Гуматы общая информация

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Гуматы — часть гуминовых веществ (ГВ), которые представляют собой соли гуминовых кислот.
Гуматы обладают общими для всех ГВ свойствами: полидисперсностью, нерегулярностью строения
и полифункциональностью. Эти свойства проявляются за счет сочетания в молекулярной структуре
ароматического ядра и гидрофильной периферии, состоящей в основном из алифатических,
олигосахаридных и олигопептидных фрагментов. Гуматами также называют многочисленную группу
препаратов, изготовленных из легкорастворимых солей гуминовых кислот. Эти препараты находят
применение в растениеводстве, животноводстве, медицине, строительстве, бурении, экологии,
рекультивации и восстановлении земель.
Производство
В основе получения гуминовых удобрений и препаратов лежит свойство гуминовых кислот
образовывать водорастворимые соли с натрием, калием, аммонием. Наиболее распространённым
методом получения «природных» гуматов является выделение гуминовых веществ из ископаемого
сырья (торфа, угля) в присутствии щелочи. Производство гуматов развивается в двух
направлениях — получение балластных и безбалластных удобрений. Именно безбалластные
(содержащие больший процент активных полезных веществ) гуматы чаще называют препаратами
или стимуляторами роста, а балластные (при производстве которых не производится их отделение
от субстрата и очистка от примесей) — удобрениями. Это разделение связано с различиями в
способах применения и дозировках вышеназванных типов гуматов.
Искусственные, или синтетические, гуматы получают путём переработки лигносодержащего
растительного сырья, которое является отходом целлюлозно-бумажных комбинатов (ЦБК). К такому
сырью относятся: лигносульфонаты — продукт получения целлюлозы сульфитным способом —
и лигнин — побочный продукт гидролизногопроизводства (патент PCT/RU02/00533). Технология
предусматривает жидкофазное окисление смеси лигносодержащего сырья со щелочными агентами
при температурах 170—200 °С и давлении 0,5—3 МПа с добавлением перекиси водорода и
обработкой кислородом воздуха. В результате окисления и частичного синтеза получают
тёмноокрашенный раствор гуминоподобных веществ, по части химических признаков похожих на
природные гуминовые кислоты. Достоинства метода — в утилизации большого количества отходов
ЦБК, дешевизне сырья. К недостаткам стоит отнести высокое содержание серы и тяжёлых
металлов, наследуемых из сырья, и меньшую физиологическую активность по отношению к
растениям по сравнению с природными гуминовыми препаратами.
Высокая положительная отзывчивость почв и растений на применение гуматов в полевых и
лабораторных экспериментах обусловила большой интерес к производству коммерческих гуматов
во всем мире. Положительный опыт применения гуматов в сельском хозяйстве, садоводстве и
ремедиационных технологиях привёл к тому, что многие промышленные компании стали
производить разнообразные гуматы из органического сырья — главным образом из
торфа, леонардита и бурого угля, а также из многотоннажных органических
отходов, вермикомпостов, сапропеля и др. Обогащение их элементами питания, применение
специальных добавок или особенных режимов производства привело к изобилию на рынке
коммерческих гуматов, предлагаемых в качестве органических удобрений, стимуляторов роста
растений, мелиорантов для деградированных почв и сорбентов токсикантов .
Эффективность
Факт положительного влияния ГВ на рост и развитие растений был впервые обнаружен в конце XIX
века и позже подтвержден в классических работах Л. А. Христевой, М. М. Кононовой, И. В. Тюрина и
С.Ваксмана. Такие исследования особенно активизировались в 1960-х годах, и с того времени по
этому вопросу уже накоплен большой массив данных, в том числе и о способности ГВ
инактивировать воздействие тяжелых металлов и органических загрязнителей в почвах (Lee, Y.S.,
and R. J. Bartlett, 1976; Patti, A.F., Verheyen, T.V., Douglas, L., and Wang, X., 1992; Perminova I. V.,
Kovalevsky D. V., Yashchenko N. Yu. et al. , 1996; Poapst, P. A., and M. Schnitzer, 1971; Visser, S.A.
1986). В многочисленных полевых и лабораторных экспериментах с различными тест-культурами
показано, что применение промышленных гуматов натрия, калия и аммония, независимо от
источника сырья для их производства, в оптимальных дозах заметно стимулирует прорастание
семян (Родэ и др., 1993; Piccolo A.; Celano G.; Pietramellara G. 1993; Rauthan, B.S., and Schnitzer, M.
