KWASY HUM INOW E GLEB BRUNATNOZIEM NYCH WYTW ORZONYCH Z LESSU

ROCZNIKI G LEBOZNAW CZE T. XXXVIII. N R 3. S. 23 40. W ARSZAW A 1987 R Y S Z A R D T U R S K I, B O Ż E N A C H M IE L E W S K A KWASY HUM INOW E GLEB BRUNATNOZIEM NYCH WYTW ORZONYCH Z LESSU Instytut G leboznaw stw a, Chem ii R olnej i M ik robiologii A kadem ii Rolniczej w Lublinie Złożoność struktur substancji humusowych gleb, w tym najważniejszej frakcji kwasów huminowych, utrudnia ich klasyfikację, która wiązałaby się w sposób jednoznaczny z typem i podobnym użytkowaniem gleby. W wyniku przemian szczątków roślinnych i zwierzęcych4w określonych ekosystemach lądowych tworzą się bowiem związki o różnym stopniu humifikacji, od którego zależy budowa wewnętrzna aromatycznej, i zew nętrzna alifatycznej, części ich molekuł [3, 5, 6, 13, 16, 17, 18, 19, 20]. Odmienność właściwości fizycznych i chemicznych kwasów humusowych, wynikająca z binarnego składu makrocząsteczek, w stosunku do poszczególnych ugrupowań atomowych, utrzymuje się nawet w przypadku wydziellânia ich z tego samego profilu glebowego [4, 6, 8, 9, 16]. Niniejsza publikacja jest kontynuacją prowadzonych przez nas badań składu chemicznego kwasów huminowych, jako grupy specyficznych kom ponentów gleb [16]. Dotyczy ona kwasów huminowych gleb brunatnoziemnych wytworzonych z lessów. Celem pracy jest próba klasyfikacji kwasów według kryteriów określających stopień ich humifikacji, zaproponowanych przez naukowców japońskich [4]. M ATERIAŁY I M ETODYKA Do badań użyto próbek pobranych z poziomów wierzchnich i z nié) których głębszych wspomnianych gleb (tab. 1). W przypadku gleb leśnych pobrano w celu dokonywania porównań zhumifikowaną ściółkę (AFH), w której dominowały liście dębu. Preparację i oczyszczanie wyekstrahowanych z gleb i ściółki leśnej kwasów huminowych przeprowadzono w sposób podany w poprzedniej pracy [16]. W przygotowanych preparatach oznaczono składy elementarne,

24 R. Turski, В. Chm ielewska T a b e la 1 C harakterystyka gleb brunatnoziem nych w ytw orzonych z lessu Characteristics o f brown soils developed from loess Nr profilu Profile N o. N r próbki glebow ej Soil sam ple N o. G łęb ok ość D epth cm U żytkow anie U tilization р Н к а С / /о N / /о C /N 1 1 0-20 las forest 6,2 1,762 0,134 13,1 2 2 0-20 las forest 6,1 1,351 0,099 13,6 3 0-3 3 4 3-7 las forest 3,9 2,534 0,104 24,4 5 7-20 3,8 1,143 0,032 35,7 4 6 0-20 pole field 5,9 1,286 0,131 9,8 7 0-15 7,2 1,030 0,130 7,9 5 8 15-30 pole field 6,3 0,462 0,076 6,1 9 30-45 6,5 0,160 0,048 3,3 frakcje azotu, skład aminokwasowy, zawartość grup funkcyjnych COOH i OH-fenoli, całkowitą kwasowość oraz C = 0 chinonów. W badanych kwasach oznaczono i obliczono współczynniki: A log К = log K 400 log K 600, w którym К jest współczynnikiem absorbancji, uzyskanym z pomiarów osłabiania światła przechodzącego przez roztwory 0,01-procentowych kwasów huminowych w 0,1 m ol/dm 3 NaOH, przy długościach fal 400 i 600 nm [4]; RF = K 600/C X 100, gdzie К to współczynnik absorbancji przy 600 nm dla roztworu kwasu (stężenia jak wyżej), а С ilość cm 3 0,02 m ol/dm 3 K M n 0 4 zużytego do miareczkowania 30 cm 3 roztworu, w którym uprzednio zmierzono absorbancję przy powyżej podanej długości fali świetlnej; A log К odpowiada wartości TF (Tonungsfaktors), a RF tej samej wartości (Relative Farbwert) wprowadzonych do badań próchnicy przez Simona i Speichermanna [11]. Obie wartości zostały przyjęte jako kryterium oceny stopnia humifikacji kwasów huminowych, a także ich klasyfikacji [4]. Dla wszystkich kwasów wykonano widma absorpcyjne w świetle podczerwonym. Dla jednego z nich (K H 2) wykonano spektra IR także w preparatach po rozkładach termicznych w derywatografie, w tem peraturach do 160, 315 i 410 C. Kwasy huminowe K H 7, K H 8 i K H 9 poddano sączeniu przez złoże żelu Sephadex G-75, drobny. W celu uzyskania frakcji wyznaczono przeciętne masy cząsteczkowe. Frakcjonowanie K H i kalibrację kolumny chromatograficznej wykonano zgodnie z przepisem zamieszczonym we wcze

