ВВЕДЕНИЕ
Возрастающий интерес к изучению сапропелей обусловлен перспективой прямого использования в качестве сырья для химической промышленности, в сельском хозяйстве, в бальнеологии и для получения на их основе биологически активных препаратов.
Сапропели карбонатного типа интересны в связи с исследованиями, показавшими особую ролью ионов кальция в ингибировании денатурации растворенных органических веществ, образующихся после отмирания сапропелеобразователей. Это способствует обогащению сапропеля продуктами полураспада и влияет на химическую и физиологическую активность, как сапропеля в целом, так и его отдельных компонентов.
В изучении сапропелей важной проблемой является поиск корреляций химической структуры сапропелеобразователей с химическими свойствами и биологической активностью донных отложений. Видовое и, следовательно, биохимическое разнообразие сапропелеобразователей внутренних водоемов огромно, что является объективной причиной усложнения исследований формирования тех или иных качеств сапропелей полигенного происхождения.
Объект наших исследований - карбонатно-харовый сапропель, происхождение которого связано с безусловным доминированием одного сапропелеобразователя - харовых водорослей, являются удобным модельным объектом для прояснения некоторых сторон формирования химических и биологических свойств биолита.
Если эффективность применения сапропелей и их экстрактов при лечении некоторых заболеваниях не вызывает сомнения, то вопрос о действующих началах - до настоящего времени остается открытым. В связи с этим в задачу наших исследований, наряду с изучением химических свойств сапропеля, входило выделение различных фракций органического вещества, исследование их химической структуры и оценка биологической активности.
6
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Классификация и химическая структура сапропелем, сапропелеобразователи, биологическая активность и применение
сапропелей
1.1. Классификация сапропелей
Сапропели - одна из форм донных отложений пресноводных водоемов, образующихся в анаэробных условиях в результате физико-химических и биохимических преобразований остатков озерных гидробионтов, при различной степени участия минеральных и органических компонентов терригенного стока. Состав и свойства сапропелей из разных месторождений колеблются в очень широких пределах, что обусловлено продуктивностью материнского водоема, особенностями поверхностного стока и климатическими условиями. Сапропелем принято считать отложения пресноводных водоемов с содержанием органического вещества (ОВ) более 15%, при меньшем содержании ОВ донные отложения рассматриваются как озерные осадки
[1].
Впервые озерные отложения по характеру их происхождения были разделены (классифицированы) на две большие группы Г.Постом (1862): на "гиттии" - отложения автохтонного характера и "дью" - аллохтонные илы. Несколько позднее, немецкий ученый Р.Лаутерборн расширил эту классификацию, добавив группу «сапропели» - отложения с запахом сероводорода [2].
Вторично термин «сапропель» введен в науку Г.Потонье. Классифицируя озерные отложения, Потонье выделял группы: «сапропели» - вязкие тонкодисперсные осадки с содержанием ОВ 25-90% и сильно минерализованные отложения - «сапропелиты». Последние по
7
содержанию минеральных компонентов подразделялись им на диатомовые, сапропелитовый песок, известковые и железистые [3].
Гильзен К.К. (1902) дал первую русскую классификацию озерных отложений выделяя группы: «перегнойные илы» тонкого механического состава, малого удельного веса, с большим содержанием ОВ; «торфяно-растительные» илы с большим количеством макрофитов, высоким содержанием ОВ; «растительно-перегнойный или подсплавный ил» богатый ОВ и с большим количеством разлагающейся моховой сплавы. Высокозольные грунты подразделялись им на супеси, пески, глины [2].
В основе всех последующих классификаций донных отложений лежит принцип разделения их по происхождению и преобладанию того или иного компонента.
