Что такое гуминовые кислоты

Уже более 200 лет в науке о почвах существует понятие "гумус". Гумус - это продукт трансформации остатков животных и растительных организмов, гораздо более устойчивых к дальнейшему разложению, чем исходная биомасса. Десятки гипотез были предложены для объяснения процесса гумусообразования, но ни одна из них не дала точного ответа, почему неумолимый процесс разложения мертвого органического вещества в почве не доходит до конца (то есть до углекислоты и воды), а останавливается на определенной стадии, где сравнительно простые продукты разложения - фенолы, углеводы и аминокислоты - начинают превращаться в соединения гораздо более сложные - гуминовые кислоты.

Природные гуминовые кислоты - это вещества очень сложного строения (молекулярная - масса от 500 до 2500), практически не растворимые в воде за исключением очень небольшой части их, называемой фульвокислотами.

Такие фрагменты с помощью углеводородных связей образуют цепочки, формирующие молекулы, которые в естественном состоянии свернуты в клубок. Клубки образуют крупные агрегаты, формирующие органическую часть почвы - гумус. Вследствие плохой растворимости в воде биологическая активность природных гуминовых кислот очень мала. Именно поэтому для обеспечения плодородия содержание гумуса в почве должно быть достаточно большим, как например, в знаменитых черноземах на юге России. Однако обработка гуминовых кислот щелочными агентами переводит их в водорастворимые соли - гуматы натрия или калия.

                     Рис.1. Схема строения фрагмента гуминовой кислоты

ОН                      О(--)

Гуминовая кислота       + NaOH—► Гумат        + Na(+)+ Н2О

СООН                СОО(--)

 

Из приведенной выше схемы видно, что после такой обработки атомы водорода в карбоксильных и гидроксильных группах замещаются на ионы щелочного металла и в результате последующей диссоциации фрагменты приобретают электрические заряды.

Эти заряды, размещённые по всей молекулярной цепочке, начинают взаимно отталкиваться. В результате клубок разворачивается, молекула гуминовой кислоты переходит в раствор и приобретает биологическую активность. Каждая функциональная группа, показанная на фрагменте, выполняет свою собственную роль, а таких групп очень много, поэтому воздействие гуматов на все стадии роста и развития растений - многогранно. Например, карбоксильные (СООН) и фенольные (ОН) группы способны образовывать хелатные комплексы с микроэлементами и в таком виде транспортировать их в растения; они же обеспечивают высокую обменную ёмкость этих соединений. Другие группы, называемые хинонами (ОС=С6Н4=СО) содержат не локализированные электроны, способные улавливать солнечную энергию, накапливать её, а затем в нужный для растительной клетки момент отдавать ей, увеличивая, таким образом, энергетические обмены клетки. Эти два частных примера иллюстрируют только отдельные аспекты влияния Гумата. Важную роль играет не только наличие функциональных групп, но и их взаимное расположение. Вероятнее всего об этом позаботилась сама природа, расположив их так, что взаимодействие гуминовых кислот с ионами различных металлов протекает в наиболее оптимальных для развития растений направлениях.


 1.               О ПРИРОДЕ ДЕЙСТВИЯ СОЛЕЙ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ

И ДРУГИХ СТИМУЛЯТОРОВ РОСТА РАСТЕНИЙ

 

Между действием физиологически активных форм гуминовых кислот и других стимуляторов роста есть очень много общего.

Анализ литературных источников позволил выделить некоторые из них.

1) растворимые гуматы и различные стимуляторы усиливают рост и развитие растений только в концентрации тысячных и десятитысячных долей процента, большие дозы угнетающе действуют на растение;

2) эффективность растворимых  гуматов зависит от уровня минерального питания;

3) растворимые гуматы повышают сопротивляемость растений к неблагоприятным внешним условиям,  в частности воздушной засухе, высоким температурам, ядам, а некоторые их фракции действуют даже на животные организмы, повышая сопротивляемость последних радиации;

4) как показали результаты опытов,  под влиянием гуминовых удобрений растения скорее созревают, у них быстрее дифференцируются и формируются зачаточные органы репродукции. Об ускоряющем влиянии на развитие растений обычных стимуляторов роста указывается в ряде работ;

5) гуминовые вещества и другие стимуляторы влияют на биохимические процессы в растениях и в частности на синтез сахаров, хлорофилла, белка и особенно на оксидативные процессы;

6) влияние гуматов на анатомическое строение растений описано в работах ряда авторов. По другим стимуляторам имеется также немало литературы. Назовем лишь книгу Р.Х. Турецкий,  в которой приводится большая сводка таких работ.

Ростовые процессы являются одним из главных проявлений жизни, так как именно в этих процессах клетка воспроизводит сама себя. Можно предположить, что главное в ростовых процессах – это синтез белков, белков-ферментов и белков конституентов, и что интенсивность этого синтеза в значительной степени и будет определять рост клеток и тканей организма.

Отсюда, очевидно, чем ближе будут к оптимуму условия для синтеза белка, тем быстрее будет рост клеток.

Действительно, наблюдения над бактериями показали, что на полной питательной среде они начинают быстрый рост сразу, на обедненной наблюдается период индукции, в течение которого роста почти нет. Это объясняется тем, что на бедной среде происходит депрессия множества ферментов, создающих основные метаболиты, и только после того, как созданы все необходимые ферменты, клетка переходит в состояние стационарного роста. Это и понятно, так как в природе существуют механизмы регулирования на уровне самих ферментов, которые в свою очередь управляют всей сложной системой обмена веществ в клетках.

В своих многочисленных работах Л.А. Христева показала, что растворимые соли гуминовых кислот с одновалентными металлами усваиваются растениями и вызывают определенный физиологический эффект, усиливают рост, прежде всего корневой системы, а затем и надземной массы. Влияние гуминовых кислот, по ее мнению, наиболее сильно сказывается в начальный период развития растений.

Л.А. Христева указывала, что физиологическая активность гуминовых кислот непосредственно связана с определенным строением их молекулы,  и,   прежде всего,   наличием в них хиноидных и полифенольных групп.

Боттомли (1941), А.В. Благовещенский (1936), А.А. Прозоровская (1936), Лиске (1951), Николаевский и Войцеховский (1952), Л.А. Христева (1951, 1957) и ряд других исследователей также  установили стимулирующее действие гуминовых кислот на растения.  В развитие их идей Н.В. Лукьяненко в Днепропетровском СХИ был поставлен опыт, цель которого - путем применения подкормок гуматом натрия в сочетании с минеральными удобрениями ускорить развитие пожнивной кукурузы, повысить ее урожай и улучшить его качество.

 Наблюдения над изменением активности ферментов дыхания в процессе формирования растений пожнивной кукурузы показали, что гумат натрия способствовал значительному усилению активности каталазы и пероксидазы как в репродуктивных, так и в вегетативных органах. Особенно сильно повышали свою активность дыхательные ферменты под действием гумата натрия в начальные фазы развития репродуктивных органов пожнивной кукурузы. Причем корневые подкормки гуматом натрия действовали на активность дыхательных ферментов более продолжительный период времени, чем внекорневые.

Проведенные исследования по изучению содержания сахаров в репродуктивных и вегетативных органах пожнивной кукурузы показали, что на начальных этапах органогенеза содержание сахаров в них было значительно ниже, чем в более поздний период развития.

Следует отметить положительное влияние гумата натрия на синтез сахаров. На вариантах, где при подкормке применяли гумат натрия, растения пожнивной кукурузы содержали больше сахаров, чем на контроле.

Гуматы натрия по наблюдениям Н.В. Лукьяненко оказывали влияние на распределение фосфора в органах растений, резко увеличивая его содержание в метелке пожнивной кукурузы непосредственно после проведения подкормки.

Под действием гумата натрия на начальных этапах развития в фазе 9 листочков в метелке отмечалось некоторое снижение белкового фосфора. Это, очевидно, привело к задержке роста метелки. Одновременно с этим в метелке и листьях резко возросло содержание кислоторастворимого фосфора, что свидетельствует о высокой энергетической активности проходящих в растении биохимических процессов.

В период усиленного роста метелки и початка под влиянием гумата натрия значительно повысилось содержание в них белкового фосфора.

В листьях в начальный период органогенеза под влиянием гумата натрия увеличивалось содержание органического фосфора, растворимого в трихлоруксусной кислоте, которая принимает непосредственное участие в энергетических процессах.

Интересным, по мнению автора, является тот факт, что в фазе выметывания метелки в листьях кукурузы по варианту, где вносили гумат натрия, отмечалось повышенное содержание белкового фосфора, однако значительно меньшее, чем в предыдущей фазе. Это по всей вероятности связано с увеличением оводненности клеток, что препятствует преждевременному старению растительного организма. Следовательно, если в фазе выметывания метелки ростовые процессы в листьях на контроле почти прекратились, то под влиянием гумата натрия листья, хотя и медленно, но продолжали еще расти.

Таким образом,  Н.В. Лукьяненко установлено,  что под влиянием гуминовой кислоты в растениях пожнивной кукурузы увеличивается количество сахаров, важных в биохимических превращениях форм органического и неорганического фосфора, растворимого в трихлоруксусной кислоте, повышается активность дыхательных ферментов и это приводит к повышению энергетического потенциала растительного организма, что в конечном итоге  положительно сказалось на ходе формирования репродуктивных и вегетативных органов пожнивной кукурузы, а в целом - на повышении урожая. Кроме этого, в факте такого глубокого воздействия растворимых гуматов на организм растения как при корневых, так и внекорневых подкормках Н.В. Лукьяненко усматривает  доказательство того, что гуминовая кислота усваивается растением и включается в его обмен веществ.

Под влиянием гумата натрия,  наряду с повышением интенсивности роста,  наблюдалось и более ускоренное развитие растений:  раньше начиналась дифференциация конуса нарастания метелки, раньше формировались цветки в колосках, пыльца в пыльниках, происходил ускоренный рост метелки, что способствовало быстрому выметыванию последней.

В шестидесятых-семидесятых гг. в научной литературе проходила дискуссия о возможности проникновения молекул гуминовых кислот в растительные ткани. Возможность поступления органических веществ в растительные ткани через корневую систему и листья в настоящее время можно считать установленным.

В работах Красильникова, Винтера и Виллеке показано поглощение корневыми системами растений антибиотоков с молекулярными весами, достигающими 500.

Меренова, Кузин, Доман и Демин наблюдали усвоение высшими растениями фосфорных эфирных сахаров.

Имеются также сведения о поступлении в растения органических инсектицидов некоторых «конституционных фрагментов» лигнина и других соединений.

Наиболее серьезным возражением против проникновения гуминовых кислот в растения являются слишком большие размеры молекул.

Из работ И.Д. Комиссарова с соавторами (1971) следует, что при сфероидальной форме первичные частицы гуминовых кислот имеют диаметр около 100-200 Ао (ангстрем). Поэтому передвижение их по проводящим тканям растений можно считать вполне вероятным. Неясной представляется возможность и самого акта прохождения макромолекул гуминовых веществ через целлюлозную оболочку корневых волосков.

Следует, однако, заметить, что покровная ткань этих органов очень рыхла, лишена кутикулы и межклеточных перегородок, что обеспечивает непосредственную связь с внешней средой и собственно корнем.

При нанесении растворов гуминовых кислот на листья первым препятствием для поглощения их через стенки эпидермиса является кутикула (Б.А. Рубин, 1971).

У многих растений кутикула внешней поверхности листа представляет прерывистые чешуйки, расположенные параллельно внешним стенкам эпидермиса. От них к живым клеткам, окружающим сосудистые ткани, идут каналы, заполненные пектиновыми веществами, которые могут служить «воротами» для проникновения водных растворов в лист.

Другая возможность поступления гуминовых веществ в листья обусловлена наличием устьиц, длина которых составляет обычно 20-80 микрон. Есть основание полагать, что растворы гуминовых кислот могут дальше диффундировать через межклеточные пространства мезофилла.

Таким образом, по мнению И.Д. Комиссарова, проникновение растворов гуминовых кислот в растение принципиально возможно как через корневую систему, так и через поверхность листьев. Нахождение их в проводящей системе и  межклеточных пространствах, по-видимому, может уже оказывать определенное влияние на функции живых клеток.

Пользуясь результатами косвенных опытов и логическими построениями, Л.А. Христева (1968)  пришла к заключению, что гуминовые кислоты в ионодисперсном состоянии могут поступать в растение и участвовать в обмене веществ. Однако в ее работах это положение не нашло прямого экспериментального подтверждения.

Более убедительные доказательства проникновения гуминовых кислот в растительные ткани были получены Пратом и Поспишилом (1964). В их опыте гуминовая кислота меченная С14, поступала в растение по сосудистым пучкам со скоростью 2-10 мм в сутки. Радиоавтографически было показано распределение ее в различных органах тканях.

Комментируя результаты этих опытов, М.М. Кононова (1964) предположила проникновение в растение фракции гуминовых кислот с молекулярной массой, не превышающей 1000. Учитывая неоднородность молекулярных размеров гуминовых веществ, следует признать, что это предположение не лишено основания.

Иным образом была сделана попытка получить подтверждение возможности поступления гуминовых кислот в растение в  лаборатории И.Д. Комиссарова в Тюменском СХИ.

Для обнаружения гуминовых кислот в различных частях растений применялся метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Учитывая наличие парамагнитных свойств у молекул гуминовых веществ,  и располагая сведениями о параметрах их сигналов ЭПР, можно использовать метод ЭПР для идентификации гуминовых кислот в растительных тканях.  Авторами было установлено, что выращивание растений на растворах натриевых солей гуминовой и гиматомелановой кислот резко увеличивало содержание парамагнитных частиц в стеблях и листьях. Более отчетливо это проявлялось в стеблях и в меньшей мере в листовой ткани.

На  основании этих опытов И.Д. Комиссаров с соавторами (1971) пришли к выводу, что макромолекулы гуминовых кислот или их фрагменты, сохраняющие парамагнитные свойства, могут проникать в растение и передвигаться из корневой системы в стебли и листовую ткань.

Во второй половине 20-го века было обнаружено, что гуминовые кислоты наиболее эффективно воздействуют на корнеобразование растений и в меньшей мере они ускоряют рост надземных органов.

Прямое влияние гуминовых кислот на росторегулирующие процессы неоднократно ставилось под сомнение. По мнению Б.А. Чижевского и И.Г.  Дикусара (1962), гуминовые вещества оказывают лишь косвенное влияние на рост и развитие растений, улучшая условия жизнедеятельности ризосферных микроорганизамов. А.В. Петербургский (1964) полагал, что положительное влияние гуминовых препаратов на корневое питание растений связано с их большой адсорбционной способностью.

Вполне вероятно, что отмеченные явления действительно имеют место. Однако следует учитывать и результаты опытов, выполненных с растениями, выращенными на дистиллированной воде и в стерильных условиях.

Серией экспериментов Л.А. Христевой (1965) было показано, что добавление в дистиллированную воду небольших количеств гуматов щелочных металлов заметно усиливало корнеобразование у многих растений  при культивировании их на водных средах.

Таким образом, следует предполагать наличие непосредственного воздействия гуминовых веществ на жизнедеятельность растений.

Известно, что не все растения в одинаковой мере реагируют на гуминовые кислоты. Есть основание полагать, что и различные гуминовые препараты могут отличаться друг от друга по характеру физиологического действия. Предпосылкой этому является неоднородность гуминовых кислот по составу и свойствам, которые в значительной мере могут зависеть от исходного сырья, способа получения и очистки препаратов.

В лаборатории И.Д. Комиссарова в Тюменском СХИ были проведены опыты с гуминовым препаратом, полученным из окисленного угля в заводских условиях.

Семена пшеницы Лютесценс и кукурузы сорта Стерлинг, проращивались на влажной фильтровальной бумаге, затем проростки выращивали в стаканах на 0,001% растворах гумата натрия. Контролем служила дистиллированная вода. Повторность – десятикратная. Результаты подсчета и измерений корней обрабатывались математически с нахождением средней квадратичной ошибки.

Данные, полученные авторами, свидетельствуют об усилении корнеобразования у растений пшеницы и кукурузы под влиянием гумата натрия.

Формирование надземных органов и рост корней в длину у пшеницы, выращенной на растворе гумата натрия и на дистиллированной воде, не имели заметных различий. Достаточно четкая разница обнаружилась лишь в количестве корней второго порядка.

В опытах с кукурузой выявилось более существенное действие гуминовой кислоты на рост корней первого порядка.

Одновременно с этим отмечалось и увеличение надземной массы растений.

Таким образом, можно констатировать, что гуминовые препараты обладают росторегулирующим действием, аналогичным действию гуминовых кислот почв и некоторых каустбиолитов.

Учитывая то, что различные гуминовые препараты могут иметь заметные отличия по составу периферических цепей, вполне естественно предположить, что их биологическая активность связана с особенностями основной структуры макромолекул.