Высокоэффективные "зеленые" агрохимикаты на основе гуминового сырьяНИР

Highly effective humics-based "green" agrochemicals

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 февраля 2016 г.-31 декабря 2016 г. Получение улучшителей гумусного состояния почв на основе силоксан-гуминовых комплексов и их тестирование в лабораторных условиях
Результаты этапа: Научная новизна задачи, поставленной в проекте, – воспроизведение природных механизмов поддержания плодородия почв и минерального питания растений в «зеленых» технологических решениях, направленных на конструирование гуминовых мелиорантов и удобрений с оптимизированным высвобождением микроэлементов. В качестве природных механизмов улучшения гумусного состояния почв рассматривается стабилизация пула органического углерода за счет замедления его разложения в результате «экранирования» гидрофобными доменами зрелых биоинертных гуминовых веществ (ГВ). Для воспроизведения данного механизма в виде технологического решения предлагается создать мелиоранты на основе наиболее биоинертных – угольных ГВ, способные эффективно закрепляться в минеральном и органо-минеральном слое, создавая обширные гидрофобные домены. Принимая во внимание высокую биодоступность наноразмерных форм питательных элементов, в качестве второго технологического решения, направленного на улучшение минерального питания растений, проект предполагает создание микроудобрений на основе нанодисперсных форм соединений биогенных металлов, стабилизированных в матрице гуминовых веществ. 1. Формулировка методологических подходов к водному синтезу силоксан-гуминовых систем из природных гуминовых веществ и аминоорганосиланов.) Для выбора гуминовых веществ (ГВ), наиболее пригодных для создания почвенных мелиорантов, было проведено изучение молекулярного состава ГВ, выделенных из различных типов угля. В работе были изучены гуминовые кислоты (ГК) выветрелого угля (леонардита) СHA-Pow и ГК бурых углей (лигнитов) CHS-K и CHG-K. Анализ проводили методом масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (МС ИЦР ПФ) в сотрудничестве с группой проф. Е.Н. Николаева (ИБХФ РАН, Москва). Как видно из диаграмм Ван Кревелена, показанных на Рис. 1, для всех исследованных образцов были идентифицированы тысячи индивидуальных молекулярных составов, значительная часть которых была одинаковой для всех образцов. В то же время каждый из образцов характеризовался наличием пула уникальных компонентов. Для ГК леонардита (СHA-Pow) наблюдался наибольший вклад алифатических компонентов, а ГК лигнитов отличались различным вкладом конденсированных и окисленных ароматических соединений. Образец CHS-K включал как алифатические, так и окисленные фрагменты и занимал промежуточное положение по ароматическим компонентам. Проведенные исследования показали преобладание ароматических компонентов в составе выветрелых окисленных углей (леонардитов) по сравнению с бурыми углями (лигнитами), обеспечивающих их более высокую гидрофобность. Полученные данные были обобщены в публикации [1]. Учитывая максимальную близость препарата CHA-Pow, выделенного из классического леонардита, и CHS-K, приближающегося к нему по своим свойствм, то в дальнейшем для модификации использовали оба гумата для получения гуминового мелиоранта:. Высокая гидрофобность угольных препаратов была подтверждена и прямой оценкой с помощью метода тушения флуоресценции на примере взаимодействия с пиреном [2]. Эксперименты показали высокое сродство угля к связыванию гидрофобных соединений, значительно превосходящее связывающие свойства ГВ вод (Рис. 2). Указанные исследования стали обоснованием для выбора гуминовых кислот высокоокисленных лигнитов (бурых углей) в качестве гуминовой основы для разработки биоинертных почвенных мелиорантов. При этом для контролируемой иммобилизации в почвенном слое гуминовым кислотам необходимо было придать способность прочно связываться с почвенными минералами и делать это в заданный момент времени. Для решения указанной задачи была использована модификация гуминовых веществ аминоалкоксиорганосиланами в водной среде, без применения органических растворителей, в полном соответствии с принципами «зеленой» химии. Аминоалкоксиорганосиланы обладают уникальным свойством – замедленным гидролизом в водной среде, что сделало их органосиланами выбора для модификации ГВ. Нами было показано, что ГВ катализирует гидролиз и полимеризацию аминоорганосиланов. Эта реакция была изучена на примере взаимодействия CHS-K и APTES при различных факторах среды (рН, концентрация, соотношение реагентов, присутствие ионов кальция). Мониторинг динамики образования силоксан-гуминовых комплексов осуществляли с помощью метода in situ малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (Рис. 3). Было установлено, что при взаимодействии АПТЭС с ГВ происходит рост фрактальной размерности, сопровождающийся переходом из массового фрактала в поверхностный. Указанные предположения хорошо согласуются с данными ПЭМ (рис. 3В), которые показали рост и образование агрегатов размером от 50–70 нм до 150–250 нм, в начале с рыхлой, а в конце процесса - с жесткой структурой. Наблюдаемый переход не является фазовым, но связан со значительными изменения в свойствах материала, таких как пористость, площадь поверхности и сорбционная активность, которые падают при переходе масс фракталов во фракталы поверхности. Таким образом, время, которое необходимо для этого перехода можно использовать как характеристичный параметр системы для контроля и использования её функциональных свойств. Зависимость поведения ГВ-СК от рН имеет явно выраженный максимум при рН 6, процесс формирования фракталов поверхности занимает 30 часов при данных условиях, тогда как при низких рН процесс занимает 2 часа, а при высоких проходит практически мгновенно. Это можно объяснить основным и кислотным катализом, который происходит при образовании силоксановых связей в воде. Для более удобного контроля реакции остальные параметры варьировали при рН 7. На основании полученных данных была предложена концептуальная модель формирования супрамолекулярной полисилоксан-гуминовой системы, которая при строгом определении является силсесквиоксановой, так как имеет повторяющийся структурный фрагмент строения [RSiO3/2]n (где R = H или C2H5O) (Рис. 4А). Указанная система обладает способностью образовывать сетки с различной плотностью сшивок и фрактальной размерностью, которые определяются начальными условиями – рН среды и концентрациями реагентов, а так же временем протекания реакции. Проведенные эксперименты позволили установить оптимальные условия иммобилизации СГС на самом сложном объекте - на песке, а так же продемонстрировать способность иммобилизованного мелиоранта к сорбции гидрофобных органических соединений (на примере диазокрасителя) (Рис. 4В,С). Это подтверждает перспективность применения кремнийгуминовых мелиорантов на основе аминоорганосиланов и гуминовых кислот окисленных бурых углей для создания биоинертных гидрофобных доменов в почве, способных препятствовать быстрому разложению свежего органического вещества. Полученные результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале – RSC Advances [3] и легли в основу сюжета по демонстрации применения гуминовых мелиорантов для восстановления гумусового слоя, показанному 2 декабря 2016 г. на канале ВГТРК «Россия-1» в передаче «Утро России», размещенного на веб-странице канала по адресу: https://russia.tv/video/show/brand_id/3838/episode_id/1439240/video_id/1549379/viewtype/picture/ Таким образом, на основании полученных результатов были рекомендованы следующие условия получения силоксано-гуминовых комплексов: рН 7–8, концентрация ГВ 10 г/л соотношение ГВ:АПТЭС 1:1 или 2:1 в зависимости от назначения применения комплекса. 2 Демонстрация функциональных характеристик силоксан-гуминовых систем Для исследования мелиоративных свойств силоксан-гуминовых препаратов были получены системы в выбранных условиях на основе ГВ угля (CHS-APTES-100), торфа (PHA-APTES-100), (Эдагум-APTES-100), а также при соотношении ГВ:АПТЭС 2:1, обозначенные как CHS-APTES-50, PHA-APTES-50 и Эдагум-APTES-50, соответственно. Кроме того, по аналогичной методике были синтезированы силоксано-гуминовые комплексы с использованием в качестве модифицирующего агента 1-аминогексаметилен-аминометилентриэтоксисилана (АГАТС): CHS-AGATES-50 и PHA-AGATES-50. Для тестирования мелиоративных свойств разработанных силсесквиоксан-гуминовых систем был выполнен обширный блок экспериментов, направленный на разработку соответствующего методического обеспечения. Для указанной цели были использованы тесты по оценке водопрочности агрегатов (тест Андрианова), тесты по самосборке почвенных частиц с размерами < 0,25 мм (микроагрегаты, не имеющие агрономической ценности), а так же разработана методика по оценке гидрофобизирующих свойств СГС путем их иммобилизации на поверхности стеклянных пластинок и последующего измерения контактных углов. Все тесты продемонстрировали эффективность разработанных мелиорантов для улучшения структуры почв. Так, результаты теста Андрианова показали, что для повышения водопрочности почвенных агрегатов оптимальным является двукратная или трехкратная обработка почвы CHS-APTES-50. При этом водопрочность повышается от 0,23 до 0,81–0,89 (Рис. 5). Тесты на самосборку микроагрегатов (<0,25 мм), выделенных из дерново-подзолистой почвы, показали наилучшие результаты для обработки CHS-APTES-50 в концентрации 5 г/л: при этом > 20% (масс.) микроагрегатов образовали водоустойчивые агрегаты с размерами >0,25 мм. В проекте убедительно показано, что дополнительным преимуществом применения кремний-гуминовых мелиорантов на основе аминоорганосиланов является их питательная ценность как источников азота замедленного высвобождения для растений. Соответствующие результаты показаны на Рис. 6 и опубликованы в журнале Journal of Soils and Sediments [4]. 3 Формирование выборки почвенных образцов для проведения экспериментов с гуминовыми мелиорантами Важным результатом первого года выполнения проекта стало формирование выборки почвенных образцов для проведения последующих экспериментов по внесению гуминовых мелиорантов. Отбор почвенных образцов проводили из верхнего горизонта почвы на глубину до 20 см согласно ГОСТ 28168-89. Всего было отобрано 16 почвенных образцов из 5 разных почвенно-географических зон; из них 8 образцов целинных почв, 5 – освоенных и 3 – залежных: Список и географические координаты указаны в табл. 1. 1. Дерново-подзолистая (освоенная) Московская обл., Ногинский р-н 2. Дерново-подзолистая (залежь) Московская обл., Солнечногорский р-н 3. Дерново-подзолистая (целинная) Московская обл., Солнечногорский р-н 4. Серая лесная (целинная) Тульская обл., Щекинский р-н 5. Серая лесная (освоенная) Тульская обл., Щекинский р-н 6. Чернозем типичный (целинный) Курская обл., Курский р-н 7. Чернозем выщелоченный (целинный) Липецкая обл., Данковский р-н 8. Чернозем выщелоченный (освоенный) Липецкая обл., Данковский р-н 9. Чернозем обыкновенный (целинный) Воронежская обл., Тавловский р-н 10. Чернозем обыкновенный (залежь) Воронежская обл., Тавловский р-н 11. Чернозем обыкновенный (освоенный) Воронежская обл., Тавловский р-н 12. Каштановая (целинная) Волгоградская обл., Иловлинский р-н 13. Каштановая (залежь) Волгоградская обл., Иловлинский р-н 14. Солонец (освоенный) Волгоградская обл., Иловлинский р-н 15. Лугово-черноземная солонцеватая (целинная) Воронежская обл., Бобровский р-н 16. Солонец (целинный) Воронежская обл., Бобровский р-н В сформированной выборке почвенных образцов 3 почвы по гранулометрическому составу представляют собой легкие глины, 5 – тяжелые суглинки, 7 – средние суглинки и 1 – супесь. В целом, агрохимические показатели и гранулометрический состав являются типичными для отобранных почв. Методом сухого просеивания для всех отобранных образцов почв был рассчитан ряд оценочных параметров по агрегатному составу: сумма агрономически ценных агрегатов размером от 0,25 мм до 10 мм; коэффициент структурности почвы, представляющий собой отношение содержания агрономически ценных агрегатов к суммарному содержанию агрегатов размером более 10 мм и менее 0,25 мм (Табл. 2). Было показано, что наилучшим структурным состоянием характеризовались серые лесные почвы, черноземы и каштановые почвы независимо от степени задействования в сельском хозяйстве (агрегатная структура хорошая). Исключение составляет чернозем типичный (целинный) из-за весомого вклада крупных агрегатов размером более 10 мм. Дерново-подзолистые почвы обладают хорошей агрегатной структурой, за исключением освоенной дерново-подзолистой, у которой агрегатное состояние удовлетворительное. Солонцы характеризуются неудовлетворительной агрегатной структурой. 