Шведский ученый Дж. Лундквист (1927) [5] для определения типа донных отложений использовал метод структурного микроанализа. В поле зрения микроскопа оценивалась относительная площадь покрытия компонентами: остатками организмов, кристаллами химических веществ, обломками минералов. На основании этого Лундквист делал заключение о принадлежности отложений к определенным типам: А-типы богатые минеральными примесями (глинистая гиттия, песчаная гиттия); В-типы богатые известью (озерный мел, известковая гиттия, ракушковая гиттия); С- типы богатые железом (диатомовая охра); D- типы богатые торфяными частицами; Е- типы богатые органическими остатками.
В зависимости от содержания ОВ Н.В.Кордэ [4] подразделяет сапропели на две группы: собственно сапропели (более 50% ОВ); и обедненные органическим веществом сапропели (ОВ 15-50%). Биологический анализ по остаткам гидробионтов сапропелеобразователей, позволяет выделять внутри отдельных групп диатомовые, хризомонадовые, цианофицейные и зоогеновые сапропели
[1].
8
Классификационная схема А.П.Пидопличко и Р.И.Грищука [6], наиболее детально разработанная и чаще других применяемая, предусматривает выделение семи типов озерных отложений: глинистые, кремнеземистые, известковые, смешанные, тонкодетритовые (органические), грубодетритовые, торфосапропели.
Глинистый сапропель характеризуется высоким содержанием золы, залегает обычно в придонных слоях озерных отложений, пластичный, тяжелый, серовато-голубоватого или сероватого цвета.
Кальциевый (известковистый) сапропель имеет зольность более 30% (в т. ч. 50-65% СаО). При извлечении из залежи он серовато-оливкового цвета, при высыхании превращается в малосвязанную беловато-серую массу. Отложения этого сапропеля приурочены к выходам грунтовых вод, в значительной степени обогащенных кальцием.
Кремнеземистый сапропель относится к высокозольным отложениям: содержание золы превышает 30% (в т. ч. более 30% SiO2 и менее 10% СаО). Этот вид сапропеля образуется в условиях замкнутых котловин конечноморенного ландшафта как придонное образование или залегает на глинистом сапропеле. Как правило, на нем лежит слой органического сапропеля. Кремнеземистый сапропель серовато-оливковый, оливковый, нередко имеет прослойки, обычно темно-окрашенный, плотный; включает песчинки.
Смешанные сапропели характеризуются высоким содержанием золы (около 70-80%). Сюда относят сапропели со значительным количеством кальция и кремнезема, кремнезема и глины, либо глинистых частиц и кальция, наконец, всех трех компонентов одновременно при наличии органических включений. Это сборный вид озерных отложений, образовавшийся при участии планктонных организмов и большого числа примесей кальция, кремнезема и глинистых частиц. Источниками минерального питания для них могут быть грунтовые и делювиальные воды. Окраска смешанных сапропелей самая разнообразная: сероватая,
9
темно-оливковая, голубовато-оливковая, коричневато-серая. Сверху обычно они покрыты пелогеном.
Зольность органического (тонкодетритового) сапропеля не превышает 30%. Окрашен в оливковый цвет, при наличии примеси гумуса появляется коричневато-оливковый оттенок. Данный сапропель образуется в водоемах, лишенных значительного притока минеральных веществ.
Грубодетритовый сапропель накапливается в озерах, где, помимо планктонных организмов, произрастает множество высших водных растений, остатки которых в значительном количестве сохраняются в сапропеле. Эти сапропели обычно имеют темно-оливковую окраску, заметные визуально включения остатков высших водных растений. Залегают они обычно на толще сапропелей других видов. Как правило, грубодетритовый сапропель малозольный, не составляет мощных пластов.
Торфосапропель образуется на контакте торфяной залежи с озером или при зарастании эвтрофного водоема в мелководной зоне. Он представляет собой промежуточное образование между сапропелем и торфом; характеризуется буроватым, коричневатым или темно-коричневым цветом. Различимы остатки высших растений, в том числе и с надводными листьями и стеблями (например, тростника, осок, хвоща, вахты и др.). При истирании торфосапропель не пачкает; характерны невысокие зольность (8 - 10%) и степень разложения (около 25-30%). Торфосапропель залегает небольшим пластом между торфяной залежью и сапропелем.
