Humusvielas

Humusvielu iedalījums: 1) fulvoskābes; 2) humīnskābes; 3) humīns

Organisko vielu transformācijas evolūcija – humusvielu veidošanās

Humusvielas ir bioloģiski noturīgas, lielmolekulāras, heterogēnas uzbūves dabiskas izcelsmes organiskas vielas ar plašu krāsu spektru (no dzeltenas līdz melnai). Humusvielas ir atrodamas ūdeņos, to nogulumos, augsnē. Tās veido nozīmīgu daļu fosilo organisko nogulumu (ogles, lignīts, kūdra). Humusvielu vecums atkarībā no to atrašanās vietas var būt ļoti dažāds. Humusvielas, kas atrodas ūdeņos vai atkritumos, ir dažus gadus vai tikai dažus mēnešus vecas, bet tās, kas atrodas jūras ūdeņos, ir vairākus simtus gadu senas. Molekulu izmērs var svārstīties no 400 līdz pat 1 000 000 oglekļa vienībām – daltoniem. Humusvielām piemīt izteikta spēja veidot kompleksus ar metāliem, spēja šķīdināt hidrofobas organiskas vielas, kā arī samazināt šķīdumu virsmas spraigumu. Tāpēc humusvielas var būtiski ietekmēt vides īpašības, arī bioloģisko procesu norisi tajā.

Pēc šķīdības pakāpes ūdenī pastāv trīs frakcijas:

• humīns – humusvielu frakcija, kas nešķīst ūdenī;
• humīnskābes – humusvielu frakcija, kas šķīst ūdenī, ja pH>2;
• fulvoskābes – humusvielu frakcija, kas šķīst ūdenī, pastāvot jebkuram pH.

Humusvielu izcelsme

Humusvielas var veidoties dažādās vidēs, un šādām humusvielām ir autohtona izcelsme, vai arī tās var tikt ienestas no saistītām vidēm (allohtonā izcelsme), piemēram, augsnes humusvielām ieskalojoties virszemes vai pazemes ūdeņos. Tās radušās sekundārās sintēzes (humifikācijas) rezultātā, satrūdot un transformējoties biomolekulām, kas veidojušās no atmirušiem organismiem mikroorganismu iedarbībā uz organiskajām atliekām. Humifikācija ir ļoti sarežģīts bioķīmisks process (augu un dzīvnieku atlieku sadalīšanās, organisko vielu mineralizācija un mikroorganismu iedarbība uz organiskajām atliekām u. c.), kuras rezultātā notiek organisko vielu sadalīšanās, tālāka transformācija un akumulācija kādā no vidēm. Humifikācijas procesā mikroorganismi noārda un metabolismam patērē lielāko daļu no organisko atlieku sastāvā esošo ogļhidrātu, lipīdu, nukleīnskābju un olbaltumvielu, un šī mikroorganismu veiktā barības vielu asimilācija ir uzskatāma par pirmo soli humusvielu veidošanās procesā. Dažas no minētajām vielām, piemēram, cukuri un ciete, ir vieglāk sadalāmas, turpretī celuloze un hemiceluloze mikroorganismu darbības ietekmē noārdās grūtāk, bet tauki, vaski un lignīns ir visnoturīgākie pret bioloģisko degradāciju. Humifikācijas procesu raksturs dažādās vidēs nosaka zināmu līdzību dažādas izcelsmes humusvielu sastāvā. Vienlaikus jāpiebilst, ka atkarībā no humifikācijas apstākļiem vidē, tās fizikāli ģeogrāfiskajiem apstākļiem, bioloģisko procesu intensitātes humusvielu īpašības var stipri atšķirties (atšķirīgas ir, piemēram, augsnes, kūdras un ūdeņu humusvielas). Humifikācijas procesu ātrumu raksturo vairāki parametri:

• materiāla daudzums, kas tiek iesaistīts humifikācijas procesā;
• konsumentu (heterotrofisko organismu) kopienas, kuras pārtiek no organiskajām vielām;
• vides apstākļi (temperatūra, vides reakcija, oksidēšanās-reducēšanās apstākļi u. c.). Humifikācijas sekmēšana ir nozīmīga augsnes veidošanās procesos (kompostēšana).

Humusvielu nozīme

Humusvielas veido augsnes un daudzu fosilo oglekli saturošo minerālu (kūdras, sapropeļa, brūnogļu) galveno masu. Uz Zemes humusvielas ir 2–3×1010 t , un tāpēc tās var uzskatīt par visizplatītāko organisko vielu. Lielākie humusvielu krājumi atrodas izšķīdušā veidā Pasaules okeānā, tās veido arī augsnes organiskās vielas.

