Г.Н. ФЕДОТОВ

Институт экологического почвоведения, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия.

Общепризнано, что почвенные коллоиды в виде гелей покрывают и связывают почвенные частицы между собой, обеспечивая существование почвы как системы с определенным набором свойств. Коллоидную составляющую почв тщательно изучали в течение длительного времени. В ХlХ веке и в первой половине ХХ века само понятие «коллоидная составляющая» предполагало изучение систем, состоящих из коллоидных частиц. Именно такой подход доминировал в почвоведении, а коллоидную составляющую почв называли почвенными коллоидами. В этот период практически отсутствовали методы, позволяющие изучать морфологию коллоидных частиц и состоящих из них систем, поэтому основное внимание уделяли химическому анализу. Подобные исследования ограничивали представления о коллоидной составляющей почв, в основном, данными о ее химическом составе. Гумусовые вещества (ГВ) в течение длительного времени воспринимали как макромолекулы, которые существуют либо в виде коллоидных частиц, либо в виде отдельных молекул, адсорбированы на поверхности неорганических частиц или химически связаны с их поверхностью. К самой коллоидной составляющей почв подходили при изучении не как к системе с определенной структурной организацией, а как к набору коллоидных частиц.

Развитие представлений о коллоидной составляющей почв позволило взглянуть на почвенные гели с новых позиций. Их стали рассматривать как студни из полимерных молекул гумусовых веществ, армированные неорганическими коллоидными частицами. Данный подход был подтвержден экспериментами по исследованию почв методом малоуглового рассеяния нейтронов. Было показано, что почвенные коллоиды фрактально организованы. Это свидетельствовало о существовании наноструктурного уровня организации в почвах. Авторы рассматривали в качестве частиц рассеивающих нейтронное излучение частицы, армирующие гумусовый студень, и пытались объяснить с позиций изменения их взаиморасположения в гумусовой матрице все полученные результаты. Данные по электронно-микроскопическому исследованию почвенных гелей, выделенных из почв различными способами, подтверждали расположение неорганических частиц в матрице гумуса.

За рубежом за последние 10-15 лет произошла коренная перестройка во взглядах на строение ГВ. Экспериментально было показано, ГВ вод водоемов и вытяжек из почв представляют собой не высокомолекулярные, а супрамолекулярные соединения. Это позволяло предположить, что гумусовая матрица почв состоит, в основном, не из макромолекул, а из супрамолекул гумусовых веществ. Однако это не внесло принципиальных изменений в модель армированного гумусового студня. Вне зависимости от его макромолекулярного или супрамолекулярного строения гумусовую составляющую почвенных гелей рассматривали как некую однородную субстанцию. Как следствие, отсутствовало понимание путей управления структурной организацией почвенных гелей и свойствами почв.

Нами было выдвинуто предположение о существовании гумусовых систем в виде супраполимерных полиэлектролитных матриц, в которых возникает наноструктурная организация за счет микрофазного расслоения с выделением гидрофобной фазы. Это предположение было экспериментально подтверждено при исследовании образцов, полученных из растворов ГВ – щелочных вытяжек из торфа. Введение ионов, взаимодействующих с функциональными группами гумусовых веществ и уменьшающих гидрофильность молекул ГВ, приводило к усилению микрофазного расслоения.

На основе этих данных был поставлен вопрос о существовании в почвенных гелях единой, способной к наноструктурной самоорганизации за счет микрофазного расслоения, супраполимерной гумусовой матрицы, изменения которой определяют свойства почвенных гелей и самих почв.

При увлажнении высушенных почвенных образцов дистиллированной водой на поверхности воды собираются в виде пленок почвенные гели. Были выделены и изучены гелевые пленки из образцов, отобранных из гумусово-аккумулятивных горизонтов дерново-подзолистой почвы из окрестностей почвы р. Яхрома, серой лесной почвы Владимирского ополья, курского и кубанского выщелоченного черноземов, краснозема (п. Чаква).

Электронно-микроскопическое исследование гелевых пленок проводили на растровом электронном микроскопе LEO SUPRA – 50 VP (фирмы Carl Zeiss, Германия) и растровом электронном микроскопа JEOL-6060A (фирмы JEOL, Япония). Было проведено также исследование почвенных суспензий методом просвечивающей электронной микроскопии на приборе JEM – 2000 FX (фирмы JEOL, Япония). При приготовлении образцов каплю суспензии помещали на дырчатые углеродные подложки (некоторые подложки перед нанесением суспензии гидрофилизовали в тлеющем разряде установки Fine Coat JEOL, Япония).