Согласно работам [7, 8] сапропели могут быть разделены на: -кремнеземистые, зольность выше 30% , содержание SiO2 в золе более 50%;
-карбонатные, зольность выше 30%, содержание СаО в золе более 30%; -смешаные, зольность выше 30%, содержание SiO2 и СаО примерно равное;
10 -органические (малозольные) сапропели, зольность менее 30%.
По условиям залегания разделяют также открытые и погребенные сапропелевые отложения. Открытые отложения залегают в современных водоемах, процесс накапливания их протекает и сейчас, погребенные залегают в основном под торфяной залежью, редко - под минеральными наносами, для которых стадия седиментогенеза уже закончилась [8].
Промышленно-генетическая классификация сапропелеи белорусских ученых М.З.Лопотко и Г.А.Евдокимовой [9] основана на анализе семи количественных показателей химической структуры отложений, каждый выделенный тип сапропеля рассматривается как сырье для конкретных направлений их использования. Эта классификация является наиболее сложной. По соотношению органической и минеральной части авторы делят сапропели на малозольные (Ас< 30%) и высокозольные (Ас-31-85%). Малозольные по соотношению в содержании гуминовых и легкогидролизуемых веществ (ГВ и ЛГ), что отражает генезис ОВ, делят на четыре класса. Первый класс содержит значительное количество аллохтонного гумусового материала. К остальным трем классам относят сапропели, в которых ГВ образовывались из материала автохтонного характера. Поступление гумусового материала с водосборной территории обеспечивает большее количество гуминовых кислот (ГК) с наименьшим содержанием в них водорода и азота (класс Oi). В проточных водоемах в результате интенсивного окисления и деструкции нестойких соединений накапливается больше устойчивых ГК с фрагментами ароматических структур (класс Ог). В сапропелях, сформировавшихся в условиях более высокой продуктивности ОВ, отмечается умеренное количество ГК (класс Оз). При интенсивном накоплении осадков происходит быстрая смена аэробных условий на анаэробные, вследствие чего, образуется значительное количество ГК (класс О4). Группа высокозольных сапропелеи на основе химического состава минеральной части делится на три типа: карбонатные, кремнеземистые и смешанные.
11
Данная классификация обосновывает наиболее рациональное применение сапропелей с учетом их состава и свойств и предохраняет наиболее ценные классы сырья от нерационального их использования. Так, учитывая высокую ценность малозольных сапропелей для многих направлений, эта классификация не рекомендует их применение в качестве удобрений.
Все рассмотренные классификации выделяют в отдельный тип «известковистые» или «карбонатные» сапропели, однако при этом не учитывается полигенность в происхождении карбонатного материала.
С учетом последнего, на основе современных представлений о происхождении карбонатных озерных отложений, в сапропелях известкового типа можно выделить две группы: терригенно-карбонатные и биогенно-карбонатные сапропели. В свою очередь, биогенно-карбонатные отложения можно разделить на: карбонатно-харовые, карбонатно-макрофитные и карбонатно-ракушковые. «Харовые сапропелиты» классифицированны в отдельную группу только Потонье [3].
Такое дополнение в рамках существующих классификаций оправдывается существованием огромного разнообразия сапропелей и необходимостью создания дробной классификации, уже отдельных типов
; сапропелей России.
1.2 Химический состав органической части сапропеля
«Органическое вещество сапропелей это комплекс низкомолекулярных органических соединений и биополимеров как в свободном виде, так и в виде гетерополярных солей, комплексно - гетерополярных солей и адсорбционных комплексов с минеральной частью» [10]. Источник ОВ -нерастворимые остатки гидробионтов и коллоидные вещества автотрофного происхождения и привнесенные в составе терригенного стока.