Kw asy hum inow e gleb grunatnoziem nych 25 śniejszej publikacji [15]. Procentowy udział cząstek o masie molowej > 50 000 w kwasach oznaczono metodę wagową po kilkakrotnym przesączeniu ich przez kolumnę i wysuszeniu w 40 C. Numeracja kwasów huminowych odpowiada kolejnym numerom próbek glebowych, z których je wydzielono (tab. 1). O M Ó W IE N IE W Y N IK Ó W I D Y S K U S J A Stopień humifikacji badanych kwasów huminowych był wyraźnie zróżnicowany i obejmował związki zarówno w początkowej fazie ich tworzenia (K H 3), jak i odznaczające się znacznym zaawansowaniem tego procesu K H i i K H 6 (tab. 2). Został on określony wskaźnikami: A log К i RF, zaproponowanymi dla tej frakcji próchnicy przez Kumadę [4]. Określenia stopnia humifikacji kwasów huminowych dokonano na podstawie stwierdzenia, że wartość A log К na ogół maleje, a RF rośnie wraz z postępem tego procesu, jak wynika to z badań o zbliżonej tematyce [4, 5]. Stopień humifikacji decyduje o zmiennym składzie elementarnym badanych preparatów. Wraz ze wzrostem humifikacji kwasów zmniejsza się np. stosunek H:C. Brak przewagi atomów wodoru nad atomami węgla w silniej zhumifikowanych kwasach świadczy o wysokiej aromatyzacji i słabiej rozwiniętej części alifatycznej ich molekuł. Z uzyskanych dla tych połączeń dodatnich i dość wysokich współczynników co, określających stan * wewnętrznego utlenienia, wynika także, że postęp humifikacji wiązał się z utlenianiem węgla w cząsteczkach. Większość kwasów huminowych wyizolowanych z gleb brunatnoziemnych wykazała wyższy stosunek H : C, który oscylował wokół wartości 1,3. Podobnie współczynniki co przyjmowały w nich wartości dodatnie lub ujemne, często bliskie zera. Do badań nad przebiegiem procesu humifikacji związków próchnicznych gleb od niedawna proponuje się przyspieszony proces ich utlenienia w derywatografie [2, 3, 6, 9]. Metodą tą przeanalizowano jeden z kwasów huminowych KH2, jako najbardziej typowy dla analizowanego materiału. Jego rozkład na krzywej DTA odzwierciedlony był przez dwie reakcje egzotermiczne, których maksimum pierwszej wystąpiło przy 315, a drugiej przy 410 C. W celu stwierdzenia różnic w budowie badanego materiału ogrzano go stopniowo do temperatury 160 C (preparat KHI), 315 C (preparat KHII), 410 C (preparat KHIII) i oznaczono w nich składy elementarne. Rozkład termiczny przyczynił się do wzrostu liczby atomów węgla i azotu, a zmniejszenie tlenu i wodoru oraz zwężenie stosunku H: С w makrocząsteczce kwasu. M alał również stan jego wewnętrznego utlenienia (tab. 3).

T a b e la 2 Skład elem entarny w procentach w agow ych (x) i atom ow ych (xx) oraz stan w ew nętrznego utlenienia (co) i hum ifikacji (R F Д log K ) K H gleb brunatnoziem nych Elem entary com p osition in w eight % (x) and atom ic % (xx) and state o f the internal oxidation (со) and hum ification (R F Д log A ) HA o f brown soils K w as humincwy H um ic acid С H N o+s % H /C C /N CO A log К R F Typ K H H A type K H i; x 57,06 xx 44,40 3,48 32,26 3,55 2,23 36,11 21,09 0,73 19.90 4-0,37 0,488 152 A K H 2 52,40 35,28 5,37 43,10 3,82 2T2T 38,41 T<mT 1,22 15,96 + 0,07 0,736 57 В K H 3 49,50 33,58 5,35 43,20 2,92 1,70 42,23 2 \ J \ 1,29 19,75 + 0,14 0,913 20 K H 4 47,70 32,15 5,45 43,77 4,98 2,88 41,87 21,21 1,36 11,16 + 0,23 0,648 59 в K H 5 46,21 32,25 5,04 41,91 4,11 2Ä6 44,64 23,38 1,30 13,10 + 0,38 0,614 58 Po K H 6 50,28 37,22 4,22 37,07 3,47 2,22 42,03 23,35 0,99 16,76 + 0,43 0,618 115 A K H 7 51,31 32,80 6,09 46,39 5,42 2,97 37,18 17,84 1,41 11,04-0, 0 5 0,731 51 В K H 8 49,12 30,79 6,42 4 ^ 9 5 4,90 Х б З 39,56 18^62 1,56 11,70-0,0 9 0,727 66 В K H 9 51,48 34,38' 5,50 43,77 3,90 2,23 39,12 19,61 1,27 15,42 + 0,06 n.o. n.o. Stopień utlenienia w ew nętrznego ш _ (20 + 3N ) H Internal oxidation degree С О, N, H, С zaw artość tlenu, azotu, w odoru i w ęgla w procentach atom ow ych O, N, H, С oxygen, nitrogen, hydrogen and carbon content in atom ic % T a b e la 3 Skład elem entarny kwasu hum inow ego (K H 2) prażonego do temperatury: 160 C K H I, 3 1 5 C K H II, 410 C K H III w procentach atom ow ych Elem entary com p osition o f hum ic acid (H A 2) calcinated to the tem perature o f 160 C -HA I, 315CC H A II and 410 C HA III in atom ic % K w as hum inowy H um ic acid с H N O H /C C /N CO K H I 34,78 42,92 2,26 20,04 1,23 15,39 + 0,110 K H II 36,33 43,09 2,39 18,80 1,19 15,20 + 0,046 K H II I 40,10 40,67 2,74 16,49 1,01 14,64 + 0,013