1981; Van de Venter, H.A., Furter, M., Dekker, J., and Cronje, I.J., 1991), улучшает дыхание и питание
растений (Козюкина Ж. Т.; Клинцаре А. А., 1985; Noble A.D., Randall, P.J., and James, T.R. 1995;
Sladky, Z., 1959; Vaughan, D. and J. R. McDonald, 1971), увеличивает длину и биомассу проростков
(Lee, Y.S., and R. J. Bartlett, 1976; Poapst, P.A., C. Genier, and M. Schnitzer, 1970; Tan, K.H., and V.
Nopamornbodi, 1979; и др.) и уменьшает поступление в растения тяжелых металлов и
радионуклидов (Александров и др., 1993; Perminova I. V., Kovalevsky D. V., Yashchenko N. Yu. et al.,
1996; Sebestova, E., Machovic, V., and Pavlikova, H. 1997). Этот эффект особенно заметен на ранних
стадиях развития растений, но в отдельных случаях проявляется в течение всего онтогенеза,
включая урожай продукции (Chen Y., and Aviad, T. 1990; Del Rio, J.C., Czechowski, F., Gonzalez-Vila,
F.J., and Martin, F. 1997; Gonet, S. and Kondratowicz-Maciejewska, K. 1999). Многие промышленные
гуматы калия и аммония обнаруживают рост-стимулирующий эффект, значительно превышающий
их непосредственную питательную ценность, но в относительно высоких дозах они проявляют
токсичность. Наиболее сильный эффект ГВ проявляется при неблагоприятных условиях
окружающей среды: при недостаточной или избыточной влажности, низких температурах,
недостаточной освещенности или при загрязнении тяжелыми металлами, радионуклидами или
органическими загрязнителями, так как физиологически активные ГВ повышают устойчивость
растений к воздействию неблагоприятных факторов среды.
Природа физиологического воздействия
Несмотря на полувековую историю изучения механизмов физиологического действия гуминовых
кислот и их солей (гуматов) на живые организмы, природа стимулирующего действия до сих пор
остается предметом острых дискуссий между представителями различных научных школ. По
мнению Д. С. Орлова (1990), механизмы действия гуминовых кислот и гуматов включают как прямое
специфическое влияние на растения, так и защитное действие гуматов, что определяется
основными функциями гуминовых кислот в биосфере: аккумулятивной, транспортной, регуляторной,
протекторной и физиологической. В случае применения препаратов гуминовых кислот и гуматов в
качестве физиологически активных веществ логично рассматривать две последние функции. При
рассмотрении физиологического и стимулирующего действия природных гуминовых кислот на
высшие растения С. С. Драгунов (Драгунов, 1980) отмечает пять возможных и различных случаев их
воздействия на растения: гормональное воздействие; улучшение проникновения минеральных
питательных элементов через корни растений; проникновение тех же минеральных элементов в
виде гумино-минеральных соединений; активное участие в окислительно-восстановительных
процессах растительной клетки; предварительное ферментативное расщепление с образованием
стимулирующих соединений. Начиная с 50-х годов прошлого столетия опубликовано большое
количество работ по теоретическим основам механизма физиологического действия гуматов в
системе почва — растения. Однако до сих пор нет единого исчерпывающего ответа на этот вопрос.