12
Классифицируя формы OB биолитов, одни исследователи рассматривают сапропель как подводную форму гумуса [11], другие обособляют гумусы почв, торфа и сапропелей, считая их различными по происхождению формами накопления ОВ [12].
И, хотя в ОВ сапропеля имеются все составляющие гумуса (вещества исходных органических остатков, промежуточные продукты их трансформации и специфические ГВ с их органо-минеральными производными), часто для обозначения этой части сапропеля применяют термин «органическая компонента», а ОВ сапропеля рассматривают как сочетание органической и биологической компонент [13].
В различных типах сапропелей общее количество ОВ колеблется в пределах: в органических - 70 -93%, кремнеземистых и карбонатных -15 -60%, смешанных - 43 -58%.
Г.А. Евдокимовой [14], на основании изучения элементного состава сапропелей 130 месторождений Белоруссии, было выявлено, что колебания содержания С, Н и N в пределах одного типа обусловлены участием в формировании отложений разных сапропелеобразователей. Повышенное содержание С и пониженное Н и N наиболее характерно для отложений, образовавшихся при значительном участии растений -торфообразователей и содержащих 40-60 % ГВ. При возрастании доли зоогенных остатков в сапропелях количество Н и N увеличивается, С уменьшается. Содержание S в ОВ сапропелей изменяется от 0.1 до 1.8 % (не более 3 % на сухое вещество). При промышленной заготовке и хранении сапропеля соединения S окисляются и это повышает обменную кислотность озерных илов [15, 16]. Наиболее высокий уровень серы в ОВ карбонатных сапропелей.
Путем фракционирования ОВ определяют его групповой состав. По традиционной схеме из высушенного и измельченного сапропеля последовательно извлекают битумы (липиды) спирто-бензольной смесью (1:1), из дебитуминизированного сапропеля горячей водой извлекают
13
легкогидролизуемые вещества, а щелочью, после декальцирования -специфические ГВ. Остаток подвергают гидролизу концентрированной минеральной кислотой для извлечения трудногидролизуемых веществ. В модификации Евдокимовой и Пунтус [14] перед извлечением липидной фракции сапропели декальцируют 0.05 н раствором НС1.
Битумы (липиды) это - органические вещества, извлекаемые из сапропеля органическими растворителями. Состав битумов характеризуется содержанием жирных кислот, фталиевых эфиров, стероидов, каротиноидов, порфиринов, восков, глицеридов [17].
Г.А. Евдокимова и М.З. Лопотко [9,14] описывают извлечение битумов бензолом или бензином после декальцинирования сапропелей соляной кислотой. По результатам этих исследований бензиновые битумы сапропелей по ряду показателей идентичны торфяному битуму, однако число омыления меньше аналогичного показателя битумов торфа в 1.5-2 раза. Это свидетельствует о большей молекулярной массе жирных кислот, входящих в состав сапропеля, что подтверждается ИК-спектроскопией. Наиболее интенсивные полосы поглощения в ИК-спектре 2920; 2850; 1470 см"1 свидетельствуют о наличии углеводородных радикалов длинноцепочечного строения, дуплет 730-720 см'1 - о высокой степени упорядоченности метиленовых групп.
По данным Н.А. Курмышевой [18] при хранении сапропелей в поле в течение 2х месяцев количество битумов в них возрастает в 1.5 раза.
Битумным компонентам сапропелей уделяется особое внимание в связи с тем, что они обладают наиболее высокой бактерицидной, бактериостатической и антиокислительной активностью [19, 20]. Это определяет необходимость разработки доступных и эффективных методов извлечения битумов из сапропелей. Битумы пелоидов входят в состав малопреобразованного ОВ, которое содержит большое число двойных связей и функциональных групп (каротины, фосфолипиды, ненасыщенные жирные кислоты, спирты).
14
Исследованиями Е.И.Казакова [21] установлены различия группового состава ОВ сапропелей различных природных зон. Отложения • степной зоны и зоны смешанных лиственных лесов дают выход битума
0.3- 0.9 % на сухой образец и до 3.9 % на органическую массу. Сравнительно высокий выход битумов дают сапропели хвойных лесов (5.1-6.4 % и 7.7.-9.0 %) и зона смешанных лиственных лесов (1.5-6.4 % и 5.5- 10.6 %). Содержание битумов в различных местах каждого из отложений оказалось неодинаковым.
Выход битумов из сапропелей ниже, чем из торфов [22]. Элементный анализ показал следующий состав органической массы битумов: содержание Н для большинства образцов составляет 6-7%, наибольшее содержание Н оказалось в сапропеле Ленинградской области (7.47%), а наименьшее в низкозольных сапропелях Кубанской (5.4%) и Харьковской (4.8%) областях. Все образцы сапропелей показали высокое содержание N (3.1-5.2%), превышающее содержание N в торфах (до 3.0%), бурых и каменных углях (0.3-1.5%). Содержание S в исследованных сапропелях колеблется от 0.53% до 3.13%.
Битумы сапропелей состоят главным образом из предельных соединений с небольшой примесью ненасыщенных (низкие йодные числа). От битумов торфов битумы сапропелей отличаются более низкими i числами омыления и кислотности. Это указывает на то, что в их состав
' входят соединения нейтрального характера - углеводороды [21].
i Углеводы сапропелей. С помощью гидролиза горячей водой, разбав-
| ленной соляной и концентрированной серной кислотами из сапропеля
' извлекаются легкогидролизуемые и трудногидролизуемые углеводы. Для
сапропелей характерно низкое содержание углеводного комплекса, так как в ходе сапропелеобразования активно идут процессы распада углеводов до * углекислого газа и гумификации с образованием ГВ по реакции конденса-
ции с аминокислотами. Содержание гемицеллюлоз составляет в среднем 6-25% на ОВ, целлюлозы -1-8 % [6].
15
В работе М.З.Лопотко и ГА. Евдокимовой [9] углеводы сапропелей Белоруссии были исследованы в 150 сапропелях различных типов. • Гемицеллюлозы составляют 80% от суммы Сахаров. Содержание
моносахаридов в составе легкогидролизуемых веществ находится в пределах 6-8% , количество гексоз достигает 42-78% от суммы Сахаров, галактозы и маннозы 6-45%, ксилозы 25%. Идентифицированы глюкоза 11-52%, арабиноза и рамноза 6-25%.
Сапропели бедны целлюлозой составляющей, в среднем, 1-2%. Углеводный комплекс сапропелей, состоящий на 80% и более из гемицеллюлоз, предопределяет возможность получения на основе сапропелей кормовых средств и удобрений [9].
ГВ сапропелей. Содержание и состав ГВ определяют такие важные свойства сапропелей как биологическая активность, биохимическая устойчивость, клеящая способность и другие. В зависимости от содержания и соотношения специфических ГВ, внесенные в почву сапропели, могут по-разному влиять на биохимические процессы, формирование структуры почв и качество получаемой сельскохозяйственной продукции [23]. ГВ сапропелей отличаются от гумуса почв более высоким соотношением Н/С и отсутствием конденсированных ароматических колец [10]. Следовательно, это более молодые и более восстановленные ГВ, которые обладают большей активностью по сравнению с ГВ почвы.
В состав специфических ГВ сапропелей входят: гуминовые кислоты (ГК), фульвокислоты(ФК) и гематомелановые кислоты (ГМК).
Выделение ГВ из комплекса сопутствующих минеральных и органических соединений сапропелей, большинством исследователей ; проводится по, ставшей классической, схеме Тюрина - впервые
, * примененной в исследованиях химии почв в начале прошлого века [24]. Ее
J суть состоит в: декальцинировании, с целью удаления карбонатов
J исследуемого образца, разбавленными растворами минеральных кислот;
16
исчерпывающем экстрагировании ГВ 0.1 н раствором NaOH; последующем разделении ГК (выпадают в осадок в виде геля) и ФК • (остаются в растворенном виде) в кислом растворе при рН 1-2;
экстрагировании из нерастворимого в кислотах осадка (геля) органическими растворителями ГМК.
