Автореферат (Взаимодействие гумусовых кислот с полиядерными ароматическими углеводородами - химические и токсикологические аспекты), страница 2

1. Гипотетический средний структурный фрагмент ГФК почв (Kleinhempel, 1970)1.Наличие гидрофобного ароматического каркаса, замещенного карбоксильными,гидроксильными и карбонильными группами, определяет способность ГФК связывать ПАУ один из наиболее опасных классов экотоксикантов. В то же время гидрофильныепериферические фрагменты могут ослаблять взаимодействие ГФК с ПАУ за счет1Kleinhempel F.//Albrecht-Thaer-Archiv., 1970, Bd.14, H.1, S.

3-14.8экранирования реакционных центров каркасной части. Поэтому сродство ГФК к ПАУ, повидимому, будет зависеть от соотношения каркасной и периферической частей в составегумусовых макромолекул.Важнейшим экологическим последствием связывания ПАУ гумусовыми кислотамиявляется снижение токсичности ПАУ в результате уменьшения концентрации их свободнорастворенной формы. При этом величина детоксицирующего эффекта будет зависеть как отсодержания ГФК в природной среде, так и от степени их сродства к ПАУ, определяемогоособенностями строения ГФК.Данный факт обуславливает необходимость комплексного исследования строения,связывающей способности и детоксицирующих свойств ГФК по отношению к ПАУ иизучения их взаимосвязи.Характеристика использованных в работе препаратов гумусовых кислотВ работе использовано 28 препаратов гумусовых кислот, находящихся в распоряжениинашей рабочей группы.

Источники происхождения препаратов: природные воды (рекаМосква, Северная Двина и болотная вода), почвы различной зональности и сельскохозяйственного использования (дерново-подзолистые (Пд), серые лесные (Л) и черноземные(Ч)), верховые и низинные торфа различного геоботанического состава.

Кроме того, в работеиспользованы два коммерческих гуминовых препарата угля. По фракционному составупрепараты представляли собой сумму гуминовых и фульвокислот (ГФК), гуминовые кислоты(ГК) и фульвокислоты (ФК) (Табл.1).Препараты гумусовых кислот представляли собой аморфные порошки от светложелтого (ФК почв, ГФК природных вод) до черного (ГК угля) цвета. Они практическинерастворимы в большинстве органических растворителей, ограниченно растворимы вполярных апротонных растворителях (ДМСО, ДМФА) и воде, хорошо растворимы в воднойщелочи (до 30 г/л).

Все препараты охарактеризованы методами элементного анализа, гельхроматографии, УФ-спектрофотометрии и спектроскопии ЯМР 13С.Элементный состав исследуемых препаратов характеризовали с помощью органическогомикроанализа. Данные элементного анализа (С, Н, N, О) корректировали на содержаниезольных элементов и влажность исходных препаратов. Зольность исследуемых образцов ГФКсоставляла 1-15%, влажность - 6-10% (Табл.1).

Содержание кислорода рассчитывали поразности. Как видно из Табл. 1, элементный состав ГФК варьирует в зависимости отисточника их происхождения. Содержание углерода возрастает в ряду: ФК почв < ГФК вод <ГК почв < ГФК торфов << ГК углей. Содержание кислорода в вышеприведенном рядуснижалось. Из данных элементного анализа рассчитывали соотношения H/C и O/C, которыеявляются косвенными характеристиками, соответственно, ненасыщенности и окисленностимолекул ГФК. При этом самые низкие атомные соотношения Н/С (0.5) наблюдались для ГКчерноземов и углей, что свидетельствует о максимальном вкладе ненасыщенных фрагментовв их структуру. Наиболее высокие значения соотношения О/С, характерные для водных ГФКи ФК почв, указывают на повышенное содержание в этих препаратах кислородсодержащихфункциональных групп.9Таблица 1Источники происхождения и характеристики использованных в работе препаратов гумусовыхкислотПрепарат ГФКИсточникпроисхожденияСодержание элементов(% масс)СHHBWHBWNHBPHBGHGWHGPHSHSTПД лес, МоскваПД лес, НовгородПД пашня, МоскваПД огород, МоскваЛ лес, ТулаЛ пашня, ТулаЧ луг., ВоронежЧ тип., Воронеж50.257.258.952.643.849.558.356.23.94.54.24.43.63.63.12.3FBWFBPFBGFGWFSTПД лес, МоскваПД пашня, МоскваПД огород, МоскваЛ лес, ТулаЧ тип., Воронеж42.945.946.850.150.23.24.13.64.13.4SELЧ тип., Ставрополь50.24.3T1T4T5T6T7HTLВерховой, фускумВерховой, сфагнумВерховой, сфагнумВерховой, пушицаВерховой, древесныйВерховой, древеснотравянойНизинный, древесныйВодный экстрактверхового торфа54.652.653.654.353.855.34.64.34.44.24.24.155.449.74.15.0TTLHTWFMXFMСWM3XSWAAHAAGKр.Москвар.Москвар.Сев.

ДвинаБолотная вода50.547.440.243.2ГК AldrichГК АО Спецбиотех68.664.0NOГК почв4.7 41.24.1 34.33.9 33.04.4 38.64.2 48.44.5 42.34.8 33.83.8 37.7ФК почв1.8 52.04.4 45.63.1 46.53.8 42.13.7 42.6ГФК почв3.8 41.0ГФК торфа2.1 38.72.6 40.12.5 39.41.3 40.32.1 39.92.4 38.12.71.137.844.1Атомныеε*280соотношения л/мгСН2ОЗольность%%Н/СО/С×см12.47.211.912.19.812.412.311.68.98.76.322.01.06.89.74.10.930.950.861.10.970.880.620.510.570.450.390.530.780.620.390.480.080.090.070.110.070.080.070.1212.214.316.217.316.414.512.012.68.68.29.210.18.613.97.08.04.54.20.901.060.920.980.810.910.740.750.630.640.040.040.030.040.057.97.910.611.09.67.58.71.150.570.0313.68.17.38.27.69.19.32.41.53.03.34.01.41.011.070.980.930.930.890.480.550.540.530.520.490.070.060.060.030.070.0518.518.516.418.218.217.38.511.22.11.20.891.210.480.620.060.0219.86.32.44.823.019.61.141.211.410.860.540.621.000.930.030.020.040.036.16.46.6-27.014.60.740.730.280.340.12-13.018.5ГФК природных вод4.4 2.6 42.5 7.14.7 2.6 45.2 6.64.7 1.4 53.3 6.33.17.8Коммерческие ГК угля4.3 1.2 26.1 13.73.9 0.6 30.4 11.7ММКДаОптические свойства исследуемых препаратов характеризовали методом УФспектрофотометрии.

Эффективный коэффициент поглощения (ε*280) рассчитывали, относяоптическую плотность при длине волны 280 нм (длина оптического пути 1 см), кконцентрации ГФК, выраженной в кг органического углерода (С) на литр. Данныекоэффициенты могут служить характеристиками ненасыщенности молекул ГФК. Значения10полученных коэффициентов приведены в Табл.1. Более высокие значения ε*280 характерныдля ГК почв (∼0.10) и торфяных ГФК (∼0.07), что указывает на большую ненасыщенность ихкаркасной части. Для ГФК вод и ФК почв ε*280 значительно меньше и составляют ∼0.04 ∼0.05.Молекулярные массы (ММ) исследуемых препаратов ГФК определяли с помощьюгель хроматографии. В качестве калибровочных веществ использовали полидекстраны.Полученные значения пиковых ММ (определяемых по времени удерживания,соответствующего положению максимума на гель-хроматограмме) приведены в Табл.