Humusvielu uzbūve ļauj tām mijiedarboties ar dažādu vielu grupām, piemēram, neorganiskajiem joniem, veidojot sāļus un kompleksus savienojumus, kā arī ar hidrofobām organiskām vielām Humusvielu spēja aktīvi mijiedarboties ar dažādām vidē esošām vielām nosaka to lielo nozīmi dabā noritošajos procesos, bet vienlaikus, ņemot vērā to lielo masu dažādās vidēs augsnē, kūdrā), tās spēj būtiski ietekmēt pašas vides īpašības, arī bioloģisko procesu norisi tajā.

Humusvielu loma augsnes veidošanā, produktivitātē un aizsardzībā (Izveidots pēc Орлов и др., 2002)

Humusvielu nozīmīgākās īpašības vidē norisošajos procesos ir šādas:

1. noturība pret ķīmisko un bioloģisko degradāciju – humusvielas ir noturīgas pret mikrobiālo degradāciju, tādēļ to vecums var sasniegt pat 15 000 un vairāk gadu ;
2. humusvielas ir stabilas arī attiecībā pret vidē sastopamo skābju, bāzu un oksidētāju iedarbību. Intensīva humusvielu degradācija notiek fotoķīmiski, sevišķi katalizatoru klātbūtnē;
3. spēja saistīties ar augsnes un ūdens minerālajiem komponentiem un organiskajiem savienojumiem , kas ietekmē piesārņojošo vielu migrācijas raksturu ;
4. spēja saistīties ar metālu joniem – humusvielās ir augsts tādu funkcionālo grupu saturs, kuras nosaka humusvielu spējas veidot savienojumus ar metālu joniem. Tāpēc ar humusvielām bagātos ūdeņos metāli galvenokārt atrodas nevis brīvu jonu, bet gan humīnskābju un fulvoskābju sāļu un kompleksu savienojumu veidā . Līdz ar to humusvielas ietekmē metālu (īpaši smago metālu) transportu un atrašanos vidē.

Humusvielu izmantošana

Humusvielu nozīme lauksaimniecībā

Humusvielas saturošu mēslojumu mūsdienās plaši izmanto lauksaimniecībā

Humusvielas augsnē ir enerģijas avots tajā mītošajiem organismiem, jo tiem atšķirībā no virszemes augiem nav pieejama enerģija, kas rodas fotosintēzes procesā. Tādi augsnes organismi kā aļģes, rauga sēnes, baktērijas, sēnes, nematodes, mikoriza u.c. veic tādas būtiskas funkcijas kā augsnes auglības un struktūras uzlabošanu, kā arī veicina augu augšanu un aizsardzību pret dažādām slimībām. Humusvielām ir liela nozīme ūdens piesātinājuma nodrošināšanai un uzturēšanai. Līdzīgas struktūras augsnē humusvielu spēja noturēt ūdeni augu sakņu sistēmas tuvumā ir septiņas reizes augstāka nekā tādas pašas augsnes mālu daļiņām. Humusvielas augsnē ir arī efektīvs kompleksveidotājs, kas kopā ar baktēriju radītajiem cukuriem un mālu minerāliem veido kompleksus. Kompleksu veidošana kopā ar spēju ietekmēt mitruma režīmu ir svarīgs augsnes struktūras veidotājs un uzlabotājs. Irdenāka augsnes struktūra uzlabo pārējos augšņu komponentus – gāzu apmaiņu ar atmosfēru, ūdens infiltrāciju, spēja veidot kompleksus būtiski ietekmē arī dažādus toksīnus (nikotīns, fenoli, antibiotikas, aflatoksīns u.c. pesticīdi), ar tiem gan veido kompleksus, gan arī iekļauj tos savā struktūrā, tādējādi samazinot to toksiskums. Humusvielām ir liela nozīme augsnes buferkapacitātes nodrošināšanā, līdz ar to augsnes ir izturīgākas pret paskābināšanos. Humusvielas ietekmē reakcijas ar metālu joniem, samazinot to kustīgumu un toksiskumu, t.i., humusvielu un smago metālu veidotie kompleksi ir mazāk toksiski augiem kompleksa sastāvā kļūst nešķīstoši, tādējādi augi smagos metālus nevar uzņemt.

Humusvielu nozīme augu augšanas stimulēšanā

Galvenie augu augšanas stimulējošie faktori ir ūdens piesātinājuma nodrošināšana, augsnes struktūras uzlabošana, spēja saistīt mikroelementus. Humusvielas stimulē augu makroelementu K, N, P, Ca un Mg uzņemšanu. Ja tiek izmantotas humusvielas ar relatīvi mazu molekulmasu un optimālu to koncentrāciju, augiem, kas apstrādāti ar humusvielām vai audzēti ar humusvielām bagātā augsnē, ir par 20–50 % lielāka sakņu sistēma. Augu lapu apsmidzināšana ar humusvielām intensificē ogļhidrātu veidošanos augu lapās. Humusvielas tādējādi laika gaitā nokļūst gan augu saknēs, gan augos, iedarbojoties kā papildu barības vielas, ko var uzņemt augi vai metabolisma reakcijās iesaistītie augsnes mikroorganismi.

