ГУМІНОВА КИСЛОТА: СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, ВИРОБНИЦТВО, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Гумінова кислота - це загальна назва сімейства органічних сполук, що входять до складу гумінових речовин. Вони мають різні функціональні групи, включаючи карбонові, фенольні, цукроподібні кільця, хінони та похідні амінокислот.

Гумінові речовини, до складу яких входять гумінові кислоти, розподіляються у ґрунтах, природних водах та відкладах, оскільки вони є результатом розкладання рослинних, тваринних та природних відходів.

Органічний матеріал, який перетвориться на такі речовини, як гумінові кислоти. Автор: Пісауікан. Джерело: Pixabay.

Гумінові кислоти входять до складу гумусу та мають здатність покращувати ріст та живлення рослин, оскільки вони дозволяють довше зберігати поживні речовини в ґрунті, щоб вони були доступні рослинам.

Вони є амфіфільними сполуками, тобто вони мають частини, які пов'язані з водою, і частини, які відкидають воду, все в межах однієї молекули.

Завдяки групам –OH та –COOH вони можуть утворювати комплекси з іонами металів або катіонами.

Завдяки своїм вуглеводневим ланцюгам або ароматичним порціям вони можуть солюбілізувати і зафіксувати в собі поліциклічні ароматичні молекули, які є токсичними. Крім того, вони мають потенційне використання в медицині проти раку та в підготовці більш ефективних фармацевтичних препаратів.

Будова

Гумінові кислоти містять різні функціональні групи, кількість яких залежить від географічного походження гумінової кислоти, віку, екологічних та біологічних умов та клімату, в якому вироблялася молекула. З цієї причини його точна характеристика стала важкою.

Основні її функціональні групи - фенольні, карбонові, енольні, хінонові, ефірні, цукристі та пептидні.

Функціональними групами, які надають йому основні характеристики, є фенольні, карбонові та хінонові групи.

Велика структура гумінової кислоти складається з гідрофільних частин, утворених групами -ОН та гідрофобними частинами, що складаються з аліфатичних ланцюгів та ароматичних кілець.

Приклад молекули гумінової кислоти, де можна спостерігати фенольні групи -ОН, -СООН, хінон, залишки цукру та пептиди (-NH). Ікразуул. Джерело: Wikimedia Commons.

Номенклатура

- Гумінові кислоти.

- HA або HAs (Гумінові кислоти).

Властивості

Фізичний стан

Аморфні тверді речовини.

Молекулярна маса

Їх молекулярна вага варіюється від 2,0 до 1300 кДа.

Один Да чи Далтон коштує 1,66 х 10 ^-24 грами.

Розчинність

Гумінові кислоти - це частина гумінових речовин, розчинна у лужному водному середовищі. Вони частково розчинні у воді. Нерозчинний у кислому середовищі.

Його розчинення у воді є складним, оскільки гумінові кислоти - це не індивідуальний компонент, а суміш компонентів, де лише деякі з них розчинні у воді.

Його розчинність може змінюватись залежно від її складу, рН та іонної сили розчинника.

Хімічні та біологічні властивості

Молекули гумінової кислоти, як правило, мають гідрофільну або пов'язану з водою частину та гідрофобну частину, яка відкидає воду. Ось чому, як кажуть, вони амфіфільні.

Через свою амфіфільну природу гумінові кислоти утворюють в нейтральному або кислому середовищі структури, схожі на структури міцел, що називаються псевдоміцелями.

Вони є слабкими кислотами, що викликається фенольними та карбоновими групами.

Групи типу хінону відповідають за утворення реакційноздатних видів кисню, оскільки вони зводяться до напівхінонів, а потім до гідрохінонів, які є дуже стійкими.

Наявність фенольних та карбонових груп у молекулах гумінової кислоти дає їм можливість покращувати ріст та живлення рослин. Такі групи також можуть сприяти комплексації з важкими металами. А також вони пояснюють його противірусну та протизапальну активність.

З іншого боку, наявність груп хінону, фенолу та карбонових груп пов'язане з їх антиоксидантними, фунгіцидними, бактерицидними та антимутагенними чи демутагенними можливостями.

Поведінка у водному середовищі відповідно до рН

У лужному середовищі карбонові та фенольні групи зазнають втрати Н ⁺ протонів , що залишає молекулу негативно зарядженою у кожній із цих груп.

Завдяки цьому негативні заряди відштовхуються і молекула розтягується.