Описанные в литературе гипотезы возможных главных механизмов влияния гуматов могут быть
сведены в четыре группы: Оптимизация корневого питания растений. Это: a) непосредственное
поступление питательных веществ и микроэлементов; b) мобилизация соединений фосфора в
биодоступные формы; c) мобилизация и транспорт катионов переходных металлов (в частности,
меди, железа и цинка) в доступной растениям хелатной форме; и d) оптимизация свойств почвы
(обеспечение энергии для почвенных микроорганизмов и усиление микробиологической
деятельности, усиление водоудерживающей способности, упрочнение структуры и др.). С позиций
свойств препарата эти эффекты сводятся к вещественному составу препарата, количеству и
природе кислых функциональных групп, структуре полифенольного ядра и структуре гидролизуемой
части макромолекулы как главных компонентов, формирующих комплексообразущие способности
органических лигандов. Оптимизация внекорневого питания растений. Будучи поверхностноактивными веществами, гуминовые кислоты и фульвокислоты снижают поверхностное натяжение
водных растворов, увеличивая тем самым проницаемость клеточных мембран. В свою очередь это
оптимизирует пропускную способность транспортной системы растений — ускоряет передвижение
питательных веществ. Это ускоряет метаболизм энергии, интенсивность фотосинтеза и синтез
хлорофилла. За счет своей амфифильности гуминовые вещества влияют на гидрофильные и
гидрофобные участки на поверхностях мембран. Кроме того, многие ученые полагают, что
фосфолипидные составляющие клеточных мембран также подвержены влиянию гуминовых
веществ. Влияние ГВ на физиологические процессы растений. При поступлении гуминовых веществ
в клетки в мембранах и эндоплазматических компонентах растительных клеток происходит ряд
биохимических реакций: A) Предполагается, что гуминовые вещества усиливают синтез
высокоэнергетического аденозинтрифосфата (АТФ) в клетках, который оптимизирует дыхание
растений. Этот механизм может быть обусловлен кислыми функциональными группами ГВ, так как
ионы водорода способствуют синтезу АТФ. B) Некоторые молекулярные составляющие ГВ приводят
к формированию ростовых фитогормонов или действуют как «гормоноподобные» вещества. Это
может быть связано с присутствием орто-хинонов в ароматической части молекулы гуминовой
кислоты, которые играют роль дегидрогеназ в окислительных процессах клетки. C) Усиление
ферментативной активности, так как ферменты — сложные протеиды — стабилизируются за счет
присутствия ковалентных связей в гуминовой молекуле. Так, при применении ГВ показано
увеличение содержания каталазы, пероксидазы, дифенилоксидазы и инвертазы. Детоксикация, или
инактивация токсикантов в почве — её обычно связывают с сорбционной емкостью ГВ, количеством
сильных и слабых кислых функциональных групп, гидрофобностью, сорбционной емкостью в
отношении тяжелых металлов и ксенобиотиков.
Области применения
Промышленные гуматы, производимые сегодня различными компаниями из природного сырья (угля,
торфа, леонардита, донных отложений, органических отходов и др.), по данным многих
исследований, могут действовать как эффективные почвенные мелиоранты и материалы для
восстановления деградированных и загрязненных почв, причем их влияние наиболее эффективно
при неблагоприятных условиях окружающей среды (Азанова-Вафина Ф.Г, 1999; Безуглова О. С.;
Шевченко И.Д, 1996; Berkowitz, N., Chakrabartty, K., Cook, F.D., and Fujikawa, J.I., 1970; Ekeh, R.C.,
Mbagwu, J.S.C., Agbim, N.N., and Piccolo, A. 1997; Hafidi M.; Checkouri I.; Kaemmerer M.; Revel J.C.;
Bailly J.R., 1997; Perminova I. V., Kovalevsky D. V., Yashchenko N. Yu. et al, 1996). Вместе с тем ряд
вопросов в связи с использованием промышленных гуматов ещё остается нерешенным. Сегодня,
как и десятилетие назад, недостаточно данных о характере и действии гуматов в зависимости от
сырья для их получения, метода их выделения и предварительной обработки, а также очевидно
присутствующих различий в химической структуре и свойствах между природными и
промышленными гуматами. Некоторые недостатки и ограничения использования коммерческих
гуматов неоднократно подчеркивались в литературе (Lobartini, J.C., Tan, K.H., Rema, J.A., Gingle,
A.R., Pape, C, and Himmelsbach, D.S., 1992; Malcolm, R.L., and MacCarthy, P. 1986 и др.). Гуматы
обычно содержат от 30 % до 60 % гуминовых кислот и минимальное количество фульвокислот и
присущих почвенному гумусу белков и полисахаридов. В силу полифункциональности своей
химической структуры они взаимодействуют с минеральной частью почвы, что часто приводит к их
иммобилизации почвой и инактивации, особенно на почвах тяжелого гранулометрического состава.
При рекомендуемых для гуматов малых дозах их внесения в почву (200—600 г/га) они не приводят к
существенному увеличению в почве азота и углерода. Поэтому промышленные гуматы нельзя
отождествлять с почвенным гумусом или органическими удобрениями, а следует рассматривать как
почвенные кондиционеры, стимуляторы роста, детоксиканты загрязненных почв и средства,
повышающие устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды.