Аннотация результатов, полученных в 2016 году
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. На первом этапе проекта для получения таких мелиорантов выполнены исследования по специфике молекулярной организации и гидрофобным свойствам ГВ угля. Изучение молекулярного состава ГВ, выделенных из различных типов угля, было выполнено с помощью метода масс спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (МС ИЦР ПФ). Проведенные исследования показали преобладание ароматических компонентов в составе выветрелых окисленных углей (леонардитов) по сравнению с бурыми углями (лигнитами), обогащенными алифатическими компонентами, как следует из полученных диаграмм Ван Кревелена [1]. Сравнительная оценка гидрофобности ГВ угля и природных вод была выполнена методом тушения флуоресценции на примере взаимодействия с пиреном [2]. Эксперименты показали высокое сродство угля к связыванию гидрофобных соединений, значительно превосходящее связывающие свойства ГВ вод. 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. Было показано, что ГВ катализирует гидролиз и полимеризацию аминоорганосиланов с формированием супрамолекулярной силсесквиоксан-гуминовой системы (СГС). 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). 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 почв, показанного 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/ 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. 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 опубликованы в журнале Journal of Soils and Sediments [4]. 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. В сформированной выборке 3 почвы представляют собой легкие глины, 5 – тяжелые суглинки, 7 – средние суглинки и 1 – супесь. Почвы характеризуется широким разбросом значений рН (4,8–8,2) и содержанием основных агрохимически ценных элементов (углерод, фосфор, калий). 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. 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. 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. 5. 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. Тем самым предложен новый структурный маркер для характеристики биоинертности органического вещества. Соответствующие результаты готовятся к печати. 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. 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. 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. 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] ( (http://www.nature.com/articles/srep28869). 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)

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
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).

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
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.