Humusvielu izmantošana degradētas vides rekultivācijā

Humusvielu un metālu jonu mijiedarbībai ir liela nozīme – tās ietekmē metālu kustīgumu un toksiskumu, tiem nonākot dabas vidē. Ir pierādīts, ka humusvielas nosaka metālu atrašanās formas gan dabas ūdeņos, gan nogulumos. Humusvielu virsmas platība ir aptuveni 2000 m2/g, kas ir ievērojami augstāka par citu vidē esošo minerālu virsmas platību un ir viens no galvenajiem faktoriem, kas ietekmē humusvielu–metālu mijiedarbības intensitāti. Ir pierādīts, ka humusvielas vidē veicina vai ir tiešs cēlonis daudzu metālu jonu reducēšanai, kas ietekmē metālu kustīgumu vidē – piemēram, Fe3+ par Fe2+, Cr6+ par Cr3+. Taču veikti arī pētījumi, kas ir pierādījuši, ka humusvielas pazemes vidē var noteikt apglabātu radioaktīvo vielu kustīguma palielināšanos , kā arī paaugstināt Hg kustīgumu piesārņotās vidēs. Metālu un humusvielu mijiedarbības rezultātā ievērojami samazinās metālu jonu toksiskums. Organisko piesārņojošo vielu izplatību dabā ietekmē humusvielas, kuras sastopamas koloīdo daļiņu un izšķīdušā veidā, kā arī adsorbētas uz augsnes un nogulumus veidojošiem minerāliem. Humusvielu un organisko vielu mijiedarbības rezultātā var mainīties to īpašības un iedarbība dabas vidē.

Ūdeņu attīrīšana

Humusvielas un to modifikācijas produktus var izmantot notekūdeņu attīrīšanai, lai tos atbrīvotu no toksiskiem metālu savienojumiem. Tās ļoti veiksmīgi var izmantot aerācijas tankos kā piedevas, lai absorbētu taukus, eļļas, organiskas izcelsmes šķidrumus un suspendēto materiālu.

Sorbenti

Humusvielām piemīt spēja ietekmēt virsmas spraigumu, jo tām ir liela virsmas platība, to sastāvā ir tādas funkcionālās grupas kā fenolu hidroksilgrupas, karboksilgrupas u.c., kas nosaka spēju absorbēt, adsorbēt un selektīvi ekstrahēt dažādus organiskos un neorganiskos materiālus. Izmantojot šīs humusvielu īpašības, tās veiksmīgi var lietot kā specializētus filtrus, ekstrahētājus un šķīdumus hromatogrāfijai. Ļoti plaši tos var izmantot ūdeņu attīrīšanai, kas piesārņoti ar dažādām suspensijām, eļļām, metāliem u.c. Ir pierādīts, ka kūdru un humusvielas var izmantot kā biosorbentus kadmija un cinka saistīšanai.

Humusvielu izmantošana rūpniecībā

Humusvielas var izmantot kā urbšanas šķīdumus, bateriju un akumulatoru darbības ilguma palielināšanai, betona un cementa rūpniecībā, jo tās kā piedevas ne tikai nemaina betona sastāvu, bet arī uzlabo tā mehāniskās īpašības. Vēl humusvielas izmato tumšās krāsas iegūšanai, kā arī par piedevām eļļām, vaskiem un sveķiem, kā izturīgus aģentus ūdens vidē, barjeru veidojošiem pārklājumiem papīra rūpniecībā. Humusvielas tradicionāli izmanto keramikas gatavošanā kā mitrinātāju un dispersijas veidotāju. Lai sāktu no māliem gatavot dažādus izstrādājumus, tos ir nepieciešams samitrināt un uzbriedināt, ko veiksmīgi var izdarīt ar humusvielām. Tās tiek lietotas kā asfalta modifikācijas produkti jumtu materiāliem, dažādām mastikām, hermētiķiem, pārklājumiem u.c. Sakarā ar humusvielu dispersiju veidošanas spējām tās var izmantot inertu, pret lieci un plaisāšanu izturīgu materiālu izgatavošanai, kā arī lietot kā piedevas, lai modificētu dažādas plūsmas, izsmidzināšanu un virsmas adhēziju. Humusvielas var izmantot gumiju, melnās tintes, krāsu un rūpniecisko pārklājumu ražošanā. Humusvielu stabilitāte arī augstās temperatūrās un spēja veidot kompleksus ar dažādām organiskajām vielām ir par iemeslu to izmantošanai smērvielu rūpniecībā. Humusvielas var kalpot kā konservanti, mikroorganismu darbības kavētājas, kas saista visus slāpekli saturošus savienojumus, arī aminoskābes un enzīmus.

Literatūra

• Purmalis, Oskars; Šīre, Jānis. Humusvielas un to izmantošanas iespējas.