4 Разработка прецизионной методики определения степени гумификации гуминовых веществ с привлечением метода ПМР спектроскопии и УФ-видимой спектрофотометрии Для оценки биоинертности органического вещества почв, подвергшихся обработке гуминовыми мелиорантами на основе СГС, были разработаны как микробиологические, так и химические методики. Первая основана на измерении субстрат-индуцированного дыхания (СИД), позволяющего оценить активность микрофлоры почвы. Вторая - на сравнительном анализе структуры и оптических свойств органического вещества. Для оценки СИД был заложен микроделяночный эксперимент на территории Ботанического сада МГУ на Ленинских горах. В соответствии со схемой эксперимента каждую делянку поливали растворами либо исходного гумата (CHS-К), либо СГС на его основе (CHS-APTES100). В контрольном варианте полив проводили водопроводной водой. План-схема микроделяночного опыта приведена на Рис. 7. Почва мелкоделяночного эксперимента представляла собой конструктозем с нейтральной реакцией среды (рН 7,4). Измерение СИД через 30 суток показало схожие значения для контроля и обработанных вариантов, что свидетельствует о биоинертности внесенных композиций СГС. Указанные выводы хорошо согласовались с данными УФ-видимой спектроскопии и МС ИЦР ПФ, полученными для водных вытяжек. При этом для прямой оценки структурных различий в составе ГВ с заведомо различной биоинертностью впервые использовали спектроскопию ПМР. Для этой цели анализу подвергали выборку ГВ, выделенных из высокоширотных регионов с замедленной биологической активностью (арктические многолетнемерзлые породы и реки) и умеренных широт. Результаты показали почти двукратное преобладание протонов в составе длинноцепочечных метиленовых фрагментов по отношению к короткоцепочечным в а-положении к ароматическому кольцу или карбоксильной группе. Указанное соотношение существенно ниже для ГВ из умеренных широт и минимально – для тропических регионов, характеризующихся высокой биологической активностью микрофлоры, населяющей водные и почвенные экосистемы (Рис. 8). Тем самым предложен новый структурный маркер для характеристики биоинертности органического вещества. Соответствующие результаты готовятся к печати. 5 Получение и характеристика наноразмерных форм оксидов железа инкапсулированных в матрице гуминовых веществ и оценка их биодоступности Помимо экспериментов по разработке и оценке свойств кремний-гуминовых почвенных мелиорантов на основе силсесквиоксан-гуминовых систем, большой блок работ по проекту в соответствии с планом был посвящен синтезу нанодисперсных форм соединений железа, стабилизированных в матрице ГВ. В 2016 г. в рамках выполнения проекта были синтезированы следующие препараты наноразмерных форм оксидов и оксогидроксидов железа, инкапсулированных в матрице гуминовых веществ: магнетита (5 препаратов), ферригидрита (4 препарата); фероксигита (1 препарат). Синтезы для получения наноразмерного магнетита проводили с использованием двух разных подходов: путем медленного растворения высокодисперсного металлического железа в растворах гуминовых веществ [5] и путем синтеза магнетита по стандартным методикам в среде гуминовых веществ. Синтезы ферригидррита и фероксигита проводили в среде гуминовых веществ, используя разные прекурсоры: соли железа(III) в случае ферригидрита и железа(II) – в случае фероксигита. В качестве гуминовой матрицы использовали хорошо окарактеризованные гуматы калия, полученные из леонардита и высокоокисленного бурого угля. Фазовый состав и морфологию полученных наноразмерных форм соединений железа, стабилизированных в матрице гуминовых веществ, характеризовали с помощью рентгеновского дифракционного анализа, Мессбауэровской спектроскопии и электронной микроскопии, за коллоидной стабильностью следили с помощью УФ-видимой спектрофотометрии (Рис. 9). Для оценки биодоступности синтезированных наноразмерных форм оксогидроксидов железа исследовали их поступление в растения, выращенные в условиях железодефицитного хлороза, с использованием корневой и внекорневой подкормки. Тест-культурой служили растения пшеницы мягкой Triticum aestivum L. Эксперименты с магнетитом показали его минимальную доступность для растений: только для трех из пяти исследованных препаратов наблюдалось постепенное высвобождения железа из частиц, инкапсулированных в матрице ГВ. Большая часть наночастиц осаждалась на корневой системе (Рис. 10). Так как снижения рН в растворах под действием растений не наблюдали, то можно предположить, что высвобождение железа происходит под действием фитосидерофоров, выделяемых растениями в условиях железодефицитного роста. Содержание железа в побегах растений в присутствии фероксигита (δ-FeOOH-ГВ), было выше, чем в случае магнетита-ГВ. Было так же установлено статистически достоверное (Р = 95%) возрастание относительной максимальной эффективности фотосинтеза, что указывает на поступление железа в растения из фероксигита, стабилизированного в матрице ГВ. Следует отметить, что аналогичный эффект действия на фотосинтез наблюдали в контрольных опытах с ГВ. Это может свидетельствовать о том, что положительное действие наноразмерного фероксигита δ-FeOOH, инкапсулированного в матрицу ГВ, может быть обусловлено не только поступающим в растения железом, но и поступлением ГВ. Для проверки возможности поступления ГВ в растения проводили эксперименты с меченными тритием препаратами. Введение тритиевой метки в состав угольных ГК и ее детектирование с помощью метода микроавторадиографии позволили впервые получить прямые экспериментальные подтверждения поступления гуминовых веществ в растения и установить картину их распределения в тканях на примере растений пшеницы (Рис. 11). Было установлено, что в зоне корневого чехлика ГВ адсорбируются на поверхности корня, но не поступают внутрь. В зоне корневых волосков, напротив, было отмечено поступление ГВ во внутреннее пространство корня и в сосуды ксилемы, что свидетельствует об их поступлении в надземную часть растений. Полученные результаты обобщены в статье [6]. При этом особенно важно, что обнаруженное накопление ГВ в области эндодермиса, отвечающего за развитие боковых корней хорошо согласуется с многочисленными литературными данными о значительном увеличении кущения и корневой биомассы под воздействием гуматов. Кроме того, анализ липидов обработанных растений показал стимулирующее влияние ГВ на синтез липидов, жизненно важных для функционирования фотосинтетической системы растений. Тем самым результаты, полученные за первый год выполнения проекта, показывают перспективность стратегии, положенной в основу получения высокоэффективных «зеленых» агрохимикатов, путем создания природоподобных почвенных мелиорантов и микроудобрений на основе гуминового сырья. Публикации по гранту [1] Zherebker A.Ya, Kostyukevich Yu I., Kononikhin A.S., Nikolaev E.N., Perminova I.V. Mendeleev Commun., 2016, 26, 446 (doi: 10.1016/j.mencom.2016.09.028) (http://humus.ru/publication/ ) [2] Shirshin E.A., Budylin G.S., Grechischeva N.Yu, Fadeev V.V., Perminova I.V. Photochem. Photobiol. Sci., 2016, 15, 889 (doi: 10.1039/C6PP00052E) (http://humus.ru/publication/ ) [3] Volikov A.B., Ponomarenko S.A., Gutsche A., Nirschl H., Hatfield, K., Perminova I.V. RSC Adv., 2016, 6, 48222 (doi: 10.1039/C6RA08636E) (http://humus.ru/publication/ ) [4] Kulikova N.A., Filippova O.I., Volikov A.B., Perminova I.V. J. Soils Sedim., 2016 (doi: 10.1007/s11368-016-1507-1) (http://humus.ru/publication/ ). [5] Pankratov D.A., Anuchina M.M. Russian J. Phys. Chem. 2017, 91 (2), 233–239 (doi: 10.1134/S0036024417020224) [6] Kulikova N.A., Abroskin D.P., Badun G.A., Chernysheva M.G., Korobkov V.I., Beer A.S., Tsvetkova E.A., Senik S.V., Klein O.I., Perminova I.V. Sci. Rep., 2016, 6, 28869 (doi: 10.1038/srep28869) (http://www.nature.com/articles/srep28869)
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Исследование механизмов формирования и тестирование силоксан-гуминовых систем на почвах и получение железо- и цинк содержащих комплексов на основе гуминовых веществ
Результаты этапа: 1. Изучение молекулярной организации и свойств оптимизированных силсесквиоксан-гуминовых систем (СГС) на основе гуминовых веществ угля и торфа, масштабирование синтеза и получение СГС в препаративных количествах 1.1. Исследование молекулярной организации СГС Для исследования молекулярного строения СГС использовали спектроскопию ЯМР на ядрах 29Si. На рис. 1.1 представлен типичный спектр препарата CHS-APTES-100 (100 г/л, рН 6). Различные пики соответствуют разным молекулярным формам кремния: 40,5 м.д. – силанолы , 51 м.д. – М-структуры (мономеры), 58.3 м.д. – Д-структуры (димеры - цепи, кольца), 68 м.д. – Т-структуры (тримеры - 3D- олигомеры). Интегрирование пиков даёт следующие их соотношение в образце: 15.69 % - силанолы, 20.27 – М-структуры, 31.76% - Д-структуры, 32.28% - Т-структуры. Полученное соотношение хорошо соотносится с литературными данными для раствора 3-аминопропилтриэтоксисилана в воде с такой же концентрацией (12%, 20%, 32%, 36%). Таким образом, гуминовые вещества (ГВ) не оказывали существенного влияния на соотношение молекулярных форм кремния в конечном растворе, и для описания системы можно применять закономерности, которые соответствуют химии аминоорганосилана. На основании полученных спектральных данных можно изобразить реакции, происходящие при образовании СС-ГВ комплексов (рис. 2). Взаимодействие ГВ с аминоорганосиланми осуществляется за счёт образования ионной связи при подкислении. В связи с наличием в одной молекулах ГВ большого числа карбоксильных групп и из-за конденсации аминорганосилана связь получается многоточечной и сильной. Со временем происходит конденсация активных силанольных групп с образованием М-структур, Д-структур и Т-структур. Это соотносятся с полученными ранее данными по кинетике образования 3-D пленок. Как было показано, СГС системы формируются в результате образования полиэлектролитных комплексов а счет взаимодействия положительно заряженных амино-групп АПТЭС с карбокисльными группами ГВ. Поэтому для более детального описания механизма получения СГС-систем необходимо определить распределение карбоксильных групп по молекулярному ансамблю ГВ. Для этой цели проводили дейтерометилирование в метаноле с добавлением тионилхлорида по модифицированной методике [8, 9]. Модификации подвергали ГВ угля и торфа, а в качестве образца сравнения использовали стандартный образец МГО речных фульвоксилот –SRFA. Все методики подробно описаны в соответствующей публикации по проекту в журнале Analytical and Bioanalytical Chemistry. Метилированные ГВ выделяли методом твердофазной экстракции на картридже PPL. Собранный метанольный раствор темно-коричневого цвета использовали для анализа методом МС ИЦР ПФ. Полученный продукт обозначали путем добавления индекса CD3, обозначающим этерифицированный продукт, например, SRFA-CD3. Для подсчета количества карбоксильных групп, подвергшихся этерификации, извлекали серии дейтерометилирования материнских ионов в масс-спектрах исходных образцов, используя алгоритм, разработанный в нашей предыдущей работе (Zherebker et al. 2016). Подход заключается в наложении масс-спектров исходных веществ и этерифицированных для извлечения пиков, различающихся на массу 17.03448 в шкале m/z. Результаты работы представлены на Рис. 1.2 и оформлены в виде публикации в высокорейтинговый журнал – Journal of Analytical and Bioanalytical Chemistry (Zherebker et al, 2017) [1]. Выполнению указанной работы предшествовало два методических исследования. Первое было посвящено оптимизации условий ионизации гуминовых веществ угля и торфа методом электроспрея, в результате которого были получены оптимальные условия электрораспыления (Рис. 1.3). Кроме того, для повышения правильности результатов анализа МСИЦР ПФ был выполнен синтез калибранта, несущего все основные структурные фрагменты ГВ, - карбоксилированного полигидроксистирола. Синтез проводили из 5-ацетилсалициловой кислоты в 5 стадий. В дальнейшем его использовали в качестве стандарта для калибровки масс-спектров ИЦР ПФ (Рис. 1.4). Обе работы опубликованы в профильных журналах – Известия РАН. Серия «Энергетика» и European Journal of Mass Spectrometry (Кононихин и др., 2017; Zherebker et al. 2017) [2, 3]. Этот блок работ вошел так же в диссертацию Жеребкера А.Я. – участника проекта, защитившего диссертацию на соискание ученой степени кандидата химических наук 16.06.2017 г. [8] 1.2. Исследование сорбционных свойств СГС на основе ГВ угля и торфа на различных сорбентах Для характеристики сорбционных свойств СГС в водной среде получали изотермы сорбции на силикагеле и глине. Схема взаимодействия СГС с гидроксилсодержащими поверхностями представлена на рис. 1.5а. На рис. 1.5б представлены изотермы сорбции для препарата CHP-APTES-50 и исходного гумата CHP на обогащенной кальцием бентонитовой глине. На рисунках 1.5в,г представлены изотермы сорбции на силикагеле препаратов на основе угольных и торфяных ГВ, соответственно, при рН 6. Вид полученных изотерм принадлежит к S-типу без явных перегибов, что свидетельствует о мономолекулярном процессе сорбции. Характер изотерм сходный на глине и на силикагеле. Различие между исходными гуминовыми веществам и СГС в случае глин менее значительная из-за сильного связывания отрицательно заряженных гуминовых веществ и положительно заряженных глинистых частиц. Полученные изотермы аппроксимировали по уравнению Ленгмюра и определяли максимальную сорбцию и коэффициент распределения. Было показано, что максимальная сорбция практически не зависела от источников гумата и составляла около 220 мг/г. Однако, при малых степенях модификации, СГС гуминовых кислот торфа оказываются эффективнее, чем производные угля, так PHA-APTES-20 сорбируется до 144 мг/г, тогда как CHS-APTES-20 всего до 30 мг/г. Таким образом, можно сделать вывод о преимуществе использования торфяных СГС в случае низкой степени модификации. (Рис. 1.5) Для выявления оптимальных источников гуминовых веществ для синтеза СГС изучены процессы адсорбции гуминовых веществ различного происхождения и фракционного состава на макропористой слабоосновной анионообменной смоле. Показано, что наибольшей сорбционной способностью обладал гумат калия “Сахалинский” (Биомир, Россия) – CHS-К, получаемый из леонардита. Также значительную сорбционную способность проявил лигногумат натрия (НПО “РЭТ”, Россия), что позволяет его также рассматривать как перспективный альтернативный источник для синтеза СГС. Торфяные препараты, полученные экстракцией из осокового торфа (Ивановская обл., Россия) – PHF и гуминовые кислоты тростниково-осокового торфа (Тверская обл., Россия) – PHA показали наименьшую сорбционную способность в виду меньшей их гидрофобности, что связано с большим содержанием алифатических групп в их структуре. Полученные данные обощены в Таблице 1.1. Проведенная корреляция сорбционной способности с данными ЯМР 13C исходных гуминовых веществ подтверждает данную гипотезу. Таким образом, наиболее перспективными источниками гуминовых веществ для синтеза СГС являются гуминовые вещества, полученные из леонардита. Результаты соответствующих экспериментов изложены в виде статьи в Журнале Физической Химии.