K w asy hum inow e gleb brunatnoziem nych ------------------- V 27 Ubytek atomów tlenu i wodoru sugerował zmniejszanie się w preparatach liczby grup O H i tlenu z C = 0. Tę sugestię potwierdziły krzywe absorpcji IR uzyskane dla prażonych preparatów (ryc. 1). Rozkład badanej frakcji próchnicy, w maksymalnych tem peraturach dla obu reakcji egzotermicznych, wiązał się ze zwężaniem i wyraźnym spadkiem intensywności pasm absorpcyjnych w obrębie liczb falowych 3600-3200 cm -1 i 1700-1600 cm -1. Pierwsze z nich odpowiadało drganiom rozciągającym wiązania O H (OH fenoli i OH w COOH), a także drganiom grup C = 0 w chinonach i w kwasach tworzących wiązania chelatowe z grupami OH fenoli [7, 10]. Pasmo absorpcyjne około 3400 cm -1 nie dotyczyło wolnych grup OH z cząsteczek wody zatrzymanej przez preparat, ponieważ przebieg krzywych IR wyjściowego i kwasu ogrzanego do 160 C był identyczny. Rye. 1. Spektra w podczerwieni kw asów hum inowych z gleby leśnej K H 2 / preparat I wyjściowy prażony do temperatury 160 С 2 preparat II prażony do temperatury 315 C, 3 preparat III prażony do temperatury 4I0 C Fig. 1. Infrared spectra o f humic acids from forest soil H A 2 1 preparation I initial and calcinated to the temperature of 160 C. 2 preparation II calcinated to the temperature o f 315ХГ. 3 preparation III calcinated to the temperature o f 410 С Następne pasma informowały o obecności w nim grup C = 0 w COOH w (1720 cm -1) oraz tych grup w chinonach i C = C w skondensowanych pierścieniach (1600 c m -1). W spektrogramie próbki poddanej destrukcyjnemu wpływowi najwyższej temperatury zanikała absorpcja przy 1250 i 1050 cm -1, co wskazuje na ubytek z cząsteczek kwasu i innych grup drgań rozciągających wiązania С O w alkoholach (substancje wielocukrowe) i fenolach, oraz przy 1540 cm -1 wiązań peptydowych (rozpad komponentu białkowego). Wykazane zmiany w strukturze kwasu huminowego mogły pociągać za sobą zwiększenie stopnia skondensowania pierścieni, przy równoczesnym zmniejszeniu liczby grup funkcyjnych i innych ugrupowań atomowych

28 R. Turski, В. Chm ielewska wchodzących w skład łańcuchów bocznych. Zanikanie grup COOH i OH- -fenoli w preparacie prażonym do temperatury 410 C było wyraźne. Ich zawartość wynosiła dla OH-fenoli 0,26 mmol/g, a COOH 0,57 mmol/g. Również zmniejszyła się w nich zawartość C = 0 chinonów do 1,23 mmol/g. Hydrolizat kwaśny tego połączenia nie zawierał am inokwasów, stąd można sądzić, że azot pozostał tylko w bardziej trwałych układach. Natomiast wiązania С H w grupach C H 2 i C H 3 prawdopodobnie nie występowały w prostych łańcuchach peryferycznej części kwasu, ponieważ intensywność pasma w zakresie około 2900 cm -1 nie zmieniła się. Pasmo to nie występowało w spektrogram ach kwasów huminowych prażonych w temperaturach wyższych od 400 C, badanych przez innych autorów [2, 12]. Jedynie Petrosyan i współpracownicy [6] donieśli o pojawieniu się absorpcji o obszarze 2880-2940 cm -1 w spektrach IR kwasów huminowych wydzielonych z gleb suchej strefy ZSRR (Armenia i Turkmenia), po ich termicznej reakcji w zakresie tem peratur 440-460 C. Rozkład termiczny kwasu huminowego spowodował zwężenie stosunku atomów С do N, co przy ogólnie przyjętym poglądzie [17] może świadczyć o wzroście jego stopnia humifikacji. Problem ten wydaje się jednak bardziej złożony. Stwierdzono bowiem, że kwasy huminowe gleb brunatnoziemnych, różniące się ekstremalnie stopniem zaawansowania tego procesu, odznaczały się podobnym i szerokim stosunkiem C: N (КНЬ KH6 a K H 3). W pozostałych, przeciętnie zhumifikowanych kwasach jego wartość tym bardziej malała, im szerszy był w nich stosunek atomów H do C. W związku z tym wartości stosunku C: N nie można uznać za wystarczające kryterium oceny dojrzałości kwasów huminowych. W piśmiennictwie naukowym znane są również przykłady tak zwężania, jak i rozszerzania się stosunku C: N wraz z postępem procesu humifikacyjnego materii organicznej w glebach [3]. Ogólna zawartość azotu N-hydrolizującego i N-aminokwasów wydaje się znacznie lepszym wskaźnikiem oceny stopnia humifikacji kwasów hum inowych. W badanych preparatach wyizolowanych z gleb brunatnoziemnych stwierdzono, że wysokim wartościom RF zawsze odpowiadała zmniejszona w nich zawartość wszystkich wspomnianych form tego pierwiastka (tab. 1 i 4). Azot aminowy (aminokwasów i aminocukrów) przechodzący do hydrolizatu 6 m ol/dm 3 HC1 stanowił przeważnie nie więcej niż 1/2 N ogółem. Jedynie jego wartość w wysoko zhumifikowanym kwasie K H 6 z brunatnej gleby uprawnej obniżyła się do 1/3. Analogiczne rezultaty jak dla N hydrolizującego uzyskano dla N aminokwasów, stanowiących jego integralną część (71,8-92,8%). Ogólnie należy stwierdzić, że znaczna część azotu była mniej trwałym elementem budowy kwasów huminowych brunatnoziemów w tych samych połączeniach pochodzących z gleb czarnoziemnych wytworzonych na pod-

