia nad w łaściw ościam i chem icznymi i fizykochem icznym i związków próchnicznych niektórych jednostek taksonomicznych gleb. Zesz, nauk. Akad. Roln. Wrocł. 13, Rozprawy, 1978, s. 65.
[5] D u d a s M. J., P a w l u k S.: Chernozem soils of the Alberta Parklands. Geo derma 3, 1970, 19—36.
[6] F 1 a i g W., B e u t e l s p a c h e r H.: Zur Kenntnis der Huminsäuren. II. Elek tronenmikroskopische Untersuchungen an natürlichen und syntetischen Humin säuren. Z. Pflanzenernähr. Düng. Bodenk. 52, 1951, 1—21.
[7] K h a n S . U.: D istribution of Solonetz and black chernozem ic soils of Alberta: The humic acid fraction. Soil Sei. 112, 1971, 6, 401—409.
[8] К o n o n o w a . M. M.: Substancje organiczne gleby, ich budowa, w łaściw ości i m etody badań. PWRL 1968. ,
[9] O r ł ó w D. S., G l e b o w a G. J.: Elektronno-m ikroskopiczeskoje issledow anie hum usowych w ieszczestw . Agrochimia 1972, 7, 131— 136.
[10] S c h n i t z e r М., К o d a m a H.: En electron microsikopic exam ination of fu l vic acid. Geoderma 13, 1975, 279—287.
[11] S e n e s i N., C h é n Y., S c h n i t z e r M.: A ggregation-dispersion phenomena in humic substances. In: soil organic m atter studies. Vol. 2, International A to mic Energy Agency, Vienna 1977, 143—155.
[112] W i e s e m ü l l e r W.: Untersuchungen über die Fraktionierung der organischen Bodensubstanz. A lbrecht Thaer-Arch, 9, 1965, 419—436.
[13] W i s s e r S. A.: Electron microscopic and electron diffraction patterns of hu mic acids. Soil Sei. 96, 1963, 353—356.
M ikroskopia elektronowa w badaniach kw asów hum inowych 61 E. ДРОЗД ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРАНСМИССИОННОГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА В ИССЛЕДОВАНИЯХ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ В МУРШЕВЫХ ПОЧВАХ ОБРАЗОВАННЫХ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЧИВОГО УРОВНЯ ВЛАЖНОСТИ Кафедра почвоведения Сельскохозяйственной академии во Вроцлаве Р езю м е Из поверхностных слоев 5 профилей муршевой почвы, расположенных в ближайшем соседстве друг от друга и образованных при разных уровнях грунтовой воды, изолировали гуминовые кислоты с помощью раствора 0,1 М NaOH. После доведения до pH 1, гуминовые кислоты (Г. К.) осаждали и предварительно очищали путем их двухкратного растворения в 0,02 М NaH C 03 и повторно осаждали с помощю H2S 0 4. Полученные таким образом растворы подвергали электродиализу до pH 3,5 а затем сушили путем заморожения в тем пературе —40°С и 10 ”4 мм Hg. Приготовленные образны Г. К. исследовали под трансмис сионным электронным микроскопом (ТЭМ) и проводили их элементарный анализ. Исследования с использованием ТЭМ показали, что Г. К. образуют макромолекулы овальной или сферической формы, выступающие в виде клубочков, цепей или колец. Раз меры отдельных макромолекул колебались от 11,6 до 50,0 п т , а их пространственная кон фигурация и средняя величина не обнаруживали четкой зависимости от условий влажности, в которых происходила гумификация. Элементарной анализ показал, что молекулы Г. К. образованные в условиях низких уровней влажности характеризовались высшим содержанием С, более низким содержанием кислорода и высшими значениями соотношения С/Н, что свидетельствало бы о высшей степени их конденсации. J. DROZD
APPLICATION OF* THE TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY IN STUDIES OF HUMIC ACIDS IN MUCK SOILS UNDER VARYING
MOISTURE CONDITIONS Department of Soil Science, Agricultural U niversity of W rocław
S u m m a r y
From surface levels of 5 muck soil profiles situated in close vicinity and for m ed under different effect of ground waters, humic compounds w ere isolated using the 0.1 M NaOH solution. After acidification up to pH 1, humic acids (H.A.) w ere precipitated and prelim inarly purified by dissolving them tw ice in 0.02 M NaHCOs as w ell as reprecipitated w ith H2SO4. The solutions obtained in this w ay were elec-
trodialized to pH 3,5 and then dried by freezing at —40° С and 10~4 mm Hg. The sam ples of H. A*, w ere investigated under the transmission electron microscope (ТЕМ) and elem entary analyses w ere performed.
The investigations w ith the use of ТЕМ have proved that the H. A. form m a crom olecules, oval or spherical in shape, w hich are arranged in the form of clus ters, chains and rings. Particular m acrom olecules’ dimensions varied between 11,6
62 J. Drozd
and 50,0 nm, whereas their spatial configuration and average size did not indicate any evident dependence on the moisture conditions, under w hich the hum ification process took place.
The elem entary analysis has proved that H. A. m olecules formed at low er m oisture levels show higher С content, lower oxygen content and higher C/H ra tio, w hat bears evidence of their higher condensation degree.
Doc. dr hab. J e rzy D rozd K a ted ra G leboznaw stw a AR W roclaw , ul. G run w aldzka 53