В результате было выяснено, что в нативных почвенных гелях существуют наноструктуры, образующиеся при участии гумуса. Внешне они очень напоминали структуры, возникающие при микрофазном расслоении блок сополимеров и полиэлектролитных гелей.

В работе использовали также сканирующий туннельный и атомно-силовой микроскопы «ФемтоСкан» (фирмы ООО НПП «Центр перспективных технологий», Россия). Возможность исследования воздушно-сухих гелевых пленок при помощи сканирующего туннельного микроскопа основана на их достаточно высокой проводимости из-за содержания в них воды практически равного содержанию органического вещества.

Из полученных данных следует, что в гумусе дерново-подзолистой почвы увидеть частицы, из которых он состоит, сложнее всего. Границы между ними размыты, но при увеличении соответствующем 1 250 000 можно различить, что он состоит из частиц размером 2-5 нм. Гумус чернозема и серой-лесной почвы образован частицами размером 8-12 нм, но если в черноземе границы между частицами гумуса достаточно четкие, то в серой лесной почве они сильно размыты. Эти данные позволяют сделать предварительные выводы о том, что супрамолекулярные образования, которые мы привыкли называть фульвокислотами и гуминовыми кислотами – реальность. Их можно рассматривать как супрамолекулярные элементарные блоки ГВ, образующие гумусовую матрицу.

На наш взгляд, большим достоинством применения сканирующей туннельной микроскопии для изучения почвенных гелей является подтверждение существования гумусовой матрицы – ее визуализация. При меньших увеличениях хорошо видно, что элементарные блоки агрегируются. В дерново-подзолистой почве образуются агрегаты размером несколько сотен, а в черноземе – несколько десятков нанометров. Эти агрегаты хорошо видны при использовании как зондовых, так и растровых электронных микроскопов.

Мы предположили, что именно эти гумусовые агрегаты являются строительными элементами, перемещающимися по почве как единое целое от места возникновения и достраивающими гумусовую матрицу. Для проверки мы привели в соприкосновение на 10 минут с влажными черноземом, дерново-подзолистой и серой лесной почвами слюду, после чего провели электронно-микроскопическое исследование полученных образцов. В результате было обнаружено, что гели, образовавшиеся при такой постановке эксперимента на слюде состоят из подобных гумусовых агрегатов.

Для оценки возможности направленного изменения наноструктурной организации нативных почвенных гелей в почвы вводили модификаторы, которые взаимодействуя с функциональными группами ГВ, должны были уменьшать их гидрофильность. Затем гелевые пленки выделяли из почв и исследовали их наноструктурную организацию. Проведенное исследование показало, что в результате подобных обработок почв возрастало микрофазное расслоение супраполимерной гумусовой матрицы почвенных гелей пропорционально количеству вводимых модификаторов.

Влияние изменения наноструктурной организации почвенных гелей на свойства почв рассмотрели на примере почвенной каталазной активности. Экзогенные ферменты должны входить в состав супраполимерной гумусовой матрицы почв, и при микрофазном расслоении последней часть ферментов должна попасть в гидрофобные области, имеющие значительно большую плотность. В результате активность ферментов должна уменьшиться как из-за стесненности условий, в которые они попадают, и соответствующего искажения их конформаций, так и из-за уменьшения их доступности для субстратов.

Было изучено влияние концентрации обменных катионов алюминия, железа, меди и цинка в черноземе, дерново-подзолистой и серой лесной почвах. Каталазную активность почв изучали при варьировании концентрации ионов металлов до 10-15% емкости катионного обмена.

Установлено, что при увеличении концентрации вводимых ионов металлов каталазная активность почв уменьшается в несколько раз. При этом микроскопические методы исследования показали усиление микрофазного расслоения в нативных почвенных гелях.

Таким образом, на основе проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. Гумусовая матрица имеет многоуровневую систему организации.

2. Первичными блоками гумусовой матрицы являются супрамолекулярные ансамбли различного для разных почв размера, которые, по-видимому, и представляют собой гуминовые и фульвокислоты.

3. Гуминовые и фульвокислоты взаимодействуют между собой с образованием агрегатов размером десятки нанометров для чернозема и сотни нанометров для дерново-подзолистой почвы.

4. Агрегаты гумуса перемещаются в почве и, объединяясь, образуют гумусовую матрицу.

5. Наноструктурная организация в супраполимерной гумусовой матрице почвенных гелей возникает за счет микрофазного расслоения.

6. Модификаторы, введенные в почвы, которые, взаимодействуя с функциональными группами ГВ должны уменьшать их гидрофильность, увеличивают микрофазное расслоение в почвенных гелях.

7. Изменение наноструктурной организации почвенных гелей – степени микрофазного расслоения супраполимерной гумусовой матрицы влияет на каталазную активность почв.