(Pankratov et al. 2017) [4]. 1.3. Масштабирование синтеза СГС Для проведения полевых работ необходимо было масштабировать синтез. Один из возможных путей - создание концентратов СГС, которые можно разводить в полевых условиях. Однако при увеличении концентрации столкнулись с тем, что скорость конденсации СГС резко повышается. Так, при рН 6 и концентрациях в 100 г/л данный процесс происходил за 1-2 минуты, при этом образец загеливается, что не позволяет его использовать для внесения в почвы. Таким образом, оптимальной концентрацией для использования СГС является 10 г/л, когда раствор может храниться при рН 6 до суток перед внесением. Выполнено масштабирование синтеза СГС вплоть до 5 литров раствора. Для приготовления рабочего раствора СНS-K раствор СНS-K с концентрацией 50 г/л смешивали с 2 мл концентрированной соляной кислоты и доводили водопроводной водой до объема 5 л. Для приготовления раствора СГС НS-APTES100 раствор СНS-K с концентрацией 50 г/л смешивали с 50 мл АПТЭС и 20 мл концентрированной соляной кислоты, доводили водопроводной водой до объема 5 л. Физико-химические свойства получаемых комплексов оказались такими же, как и образцов, получаемых в лабораторных условиях в небольших количествах. Не видится также потенциальных проблем и для получения растворов в еще больших объёмах. 2. Проведение массовых лабораторных экспериментов по внесению силоксан-гуминовых мелиорантов с использованием широкой выборки почв, направленное на подбор доз внесения, на оценку влияния на структуру почвы и гумусное состояние 2.1. Подбор дозы внесения мелиорантов на основе силсесквиоксан-гуминовых систем (СГС). Для подбора дозы внесения СГС был проведен лабораторный эксперимент на образце пахотного горизонта дерново-подзолистой освоенной почвы (описана в отчете за 1-ый год), состоявший в пятикратном насыщении почвы растворами гумата калия угля (CHS-K) и СГС на его основе (CHS-APTES100). Выбор почвы был обусловлен тем, что из 12-ти отобранных почв она характеризовалась наименьшим содержанием физической глины (17,2%). Предполагали, что эта почва будет наименее отзывчива на внесение мелиоранта. Цикл насыщения почвы состоял в увлажнении до 70% от полевой влагоемкости (ПВ) растворами CHS-K или CHS-APTES100 в концентрации 10 г/л с последующим высушиванием до воздушно-сухого состояния. В качестве контрольных использовали образцы почвы, насыщаемые дистиллированной водой до 70% ПВ. Количество насыщений - 5. За одно насыщение вносили 0,25% (CHS-K или CHS-APTES100) от массы почвы. После последней обработки почву высушивали до воздушно-сухого состояния, насыщали дистиллированной водой до 70% ПВ и инкубировали в термостате в течение 21 сут. при 24°С, поддерживая влажность на уровне 70% от ПВ. Повторность трёхкратная. В полученных образцах определяли показатели, отражающие мелиоративные свойства СГС: – количество доступного азота в форме нитрат-ионов и ионов аммония (45 образцов); – Сгк/Сфк как показатель гумусного состояния почв (45 образцов); – содержание водоустойчивых агрегатов как показатель почвенной структуры (45 образцов). Наряду с оценкой мелиоративных свойств, проводили оценку сорбции гуминовых препаратов и оценку их экологической безопасности, под которой понимали оценку токсичности для растений и почвенной микрофлоры. Для оценки прочности сорбции CHS-K и CHS-APTES100 почвой получали водные вытяжки почвы, определяли содержание в них растворённого органического вещества (РОВ) и характеризовали его свойства с помощью спектрофотометрии (45 образцов). Для оценки экологической безопасности оценивали влияние на субстрат-индуцированное дыхание (СИД), отражающее влияние СГС на почвенную микрофлору, и токсичность водной вытяжки из обработанной СГС почвы для пшеницы мягкой Triticum aestivum L. (45 образцов, см. п. 4 данного отчета). Количество доступного азота в форме нитрат-ионов и ионов аммония определяли согласно [Практикум по агрохимии, 2001]. Для этого готовили ацетатномагниевые вытяжки из почвенных образцов, в которых измеряли содержание азота в нитратной N-NO3– и аммонийной N-NH4+ форме при помощи ион-селективных электродов. Определение отношения Сгк/Сфк проводили, используя для выделения гумусовых веществ ускоренный пирофосфатный метод Кононовой и Бельчиковой [Практикум по агрохимии, 2001]. Определение содержания углерода в вытяжках измеряли на анализаторе общего органического углерода TOC-L CPN (Shimadzu, Япония). Повторность трехкратная. Содержание водоустойчивых агрегатов определяли на основании сопоставления дифференциальных кривых микроагрегатного и гранулометрического анализа, получаемых согласно [Юдина и Милановский, 2017]. Анализ размеров почвенных частиц проводили на лазерном анализаторе размеров частиц Microtrac Bluewave (Microtrac, США). Содержание РОВ в водных вытяжках измеряли на анализаторе общего органического углерода TOC-L CPN (Shimadzu, Япония). Спектры поглощения РОВ регистрировали на спектрофотометре 512 UV/Vis Spectrophotometer PortLab (Великобритания). По полученным данным рассчитывали коэффициенты цветности E4/E6 (отношение оптической плотности раствора, измеренной при длине волны 465 и 665 нм). 2.2. Проведение массовых лабораторных экспериментов по внесению силоксан-гуминовых мелиорантов с использованием широкой выборки почв. Схема проведения эксперимента предусматривала проведение испытаний на почвах 4-х типов (серые лесные, чернозем обыкновенный, чернозем выщелоченный, каштановые почвы) и двух разных типов использования (целинных и сельскохозяйственного использования). Выбранные 8 образцов почв пятикратно насыщали растворами CHS или CHS-APTES100 в концентрации 10 г/л и инкубировали при 70С как описано в п. 2.1. В качестве контроля использовали дист. воду. Повторность трёхкратная. После инкубирования и высушивания до воздушно-сухого состояния в образцах определяли показатели, отражающие мелиоративные свойства СГС: Всего было получено: 8 почв х (2 мелиоранта + 1 контроль) х 3 повторности = 72 образца – количество доступного азота в форме нитрат-ионов и ионов аммония (72 образца); – Сгк/Сфк как показатель гумусного состояния почв (72 образца); – содержание водоустойчивых микроагрегатов как показатель почвенной структуры (72 образца); – средневзвешенный диаметр (СВД) водоустойчивого агрегата как показатель почвенной структуры (72 образца). Для оценки десорбции CHS-K и CHS-APTES100 проводили экстракцию растворённого органического вещества (РОВ) и его характеристику с помощью УФ-спектроскопии (72 образца). Для оценки экологической безопасности оценивали влияние на активность пероксидазы, отражающее влияние СГС на почвенную микрофлору, и токсичность водной вытяжки из обработанной СГС почвы для пшеницы мягкой Triticum aestivum L. (72 образца, см. п. 4 данного отчета). Подвижный азот в нитратной и аммонийной форме определяли, как описано в п. 2.1. Всего проанализировано 72 образца. Определение отношения Сгк/Сфк проводили, используя для выделения гумусовых веществ ускоренный пирофосфатный метод Кононовой и Бельчиковой (см. п. 2.1). Всего проанализировано 72 образца. Содержание водоустойчивых агрегатов определяли по п. 2.1. Всего методами гранулометрического и микроагрегатного анализа было исследовано 72 образца. Для оценки качественного состава десорбируемого с почв органического вещества регистрировали УФ-спектры водных вытяжек почв, на основании которых затем рассчитывали коэффициент поглощения при 100 мг ОС/л (Ес, 100 мг/л) и длине волны 465 нм. Всего было исследовано 72 образца. Для оценки роли глинистых минералов проводили эксперименты по сорбции гуминовых веществ на каолините (Kaolin CF 70, Caminauer Kaolinwerk GmbH, Caminau, Germany) и монтмориллоните (месторождение “10 Хутор”, Хакассия, РФ) с диаметром частиц ≤ 2 мкм, предварительно насыщенных кальцием. Сорбцию ГВ на минералах проводили при рН 5,5 и начальной концентрации ГВ 0,5–4,0 г/л. Для определения количества необратимо сорбированных ГВ на глинистых минералах проводили 6-кратную десорбцию. Результаты по сорбции ГВ на глинах оформлены в виде статьи в Journal of Soils and Sediments (Kholodiv et al. 2017) [5]. 3. Планирование и закладка полевого эксперимента для оценки мелиоративных свойств силсесквиоксан-гуминовых систем в условиях нарушенных почв Полевой микроделяночный эксперимент был заложен на территории Ботанического сада МГУ на Ленинских горах. На предварительно обработанной и выровненной площадке размером 5 м × 2 м были разбиты микроделянки, ориентированные с запада на восток, каждая размером 1 м × 0,5 м. В соответствии со схемой эксперимента на каждую делянку вносили либо гумат (CHS-K), либо СГС на их основе (CHS-APTES100), при приготовлении которых использовали водопроводную воду. В контрольном варианте полив проводили водопроводной водой. Варианты обработки на площадке распределяли двурядным встречным способом. План-схема полевого микроделяночного опыта приведена на рис. 3.1. Повторность 4-х кратная. Всего схема полевого эксперимента включала в себя 12 делянок. Почва представляет собой конструктозем с нейтральной реакцией среды (рН 7,4), высоким содержанием подвижных форм калия (251 мг/кг почвы) и фосфора (293 мг/кг почвы), содержит 0,23% азота и 3,8% углерода (данные получены в 1-ый год выполнения проекта). Полив делянок проводили препаратами CHS-K и CHS-APTES-100 в концентрации 10 г/л; препараты готовили непосредственно перед внесением согласно способу препаративного синтеза, описанного в разделе 1 (рис. 3.2а). На каждую микроделянку размером 0,5 м2 вносили 5 л раствора CHS-K или СГС согласно схеме эксперимента. Контрольные площадки поливали соответствующим количеством воды. В качестве возделываемой культуры был посажен в два рядка лук-севок сорта Стурон (по 20 шт. на каждой микроделянке). Повторность опыта четырехкратная. Внесение препаратов производили пятикратно: 1, 7, 21 и 28 июня и 12 июля 2017 г. Через 2 мес. после пятого внесения препаратов проводили учет лука (результаты представлены в п. 4) и отбор почвенных образцов. Почвенные образцы отбирали линейным методом (из пяти единичных проб, отобранных буром на глубину 5 см по центральной линии каждой микроделянки, составили один смешанный образец каждой микроделянки, рис. 3.2б). Всего было отобрано 60 единичных образцов, из которых было составлено 12 смешанных. В полученных свежих образцах определяли содержание нитратов и аммония. Для этого навеску почвы естественной влажности массой 12 г помещали в пластиковую пробирку на 50 мл, приливали 25 мл 0,25М ацетата магния и взбалтывали в течение часа на ротационном встряхивателе, затем центрифугировали в течение 5 мин при 2000 об/мин. В центрифугате измеряли содержание азота в нитратной и аммонийной форме. На основании полученных данных для каждого варианта опыта рассчитывали среднее и стандартное отклонение. Оставшаяся после определения азота часть почвенных образцов была высушена до воздушно-сухого состояния. Из воздушно-сухих образцов готовили водные вытяжки в соотношении 1:5 (масс.). Для этого навеску почвы массой 10 г помещали в пробирку на 50 мл, приливали 25 мл воды и взбалтывали в течение часа на ротационном встряхивателе, затем центрифугировали в течение 10 мин при 10 000 об/мин. Полученные вытяжки характеризовали по следующим параметрам: – кислотность (12 образцов); – биологическая активность как характеристика экологической безопасности (12 образцов, результаты представлены в п. 4); – содержание РОВ и его характеристика методом УФ-видимой спектроскопии (12 образцов). Кислотность водной вытяжки определяли согласно методике определения pH водной почвенной суспензии [Воробьева, 2006]. Измерения проводили на приборе Hanna Microprocessor pH Meter pH 211, электрод HI 1230 (Hanna Instruments Inc., США). Проведена подготовка 12 смешанных образцов для оценки структурообразующей способности CHS-K и CHS-APTES-100 по следующим показателям: – средневзвешенный диаметр водоустойчивых агрегатов (оценка структурообразующей способности на макроуровне); – содержание устойчивых микроагрегатов (оценка структурообразующей способности на микроуровне). Полученные характеристики приведены в табл. 3.1. Проведение анализа структурного состояния конструктозема в условиях микроделяночного эксперимента в соответствии с планом работ по проекту будет выполнено в следующем году реализации проекта. 