Есть огромный класс природных органических веществ, о котором химики надолго и совершенно незаслуженно забыли. Между тем с точки зрения химии будущего их возможности безграничны, а область их возможного применения очень велика. Речь о гуминовых веществах.
Что такое гуминовые вещества?
Это основная органическая составляющая почвы, воды, а также твердых горючих ископаемых. Гуминовые вещества образуются при разложении растительных и животных остатков под действием микроорганизмов и абиотических факторов среды. В. И. Вернадский в свое время называл гумус продуктом коэволюции живого и неживого планетарного вещества. Более развернутое определение уже в 90-х годах XX века дал профессор кафедры химии почв МГУ Д. С. Орлов: «Гуминовые вещества — это более или менее темноокрашенные азотсодержащие высокомолекулярные соединения, преимущественно кислотной природы». Из этого следует только один вывод: вплоть до сегодняшнего дня определение гуминовых веществ имело скорее философский, чем химический смысл. Причины кроются в специфике образования и строения этих соединений. Откуда же они берутся и что они собой представляют?
Образование гуминовых веществ, или гумификация, — это второй по масштабности процесс превращения органического вещества после фотосинтеза. В результате фотосинтеза ежегодно связывается около 50·109 т атмосферного углерода, а при отмирании живых организмов на земной поверхности оказывается около 40·109 т углерода. Часть отмерших остатков минерализуется до СO2 и Н2O, остальное превращается в гуминовые вещества. По разным источникам, ежегодно в процесс гумификации вовлекается 0,6–2,5·109 т углерода.
В отличие от синтеза в живом организме, образование гуминовых веществ не направляется генетическим кодом, а идет по принципу естественного отбора — остаются самые устойчивые к биоразложению структуры. В результате получается стохастическая, вероятностная смесь молекул, в которой ни одно из соединений не тождественно другому. Таким образом, гуминовые вещества — это очень сложная смесь природных соединений, не существующая в живых организмах.
История изучения гуминовых веществ насчитывает уже более двухсот лет. Впервые их выделил из торфа и описал немецкий химик Ф. Ахард в 1786 году. Немецкие исследователи разработали первые схемы выделения и классификации, а также ввели и сам термин — «гуминовые вещества» (производное от латинского humus — «земля» или «почва»). В исследование химических свойств этих соединений в середине XIX века большой вклад внес шведский химик Я. Берцелиус и его ученики, а потом, в XX веке, и наши ученые-почвоведы и углехимики: М. А. Кононова, Л. А. Христева, Л. Н. Александрова, Д. С. Орлов, Т. А. Кухаренко и другие.
Где встречаются гуминовые вещества?
Гуминовые вещества есть почти повсюду в природе. Их содержание в морских водах 0,1–3 мг/л, в речных — 20 мг/л, а в болотах — до 200 мг/л. В почвах гуминовых веществ 1–12%, при этом больше всего их в черноземах. Лидеры по содержанию этих соединений — органогенные породы, к которым относятся уголь, торф, сапропель, горючие сланцы. Обычно гуматы получают из окисленного бурого угля (его еще называют леонардитом), потому что в нем гуминовых веществ до 85%. Еще этот уголь удобен тем, что у него низкая теплотворная способность, поэтому его обычно сгребают в отвалы. Получается, что основной источник гуминовых веществ — отходы добычи бурого угля, а это полностью соответствует основным принципам «зеленой химии». Запасы бурого угля в мире превышают 1 трлн т.
Второй источник гуминовых веществ — торф (его мировые запасы больше 500 млрд тонн). Из-за того что при торфяных разработках нарушаются естественные болотные ландшафты, то есть экосистемы, необходимые для поддержания экологического равновесия, добычу торфа в мире признали нецелесообразной. Однако в России торф активно добывают, причем в некоторых экономически отсталых регионах это единственный способ добычи средств к существованию для населения. В основном торф идет на топливо и местные удобрения, поэтому, если бы из него же извлекать гуминовые вещества, этот уникальный природный ресурс можно было бы использовать более рационально. Конечно, с точки зрения «зеленой химии» торф не идеальный источник гуминовых веществ, но в краткосрочной перспективе это вполне приемлемо.
Наконец, третий крупномасштабный источник гуминовых веществ — сапропель (донные отложения пресноводных водоемов, образующиеся из остатков растений и животных). Только в России его запасы составляют 225 млрд м3. Однако в сапропеле гораздо больше минеральных примесей, чем в торфе и угле, и он существенно разнообразнее по химическому составу, поэтому нужны более сложные технологии его переработки. С другой стороны, для производства сырья на месте и этот вариант может оказаться полезным. Тем более что в сапропеле нередко уже содержатся различные микроэлементы, которые нужны в качестве удобрений и кормовых добавок. Параллельно при добыче сапропеля удается очистить заиливающиеся озера.
Основной метод, которым выделяют гуминовые вещества, — щелочная экстракция растворами аммиака или гидроксидами калия или натрия. Такая обработка переводит их в водорастворимые соли — гуматы калия или натрия, обладающие высокой биологической активностью. Метод практически безотходный, поэтому его широко используют и в России, и за рубежом. Альтернативный способ предполагает механическое измельчение бурого угля с твердой щелочью, в результате чего получается твердый, растворимый в воде гумат калия и натрия.
Где их использовать
Сначала надо рассказать о той важной роли, которую гуминовые вещества выполняют в биосфере. Они участвуют в структурообразовании почвы, накоплении питательных элементов и микроэлементов в доступной для растений форме, регулировании геохимических потоков металлов в водных и почвенных экосистемах.
К концу XX века, одной из основных проблем которого стало химическое загрязнение окружающей среды, гуминовые вещества, как уже говорилось, начали выполнять роль естественных детоксикантов. Гумусовые кислоты связывают в прочные комплексы ионы металлов и органические экотоксиканты в воде и почве (рис. 3). Известно, что наиболее активен свободный токсикант, связанное вещество не так опасно, поскольку теряет биодоступность.
В каких областях сегодня применяют гуминовые вещества? Чаще всего — в растениеводстве как стимуляторы роста или микроудобрения. В отличие от аналогичных синтетических регуляторов роста, гуминовые препараты не только влияют на обмен веществ растений.
При систематическом их использовании улучшается структура почвы, ее буферные и ионообменные свойства, становятся активнее почвенные микроорганизмы. Особого внимания заслуживают адаптогенные свойства — гуминовые препараты повышают способность растений противостоять болезням, засухе, переувлажнению, переносить повышенные дозы солей азота в почве. Преимущества гуминовых препаратов заключаются также в том, что они повышают усваивание питательных веществ, а значит, нужно меньше минеральных удобрений без ущерба для урожая.
Другое интересное применение гуминовых веществ — рекультивация загрязненных почв и вод. Их пытаются также применять для очистки и рекультивации территорий, загрязненных органическими веществами и нефтепродуктами, а также тяжелыми металлами. Уже разработаны и используются твердые сорбенты на основе гуминовых веществ.
Наряду со связывающими свойствами гуминовые вещества имеют ярко выраженные поверхностно-активные свойства. Поэтому их добавляют для лучшей растворимости гидрофобных органических веществ (например, нефтепродуктов). Гуминовые вещества входят в состав буровых растворов, а также служат основой растворов, предназначенных для промывания водоносных горизонтов, загрязненных ароматическими веществами. Также для этих целей используют синтетические ПАВ, но, в отличие о них, гуминовые вещества совершенно безопасны для природы.
