01.09.2017
31.08.2017
08.08.2017
14.07.2017
06.07.2017
19.06.2017
19.06.2017
19.06.2017
15.06.2017
12.06.2017
Гемицеллюлезы гумуса
 25.08.2012

За вычетом гуминовых веществ, битумов и лигнина на долю остальных соединений остается обыкновенно значительно менее половины общей массы гумуса. Особенно это относится к черноземам, луговым почвам и хорошо гумифицированным торфам.
Довольно значительная часть относящихся сюда соединений переходит в раствор вместе с гуминовой кислотой при извлечении последней щелочами и остается после осаждения ее минеральными кислотами в кислом фильтрате. Состав этой фракции был исследован Шрейнером и Шори, обнаружившими здесь карбоновые кислоты, продукты распада белков и пентозаны. Непосредственная обработка почвы разведенными минеральными кислотами без нагревания извлекает в большинстве случаев очень небольшое количество органических веществ; поэтому можно предполагать, что переход более значительных количеств растворимых в кислой среде соединений в фильтрат после осаждения гуминовой кислоты связан с влиянием щелочи, нарушающей связь этих соединений между собой или с остальной частью гумуса, например, с гуминовыми кислотами.
К сходному результату приводит применение кислого гидролиза разведенными минеральными кислотами при нагревании (например, 2% HCl); в гидролизате в этом случае обнаруживаются редуцирующие сахара вместо с довольно значительным количеством аминокислот.
Так как появление редуцирующих Сахаров при гидролизе разведенными минеральными кислотами характерно для труппы гемицеллюлез, то на основании этого приходят к заключению о наличии последних в гумусе. Это заключение подтверждается также выделением фурфурола при кипячении с 12% НСl, по Толленсу, что считается признаком присутствия пентозанов, а одновременное выделение при этом углекислоты привело к выводу о наличии в гумусе производных уроновых кислот, т. е. пектина или гемицеллюлез-полиуронидов.
Относительно происхождения гемицеллюлез в гумусе предполагается, что часть их принадлежит растительным остаткам, а часть возникает в процессе микробного синтеза. Не исключена, однако, возможность, что «гемицеллюлезы» гумуса являются только частью специфической группы азотсодержащих соединений, возникающих путем конденсации продуктов распада полисахаридов и белков, о чем будет сказано ниже.
Первые указания на наличие полисахаридов в органическом веществе почв и торфов относятся к пентозанам, определение которых производилось по выделению фурфурола при кипячении с 12% НСl. Содержание пентозанов, определенное этим методом, оказалось довольно значительным, хотя и сильно колеблющимся в различных почвах. Так, по Шори и Латропу, содержание углерода пентозанов в исследованных ими почвах составляло от 1,3 до 28,5% от общего углерода; данные других авторов лежат в только что указанных пределах. Франс нашел довольно большое постоянство соотношения между содержанием пентозанов и протеинов, которое было в среднем равно 0,75 : 1. По Балксу, часть пентозанов представлена метилпентозанами, содержание которых не менялось при внесении навоза, в отличие от пентозанов. Наличие метил пентозанов отмечено также В.Г. Дубовым.
С открытием в составе гумуса уроновых кислот (или их полимеров), которое было сделано Шори и Мартином, прежние данные о количестве пентозанов, основанные на определении фурфурола, нуждаются в коренном пересмотре. Дело в том, что уроновые кислоты при действии 12% соляной кислоты подвергаются декарбоксилированию с выделением СО2 и образованием пентоз, которые в дальнейшем также выделяют фурфурол.
Выделение СО2 происходит в теоретических количествах и служит для определения уроновых кислот; выделение фурфурола, вследствие невыясненных еще причин, происходит в меньшем против теоретического количестве (49-57,5%), но при значительном содержании уроновых кислот это количество может полностью покрывать фурфурол пентозанов при указанном выше содержании последних.
По определениям Шори и Мартина, содержание уроновых кислот, выраженное в процентах их углерода к общему углероду, составляло от 12,8 до 28,4% в минеральных почвах и от 5,45 до 9,25% в торфах. Аналогичные результаты были получены Ваксманом и Рейсцером, которые нашли более высокий процент уроновых кислот в неудобренных почвах (20-31,7%) по сравнению с удобренными (12,9-19,2%). Наиболее высокий процент уроновых кислот был обнаружен в горизонте В подзолистой почвы под лесом (32,4%).
Такого же порядка данные были получены и для почв России, причем оказалось, что в черноземах содержание уроновых кислот ниже, чем в подзолистых почвах, а в последних оно увеличивается от верхних горизонтов к иллювиальному.
В последнее время, однако, Л. Н. Александровой было выяснено, что определение уроновых кислот в минеральных почвах (в черноземе) дает неточные, сильно повышенные, результаты благодаря выделению углекислоты за счет окисления углеводов в присутствии гидрата окиси железа. Произведенные в нашей лаборатории опыты но этому вопросу подтвердили вывод Александровой; поэтому полученные до сих пор данные о содержании уроновых кислот в минеральных почвах (особенно с большим содержанием окиси железа) требуют пересмотра, равно как и основанные на этих определениях выводы о составе гемицеллюлез гумуса.
Наряду с производными уроновых кислот и, может быть, пентозанов более или менее значительная часть гемицеллюлез гумуса представлена гексозанами, происхождение которых отчасти может быть обязано накоплению более устойчивых гексозанов растительного происхождения, а главным образом, по-видимому, синтетической деятельности микроорганизмов. Природа гексозанов в гумусе изучена мало. Феилитцея и Толленс при гидролизе сфагнового торфа 1% H2SО4 обнаружили в растворе маннозу, галактозу и левулезу, что соответствует наличию в торфе маннана, галактана и левулана. Изолирование гексоз из гумуса минеральных почв не производилось. По данным Тюрина и Кононовой, основанным на определении общего количества редуцирующих Сахаров в гидролизате, определении фурфурола и СО2 при кипячении с 12% НСl, большая часть редуцирующих Сахаров в гидролизате 1,0 н. серной кислотой представлена гексозами и отчасти, вероятно, пентозами, получающимися при гидролизе полиуронидов (табл. 19).

Гемицеллюлезы гумуса

Однако эти данные, ввиду указанной выше неточности определения уроновых кислот, а также и общего количества гемицеллюлез, ввиду некоторого окисления Сахаров при гидролизе, можно рассматривать только как приблизительные.
Вопрос о природе гемицеллюлез гумуса и о форме связи их между собой, с другими группами соединений почвенного гумуса и с минеральной частью почвы пока еще не изучен. К характеристике их свойств можно отметить следующее. Гемицеллюлезы гумуса, кроме указанной выше способности к гидролизу разведенными минеральными кислотами при нагревании, обнаруживают способность частично переходить в раствор при кипячении их с водой, при обработке разведенными кислотами на холоду и в более значительном количестве - при действии слабых щелочей.
Применяя методику, предложенную Эрлихом для выделения пектиновых веществ, Стадников получил результаты для сфагнового торфа болота «Электропередача», которые представлены в табл. 20.
Гемицеллюлезы гумуса

Все экстракты, после выпаривания и высушивания, представляли собой хрупкие блестящие вещества черного цвета. Все они восстанавливали фелингову жидкость, а последние два экстракта давали положительную реакцию 1) на сахар с α-нафтолом и серной кислотой и 2) на альдегид-сахарные (уроновые) кислоты с нафторезорцином и соляной кислотой. Кроме того, экстракты содержали дубильные вещества, извлекавшиеся кожаным порошком. О содержании азота в экстрактах данных не приводится.
Так как пектиновые вещества не восстанавливают или почти не восстанавливают фелингову жидкость, то полученные Стадниковым экстракты следует считать скорее продуктами гидролиза гемицеллюлез полисахаридов и полиуронидов с примесью гуминовых кислот, которые частично пептизируются и переходят в раствор при кипячении с водой.
При применении методики, предложенной Эрлихом для извлечения пектиновых веществ из растительных объектов, к минеральным почвам встречаются очень большие затруднения при фильтрации благодаря диспергированию глинистой фракции. Имеющиеся в литературе данные но определению растворимых веществ при непродолжительном нагревании на водяной бане (1 час) указывают на незначительное их содержание (3-4% от общего содержания гумуса); в полученном экстракте иногда обнаруживается наличие редуцирующих Сахаров и некоторое количество азотистых соединений.
По опытам, произведенным в нашей лаборатории (Наткиной), значительное увеличение растворимости и появление в экстракте сахара наблюдается после декальцинирования слабыми минеральными кислотами, что объясняется, по-видимому, с одной стороны, пептизацией гуминовой кислоты, а с другой - явлениями гидролиза гемицеллюлез и азотистых соединений под влиянием воды при кислой реакции (табл. 21).
Гемицеллюлезы гумуса

При обработке почвы разведенными минеральными кислотами на холоду в большинстве случаев количество растворенных органический веществ очень незначительно (табл. 21). Однако в некоторых подзолистых почвах, как из горизонта A1, так и особенно из гумус-иллювиального горизонта, разведенные минеральные кислоты переводят в раствор довольно значительное количество гумуса, обыкновенно вместе с заметными или большими количествами алюминия и отчасти железа. Полученные растворы обнаруживают очень небольшое количество редуцирующих Сахаров и повышенную против углеводов степень окисленности, которая указывает на присутствие уроновых кислот. Непосредственное определение последних в гумус-иллювиальных горизонтах из подзола Карелии и из тундровой слабоподзолистой почвы, однако, показало, что уроновые кислоты составляют только 16-25% (по углероду) от общего количества растворимых в 1,0 н. H2SO4 органических соединений, что далеко не покрывает величину повышенной окисленности.
При осторожной нейтрализации кислой вытяжки происходит почти полное осаждение алюминия и уроновых кислот вместе с остальной массой органических веществ, а при дальнейшем слабом подщелочении снова наблюдается полное растворение. Это явление, отмеченное также для кислого фильтрата после осаждения гуминовой кислоты из некоторых подзолистых почв, очень напоминает свойства апокреновой кислоты, описанные Берцелиусом. А высокая степень окисленности органических веществ в кислой вытяжке и всего гумуса в ортштейновых горизонтах находится в приблизительном соответствии с эмпирической формулой апокреновой кислоты по Мульдеру. Эти факты представляют большой интерес, но требуют еще дальнейшего более тщательного изучения.
Если декальцинированную почву подвергнуть обработке слабым раствором щелочи, то в раствор, как известно, переходят гуминовая и гиматомелановая кислоты. После осаждения последних при прибавлении соляной или серной кислоты до сильнокислой реакции в фильтрате обнаруживаются в значительном количестве редуцирующие сахара, количество которых увеличивается после кипячения фильтрата, и остаток почвы после щелочной вытяжки показывает соответственно значительное уменьшение гемицеллюлез. В меньшей мере то же явление наблюдается и для гемицеллюлез растительных остатков.
Это можно видеть из данных, полученных А.И. Наткиной и нами для черноземов, подзола и степной растительности (табл. 22).
Гемицеллюлезы гумуса

Из этих данных можно сделать вывод, что гемицеллюлезы гумуса несравненно легче переходят в щелочной раствор при обработке 0,1 н. NaOH, чем гемицеллюлезы из растительных остатков, где для их извлечения применяется обычно многократное настаивание с 4% NaOH. При осаждении гуминовой кислоты из щелочных вытяжек из почв гемицеллюлезы почти не осаждаются, причем довольно значительная часть гемицеллюлез испытывает гидролиз до простых сахаров.
По Маркуссону и Стадникову, значительная часть веществ кислого фильтрата после осаждения гуминовой кислоты из щелочных вытяжек обнаруживает растворимость в спирте. Маркуссон считает этот спиртовой экстракт за «гумалевую» кислоту, которая показывает реакцию на глюкуроновую кислоту и является, по его мнению, составной частью оксицеллюлезы.
По предположению Стадникова, эта фракция, возможно, представляет одну из промежуточных стадий между лигнином и гуминовыми кислотами и, может быть, содержит продукты конденсации аминокислот с сахарами - тоже, как одну из стадий образования азотистых гуминовых веществ по гипотезе Мэйара.
При обсуждении взглядов о происхождении азотсодержащих гуминовых кислот мы видели, что весьма вероятной является реакция присоединения аминокислот к гуминовой кислоте по месту карбонильных, гидроксильных и карбоксильных групп последней. Теоретически такая жe реакция может иметь место и с гемицеллюлезами, причем, может быть, более вероятно, что в эту реакцию с аминокислотами (и более сложными, первичными продуктами распада белков) вступают не гемицеллюлезы, а частично или полно гидролизованные (под влиянием энзим) продукты их распада, т. е. сахара и уроновые кислоты, имеющие свободные альдегидные и карбоксильные группы. Возможность таких реакций конденсации Сахаров и оксисоединений с аминокислотами вытекает из работ Мэйара и Стадникова. С этой точки зрения, группу «гемицеллюлез» гумуса можно рассматривать, по крайней мере отчасти, как начальные продукты конденсации углеводов и аминокислот, которые при дальнейших превращениях (путем окисления и замыкания циклов) могут привести к азотсодержащим гуминовым кислотам, согласно гипотезе Мэйара, поддерживаемой и Стадниковым. Находясь, однако, в начальных стадиях конденсации, эти продукты более растворимы (в кислотах) и могут легче подвергаться гидролизу и разложению микроорганизмами.
Высказанное предположение, конечно, нуждается в экспериментальной проверке; оно, понятно, не исключает возможности присутствия в гумусе гемицеллюлез в собственном смысле этого слова, особенно при наличии неразложившихся растительных остатков.