4. Оценка экологической безопасности силсесквиоксан-гуминовых систем с использованием методов биотестирования. Для оценки экологической безопасности СГС проводили изучение влияния СГС на почвенную микрофлору и высшие растения. Влияние СГС на почвенную микрофлору оценивали по двум параметрам: – субстрат-индуцированное дыхание (СИД), – пероксидазная активность. Влияние СГС на почвенную микрофлору оценивали по изменению уровня СИД согласно Ананьевой [Ananyeva et al., 2008]. Содержание СО2 измеряли с помощью газоанализатора GAS ANALYZER model DX6210 (RTM, РФ). Для проведения эксперимента использовали образцы дерново-подзолистой освоенной почвы, которые многократно насыщали CHS-K и CHS-APTES100 (см. п. 2.1 данного отчета). Всего было исследовано 45 образцов. Оценку пероксидазной активности проводили по методу Карягиной и Михайловой согласно [Хазиев, 2005]. Для проведения эксперимента использовали образцы серых лесных, черноземных и каштановых почв разного использования (целинные и освоенные), которые пятикратно насыщали CHS-K и CHS-APTES100 (см. п. 2.2 данного отчета). Всего проанализировано 72 образца. Для проверки токсичности СГС CHS-APTES100 по отношению к высшим растениям были проведены эксперименты по оценке токсичности водной вытяжки из почв, обработанных СГС в лабораторных условиях (45 образцов) и условиях полевого микроделяночного эксперимента (12 образцов). Кроме того, в условиях полевого микроделяночного эксперимента была проведена оценка токсичности СГС по отношению к растениям лука, выращиваемых на опытных делянках (12 делянок). В последнем случае оценивали токсичность СГС при нанесении на вегетирующие части растений. Для оценки токсичности почвы в чашки Петри помещали по 10 зерновок пшеницы мягкой Triticum aestivum L., сорт L1, и приливали по 10 мл водной вытяжки из почв с различными вариантами обработки. Далее чашки Петри помещали в термостат на 72 ч при 24±2°С. После этого проводили измерение длины корней и побегов проростков пшеницы. В качестве контроля использовали дистиллированную воду. Повторность трехкратная. Оценку влияния CHS-APTES100 на растения при обработке по вегетирующим частям растений проводили в рамках полевого микроделяночного эксперимента, так как, начиная со второго внесения СГС, при поливе почвы одновременно проходил и полив лука. Повторность четырехкратная. Всего проанализировано накопление биомассы луком с 12 делянок. 5. Получение нанодисперсных форм цинка, стабилизированных гуминовыми веществами, их характеристика и изучение механизмов стабилизации нанодисперсных форм металлов гуминовыми веществами 5.1. Получение нанодисперсных форм цинка, стабилизированных гуминовыми веществами, их характеристика Для получения нанодисперсных форм цинка, стабилизированных ГВ, было синтезировано шесть цинксодержащих препаратов на основе гумата калия. В качестве исходного ГВ использовали водный раствор Сахалинского гумата (10 г/л), предварительно очищенный от балласта путём центрифугирования в течение 10 мин при 10000 об/мин. Препараты выдерживали в течение суток и высушивали на роторном испарителе при температуре не выше 50С. В качестве цинкового прекурсора использовали сульфат цинка по аналогии с методикой (Sorkina et al. 2012), что позволяло оценить перспективы получения комплексного удобрения с использованием сульфатов железа и цинка. Гумат калия и сульфат цинка были взяты из расчета 5масс.% цинка в конечном препарате. Форма нахождения цинка в гумате может существенно различаться в зависимости от рН и влиять на его биодоступность, поэтому синтез проводили при pH 3.5, 4.5, 5.5, 7.5, 9, 11. Дополнительно был проведён синтез одного препарата при pH 11 по аналогичной методике, но с сокращённым временем выдержки. В качестве образцов сравнения использовали как коммерчески доступные соли цинка: ZnSO4, Zn(CH3COO)2, Zn5(CO3)2(OH)6, так и самостоятельно синтезированные соединения цинка: ZnO, Zn(OH)2, Zn4SO4(OH)6, оксалат цинка, цитрат цинка, хелатный комплекс ZnЭДТА. Синтез образцов сравнения проводили по методикам, описанным в литературе. При pH 3.5 и 4.5 наблюдали формирование осадка гумата цинка. Полученный осадок отделяли, промывали и характеризовали. При более высоких pH синтеза осадки не выпадали, и высушенные препараты легко растворялись в воде. Следует отметить, что в отсутствие гуминовых веществ из раствора сульфата цинка (0.1M, pH 4.9) при повышении pH до 7.5 выпадал белый осадок гидроксосульфата цинка Zn4SO4(OH)6. Массовая доля цинка во всех препаратах была измерена с помощью ИСП-АЭС и составляла >5% масс согласно расчетной. Все препараты были исследованы методом рентгеновской дифракции (Рис. 5.1). Кроме того, были проведены измерения спектров рентгеновского поглощения (XANES и EXAFS) всех полученных препаратов на оборудовании Курчатовского Источника Синхротронного Излучения, станция СТМ (Рис. 5.2). Полученные результаты доложены в виде стендового доклада на Совещании пользователей Курчатовского комплекса синхротрнно-нейтронных исследований (20-23 ноября 2017, Москва, Россия) 5.2. Изучение механизмов стабилизации нанодисперсных форм металлов гуминовыми веществами Для более углубленного понимания механизмов образования и стабилизации нанодисперсных форм металлов в присутствии гуминовых веществ были продолжены исследования по получению наноразмерных форм железа, стабилизированных гуминовой матрицей, начатые в первый год проекта. В дополнение к in situ синтезу наночастиц фероксигита, описанного в отчете 2016 г., был синтезирован ультрадисперсный гумат железа с размерами частиц (< 10 нм). Полученные препараты были изучены при помощи рентгеновских (в том числе синхротронных) методов, просвечивающей электронной микроскопии, а также мёссбауэровской спектроскопии, специфичной для соединений железа и практически неосуществимой для соединений цинка. Были получены данные электронной дифракции и сопоставлены с результатами РФА. Для более кристалличных препаратов фероксигита были проведены измерения электронной дифракции с выделенной области, что позволило ориентировать частицы при измерениях. Для аморфных препаратов было проведено измерение спектров характеристических потерь энергий электронов (СХПЭЭ). Просвечивающая электронная микроскопия проводилась также в режиме энергетический фильтрации, что позволило визуализировать пространственное распределение железа. Полученные данные приведены на Рис. 5.3. В результате проведенных исследований установлено, что в щелочной среде в присутствии гуминовых веществ формируются (гидр)оксидные полиядерные комплексы железа (Ш), состоящие из октаэдров {Fe(O,OH)6}. В зависимости от условий синтеза эти структурные элементы могут укладываться в хорошо закристаллизованные кристаллические фазы, например, δ’-FeOOH, либо формировать сильно разупорядоченные конгломераты без дальнего порядка (Рис. 5.4). Важно, что в последнем случае формировались наночастицы существенно меньшего размера – от 2 до 10 нм, тогда как кристаллические наночастицы фероксигита имели размер (35±20 нм). Как было показано при биотестировании данных препаратов, полиядерные аморфные комплекса обладали гораздо большей биодоступностью для растений по сравнению с кристаллическими частицами фероксигита. Соответствующие результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Journal of Agricultural and Food Chemistry (ACS). Стабилизацию наноразмерных частиц гуминовыми веществами изучали так же на модельном объекте – наночастицах золота. Данный материал был выбран вследствие наличия в литературе достоверно установленных и многократно проверенных констант, позволяющих проводить теоретические расчёты межчастичных взаимодействий нанокристаллов золота. Кроме того, наличие эффекта поверхностного плазмонного резонанса позволяет отслеживать изменение размера, формы и степени агрегации наночастиц золота в режиме реального времени с использованием метода спектрофотометрии. Были проведены синтезы образцов наночастиц золота (4 типа образцов) путём взаимодействия растворов гумата калия с HAuCl4 при температуре 70oC и различных значениях pH в диапазоне 3-9. Проведено детальное исследование механизма формирования сферических наночастиц золота при pH 7, показавшее наличие стадии роста наночастиц в агломерированном состоянии, так называемый, неклассический рост, который схематично изображен на Рис. 5.4. Использование ГВ для стабилизации наночастиц золота позволило получить продукт с уникальными свойствами – способностью редиспергироваться в водной среде после высушивания без изменения размера наночастиц. Данный препарат удобен для хранения и транспортировки и может быть легко растворён в водной среде с получением стабильного золя золота. Также были произведены теоретические расчёты, подтверждающие корректность предложенного механизма формирования наночастиц золота в присутствии ГВ. Детально результаты изложены в виде публикации в высокорейтинговом журнале Crystal Engineering Communication (RSC) (Polyakov et al. 2017) [6]. 6. Изучение поступления металлокомплексных и нанодисперсных форм железа и цинка, стабилизированных гуминовыми веществами, в растения, включая подбор оптимального типа подкормки: корневое или внекорневое внесение Для изучения поступления металлокомплексных и нанодисперсных форм железа и цинка использовали список препаратов, приведенный в Табл. 6.1. Указанный список включал 10 препаратов Fe-ГВ, полученных путем in situ синтеза наночастиц феригидрита в присутствии гуминовых макролигандов. Синтез проводили при различных рН – 8, 9, 12, различной концентрации гуминовых веществ и при различном соотношении Fe:ГВ для установления конечной концентрации в продукте 0.1, 1,0 и 10 мМ. В качестве положительного контроля использовали FeЭДТА. Биодоступность указанных препаратов изучали в условиях корневого внесения и внекорневой обработки – по листу. Для тестирования биодоступности препаратов цинка использовали шесть препаратов ZnГВ, синтезированных при различных рН: 3,5, 4,5, 7,5, 9, 11 и при рН 11, но с меньшим временем выдержки (Табл. 6.1). При этом было установлено, что препараты, синтезированные при рН 3,5 и 4,5 практически не растворялись в воде. Их тестирование выполняли в виде суспензии. В качестве положительного контроля использовали сульфат цинка. Для наиболее хорошо растворимого препарата – ZnГВ-9 изучали как корневое, так и внекорневое (листовое) внесение. Изучение поступления металлокомплексных и нанодисперсных форм железа и цинка, стабилизированных гуминовыми веществами, в растения изучали методом лабораторных вегетационных экспериментов. В качестве тест-культуры использовали растения пшеницы мягкой Triticum aestivum L., сорт L1. В качестве препаратов сравнения использовали Fe(III)-ЭДТА и ZnSO4 в экспериментах по поступлению железа или цинка соответственно. Для проведения экспериментов отбирали семена пшеницы и проводили их поверхностную стерилизацию 8% раствором Н2О2 в течение 30 мин с последующим промыванием тридистиллированной водой согласно [Nardi et al., 2000]. Далее семена помещали в чашки Петри для проращивания в термостат на 72 ч при 24ºС. Затем проростки пшеницы переносили в пластиковые сосуды с питательной средой Кнопа (г/л: KNO3 2,02, Ca(NO3)24H2O 0,12, Mg(NO3)26H2O 0,26, K2SO4 0,17, KH2PO4 0,14, CaSO42H2O 0,086) для дальнейшего выращивания в вегетационную камеру (фотопериод 12/12, освещение 200 лк). Замену раствора питательной среды проводили раз в неделю. Для оценки поступления препаратов через корни проростки в возрасте 21 дня переносили в пробирки объемом 15 мл (по 3 растения на пробирку, на 24 ч. Через 24 ч растения извлекали из пробирок, промывали корни трехкратно в тридистиллированной воде и отделяли побеги от корней (зерновку и 1,5 см нижней части побега удаляли). Корни и побеги взвешивали и сушили до постоянной массы. Определение содержания железа в корнях и побегах проводили методом ИСП-АЭМ. Повторность пятикратная. Результаты для 3-х железосодержащих препарата (Fe-ГВ8, Fe-ГВ9, Fe-ГВ11) в 2 концентрациях (0,1мМ, и 10мМ) представлены на Рис. 6.1. Для оценки внекорневого поступления препаратов проростки пшеницы в возрасте 18 сут. опрыскивали исследуемыми препаратами (5 мл на 15 растений) и помещали в вегетационную камеру для дальнейшего роста еще на 7 сут (Рис. 6.2а). В качестве адъюванта во все растворы добавляли мочевину в концентрации 0,2% (масс.). Через 7 сут. проводили десорбцию препаратов с поверхности побегов опусканием побегов в раствор синтанола (Brij 35) 0,01% (масс.) в 0,1% HCl с последующей двукратной промывкой в тридистиллированной воде согласно [Rodríguez-Lucena et al., 2010]. На каждые три растения использовали по 50 мл растворов для десорбции (рис. 6.2б). Затем побеги сушили в вегетационном шкафу до постоянной массы, взвешивали и определяли содержание железа или цинка в побегах методом ИСП-АЭС. Повторность пятикратная. Был испытан 1 железосодержащий препарат (Fe-ГВ9) в 2 концентрациях (1мМ и 10мМ) (Рис. 6.2в,г) Эксперименты по оценке биодоступности цинксодержащих препаратов на основе ГВ проводили в условиях, аналогичным описанным выше для препаратов железа. Результаты экспериментов для корневого внесения представлены для 1 цинксодержащего препарата (Zn-Hum-9) в концентрации 0,1мМ.