T a b e la 4 Form y azotu w kw asach hum inow ych brunatnoziem ów w procentach s.m. N itrogen forms in hum ic acids o f brown soil, in % o f d.m. K w as hum i- nowy H um ic acid N ogółem T otal N N nie hydrolizujący N on-hydrolyzing N N hydrolizujący hydrolyzing N N am inokw asów N o f am ino acids N hydr. ^ Г -Л т ----- X 100 N ogołem N total N am inokw asów N o f am ino acids V X 1ПЛ iwu N ogółem N total N am inokw asów N o f am ino acids V inn N hydr. Procent am inokw asów w K H % o f am ino acids in НА jim ole am inok w asów / /g к н im ol of am ino acid s/ /g H A ICH, 3,35 1,79 1,58 1,12 46,6 33,43 71,8 6,47 585 K H 2 3,82 1,90 1,92 1,59 50,3 41,62 82,8 9,30 693 K H 3 3,82 1,77 2,05 1,57 53,8 41,09 76,6 9,67 781 K H 4 4.80 2,48 2,50 2,32 50,2 46,59 92,8 14,17 1134 K H 5 4,11 1,53 2,17 1,79 52,8 43,55 82,5 11,96 869 K H 6 3,47 2,21 1,26 1,02 36,3 29,39 81,0 6,10 479 K H 7 5,42 3,05 2,37 2,00 43,7 36,90 84,4 13,60 1126 K H 8 4,90 2,56 2,34 n.o. 47,8 n.o. n.o. n.o. n.o. K H 9 3,90 1,80 2,10 n.o. 53,9 n.o. n.o. n.o. n.o.

30 R. Turski, В. C hm ielewska łożu lessowym [16]. Odpowiadała ona ilości N hydrolizującego (po I hydrolizie), oddzielonego z KH gleby brunatnej przez Czuchajowskiego i Erndta [1], jak i wszystkim formom N w kwasach huminowych, zaliczonych przez badaczy japońskich do typu A bądź В [19]. Z bardziej szczegółowych badań składu kom ponentu białkowego wynikało, że całkowita zawartość aminokwasów w kwasach huminowych brunatnoziemów była mocno zróżnicowana. Aminokwasy stanowiły od około 6 do 13,6% masy ich molekuł, tj. odpowiadały 480 do ponad 1100 imol/g. Skład aminokwasowy był wyraźnie podobny do ich składu oznaczonego w hydrolizie kwasów huminowych II grupy gleb czarnoziemnych Wyżyny Zachodnio-Wołyńskiej i Lubelskiej (tab. 5), oraz wydzielonych z gleb innych obszarów naszego globu [6, 19,20]. Względny udział molowy am inokwasów: Asp, Glu, Gly i Ala w sumie wszystkich oznaczonych, zamykał się bowiem przeciętnie w granicach od 9,71 do 12,6%, Val, Ile, Leu, Phe, Ser, Pro, Thr i Lys od ponad 4 do 7%, zaś Met, Tyr, Agr i kwasu cysteinowego (przeważnie nieobecnego w innych badanych kwasach) od 0,85 do 3,42%. Wynik ten wskazuje na trwałość składu om a wianego elementu budowy cząsteczek kwasów huminowych i potwierdza pogląd, że nie zależy on ani od stopnia ich humifikacji, ani nawet od pochodzenia humifikowanych materii organicznych w glebach. Obok azotu, ważniejszymi ugrupowaniami atomowymi w kwasach huminowych są grupy zawierające tlen: COOH i OH-fenoli. Ich zawartość w peryferycznej, jak i aromatycznej części związków jest związana z procesem humifikacji, zależnym od warunków glebowych, jakie mu towarzyszą. Wykazano, że w warunkach sprzyjających utlenieniu (podwyższone ph gleb) w kwasach huminowych silniej zhumifikowanych rośnie zawartość grup karboksylowych, natom iast OH-fenoli może podlegać znacznym wahaniom [18]. Na przykład kwasy huminowe gleb leśnych z poziomu A 0, odznaczające się niskimi wartościami RF, mogą zawierać przede wszystkim większe ilości OH-fenoli. Ich ubytek z cząsteczek następuje dopiero po zagospodarowaniu rolniczym tych gleb. Przeciwnie w glebach uprawnych zawartość OH-fenoli w kwasach huminowych z poziomu akumulacji próchnicznej maleje, ale ponownie wzrasta wraz z postępem procesu humifikacji. Przedstawione powyżej spostrzeżenia do pewnego stopnia znalazły swoje odzwierciedlenie w wynikach oznaczeń zawartości grup funkcyjnych w kwasach huminowych brunatnoziemów (tab. 6). Więcej grup COOH było w najsilniej zhumifikowanych połączeniach K H b K H 6, znacznie mniej ze słabo rozłożonej ściółki leśnej, oraz w kwasach wydzielonych z głębszych warstw gleby K H 8, K H 9. Przeciwnie, zawartość grup OH-fenoli, wyliczona z różnicy całkowitej kwasowości preparatów i COOH, jak i oznaczona metodą kolorymetryczną była w nich wysoka. Przewyższała przeciętne ich zawartości w różnego pochodzenia kwasach huminowych, rtypu A, B, Rp(1) i Rp(2) [18] oraz wszystkich badanych przez nas wcze-

0 T a b e la 5 Skład am inokw asow y kom ponentu białkow ego w kw asach hum inow ych brunatnoziem ów w % A m ino acid com position o f protein com ponent in hum ic acids of brown soils in % O dchylenie A m inokw asy A m ino acids K H j K H 2 K H 3 K H 4 K H 5 K H 6 K H 7 Średnio M ean standardow e Standard deviation K was asparaginowy Aspargin acid 15,70 13,03 11,67 9,47 10,70 14,36 13,28 12,60 2,15 K was glutam inow y G lutam ic acid 9,89 11,00 8,85 9,26 7,30 10,79 10,88 9,71 1,35 G licyna G licine 12,93 8,93 11,00 10,38 10,16 9,65 10,52 10,51 1,26 Alanina Alanine 11,11 8,97 9,91 9,69 9,25 9,33 11,12 9,91 0,89 W alina Valine 5,03 6,91 6,28 6,51 6,72 7,46 6,79 6,53 1,83 Izoleucyna Isoleucine 3,77 5,51 4,29 4,06 4,78 4,55 3,23 4,31 0,75 Leucyna - Leucine 5,51 8,51 7,71 7,42 7,97 7,80 5,98 7,27 1,11 Fenylanina --- Phenyloalanine 3,69 4,01 4,49 4,03 4,47 4,13 3,63 4,06 0,69 Prolina Proline 4,46 6,81 6,89 7,62 6,41 6,66 6,10 6,42 0,81 Seryna Serine 4,70 3,28 7,19 6,76 6,55 3,04 7,07 5,51 1,81 Treonina Thereonine 5,11 3,90 6,39 6,55 6,16 3,76 6,67 5,50 1,28 M etionina M ethionine 1,27 0,94 1,16 1,37 0,99 1,00 0,69 1,06 0.23 Tyrozyna Tyrosine 0,42 0,73 1,20 1,53 1,83 1,18 0,85 1,11 0,47 Lyzyna Lisine 8,07 8,54 4,86 6,38 8,58 8,09 5,23 7,11 1,57 Histydyna Histidine 5,27 5,07 4,13 3,57 2,54 4,40 4,51 4,21 0,94 Arginina A rginine 3,06 3,16 3,16 4,30 4,73 2,94 2,67 3,43 0,77 K was cysteinow y Cystein acid 0,68 0,80 1,10 0,86 0,88 0,77 0,85 0,19

T a b e la 6 Zaw artość grup zawierających tlen w kw asach hum inow ych gleb brunatnoziem nych m m ol/g bezp. Content of groups containing oxygen in humic acids o f brown soils, m m ol/g K wasy hum inowe Humic acids У O H fen olow e -- Phenolic O H O gólna kw asow ość m etodą M artina [18] C O O H a z różnicy (b a) Total acidity kolorym etrycznie from the difference after M artin [18] colorim etrically ( b - a ) b c = o chinonów C = 0 o f quinones KH j 4,00 4,94 3,89 8,94 2,20 K H 2 3,69 3,46 3,11 7,15 3,01 K H 3 2,40 6,05 3,82 8,45 2,70 K H 4 3,60 3,81 3,68 7,41 3,80 K H 5 2,65 3,29 2,16 5,94 3,40 K H 6 3,56 4,30 3,18 7,86 3,77 K H 7 2,64 3,16 3,01 5,80 4,43 K H 8 1,99 3,45 2,33 5,44 3,10 K H 9 2,06 3,52 n.o. 5,58 n.o. K H 2 prażony do 410 C K H 2 calcinated to 410 C 0,57 0,26 1,23

K wasy hum inow e gleb brunatnoziem nych 33 śniej kwasach huminowych gleb czarnoziemnych [16]. Grupy OH-fenoli wpływały w sposób wyraźny na wzrost całkowitej kwasowości większości preparatów, mimo ich różnic w stopniu humifikacji. W tym zakresie badań powtórzyła się także zależność, że udział tlenu w grupach COOH, OH-fenoli, С = 0 chinonów w składzie elementarnym był w kwasach huminowych wierzchnich warstw gleb podobny i wynosił nieco więcej niż 50%. Zmniejszał się on w kwasach występujących w warstwach głębszych gleb do około 40%, odwrotnie niż stwierdzono to w kwasach huminowych.czarnoziemów [16]. Na podstawie określenia wskaźników stopnia humifikacji badanych kwasów huminowych gleb lessowych oraz wykazanych powyżej różnic i podobieństw w elementach ich budowy zaliczono je do różnych typów: A, P, Rp, a przede wszystkim B. Ich typ wyróżniono na podstawie diagramu obejmującego zależność wartości A log К od RF [4]. Faktem jest, że chociaż tworzenie się tych połączeń występowało w glebach o podobnej genezie, to były one strukturalnie od siebie różne. Tę opinię potwierdzają między innymi także ich spektra w świetle podczerwonym. Spektra kwasów huminov^ych typu A cechowała silna absorpcja w obszarze 3200-3500 cm -1, pasma 1720 i 1620 cm -1 niemal równej intensywności, wyraźna absorpcja przy 1250 cm -1, a w kwasie K H! wydzielonym z gleby leśnej także przy 1050 cm -1 (ryc. 2). To ostatnie widmo świadczące o udziale substancji cukropodobnych w cząsteczkach podległo eliminacji z preparatu po kwaśnej hydrolizie. Natomiast stosunkowo słabo zaznaczyły się pasma absorpcyjne w obszarze liczb falowych około 2900 i 1400 c m " 1. A nalogicznym układem pasm odznaczały się spektrogramy tak kwasów hum inowych, wyodrębnionych z gleby brunatnej zbielicowanej (Holandia), jej poziomów genetycznych [2], jak i czarnoziemów (Polska), w których stosunek H :C był niższy od jedności [16]. Wynik ten świadczy o istnieniu więzi genetycznej pomiędzy tymi frakcjami próchnicy, pomimo że jedne z nich tworzyły się w brunatnoziem ach, a drugie w czarnoziemach. Przyjmując klasyfikację kwasów huminowych zaproponowaną przez Stevens o na i Goha [14], badane kwasy można zaliczyć również do typu spektralnego I. Widma kwasów huminowych typu В w zakresie światła podczerwonego wyróżniły się obecnością silnej absorpcji w innych określonych obszarach, a mianowicie około 2900 cm -1 i 1540 cm -1, które występowały w spektrach kwasów K H 2 i K H 4 gleb leśnych, oraz 1120 i 1050 cm -1 w K H 7 i K H 8 gleby uprawnej (ryc. 3 i 4). W spektrogramie K H 7 zaznaczyła się jeszcze wyraźniej, w długofalowej części widma, absorpcja przy 620 cm -1 (drgania zginające С H w grupach C=C). Odmienność ich struktur, w odniesieniu do kwasów huminowych typu A, polega na rozbudowie peryferycznej części molekuł takimi jednostkam i, jak węglowodany, substancje cukropo- Rocz. Gleb. 3

34 R. Turski, В. C hm ielewska Rye. 2. Spektra w podczerwieni kw asów hum inow ych typu A z gleby leśnej K H, preparat wyjściowy (0-20 cm) i po hydrolizie 6 mol/dm3 K H, hydr., oraz z gleby uprawnej K H 6 (0-20 cm) Fig. 2. Infrared spectra o f hum ic acids o f the A type from forest soil HA, initial preparation (0-20 cm) and after hydrolysis 6 mol/dm3. H A, hydr. type, and from arable soil HA6 (0-20 cm) dobne, białka oraz С H w grupach C H 2, C H 3 i С = С, które wchodziły w skład raczej cykloakanów niż prostych łańcuchów alifatycznej ich części. Jak wspomniano wcześniej, silna absorpcja w K H 2 przy około 2900 cm -1 utrzymywała się pomimo jego prażenia do temperatury 410 C. Niektóre kwasy typu В można zaliczyć,do typu spektralnego III, ale, jak się sądzi, stanowią one raczej typ spektralny pośredni między I a III. Widma absorpcyjne IR kwasu K H 3 z poziomu A PH typu Rp oraz KH 5 wydzielone z ' głębszej warstwy tej samej gleby leśnej typu P były wyraźnie różne od poprzednio omówionych (ryc. 3). Wykazywały wiele analogii w układzie i intensywności pasm, głównie w zakresie absorpcji 1700-1500 cm -1 i około 1400 cm -1. Widmo pierwsze jako jedno silne ugięcie obejmowało drgania rozciągające C = 0 w kwasach i chinonach oraz C = C układów pierścieniowych, jak i drgania zginające N H w białkach. Drugie przewyższało znacznie intensywność tego pasma absorpcyjnego w kwasach huminowych typu A i В i wskazywało na zwiększony udział ugrupowań С O (drgania zginające) w fenolach lub jonu karboksylenowego. Za obecnością jonów COO "przemawia niska w nich zawartość grup COOH (tab. 6). W obu kwasach znaczne ugięcie pojawiło się w zakresie

K w asy hum inow e gleb brunatnoziem nych 35 Ryc. 3. Spektra w podczerw ieni kw asów hum inowych gleby leśnej K H 3 (ściółka leśna) typ Rp. K H 4 z warstwy 3-7 cm typ B. K H 5 z warstwy 7-20 cm typ P Fig. 3. Infrared spectra o f hum ic acids of forest soil H A3 (forest litter) Rp type. HA4 from the layer 3-7 cm type В,. H A, from the layer 7-20 cm type P Ryc. 4. Spektra k w a só w hum inow ych gleby uprawnej KH 7 z warstwy 0 15 cm typ В. К Н 8 z warstwy 15-30 cm typ В. К Н 9 z warstwy 30-45 cm Fig. 4. Infrared spectra of hum ic acids HA7 from the layer of 0-15 cm В type. H A 8 from the layer of 15-30- cm В type. HA9 from the layer of.^0-45 cm

36 R. Turski. В. C hm ielewska liczb falowych 1150-1050 cm -1, które w kwasach huminowych typu P składało się z dwu słabo oddzielonych od siebie pasm absorpcyjnych. Istotną różnicę stanowił brak pasma przy 620 cm " 1 w kwasach huminowych wydzielonych ze ściółki leśnej oraz słabiej zaznaczone ugięcie w zakresie liczby falowej około 2900 cm -1 (jedno pasmo). Przebieg krzywych IR uzyskanych dla kwasów huminowych typu Rp i P nie wskazuje, by można je było zaliczyć do jakiejkolwiek wcześniej wyróżnionej przez Stevensona [14] grupy spektralnej kwasów. Wydaje się jednak, że ich budowa jest mniej skomplikowana niż pozostałych i jest raczej alifatyczna niż cykliczna. Układy pierścieniowe w kwasach mogły powstawać jedynie w wyniku Ryc. 5. K rzywe wym ycia kw asów hum inow yc h z żelu -> Sephadex-G -75 drobny a K H 7. b K U с К Щ Fig. 5. Curves o f leaching hum ic acids from the Sephadex gel G -75 fine a HA7. h Н Л8v i: - HAq

K w asy hum inow e gleb brunatnoziem nych 37 reakcji chelatacji grup karbonylowych w COOH z chinonami lub innymi trwałymi jednostkami strukturalnymi (amidy). Przebieg ich spektrów jest bowiem zbliżony do widma kwasu fulwowego bielicy, badanego przez Schnitzer a [10], jak i niżej molekularnych kwasów huminowych gleb bielicowych przez Skłodowskiego [13]. Kwasy huminowe nie stanowią homogennej frakcji próchnicy glebowej. Nawet na podłożach mineralnych, jednorodnych, takich jak less, mogą one ulegać wyraźnemu rozfrakcjonowaniu. W tym zakresie badań posłużono się rozdziałami kwasów huminowych na żelu Sephadex G-75, wydzielonych z trzech warstw gleby uprawnej: K H 7, K H 8 i K H 9 (ryc. 5). Sączenie kwasu K H 7 przez złoże żelu dało trzy maksima wymycia, przy czym pierwsze odpowiadające cząstkom o m a sach molowych >50 000 łączyło się z szeroko rozmytym pasmem aż do granic związków o ciężarze molowym około 30 000, a dwa pozostałe odpowiadały połączeniom o przybliżonym ciężarze cząsteczkowym 13 500 i 10 000. Kwasy huminowe wydzielone z warstw głębszych gleby dzieliły się na dwie wyraźnie oddzielone od siebie frakcje o ciężarach cząsteczkowych >50 000 i <10 000. Oznaczenia ilościowe frakcji kwasów huminowych o c.cz. >50 000 wykazały, że stanowiła ona w K H 7 26%, a w K H 8 7% ogólnej ilości preparatów naniesionych na wierzch kolumny. Zmniejszony udział cząstek o wysokich masach molowych w badanej frakcji próchnicy z głębszej warstwy gleby prawdopodobnie przyczynił się do wystąpienia wykazanych uprzednio różnic w spektrogramach kwasów K H 8 i K H 9 a KH7. W N IO SK I Przeprowadzone badania pozwalają sformułować następujące wnioski: Badane kwasy huminowe należą do różnych typów, ze względu na znaczne zróżnicowanie stopnia humifikacji oraz elementów budowy molekuł badanych związków próchnicznych, mimo że pochodziły z jednej genetycznej klasy gleb o wybitnie homogennym składzie granulometrycznym i m ineralogicznym. Przynależność do określonego typu nie była związana ze sposobem użytkowania gleby. Należały doń zarówno kwasy huminowe wyodrębnione ze związków próchnicznych gleb uprawnych, jak i leśnych. Wyraźniej zaznaczyło się pionowe zróżnicowanie kwasów huminowych w profilach glebowych. W poziomach wierzchnich obecne były silniej zhumifikowane kwasy typu A lub B, głębiej zaś słabo zhumifikowanë typu P (KH gleby leśnej).

38 R. Turski, В. Chm ielewska L IT E R A T U R A [1] C z u c h a j o w s k i L., E r n d t A.: A m inoacids co m p osition o f proteinaceous com ponent o f soil hum ic acids. R ocz. glebozn. 22, 1971, 1, 75-90. [2] D r o z d J.: Studia nad w łaściw ościam i chem icznym i i fizykochem icznym i zw iązków próchnicznych niektórych jednostek taksonom icznych gleb. Zesz. nauk. A R W rocław, rozprawa nr 13, 1978. [3] D z i a d o w i e c H.: Z m iany energetyczne tow arzyszące hum ifikacji ściółek leśnych. Studia Soc. Seien. T orunensis 11, 1979, 1. [4] K u m a d a K., S a t o О., O h s u m i S., S h in o b u O.: H um us com p osition o f m ountain soils in Central Japan with special reference to the distribution o f P type hum ic acid. Spil Sei. Plant N utr. 13, 1967, 6, 151-158. [5] K u w a t s u k a S., T s u t s u k i K., K u m a d a K.: I. Elem entary com p osition o f hum ic acids. Soil Sei. Plant N utr. 24, 1978, 337-347. [6] P e t r o s y a n G. P., A r n a b a e w M. P., G r ig o r y a n F. A.: D erivatographic investigation o f the m ineralogical com p osition o f fine grained fractions o f hum us o f arid zone soils. Thermal Anafysis N o 2. O rganic and m acrom olecular chem istry earth sciences. Budapest 1975, 745-753. [7] R o g a B., T o m k ó w K.: C hem ia technologiczna w ęgla. W ydaw n. N auk.-techn. W arszawa 1971. [8] S c h n it z e r M., D e s j a r d i n g s J. G.: M olekular and equivalent w eights o f organic matter o f podzol. Soil Sei. Am er. Proc. 26, 1962. [9] S c h n it z e r M., T u r n e r R. C., H o f f m a n I.: A term ographic study o f organic m atter o f representative Canadien podzol. Can. J. o f Soil Sei. 44, 1964, 1, 7-13. [10] S c h n it z e r M.: R ecent findings on the characterization o f hum ic substances extracted from w idely differing clim atic zons. W : Soil organic m atter studies. IA E A, II, Vienne 1977. [11] S im o n K., S p e ic h e r m a n n H.: Beiträge zur G um usuntersuchungsm ethodic. B odenkunde u. Pflanzener. 8, 1938, 3/4, 129-152. [12] S h u r ig in a F. A., L a r in a N. K., C z u b a r o w a M. A., K o n o n o w a M. M.: D ifferen- cialno-term iczeskij i term ow iesow oj analizy gum usow ych w ieszczestw poezw y. P oczw ow ied. 6, 1971, 35-44. [13] S k ł o d o w s k i P.: Badania chem iczne i fizykochem iczne zw iązków próchnicznych i ich połączeń z m etalam i w glebach bielicowych wytw orzonych w różnych strefach klim a tycznych. G eodezja 14, 1974. [14] S t e v e n s o n F. J., G o h K.M.: Infrared spectra o f hum ic acids and related substances. G eochim ica et C osm ochim ica A cta 35, 1971, 471-483. [15] T u r s k i R., C h m ie le w s k a В.: K w asy hum inow e gleb w ytw orzonych z torfów niskich. R ocz. glebozn. 35, 1984, 3-4, 3-20. [16] T u r s k i R., C h m ie le w s k a B.: K w asy hum inow e niektórych gleb czarnoziem nych. R ocz. glebozn. (w druku). [17] T r o ja n o w s k i J.: Przem iany substancji organicznych w glebie. W arszawa 1973. [18] T s u t s u k i K., K u w a t s u k a S.: II. C om p osition o f oxygen-containing groups o f hum ic acids. Soil Sei. Plant N utr. 24, 1978, 4, 547-560. [19] T s u t s u k i K., K u w a t s u k a S.: III. N itrogen distribution in hum ic acids. Soil Sei. Plant N utr. 24, 1978, 4, 561-570. [20] T s u t s u k i K., K u w a t s u k a S.; IV. A m inoacid, phenol and sugar com p osition o f hum ic acids. Soil Sei. Plant N utr. 25, 1979, 1, 29-38.

K w asy hum inow e gleb brunatnoziem nych 39 Т. ТУ PCK И, Б. ХМ ЕЛ ЕВС К А Г У М И Н О В Ы Е К И С Л О Т Ы О Б Р А ЗО В А Н Н Ы Х ИЗ Л Ё С С А Б У Р Ы Х П О Ч В К аф едра почвоведения, агрохимии и микробиологии Сельскохозяйственной академии в Л ю блине Р е з ю м е И з образованны х из лёсса бурны х почв п од лесам и и полевы ми культурами были отобраны образц ы, из которы х изолировали гуминовы е кислоты. В обр азц ах определяли элем ентны й состав, азотны е фракции, аминокислотны й состав, содерж ание групп С О О Н и ОН фенолей, общ ую кислотность и С = 0 хинонов. Н а основании полученны х данны х и исчисленных с их и спользованием коэффициентов, а также хода инфракрасных спектров м ож но сделать следую щ ие заключения: 1. И сследуем ы е гуминовы е кислоты принадлеж ат к разны м типам ввиду значительной дифференциации степени гумификации и элем ентов строения молекул исследуем ы х гумус- ных соединений, несм отря на их происхож дение от о д н о го и того же класса почв с исключительно гомогенны м гранулометрическим и минеральным составом. 2. П ринадлеж ность к оп ределенном у типу не связана со сп о со б о м использования почвы. К нему принадлеж али гуминовы е кислоты изолированны е из гумусны х соединений как пахотны х так и лесны х почв. 3. Б олее четко обозначалась вертикальная дифференциация гуминовы х кислот в почвенных профилях. В поверхностны х горизонтах выступали более сильно гумифицированные кислоты, типа А или В, а глубж е сл або гум ифицированны е кислоты типа Р (ГК лесной почвы). R. fu R SK I. В. CHMIELEWSKA H U M IC A C ID S O F B R O W N SO IL D E V E L O P E D F R O M LOESS D epartm ent o f Soil Science, A gricultural Chem istry and M icrobiology, Agricultural University o f Lublin S u m m a r y Sam ples o f brow n soils developed from loesses to be found under forests and arable lands were taken. From them hum ic acids were isolated. In the sam ples the elem entary com p osition and the content o f nitrogen fractions, am inoacid com p osition, content o f CO O H and OH groups o f phenols, total acidity and С = 0 quinones were determ ined. The data obtained and the coefficients calculated basing on them as well as the infrared spectra course allow to conclude aś ollow s: 1. H um ic acids investigated belong to different types in connection with a considerable differentiation o f the hum ification degree and o f structure elem ents o f m olecules o f the hum us com p oun d s investigated, although they originated from the sam e genetic class o f soils, o f a highly hom ogenic granulom etric and mineral com position. 2. The appurtenance to a difinite type w as not connected w ith the soil utilization way. To it belong both hum ic acids isolated from hum us com pounds o f arable and forest soils.

40 R. Turski, В. Chm ielewska 3. The vertical distribution o f hum ic acids in soil profiles w as m arked m ore distinctly. In upper layers stronger humified acids o f the A 01* В type and deeper weaker hum ified ones o f the P type (H A o f forest soil) were to be found. Prof. dr Ryszard Turski I nsi у tui Gleboznawstwa M ikrobiologii i Chemii Rolnej AR Lublin, u! Leszczyńskiego Wpłynęło do redakcji w marcu I9<S6