Изложенная схема привлекает простотой исполнения, однако методам растворения и осаждения природных полимеров присущ объективный недостаток - присутствие в гелевой фазе заметных количеств низкомолекулярных компонентов - углеводы, спирты, аминокислоты, так называемый "хвостовой эффект". В связи с этим, в зависимости от предмета и целей исследования, приведенная схема извлечения специфических ГВ модифицируется [25, 26,27].
ГК - наиболее обширная группа ГВ. Они имеют темно-бурую окраску, извлекаются из ила щелочными растворителями, выпадают в осадок после подкисления раствора до рН 1-2. Д.С. Орлов [28] считает способ выделения и отношение к растворителям недостаточными условиями для идентификации ГК на том основании, что в почве присутствуют пигменты, ведущие себя сходно с ГК, поэтому для идентификации он предлагает использовать 4 признака ГК: 1 - массовую долю С общ. (42-62%) и азота (3-6%); 2 - обязательное присутствие в продуктах окисления щелочным раствором перманганата калия гетероциклических карбоновых кислот; 3 - наличие негидролизуемого «гуминового» азота в количестве 25-55% от общего азота; 4 - характерный набор и интенсивности полос поглощения в интервале 3000-600 см"1.
То, что щелочными вытяжками из сапропеля извлекаются именно ГК
подтверждается результатами специальных исследований. Так,
элементный анализ показал, что в ГК сапропелей массовые доли С
• составляют 46-62 %, N - 3-6 %, Н - 3-5 %, О - 32-38 %. По результатам ИК -
i спектроскопии рядом исследователей [10,14,29] обнаруживаются
! интенсивные полосы поглощения -1640 -1650 см"1 - (амидные группы),
i
17
1540 см"1 -(вторичноамидные группы), 1200- см"1- (фенольные гидроксилы). Методом ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) в ГК • сапропелей обнаружены ароматические структуры. Электронные спектры
поглощения ГК сапропелей имеют вид плавных кривых - оптическая плотность монотонно убывает по мере увеличения длины волны, на них отсутствуют максимумы. По характеру электронных спектров ГК сапропелей схожи с ГК почв [10,28]. Следовательно, по большинству признаков извлекаемые щелочными растворами из сапропелей вещества можно назвать ГК.
В ГК низинного и верхового торфов содержание С колеблется от 57.7 до 64.2%, Н - от 4.3 до 5.4% [21]. ГК сапропелей показали отличие по элементному составу: содержание Н выше чем в ГК торфа, что указывает на примесь к ним кислот жирового происхождения. По мнению Е.И. Казакова более высокое содержание N в ГК сапропелей может говорить о примеси в них гуминоподобных веществ - меланоидов, образовавшихся в результате конденсации продуктов распада белков - аминокислот с продуктами распада углеводов.
По И.В. Тюрину к ФК относят совокупность кислоторастворимых
органических веществ, остающихся в растворе после осаждения ГК. В
соответствии с рекомендациям Международного общества по
исследованию ГВ [30] ФК выделяют из щелочного раствора ГВ сорбцией
на амберлите AD-8, очищают диализом, обессоливают, пропуская через
: катионит КУ-2 в +Н форме и обезвоживают с помощью лиофильной
; сушки. Д.С. Орлов [24] приводит также метод выделения ФК по Форситу,
i
когда ФК осаждают на активированном угле, а затем десорбируют i
1 системой растворителей.
i
Экстракцию ГМК кислот по классической схеме проводят путем
1 обработки органическим растворителем свежего осадка ГК. При этом
часть макромолекул ГМК задерживается нерастворенным осадком ГК. |