на Рис. 6.3а,б. Листовое внесение проводили для этого же препарата - Zn-Hum-9 в концентрации 1мМ. Результаты представлены на Рис. 6.3в. Сравнительное тестирование биодоступности препаратов фероксигита железа, стабилизированного ГВ, (δ-FeOOH-HS) и полиядерных гидроксокомплексов железа(Ш) (Fe-HA), синтезированных в первый год выполнения проекта, было выполнено на растениях пшеницы с использованием водных культур в условиях железодефицитного хлороза. Содержание железа во всех испытуемых вариантах составляло 25 μM Fe. В качестве положительного контроля использовали FeЭДТА. Растения растили на среде с различными источниками железа в течение 7 дней, затем растения срезали, сушили до воздушно-сухой массы и определяли содержание железа в корнях и побегах, а так же и других элементов питания, методом ИСП АЭС. Для всех растений определяли эффективность фотосинтеза и липидный профиль. Полученные результаты в части накопления железа в корнях и побегах растений железа представлены на Рис. 6.4. Рисунок демонстрирует более высокую биодоступность нанодиспергированных полиядерных гидроксикомплексов железа с гуминовыми веществами по сравнению с наночастицами фероксигита. В качестве обяснения полученного результат предложен ситовой эффект клеточной станки растений, который исключает поступление частиц с размером > 20 нм. Так же менее кристалличные (более разупорядоченные) наночастицы более доступны для конкурентного комплексообразования сидерофорам. Полученные результаты приняты к публикации в Journal of Agricultural and Food Chemistry (Kulikova et al. 20170 [7]. Публикации по проекту 1. Zherebker, A., Yu. Kostyukevich, A. Kononikhin, O. Kharybin, A. I. Konstantinov, K. V. Zaitsev, E.N. Nikolaev, I.V. Perminova. Enumeration of carboxyl groups carried on individual components of humic systems using deuteromethylation and Fourier transform mass spectrometry. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2017, 409(9), 2477-2488 2. А.С. Кононихин, А. Я. Жеребкер, М. А. Казачков, А. С. Григорьев, Ю. И. Костюкевич, С. И. Пеков, К. В. Бочаров, И. А. Попов, И. В. Перминова, Е. Н. Николаев. Исследование молекулярного состава гуминовых веществ угля и торфа при помощи масс-спектрометрии высокого разрешения в условиях оптимального электрораспыления. Известия Российской академии наук. Энергетика, 2017, № 1. Стр. 107–114. 3. A. Zherebker, A. V. Turkova, Y. Kostyukevich, A. Kononikhin, K. V. Zaitsev, I. A. Popov, E. Nikolaev, and I. V. Perminova. Synthesis of carboxylated styrene polymer for internal calibration of fourier transform ion cyclotron resonance mass-spectrometry of humic substances. European Journal of Mass Spectrometry, 23(4):156–161, 2017. [ DOI ] 4. Pankratov D.A., Anuchina M.M., Borisova E.M., Volikov A.B., Konstantinov A.I., Perminova I.V. Sorption of Humic Substances on a Weakly Basic Anion-Exchange Resin: Relationship with the Adsorbate Structure. 2017. Russian Journal of Physical Chemistry A, 91, 1109-1115 5. V.A. Kholodov, E.Y. Milanovskiy, A.I. Konstantinov, Z. N. Tyugai, N.V. Yaroslavtseva, I.V. Perminova. Irreversible sorption of humic substances causes a decrease in wettability of clay surfaces as measured by a sessile drop contact angle method. Journal of Soils and Sediments. 2017, DOI 10.1007/s11368-016-1639-3 6. Polyakov, A.Yu., Lebedev, V.A., Shirshin, E.A., Rumyantsev, A.M., Volikov, A.B., Garshev, A.V., Goodilin, E.A., Perminova, I.V. Non-classical growth of water-redispersible spheroidal gold nanoparticles assisted by leonardite humate. Cryst. Eng. Comm. 2017 19, 876–886. 7. Kulikova, N.A., Polyakov, A.Yu., Lebedev, V.A.; Abroskin, D.P.; Volkov, D.S.; Pankratov, D.A.; Klein, O.I.; Senik, S.V.; Sorkina, T.A.; Garshev, A.V.; Veligzhanin, A.A.; Garcia Mina, J.M.; Perminova, I.V. Key roles of size and crystallinity of nanosized iron (hydr)oxides stabilized by humic substances in iron bioavailability to plants. Journal of Agricultural and Food Chemistry, Just Accepted Manuscript, DOI: 10.1021/acs.jafc.7b03955 8. Жеребкер А.Я. Изучение строения гуминовых веществ методами изотопного обмена и масс-спектрометрии. Автореферат диссертации на соискание... канд. хим. наук. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова. Москва, 2017. 1.4. Сведения о достигнутых конкретных научных результатах в отчетном году (до 5 стр.) 1.1. Исследование молекулярного строения СГС, выполненное с помощью спектроскопии ЯМР на ядрах 29Si, показало, что химия процесса описывается закономерностями, характерными для гидролиза и конденсации аминоорганосиланов в разбавленных водных растворах. В спектре ЯМР были зафиксированы структуры, образуемых силанолами, силандиолами и силантриолами (Рис. 1.1). Это хорошо согласуется с данными по кинетике образования СГС в водной среде, полученными ранее. Так, в кислых и щелочных условиях процесс конденсации ускоряется, что связано с катализом образования силоксановых связей. Принимая во внимание, что формирование силсесквиоксан-гуминовых систем происходит в результате образования полиэлектролитных комплексов между отрицательно заряженными карбоксильными группами ГВ и силсесквиоксановыми олигомерами, несущими положительно заряженные аминнные группы, было впервые выполнено определение содержания карбоксильных групп в индивидуальных компонентах ГВ. Разработанный подход основан на селективном дейтерометилировании карбоксильных групп ГВ в составе индивидуальных компонентов и их последующем анализе методом масс спектрометрии ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (МС ИЦР ПФ). (Рис. 1.2). Данный метод является единственным, позволяющим описать распределение карбоксильных групп по молекулярному пространству ГВ. Существенной методической проблемой при анализе ГВ торфа и угля является большой вклад неионогенных компонентов в их состав, который мешает регистрации качественного масс-спектра. Поэтому в рамках проекта были подобраны оптимальные условия электрораспыления, которые обеспечивают максимальную суммарную интенсивность пиков (Рис. 1.3). Регистрация масс-спектров ИЦР ПФ показала большой вклад конденсированных ароматических соединений в состав ГВ угля и углеводных компонентов - в состав торфяных ГВ. Для повышения правильности анализа при идентификации индивидуальных компонентов с различным содержанием карбоксильных групп, был выполнен синтез карбоксилсодержащего гуминоподобного стандарта, который представлял собой полимер стирола с фрагментом салициловой кислоты (Рис. 1.4). Полученный стандарт позволил провести калибровку на всем диапазоне значений m/z, типичных для ГВ. В результате удалось повысить количество идентифицируемых формул. Визуализация результатов определения количества СООН-групп на диаграмме Ван Кревелена показала, что молекулы с максимальным количеством карбоксильных групп лежат в области таннинов, тогда как минимальное количество карбоксильных групп наблюдалось для области лигнинов. Такая тенденция справедлива для всех исследованных ГВ. По данному этапу работы опубликованы две статьи в журналах, индексируемых Web of Science и/или Scopus: Analytical Bioanalytical Chemistry, European Journal of Mass-Spectrometry [1, 2], и одна – в РИНЦ: Известия РАН. Серия «Энергетика» [3]. Сорбционные свойства СГС исследовали с помощью построения сорбционных изотерм для СГС различного состава на силикагеле и глине. Исследование показало, что СГС способны эффективно сорбироваться на силикагеле (до 220 мг/ г), характер сорбции мономолекулярный. Результаты, полученные на глинах, аналогичны и характеризируют высокую сорбционную способность СГС по отношению к гидроксилсодержащим поверхностям. При этом СГС на основе торфяных ГВ показали сопоставимую с угольными ГВ сорбционную способность при высоких степенях модификации и лучшую способность - при меньшей. Торфяные ГВ могут быть более перспективны при необходимости уменьшать долю аминоорганосилана в составе СГС. Исследование коммерческих гуматов угля и торфа на предмет сорбционной способности на анионных смолах показало, что наилучшими свойствами обладал препарат гумата калия “Сахалинский” (Россия), получаемый из леонардита (CHS-K), тогда как препараты, полученные из торфа, оказались менее эффективными. Данный препарат был использован для масштабирования синтеза СГС. По указанному блоку работ опубликована статья в Журнале физической химии, индексируемом в базе цитирования Web of Science и РИНЦ [4]. Масштабирования синтеза СГС было проведено для системы гумат калия «Сахалинский» и 3-аминопропилтриэтоксисилан. Масштабирование синтеза выполняли для обеспечения возможности проведения полевых экспериментов. Изыскания по получению концентрата СГС с целью его разбавления до рабочей концентрации в полевых условиях показали, что концентрированные растворы СГС (100 г/л) характеризуются высокой скоростью загеливания (несколько минут). Поэтому оптимальным является приготовление растворов с концентрацией 10 г/л при рН 6, которые способны храниться в течение 24 часов до момента внесения. Масштабирование на большие объёмы не вызывало проблем. Получаемые в больших объёмах СГС (до 5 л) проявляли те же физико-химические свойства, что и получаемые в малых количествах лабораторные образцы. 2. Проведение массовых лабораторных экспериментов по внесению силоксан-гуминовых мелиорантов с использованием широкой выборки почв 2.1. Экспериментальный подбор дозы внесения СГС. Для выбора дозы внесения СГС проводили пять последовательных обработок дерново-подзолистой освоенной почвы (ПО) и оценивали влияние на содержание доступного азота, гумусное состояние и структурность почвы. Установлено, что внесение гуминовых препаратов (CHS-K и CHS-APTES100) в ПО почву приводило к повышению содержания доступного азота в 5 раз при однократном насыщении и в 15–18 раз - при пятикратном насыщении. По сравнению с N-NH4+, вклад N-NO3–был не значителен (5%) (рис. 2.1а). По-видимому, процессы нитрификации азота были более выражены при внесении CHS-K, чем для CHS-APTES100. Оценка гумусного состояния обрабатываемой почвы (табл. 2.1) показала, что отношение Сгк/Сфк не зависело от количества насыщений, но зависело от типа обработки (дист. вода, CHS-K или CHS-APTES100). Было установлено, что в контрольном варианте Сгк/Сфк составляло 0,62 (гуматно-фульватный тип гумуса), внесение CHS-K приводило к возрастанию до 1,14 (фульватно-гуматный тип гумуса), а CHS-APTES100 – до 0,77 (гуматно-фульватный тип гумуса). Таким образом, внесение мелиоранта на основе СГС приводило к достоверному возрастанию отношения Сгк/Сфк, но не обеспечивало смену типа гумуса в условиях дерново-подзолистой освоенной почвы. Количество устойчивых микроагрегатов в ПО почве значимо увеличилось при 3-х и более кратном насыщении CHS-APTES100 (рис. 2.1б), что соответствует дозе внесения 0,75% от массы почвы и выше. При начальном содержании ОС 1,83% обработка почвы CHS-APTES100 приводила к его возрастанию до 3,75–4,25%. Полученные результаты согласуются с гипотезой о том, что свойства ГВ как почвенного клея наиболее активно проявляются при содержании 4–5% [Антипов-Каратаев и др., 1948.]. Количество десорбируемого углерода возрастало при увеличении количества насыщений (табл. 2.1) до 190,9 и 161,2 мг ОС/кг для CHS-K и CHS-APTES100, соответственно. При этом водная вытяжка в случае CHS-APTES100 практически не имела окраски (рис. 2.1в) в отличие от CHS-K. Этот факт хорошо согласуется ростом отношения Сгк/Сфк и свидетельствует об обратимости сорбции CHS-K почвой. При насыщении почвы CHS-APTES100 было отмечено снижение коэффициента цветности с 2,2 до 0,3 (рис. 2.1г), что указывает на слабую обратимость сорбции CHS-APTES100 почвой. На основании полученных результатов для достижения максимальных эффектов в обрабатываемых почвах было выбрано количество насыщений равным 5. 2.2. Массовые эксперименты по внесению СГС в почвы зонального ряда. Исследованные почвы зонального ряда значительно различались по содержанию доступного азота (рис. 2.2а): минимальные значения наблюдались для каштановой освоенной почвы (КО) (7 мг/кг почвы), а максимальные – для чернозема выщелоченного целинного (339 мг/кг) (ЧвЦ). В целом, более высокое содержание подвижного азота отмечалось в целинных вариантах почв по сравнению с освоенными. Внесение как CHS-K, так и CHS-APTES100 приводило к увеличению содержания подвижного азота. Исключение составили почвы с исходно высоким содержанием азота (> 220 мг/кг). Во всех почвах внесение CHS-APTES100 приводило к повышению содержания азота в аммонийной форме (табл. 2.2). При внесении CHS-K была установлена значимая прямая взаимосвязь между общим содержанием доступного азота в почве и относительным содержанием доступного азота в форме нитратов (r2 = 0,78). По-видимому, скорость нитрификации азота, высвобождающегося из ГВ, может напрямую зависеть от количества нитрифицирующих бактерий.. Исследование влияния гуминовых мелиорантов на гумусное состояние (Сгк/Сфк) зональных почв различного использования показало, что вне зависимости от начальной величины Сгк/Сфк, для дерново-подзолистой почвы внесение гуминовых препаратов приводило к минимальным значениям этого показателя (0,7–1,1; табл. 2.2), для серых лесных почв 1,3–1,8, а для черноземов и каштановых почв достигало максимальных значений - 1,7–2,5. По-видимому, на величину Сгк/Сфк определяющее влияние оказывает минералогический состав илистой фракции исследуемых почв, который напрямую связан с сорбцией вносимых в почву ГВ. Так, в составе илистой фракции дерново-подзолистых почв основными компонентами являются иллит и каолинит, серых лесных почв – смектит и смешанные хлорит-смектитовые минералы; у черноземных и каштановых почв преобладают минералы монтмориллонитовой групп и гидрослюды. Эксперименты по сорбции ГВ угля на каолините и монтмориллоните показали, что на монтмориллоните сорбируется почти в три раза больше ГВ угля, чем на каолините: 50 и 18 мг ОС/г, соответственно. Это подтверждает предположение о ведущей роли глинистых минералов в связывании гуминовых веществ и, как следствие, в величине Сгк/Сфк обработанных CHS-K и CHS-APTES100 почв. Микроагрегатный состав почвы определяли методом лазерной дифракции. Внесение CHS-APTES100 увеличивало содержание крупных частиц с диаметром более >50 мкм (при Р = 