Вопрос о происхождении азотсодержащих гуминовых кислот

25.08.2012

По вопросу о происхождении азотсодержащих гуминовых кислот имеется несколько точек зрения.
Первая из них основана на сходстве продуктов гидролиза гуминовой кислоты с продуктами распада белков и состоит в предположении, что гуминовая кислота представляет собой своеобразный комплекс безазотистого ядра с белком. Относительно характера этой связи мнения расходятся: некоторые оставляют вопрос открытым или считают белок за примесь, другие предполагают возможность связи по типу взаимной конденсации белков с дубильными веществами, третьи рассматривают гуминовые вещества как лигнино-протеиновые комплексы, тогда как четвертые считают возможным присоединение белка к гуминовой кислоте благодаря наличию в последней карбонильных и гидроксильных групп.
Предположению, рассматривающему белок, как примесь, противоречит высокая устойчивость значительной части азота гуминовой кислоты к гидролизу, так как процент негидролизуемого азота в гуминовой кислоте в несколько раз выше обычного процента негидролизуемого остатка белков.
Относительно реакций взаимного осаждения белков с дубильными веществами и лигнином мы уже отмечали, что благодаря способности дубильных веществ и лигнина к реакциям окисления и уплотнения в почве мы имеем дело с измененными, именно с гумифицированными продуктами этих веществ, и, таким образом, предположения о связи белковых веществ с дубильными веществами и с лигнином не решают вопроса о связи белков с гуминовой кислотой в почве.
Предположение об образовании гуминовых веществ путем реакции лигнина с протеином было высказано Дегереном и в настоящее время горячо защищается Ваксманом на основании синтетических опытов получения искусственных лигнопротеинатов из щелочных растворов лигнина (т. е. собственно уже лигниновых кислот) и протеинов путем осаждения их смесей при подкислении. Полученные осадки обнаруживали ряд общих свойств с естественными гуминовыми кислотами, а именно: растворимость в щелочи, осаждение при подкислении, довольно высокую обменную способность к основаниям (однако более низкую, чем у естественных гуминовых кислот) и устойчивость к разложению микроорганизмами; в отличие от естественных гуминовых кислот, они, однако, значительно растворялись в ацетил-бромиде. На основании этих общих свойств Ваксман выдвинул взгляд, что гуминовые кислоты представляют собой комплексы лигнина с протеинами.
В работах Ваксмана, однако, отсутствуют данные элементарного анализа и исследования поведения белка в искусственных лигнопротеинатах при кислом гидролизе, поэтому отождествлять эти комплексы с естественными гуминовыми кислотами пока нет оснований. А значительно более высокая окисленность гуминовых веществ по сравнению с лигнином (и с растительными белками) прямо противоречит взгляду Ваксмана.
Во всяком случае, если такие комплексы и образуются в природе, то для превращения их в гуминовые кислоты необходимы еще глубокие реакции окисления и уплотнения, которые характерны для образования гуминовых веществ.
Относительно характера возможной связи лигнина с протеинами Ваксман высказывает предположение, что при взаимодействии лигнина и белка происходит реакция конденсации между карбонильной группой лигнина и группой NH2 аминокислот белка (по типу образования оснований. Шиффа):

Выше мы видели, что и гуминовые кислоты также содержат карбонильную группу; поэтому предполагаемая Ваксманом реакция одинаково возможна и для гуминовых кислот.
Кроме указанной реакции с карбонильной группой, аминокислоты могут, вероятно, давать продукты конденсации путем присоединения через группу NH2 к гидроксильным группам гуминовой кислоты по типу реакции образования иминокислот, на которую указал Стадников. Дальнейшие реакции иминокислот с соединениями, имеющими карбоксильные и гидроксильные группы, указываются Драгуновым.
Во всех этих реакциях присоединение протеиновой молекулы к гуминовой кислоте обязано наличию групп NH2 в остатках аминокислот, из которых состоит белковая молекула. Отсюда вполне естественно вытекает вторая точка зрения на происхождение азотсодержащих гуминовых кислот, которая состоит в предположении, что к гуминовой кислоте присоединяется не протеин как таковой (или не только протеин), а продукты его распада, т. е. аминокислоты. Это предположение высказано Драгуновым, и в пользу его можно привести целый ряд данных. Оно прежде всего не находится в противоречии с результатами кислого гидролиза, так как отщепляемые аминокислоты, являясь продуктами распада белков растительного и микробного происхождения, очевидно, должны в общей массе иметь состав, сходный с продуктами гидролиза растительных белков. В то же время это предположение лучше объясняет высокий процент негидролизуемого азота, так как после присоединения аминокислот к карбонильной или гидроксильным группам с образованием боковых цепей, в виде иминокислот, последние путем дальнейших превращений могут преобразоваться в азотистые гетероциклы.
Наблюдение Драгунова над увеличением процента негидролизуемого азота и уменьшением гидролизуемых аминокислот при явлениях самоокисления гуминовой кислоты в щелочном растворе на воздухе убедительно говорит в пользу такого предположения. И, наконец, это предположение становится весьма вероятным, если принять во внимание легкость, с которой белковые вещества растительного и микробного Происхождения подвергаются гидролитическому распаду под влиянием протеолитических энзим; при наличии такого распада реакции аминокислот с гуминовыми веществами более вероятны, чем непосредственные реакции самих белков.
Третья точка зрения на происхождение азотсодержащих гуминовых кислот состоит в предположении об образовании части гуминовых кислот из циклических и гетероциклических продуктов распада белков или путем взаимной конденсации аминокислот с сахарами, согласно Мэйару. К первому предположению близок отмеченный выше взгляд Шмука о наличии в гуминовой кислоте окисленной формы почвенного белка, сходной с меланинами. С этой точки зрения, азотсодержащие гуминовые кислоты можно рассматривать, как смесь безазотистых и азотистых (меланинных) гуминовых кислот. Вопрос о возможности образования гуминовых кислот (типа меланинов) из продуктов распада белков решается в положительном смысле различными авторами. С гуминовыми веществами типа меланинов связывается наличие негидролизуемого азота гуминовой кислоты. Но это наличие, как было видно выше, объясняется и с предыдущей (второй) точки зрения.
По поводу гипотезы Мэйара мнения пока расходятся; будучи весьма вероятной с химической точки зрения, она встречает возражения со стороны микробиологической ввиду малой устойчивости исходных для реакции Мэйара соединении. В дальнейшем мы увидим, что эта гипотеза может иметь применение и для объяснения состава «негуминовой» части гумуса, позволяя наметить известную генетическую связь этой части с гуминовыми веществами.
Следует еще отметить возможность образования азотсодержащих гуминовых кислот путем замещения циклически связанного кислорода на азот при взаимодействии с аммиаком. Известно, что шестичленные циклы с кислородом (например, у-пирон) легко замещают кислород на группу NH при действии аммиака при обыкновенной температуре. На возможность такого замещения в гуминовых кислотах из бурого угля (т. е. бедных азотом) указывают Фукс и Леопольд.
Таким образом, можно считать, что наличие азота в гуминовых кислотах является, во-первых, результатом реакций присоединения протеинов и продуктов их распада (последних, может быть, главным образом) к основному ядру первоначально безазотистых гуминовых кислот; сюда же относится и замещение циклического кислорода на азот при действии аммиака; во-вторых, оно может быть обязано присутствию азотсодержащих гуминовых кислот, образовавшихся путем гумификации белков или точнее - циклических продуктов их распада, и, в-третьих, не исключена возможность образования азотсодержащих гуминовых веществ путем конденсации продуктов распада белковых веществ с растворимыми углеводами.