1. Каквидно из таблицы, препараты ГФК значительно различаются по ММ. Так, для торфяныхпрепаратов она составляет:(в килодальтонах, КДа) - 16.4 - 19.8, для почвенных ГК - 12.0-17.3,для почвенных ФК - 7.9-11.0 и для водных ГФК - около 6.5. Особо следует отметить, что ГКчерноземов характеризовались меньшей ММ, чем ГК ПД и Л почв. Это может быть связано свысокой степенью деградации углеводного комплекса в черноземных почвах и наличиемменее трансформированных полисахаридных цепочек в ПД и Л почвах.Распределение углерода между основными структурными фрагментами висследуемых препаратах ГФК характеризовали методом спектроскопии ЯМР 13С.

Данноеисследование выполнено для 19 из 28 препаратов ГФК. Результаты приведены в Табл. 2.Содержание углерода различных типов определяли интегрированием соответствующихспектральных областей (м.д.): 185-220 - карбонильный углерод (СС=О), 165-185 - углеродкарбоксильных групп и их производных (СCOOH(R)), 145-165 - ароматический О-замещенныйуглерод (СAr-O), 108-145 - ароматический С- и Н-замещенный углерод (СAr-H(R)), 90-108 ацетальный углерод (СO-Alk-O), 48-90 - О-замещенный алифатический углерод, в основномуглеводного типа (СAlk-O), 5-48 - алифатический С- и Н-замещенный углерод алкильных групп(СAlk-H(R)).

Весь ацетальный углерод относили к углеводным фрагментам.Согласно данным Табл. 2, содержание ароматического углерода в исследуемыхпрепаратах ГФК уменьшается в ряду: ГК угля > ГК почв > ГФК торфа > ГФК природных вод.При этом максимальное содержание ароматического углерода среди ГК почв (54-55%)наблюдается для ГК черноземов, тогда как для ГК ПД и Л почв оно не превышает 45-47%.Минимальным содержанием углеводных фрагментов характеризуются ГК черноземов (13%)и коммерческие препараты угля (6%). Содержание углерода алкильных групп выше для ГФКприродных вод и ГК угля, в то время как наименьшее их количество обнаружено в ГК почв.13С ЯМР - данные по содержанию ароматического углерода являются прямойколичественной оценкой ароматичности ГФК.

Их сопоставление с описанными вышекосвенными индикаторами ненасыщенности структуры гумусовых макромолекул - Н/С и ε*280показало, что Н/С лучше согласуется с прямыми оценками ароматичности ГФК, чем ε*280(r = -0.70 и 0.62, соответственно, n = 20). Следовательно, при отсутствии данныхспектроскопии ЯМР 13С, использование соотношения Н/С для характеристики содержанияароматических фрагментов в структуре ГФК более предпочтительно, чем эффективногокоэффициента поглощения ε*280.11Таблица 213Распределение углерода в молекулах ГФК по данным спектроскопии ЯМР С.ПрепаратГФКCC=OДоля углерода в составе фрагментов, %CCOOH(R СAr-O CAr-H(R) CAlk-OCAlk-H(R)ΣCAr*ΣCAr/ΣCAlk**)ГК почв11713322018451.19HBWHBWN21513302020431.07HBP21612322117441.16HBG11513332117461.21HGW11913341617471.42HGP31512341819461.24HS2149481414572.04HST31611431513541.93ГФК почвSEL11813322214451.25ГФК торфаT111510292520390.87T411612312416431.08T511610272224370.81T621510382214481.31T721715341815491.52HTL21514312017451.22TTL31513322017451.21HTW4113135815160.22ГФК природных водFMX21911251924360.84Коммерческие ГК угляAHA1151343721562.0AGK1171748421482.32*∑CAr = CAr-O+CAr-H(R) - суммарное содержание ароматического углерода;**∑CAlk= CAlk-O+CAlk-H,R - общее содержание алифатического углерода в молекулах ГФК.Помимо общего содержания ароматического углерода (∑CAr), в качестве 13С ЯМРдескрипторов ароматичности использовали содержание С- и Н-замещенного ароматическогоуглерода (СAr-H(R)) и соотношение суммарного содержания ароматического и алифатическогоуглерода (∑CAr/∑CAlk) Соотношение ∑CAr/∑CAlk использовали как показатель вкладаароматического каркаса ГФК по сравнению с алифатической периферией в структуру ихмакромолекул.