95%), тогда как внесение CHS-K значимого влияния не оказывало. На основе данных микроагрегатного и гранулометрического анализа согласно [Воронин, 1986] рассчитывали степень агрегированности Ка как разность между содержанием частиц >50 мкм по данным микроагрегатного и гранулометрического анализа, отнесенную к содержанию частиц >50 мкм по результатам микроагрегатного анализа (рис. 2.2б). Рост этого показателя свидетельствует об улучшении агрегированности почвы и повышении устойчивости структуры к негативным воздействиям. Полученные результаты (рис. 2.2б) показали, что рост Ка наблюдается только в случае обработки СГС для почв сельскохозяйственного использования (освоенные почвы), тогда как гумат калия таким эффектом не обладал. Расчет средневзвешенного диаметра водоустойчивого агрегата, проведенный на основании мокрого просеивания образцов на наборе сит от 0,25 до 10 мм, показал, что во всех случаях внесение CHS-K и CHS-APTES100 приводило к его возрастанию в 1,1–2,3 раза (рис. 2.2в). Наименее выраженный эффект был на почве с максимальным размером агрегата (чернозем выщелоченный целинный, 1 мм), а наибольший эффект - на серой лесной освоенной почве с минимальным размером агрегата. Корреляционный анализ показал, что максимальный отклик с точки зрения структурообразующей способности для исследуемых СГС можно ожидать на почвах со средневзвешенным диаметром водоустойчивого агрегата менее 0,6 мм. При этом максимальный размер агрегата, который можно получить при обработке почвы исследуемым СГС, составляет 1,0–1,2 мм (рис. 2.2г). Оценка десорбции CHS-K и CHS-APTES100 после пятикратной обработки почв показала, что в случае дерново-подзолистых и серых лесных почв десорбция CHS-K более выражена, чем CHS-APTES100 (рис. 2.3а), тогда как в черноземах и каштановых почвах десорбция CHS-APTES100 была выше или не отличалось от CHS-K. Установлена корреляционная взаимосвязь с актуальной кислотностью почв (рис. 2.3б). Так, в почвах с повышенной кислотностью (рН 5,5–6,5) при росте рН наблюдали снижение десорбции, а в почвах с рН > 6,5, напротив, - увеличение десорбции. Обнаруженная зависимость может указывает на то, что наиболее эффективным действие СГС будет при рН почвы около 6,5. Коэффициенты поглощения водных вытяжек почв напрямую зависели от типа почвы (рис. 2.3в). Наименьшие значения были отмечены для черноземных почв (0,01–0,08), а максимальные – для каштановых почв (0,65–0,80). После обработки гуминовыми препаратами коэффициенты поглощения всегда были выше для почв, обработанных CHS-K по сравнению с CHS-APTES100 (рис. 2.3в). Полученные результаты могут указывать на преимущественно необратимое закрепление СГС на почвенных частицах. По данному блоку работ подготовлена статья в высокорейтинговый журнал Journal of Soils and Sediments. 3. Описание схемы и закладка мелкоделяночного полевого эксперимента. Полевой мелкоделяночный эксперимент проводили в Ботаническом саду МГУ. Мониторинг изменений в конструктоземе при обработке СГС в условиях меолкоделяночного эксперимента показал, что внесение гуминовых препаратов не оказало значимого влияния на содержание в почве подвижного азота в форме нитратов, но привело к возрастанию содержания подвижного азота в аммонийной форме (табл. 3.1). Показано отсутствие влияния внесения гуминовых препаратов на рН почвы в условиях микроделяночного эксперимента. Оценка десорбции вносимых мелиорантов показала (табл. 3.1) показала, что, взаимодействие CHS-K и CHS-APTES-100 с конструктоземом сходно с богатыми органическим углеродом почвами - черноземными и каштановыми, характеризующимися рН > 6,5. Количество десорбируемого углерода возрастало в ряду: контроль < почва, обработанная CHS-K < почва, обработанная CHS-APTES-100. Значения коэффициента экстинкции, рассчитанные для РОВ конструктозема, обработанного CHS-APTES-100, были ниже, чем для конструктозема, обработанного CHS-K. Аналогичная тенденция была нами ранее отмечена для зональных почв в условиях лабораторного эксперимента. 4. Оценка экологической безопасности силоксан-гуминовых комплексов. Под оценкой экологической безопасностью понимали оценку негативного воздействия, оказываемого разрабатываемыми мелиорантами на почвенную микрофлору и на растения. Влияние СГС на почвенную микрофлору оценивали по изменению СИД и пероксидазной активности. Эксперименты проводили на дерново-подзолистой освоенной почве, подвергавшейся пятикратной обработке CHS-K и CHS-APTES100. Исследуемая почва характеризовалась низкой биологической активностью: величина СИД не превышала 1 мкл СО2/г почвы  ч (рис. 4.1а). Обработка почвы CHS-K не влияла на СИД во всех дозах внесения, тогда как внесение CHS-APTES100 оказывало статистически достоверное положительное влияние на скорость СИД почвы при одно-, двук- и четырёхкратном внесениях (рис. 4.1а). Рост СИД в присутствии CHS-APTES100 может объяснить внесением дополнительного количества биодоступного азота, содержащегося в CHS-APTES100. Определение ферментативной активности показало, что активность пероксидазы (рис. 4.1б) зависела как от типа почвы, так и от типа гуминового препарата. Во всех образцах освоенных почв, за исключением каштановой, активность пероксидазы была выше, чем в целинных аналогах. По-видимому, в освоенных почвах идет активная деструкция органического вещества, тогда как в целинных наблюдается квазиравновесное состояние накопления–деструкции. Активность пероксидазы в почвах, обработанных CHS-APTES100, была ниже, чем в случае обработки CHS-K. Исключение составили целинные варианты чернозема выщелоченного и обыкновенного. Это может указывать на то, что внесение гумата калия не влияет на скорость деструкции почвенного органического вещества. Однако для проверки данного предположения необходимо проведение дополнительных экспериментов. Биотестирование на проростках пшеницы показало отсутствие токсичности как в условиях лабораторного эксперимента: водные вытяжки, полученных из всех типов зональных почв, 5-ти кратно обработанных СГС (рис. 4.2а и б), так и в условиях полевого микроделяночного эксперимента (рис. 4.3). Так как в условиях лабораторных экспериментов 5-кратная обработка соответствовала внесению CHS-APTES100 в количестве 1,25% от массы почвы, то можно говорить об отсутствии токсичности СГС вплоть до указанных доз внесения. При оценке влияния СГС при обработке по вегетации было установлено, что 4-х кратная обработка CHS-APTES100 приводила к значимому снижению массы лука. 5. Оптимизированные методики синтеза и характеристики комплексов и нанодисперсных форм цинка, стабилизированных в матрице гуминовых веществ. В работе было синтезировано шесть цинксодержащих препаратов на основе ГВ (5% в расчете на металлический Zn). При этом водорастворимыми оказались только препараты, синтезированные при рН > 7. Рентгенофазовый анализ (РФА) показал, что в во всех синтезированных препаратах не наблюдалось кристаллических фаз соединений цинка. Анализ методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с электронной дифракцией также показал отсутствие наноразмерных кристаллических включений в гуминовой матрице. Примеры микрофотографий и результатов электронной дифракции приведены на рис. 5.1а,б. Данные EXAFS на краю поглощения цинка показали, что локальное окружение атомов Zn в полученных препаратах с высокой точностью описывается первой координационной сферой из шести атомов кислорода. Вторая координационная сфера при этом слабо выражена, что может быть связано с разным окружением атомов цинка в препаратах. При этом наблюдали изменение формы спектра XANES в зависимости от значения pH синтеза, вызванные симметризацией локального окружения цинка. Спектры XANES и EXAFS исследуемых препаратов приведены на рис. 5.2а,б. Для сравнения приведены данные для части синтезированных стандартов — на рис. 5.2в. В случае стандартных препаратов – солей и оксидов цинка, соответствующих формам нахождения цинка в нейтральной и щелочной среде, наблюдалась выраженная вторая координационная сфера в окружении цинка. Таким образом, совокупность полученных результатов позволяет предполагать формирование хелатированных форм цинка в гумате. Помимо цинка, было проведено сравнительное исследование нанодисперсных форм железа, стабилизированного ГВ, в составе двух препаратов. Один из них представлял собой наночастицы фероксигита, полученные в присутствии низких концентраций гуминовых лигандов, тогда как второй был получен в избытке ГВ – условия, типичные для получения гуматов железа. Оценка размера наночастиц соединений железа и их кристалличности была выполнена методами РФА, ПЭМ, малоуглового рентгеновского рассеяния и мессбауэровской спектроскопии. Показано, что в образце фероксигита содержались пластинчатые частицы с диаметром (30-50) нм и толщиной (2-4) нм (рис.5.3а). Эти результаты согласуются с данными расчёта размеров областей когерентного рассеяния для фазы фероксигита по РФА, которые соответствуют пластинчатым частицам с диаметром (40-50) нм и толщиной (2.5-3,5) нм (Рис. 5.3б). При этом в рентгеноаморфном препарате гумата железа (FeHA), методом ПЭМ было показано наличие наноразмерных включений с размером не более 10 нм (рис. 5.3в). Использование энергетической фильтрации электронов позволило картировать пространственное распределение железа (рис. 5.3г) и подтвердить соответствие включений железосодержащей фазе. Размер частиц в составе данного препарата по данным МУРР составлял 4-8 нм, что хорошо согласовалось с данными ПЭМ. Был сделан вывод, что данный препарат содержит наночастицы полиядерных гидрксокомплексов железа(Ш). Наблюдаемые различия в размере и кристалличности железосодержащих частиц позволили предложить механизмы стабилизации в составе гуминовой матрицы (рис. 5.4а). Установленное существенное различие двух исследованных препаратов по размеру и кристалличности оказалось особенно важно для понимания различий в биодоступности для растений, как описано в п.6. Механизм образования и стабилизации наночастиц металлов в среде гуминовых веществ был более углубленно исследован на примере формирования наночастиц золота, В результате была предложена модель, объясняющая как коллоидную устойчивость наночастиц в присутствии ГВ, так и возможность их редиспергирования в водной среде после высушивания. Согласно данной модели гуминовые макролиганды образуют устойчивый адсорбционный слой на поверхности наночастиц золота (или других металлов), который из-за многоточечного связывания не удаляется с поверхности в процессе лиофильной сушки наночастиц, обеспечивая их стерическое экранирование и устойчивость к процессам агрегации (рис. 5.4б). Подобное свойство для наночастиц золота до нашей работы достигалось лишь с использованием дорогостоящих и/или токсичных синтетических стабилизаторов. Исследование этого процесса не только углубило понимание механизмов формирования коллоидно устойчивых суспензий наночастиц металлов и оксидов металлов в присутствии ГВ, но и позволило охарактеризовать окислительно-восстановительные взаимодействия между гуматами и ионами переходных металлов с помощью МСИЦР ПФ. Полученные результаты были опубликованы в высокорейтинговом журнале: Crystal Engineering Communication [6]. 6. Поступление железа и цинка, стабилизированных ГВ, в растения. Для изучения поступления металлокомплексных и нанодисперсных форм железа и цинка использовали список из 16 препаратов, приведенный в Табл. 6.1. Указанный список включал 10 препаратов Fe-ГВ и 6 препаратов ZnГВ при различных рН и отношениях металл:ГВ. Установлено, что в условиях корневого внесения при минимальной концентрации 0,1мМ Fe исследованные препараты Fe-ГВ адсорбировались преимущественно на корнях и не поступали в надземную часть растений (рис. 6.1а,б). При оценке возможности поступления железа в побеги при корневой обработке при более высокой концентрации (10мМ) были получены аналогичные результаты (рис. 6.1в,г). Поэтому был разработан метод внекорневой подкормки, где в качестве адъюванта использовали мочевину (Рис. 6.2а,б). Было установлено, что при опрыскивании побегов пшеницы Fe-ГВ9 в концентрации 1мМ происходит поступление железа в побеги в концентрациях, превышающих не только контрольные значения (опрыскивали водой), а но и обработку Fe-ЭДТА (рис. 6.2в). Повышение концентрации в растворах для опрыскивания до 10мМ привело к увеличению обнаруживаемого в побегах железа (рис. 6.2г). Это указывает на перспективность внесения железогуминовых препаратов как микроудобрений для внекорневых подкормок. В случае цинкогуминового препарата Zn-Hum-9 поступление цинка в побеги наблюдалось на уровне сульфата цинка как при корневом, так и при листовом внесении (Рис. 6.3а-в). Полученные результаты указывают на то, что присутствие ГВ не влияло существенно на биодоступность Zn, хотя результаты физико-химических методов указывают на его существование в хелатной форме в присутствии ГВ. На следующей стадии проекта будет проведено изучение поступления ZnГВ в сравнении с ZnЭДТА. На заключительной стадии этапа была исследована биодоступность наночастиц фероксигита, стабилизированного ГВ, по сравнению с наночастицами полиядерных клмпдексов железа, диспергированных в матрице ГВ. Было показано, что более крупные и кристалличные частицы фероксигита не поступали в побеги растений, тогда как железосодержащие комплексы поступали на уровне FeЭДТА. Сделан вывод о принципиальной важности размера и кристалличности наночастиц для синтеза биодоступных наночастиц: они должны быть разупорядочены и иметь размеры <20 нм. Этот вывод весьма важен для синтеза наноудобрений. По данному этапу подготовлена публикация, которая получила разрешение на опубликование в высокорейтинговом журнале Journal of Agricultural and Food Chemistry [7]. Публикации по проекту 1. Zherebker, A., Yu. Kostyukevich, A. Kononikhin, O. Kharybin, A. I. Konstantinov, K. V. Zaitsev, E.N. Nikolaev, I.V. Perminova. Enumeration of carboxyl groups carried on individual components of humic systems using deuteromethylation and Fourier transform mass spectrometry. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2017, 409, 2477-2488 2. А.С. Кононихин, А. Я. Жеребкер, М. А. Казачков, А. С. Григорьев, Ю. И. Костюкевич, С. И. Пеков, К. В. Бочаров, И. А. Попов, И. В. Перминова, Е. Н. Николаев. Исследование молекулярного состава гуминовых веществ угля и торфа при помощи масс-спектрометрии высокого разрешения в условиях оптимального электрораспыления. Известия РАН. Энергетика, 2017, № 1. Стр. 107–114. 3. A. Zherebker, A. V. Turkova, Y. Kostyukevich, A. Kononikhin, K. V. Zaitsev, I. A. Popov, E. Nikolaev, and I. V. Perminova. Synthesis of carboxylated styrene polymer for internal calibration of fourier transform ion cyclotron resonance mass-spectrometry of humic substances. European Journal of Mass Spectrometry, 2017, 23, 156–161 4. Pankratov D.A., Anuchina M.M., Borisova E.M., Volikov A.B., Konstantinov A.I., Perminova I.V. Sorption of Humic Substances on a Weakly Basic Anion-Exchange Resin: Relationship with the Adsorbate Structure. Russian Journal of Physical Chemistry A, 2017. 91, 1109-1115 5. V.A. Kholodov, E.Y. Milanovskiy, A.I. Konstantinov, Z. N. Tyugai, N.V. Yaroslavtseva, I.V. Perminova. Irreversible sorption of humic substances causes a decrease in wettability of clay surfaces as measured by a sessile drop contact angle method. Journal of Soils and Sediments. 2017 DOI 10.1007/s11368-016-1639-3 6. Polyakov, A.Yu., Lebedev, V.A., Shirshin, E.A., Rumyantsev, A.M., Volikov, A.B., Garshev, A.V., Goodilin, E.A., Perminova, I.V. Non-classical growth of water-redispersible spheroidal gold nanoparticles assisted by leonardite humate. Cryst. Eng. Comm. 2017 19, 876–886. 7. Kulikova, N.A., Polyakov, A.Yu., Lebedev, V.A.; Abroskin, D.P.; Volkov, D.S.; Pankratov, D.A.; Klein, O.I.; Senik, S.V.; Sorkina, T.A.; Garshev, A.V.; Veligzhanin, A.A.; Garcia Mina, J.M.; Perminova, I.V. Key roles of size and crystallinity of nanosized iron (hydr)oxides stabilized by humic substances in iron bioavailability to plants. Journal of Agricultural and Food Chemistry (accepted). 8. Жеребкер А.Я. Изучение строения гуминовых веществ методами изотопного обмена и масс-спектрометрии. Автореферат диссертации на соискание... канд. хим. наук. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова. Москва, 2017. 1.5. Описание выполненных в отчетном году работ и полученных научных результатов для публикации на сайте РНФ (до 3-х страниц текста) К числу основных задач, которые удалось решить во второй год выполнения проекта, относятся следующие: 1) дальнейшее развитие получила концепция направленного синтеза высокоэффективных зеленых агрохимикатов на основе гуминового сырья, а именно, почвенных мелиорантов на основе силсесквиоксан-гуминовых систем и микроудобрений на основе комплексных и нанодиспергированных форм биогенных металлов (на примере железа и цинка), стабилизированных в матрице гуминовых веществ. Эту задачу удалось выполнить за счет широкого привлечения современных методов физико-химического инструментального анализа как для изучения молекулярной организации кремнийорганической матрицы силсесквиоксан-гуминовых систем, так и для установления форм существования металлов, размеров наночастиц и степени их кристалличности в составе гуминовых матриц. Впервые с помощью спектроскопии ЯМР на ядрах 29Si получены подтверждения присутствия силанолов, силандиолов и силантриолов в составе силоксан-гуминовых систем в пропорциях, присущих продуктам гидролиза 3-аминопропил¬триэтоксисилана (АПТЭС) в разбавленных растворах. Это согласуется с установленными на первом этапе исследований кинетическими закономерностями изменения фрактального размера частиц в среде силоксан-гуминовых систем, которые полностью соответствовали химизму гидролиза и конденсации органосиланов. Полученный результат важен для прогноза поведения данной системы при контакте с неорганическими поверхностями. Принимая во внимание, что начальным актом взаимодействия отрицательно заряженных гуминовых лигандов с гидролизованными аминоорганосиланами является образование полиэлектролитных комплексов, то особую важность имеет так же впервые разработанный в рамках проекта подход к определению распределения карбоксильных групп по индивидуальным компонентам молекулярного ансамбля гуминовых веществ. Это стало возможным благодаря использованию селективной модификации карбоксильных групп методом дейтерометилирования с последующим определением их количества в составе стехиометрий, отвечающих каждому пику в масс-спектре, полученному методом масс пектрометрии ионно-циклотронного резонанса (МСИЦР ПФ). В результате впервые удалось показать, что в составе гуминовых веществ угля гораздо больше карбоксилсодержащих компонентов по сравнению с торфами: в ГВ угля наблюдается максимальное количество стехиометрий, несущих две карбоксильные группы, в торфе – одну. Это подтверждает предпочтительность использования угля для формирования плотно-сшитых систем. В то же время при необходимости создания рыхлых и сильно набухающих силоксаг-гуминовых систем использование ГВ торфа может быть гораздо более выгодным. Выполнен так же большой методический блок по оптимизации электрораспыления для наиболее полной ионизации ГВ торфа и угля, а так же синтезирован карбоксилсодержащий стандарт для калибровки масс-спектрометра ИЦР ПФ. Данный блок работ опубликован в трех профильных журналах (Analytical and Bioanalytical Chemistry, European Journal of Mass-Spectrometry, Известия РАН. Серия «Энергетика») и защищен в кандидатской диссертации участника проекта – А.Я. Жеребкера. С помощью сорбционных экспериментов показано, что физико-химические свойства СГС определяются активной силанольной группой, входящей в их состав. Показана эффективность сорбции СГС на различных гидроксилсодержащих поверхностях, максимальная сорбция составляет до 220 мг на 1 г сорбента. Оценка сорбционных свойств коммерчески доступных гуматов угля и торфа на анионитах так же подтвердила большую перспективность использования гуматов угля, что согласуется с данными МС ИЦР ПФ. Выполнено масштабирование синтеза на основе гумата угля и 3-аминопропилтриэтокси¬силана. Оптимальная концентрация для приготовления препаратов перед внесением составила 10 г/л. По данному блоку работ опубликована статья в Журнале физической химии. 2) Получена широкая фактологическая база по комплексной оценке эффекта разработанных силоксан-гуминовых мелиорантов на свойства почв различной зональности и типа сельскохозяйственного использования при различных дозах внесения. На почвах 4-х генетических типов (дерново-подзолистая, серая лесная, чернозем (выщелоченный и обыкновенный) и каштановая почва) и двух типов использования (целинные и освоенные) показано, что силоксан-гуминовые системы (СГС) на основе ГВ угля обладают свойствами комплексных мелиорантов, так как положительно влияют на почвенную структуру, содержание подвижных форм азота и биологическую активность. В частности, показано, что: – внесение СГС приводит к улучшению почвенной структуры на макроуровне за счет образования водоустойчивых агрегатов со средневзвешенным диаметром до 1,0–1,2 мм; – максимальная эффективность СГС наблюдается на почвах со средневзвешенным диаметром водоустойчивого агрегата менее 0,6 мм; – улучшение агрегированности почв на микроуровне при внесении СГС наблюдается в случае почв, вовлеченных в сельскохозяйственный оборот; – в зависимости от количества обработок и типа почвы, при внесении ГВ угля и СГС на их основе наблюдается увеличение количества доступного азота в 1,1–18,0 раз, представленного, главным образом, азотом в аммонийной форме. На почвах с высоким содержанием подвижного азота (более 210 мг/кг) внесение ГВ угля и СГС на их основе не приводит к статистически значимому возрастанию количества доступного азота; – на почвах с гуматно-фульватным типом гумуса (Сгк/Сфк < 1) внесение СГС приводит к возрастанию показателя Сгк/Сфк; – внесение СГС приводит к возрастанию биологической активности почв, оцениваемой по субстрат-индуцированному дыханию; – показано, что СГС сорбируется почвой преимущественно необратимо; – внесение СГС приводит к уменьшению пероксидазной активности почвы, что может косвенно указывать на снижение скорости деструкции почвенного органического вещества. Найдены следующие условия, обеспечивающие максимальную эффективность СГС: – для образования устойчивых микроагрегатов в почве необходимо вносить СГС в количестве не менее 0,75% от массы почвы, т.е. проводить не менее трёх обработок почвы; – наибольшую эффективность СГС можно ожидать при рН почвы около 6,5, так как в этих условиях наблюдается максимальная сорбция СГС почвой. Оценка токсичности СГС показала, что они не токсичны для высших растений при почвенном внесении до 1,25% от массы почвы, однако могут негативно влиять на растения при многократных обработках (4 и более) по вегетации в высокой концентрации (10 г/л). Полученные результаты по отсутствию негативного воздействия силоксан-гуминовых систем на почвенную микрофлору и высшие растения в варианте корневого внесения позволяют сделать вывод об экологической безопасности их применения в качестве почвенных мелиорантов вплоть до высоких доз внесения – вплоть до 1,25% от массы почвы. По данному блоку работ опубликована статья в журнале Journal of Soils and Sediments. 3) Для выявления физико-химических параметров, которые в наибольшей степени влияют на биодоступность наноразмерных форм биогенных металлов, стабилизированных в матрице ГВ, было выполнено углубленное физико-химическое исследование двух синтезированных препаратов нано(гидр)оксидов железа, для которых было установлено существенное различие в биодоступности для растений пшеницы в условиях хлороза. При постановке данного исследования была сформулирована гипотеза, что наблюдаемые различия обусловлены размером частиц и их кристалличностью. Для получения соответствующих данных был привлечен комплекс методов и оборудования, используемого для исследования наноматериалов в Центре коллективного пользования ФНМ МГУ (Программа Развитие МГУ) и Курчатовском комплексе синхротронно-нейтронных исследований (НИЦ «Курчатовский институт»), включая просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения с энергетической фильтрацией, методы электронной дифракции, синхротронные рентгеновские методы (малоугловое рентгеновское рассеяние), а так же Мессбауэровскую спектроскопию. В результате было установлено, что железосодержащие частицы в препарате фероксигита, стабилизированного ГВ, имели размер в диаметре 20-40 нм и поперечный размер 2-4 нм, тогда как второй препарат представлял собой полиядерные комплексы оксогидроксидов железа(Ш) с гораздо меньшими размерами – 4-8 нм, с кристаллических включениями с размерами, не превышающими 11 нм. Этот препарат был практически полностью рентгеноаморфным в отличие от хорошо окристалиизованных частиц фероксигита. Полученные данные хорошо согласуются с литературными данными о наличии «ситового» эффекта у клеточной стенки растений, которая работает по принципу стерической эксклюзии для частиц с размерами > 20 нм. В то же время кристалличность может иметь принципиальное значение для конкурентного комплексообразования, в которое вступают за ионы железа сидерофоры растений. Данные результаты принципиальны для синтеза «наноудобрений», так как помогают определиться в выборе синтетической стратегии. В продолжение указанных исследований синтезирован целый ряд наночастиц феригидрита, стабилизированного ГВ. Изучена биодоступность наночастиц феригидрита при корневом и внекорневом внесении на растениях пшеницы. Как и в случае фероксигита, показана высокая сорбция на корнях наночастиц феригидрита, которая препятствовала их поступлению в побеги. Весьма примечательно, что тот же самый препарат наночастиц феригидрита показал высокую биодоступность при внекорневом внесении: его накопление в побегах пшеницы превосходило синтетический хелат железа – FeЭДТА. Следовательно, разрабатываемые формы железогуминовых препаратов могут быть перспективными при их использовании в качестве микроудобрений. В настоящее время проводится аналогичный блок экспериментов для цинксодержащих препаратов, который имеет своей целью создание комплексных микроудобрений на основе гуминовых веществ. Показано, что в случае цинксодержащих препаратов не происходит формирования кристаллических фаз, характерных для цинка в нейтральной и щелочной средах, что, по всей видимости, связано с формированием устойчивых хелатов. Это позволяет получать растворимые цинксодержащие препараты с нейтральным и щелочным значением pH. С использованием модельного объекта — наночастиц золота — показана высокая перспективность использования гуминовых веществ в качестве стабилизаторов наночастиц. В частности, показана возможность редиспергирования наночастиц после высушивания. Кроме того, проведено подробное исследование механизма формирования наночастиц золота в присутствии гуминовых веществ По данному блоку работ опубликованы 2 статьи в журналах Journal of Agricultural and Food Chemistry (ACS) и Crystal Engineering Communication (RSC).
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Разработка научно-практических основ применения силоксан-гуминовых комплексов для управления гумусным состоянием почв и разработка микроудобрений на основе гуминовых веществ
Результаты этапа: 1. Выполнено исследование молекулярного и структурно-группового состава полиэлектролитных комплексов АПТЭС-ГВ, которое показало ведущую роль поликарбоксильных компонентов в формировании силсесквиоксан-гуминовых систем (СГС). СГС показали оптимальные свойства как почвенные мелиоранты при внесении в конструктозем в условиях полевого эксперимента. Вывод о механизме формирования важен для теоретического обоснования пределов эффективности силсесквиоксан-гуминовых систем. Так, по данным масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения для фракций ГВ, различающихся по силе входящих в их состав кислотных компонентов, показано закономерное изменение их положения на диаграмме Ван Кревелена. Предпринятое фракционирование позволило провести картирование диаграммы Ван Кревелена по положению молекулярных компонентов с различным рК и определить структурный тип кислотных компонентов, что было использовано при интерпретации аналогичных данных для комплексов АПТЭС-ГВ. Так, масс-спектрометрическое исследование комплексов АПТЭС-ГВ показало исчезновение высокоокисленных поликарбоксильных компонентов, отчетливо видных на диаграммах Ван Кревелена в составе исходных ГВ. В то же время в составе АПТЭС-ГВ появились новые, более насыщенные и менее окисленные компоненты. На основании данной информации высказано предположение о том, что основным механизмом взаимодействия ГВ с АПТЭС является образование комплексов с поликарбоксильными компонентами. Поэтому основное значение для скорости формирования комплексов АПТЭС-ГВ имеет каталитическая активность гуминовых веществ, которая тем выше, чем выше вклад карбоксилсодержащих компонентов. Поэтому при внесении АПТЭС-ГВ угля, богатых фенольными компонентами, в почву могут иметь место конкурентные взаимодействия с более кислыми соединениями в составе лабильного пула почвенного ОВ: например, ФК и растворенным органическим веществом (РОВ). Полученные результаты указывают, что дальнейшим развитием работ по получению кремнийсодержащих мелиорантов могло бы стать получение и применение полиэлектролитных комплексов АПТЭС с фульвокислотами. 2. Обработаны данные массовых лабораторных экспериментов по изменению гумусного состояния и структуре почв зонального ряда в результате внесения силсесквиоксан-гуминовых мелиорантов. Показан положительный эффект внесения СГС на 8 из 9 испытанных почв. Наименее отзывчиво почвой оказался чернозем выщелоченный целинный с содержанием органического углерода > 6%. Статистический анализ данных по влиянию силсесквиоксан-гуминовых систем (СГС) на свойства 27 образцов 9 почв из различных почвенно-географических зон показал, что восемь из девяти исследованных почв были отзывчивы ко внесению СГС. При этом единственной не отзывчивой почвой оказался чернозем выщелоченный целинный с содержанием органического углерода >6%. Именно с этим фактором, по-видимому, и связана низкая отзывчивость данной почвы к внесению СГС. Поэтому можно ожидать, что внесение СГС с целью улучшения структуры будет малоэффективным в почвах с содержанием органического углерода более 6%. К факторам, которые снижают структурообразующую эффективность СГС, были так же отнесены высокие значения рН, при которых снижается сорбция СГС на почвенных частицах, и содержание подвижного калия, отражающее присутствие в коллоидной фракции почв слюдистых минералов типа биотита и мусковита. Максимальный положительный эффект от внесения СГС проявлялся на макроуровне, способствуя увеличению количества макроагрегатов. На микроуровне внесение СГС способствовало возрастанию содержания фракции 50–250 мкм и снижению фракции <50 мкм. Оценка значимости влияния физико-химических характеристик почв на проявляемую на них эффективность действия СГС с помощью множественной пошаговой регрессии с обратным исключением показала, что в большинстве случаев значимыми факторами являются (в порядке уменьшения эффекта): содержание биофильных элементов, содержание и СВД водоустойчивых агрегатов и содержание фракций пыли и песка. При оценке изменения почвенного органического вещества путем пиролиза с последующим разделением и определением продуктов пиролиза газовой хроматографии с масс-детекцией показано, что внесение СГС обогащает почву органическим азотом и увеличивает долю азота в стабильных соединениях. 3. Применение полученного массива данных для сравнения предложенных методик прецизионного определения степени гумификации и гумусного состояния почв с традиционными Разработанная методика прецизионного определения степени гумификации гуминовых веществ и гумусного состояния почв основана на получении количественной информации о вкладе атомов водорода разных структурных групп в состав ГВ с целью расчета параметра CHn/-CHn. Данный параметр отражает преобладание длинноцепочечных алифатических структур (CHn).по сравнению с короткоцепочечными мостиковыми структурами (-CHn,), находящимися в -положение к донорно-акцепторным группам (таким как карбонил, карбоксильная группа или ароматическое кольцо). Традиционным способом оценки данного параметра является измерение отношения оптического поглощения образца при двух длинах волн – 465 нм и 650 нм, предложенный М.М. Кононовой. Достоинством метода, основанного на использовании спектроскопии ПМР, является гораздо более очевидный структурный смыл, что позволяет характеризовать структурные закономерности трансформации почвенного органического вещества, в том числе, в результате обработки силоксан-гуминовыми мелиорантами. Для подтверждения правомочности использования предложенного параметра гумификации было выполнено исследование на ряде образцов ГВ с заведомо различной степени гумификации с использованием методов спектросокпии ПМР, УФ-видимой спектросокпии и месс спектроскопии ИЦРПФ. Установлена значимая корреляционная взаимосвязь медлу предложенным структурным параметром гумификации (CHn/-CHn) и (Е4/Е6). Оба показателя степени гумификации были использованы для характеристики органического вещества конструктозема, обработанного силсесквиоксан-гуминовыми комплексами. При этом для характеристики степени гумификации почвенного ОВ использовали еще один метод - инструментальное определения параметра гумусного состояния почв – Сгк/Сфк, основанное на определении органического углерода с помощью автоматического анализатора. Все способы оценки степени гумификации показали возрастание индекса гумификации органического вещества конструктозема в результате обработки комплексами АПТЭС-ГВ, что указывает на перспективность разработанных в проекте мелиорантов и способа обработки почв. 4. Обработка данных полевого эксперимента по влиянию силоксан-гуминовых комплексов на гумусное состояние, структуру и микробиологическую активность почв. Выработка рекомендаций по применению силоксан-гуминовых систем Оценка влияния СГС на основные параметры структуры конструктозема в условиях полевого микроделяночного эксперимента показала, что исследуемые СГС в выбранных условиях обладают положительным последействием на почвенную структуру на макроуровне в течение, как минимум, 1 года. Средние значения содержания Сорг и N превышали контрольные и через 2 мес., и через год после внесения СГС. Аналогичная ситуация наблюдалась в отношении показателей гумусного состояния почв, таких как Сгк, Сфк и Сгк/Сфк. Это указывает на существование тенденции положительного влияния СГС на перечисленные показатели и косвенно подтверждается снижением активности пероксидазы в почве, обработанной СГС. Сделан вывод о необходимости проведения полевых испытаний СГС с большим количеством повторностей, целью которых будет оценка влияния СГС на скорость трансформации почвенного гумуса. 5. Разработка теоретических и практических основ получения и применения биодоступных нанодисперсных форм микроэлеметов в составе гуминовых матриц как «зеленой» альтернативы синтетическим хелатам На основании экспериментов с препаратами нано(гидр)оксокомплексов железа, стабилизированных ГВ, для приготовления которых использовали 57Fe, впервые удалось инструментально подтвердить поступление 57Fe из данных препаратов («наноудобрений») в растение в течение всего жизненного цикла: Так, 57Fe был обнаружен в бобах сои, выращенной до стадии плодоношения на известковой почве, где в качестве источника железа использовали синтезированные в рамках проекта препараты разупорядоченного феригидрита с размерами частиц < 5 нм, стабилизированного ГВ. Возможность замедленного поглощения нанодисперсных форм железа, стабилизированных гуминовыми веществами, из твердого субстрата была так же продемонстрирована для растений пшеницы. Установлено, что при одинаковом начальном содержании железа в субстрате в побегах растений, выращенных в присутствии Fe-ЭДТА, обнаруживается в 4 раза больше железа, чем в растениях, выращенных в присутствии нанодисперсных форм железа, стабилизированных гуминовыми веществами. Результаты данных экспериментов позволяют рассматривать нано(гидр)оксиды железа, стабилизированные ГВ, как удобрения замедленного высвобождения, которые в варианте корневой подкормки могут создавать «депо» доступного железа в почве. Исследовано поступление в растения препаратов нанодисперсных форм железа, стабилизированных гуминовыми веществами, в растения пшеницы при внекорневой подкормке. Было установлено, что в условиях внекорневой подкормки из железосодержащего препарата с ГВ железо поступает более эффективно, чем из препарата Fe-ЭДТА, использованного как контроль. Путем прямого эксперимента продемонстрировано, что наблюдаемый эффект обусловлен поверхностно-активными свойствами гуминовых веществ, обеспечивающих лучшее смачивание поверхности листа. 6. Обобщение разработанных подходов и методов по теории и практике «зеленых» агротехнологий Важным концептуальным результатом проекта стало обобщение разработанных подходов и методов в рамках приглашенной статьи в специальный выпуск журнала Pure and Applied Chemistry (PUC) по материалам работ 7-го конгресса Международного общества чистой и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) по «зеленой» химии. Статья основана на материалах, представленных на конгрессе в пленарном докладе руководителя проекта – Перминовой И.В., где были изложены основные теоретические подходы и экспериментальные результаты, полученные в ходе выполнения проекта РНФ. В статье изложена концепция экоадаптивной химии, которая наилучшим образом описывает разработку новых материалов, процессов и технологий, основанных на изучении природных процессов самоорганизации, самоочищения и поддержания экосистемного равновесия. Для демонстрации жизнеспособности данной концепции участниками проекта был обработан и обобщен экспериментальный материал по получению и применению силсесквиоксан-гуминовых систем и гуминовых микроудобрений для улучшения гумусного состояния и структуры почв и условий питания растений. В целях развития данной общей концепции в проекте были так же выполнены рекогносцировочные исследования в области изучения биологической активности лигнинных прекурсоров, модифицированных и фракционированных гуминовых веществ. Полученные результаты показали политаргетность действия гуминовых компонентов, что определяет перспективность их применения для разработки биостимуляторов, элиситоров и ингибиторов бета-лактамаз. Указанные продукты могут продолжить линейку агрохимикатов, разработанных в рамках данного проекта, направленного на получение мелиорантов и наноудобрений.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".