Коли рівень рН знижується, фенольні та карбонові групи знову протонізуються, а ефекти відштовхування припиняються, внаслідок чого молекула приймає компактну структуру, подібну до міцел.

У цьому випадку гідрофобні частини намагаються локалізувати всередині молекули, а гідрофільні частини контактують з водним середовищем. Кажуть, що ці структури є псевдо-міцелами.

Завдяки такій поведінці констатується, що гумінові кислоти мають властивості детермінації.

Крім того, вони утворюють внутрішньомолекулярні агрегати (всередині власної молекули) з подальшим міжмолекулярним агрегацією (між різними молекулами) та осадженням.

Солюбілізація великих неполярних молекул

Гумінові кислоти можуть солюбілізувати поліциклічні ароматичні вуглеводні, які є токсичними та канцерогенними і відносно нерозчинні у воді.

Ці вуглеводні розчиняються в гідрофобному серці псевдоміцелей гумінових кислот.

Складне утворення з катіонами металів

Гумінові кислоти взаємодіють з іонами металів у лужному середовищі, де катіони або позитивні іони діють на нейтралізацію негативних зарядів молекули гумінової кислоти.

Чим вище заряд катіона, тим більша його ефективність у формуванні псевдоміцелей. Катіони розташовані в термодинамічно бажаних місцях структури.

Цей процес генерує гумінокислотно-металеві комплекси, які набувають сферичну форму.

Ця взаємодія залежить від металу та від походження, молекулярної маси та концентрації гумінової кислоти.

Отримання

Гумінові кислоти можна отримати з органічних речовин у ґрунті. Однак структури різних молекул гумінової кислоти змінюються залежно від місця розташування ґрунту, його віку та кліматичних умов.

Існує кілька методів отримання. Один з них описаний нижче.

Грунт обробляють водним розчином 0,5 N NaOH (0,5 еквівалентів на літр) в атмосфері азоту протягом 24 годин при кімнатній температурі. Ціле фільтрують.

Лужний екстракт підкисляють 2N HCl до рН 2 і залишають стояти протягом 24 годин при кімнатній температурі. Коагульований матеріал (гумінові кислоти) відокремлюють від супернатанту центрифугуванням.

Програми

- У сільському господарстві

Використання гумінових кислот у сільському господарстві відоме практично з початку сільськогосподарської діяльності, оскільки вони входять до складу гумусу.

Ґрунт багатий гумусом, тому багатий гуміновими кислотами, хороший для вирощування рослин. Автор: Маркус Баумелер. Джерело: Pixabay.

Гумінові кислоти покращують ріст і живлення рослин. Вони також діють як бактерицидні речовини та фунгіциди, захищаючи рослини. Гумінові кислоти інгібують фітопатогенні гриби, і деякі їх функціональні групи були співвіднесені з цією активністю.

Рослина заражена грибом Alternaria solani, який може боротися з гуміновими кислотами. АфроБразильський. Джерело: Wikimedia Commons.

Наявність сірчаних (S) і C = O карбонільних груп у молекулі гумінової кислоти сприяє фунгістатичній активності. Навпаки, високий вміст кисню, ароматичних груп СО та певних атомів вуглецю, що належать до цукрів, гальмують фунгістатичну силу гумінової кислоти.

Нещодавно (2019 р.) Вивчено вплив застосування повільних азотних добрив на стабілізацію гумінових кислот, присутніх у ґрунтах, та їх вплив на посіви.

Було встановлено, що сечовина, покрита біовуглецем, покращує структуру та стабільність гумінових кислот, присутніх у ґрунті, сприяючи утриманню ґрунту азоту та вуглецю та покращуючи врожайність сільськогосподарських культур.

- У відновлення забруднення

Завдяки його здатності утворювати псевдоміцелі в нейтральному або кислотному середовищі, її корисність для виведення забруднень із стічних вод та ґрунтів досліджується вже багато років.

Метали - один із забруднюючих речовин, який можна видалити гуміновими кислотами.

Деякі дослідження показують, що ефективність сорбції металів гумінових кислот у водному розчині має тенденцію до підвищення із збільшенням рН та концентрації гумінової кислоти та зі зменшенням концентрації металів.

Було також встановлено, що іони металів конкурують за активні ділянки молекули гумінової кислоти, які, як правило, є фенольними групами —СООН та –ОН.

- У фармацевтичній галузі

Це було доведено корисним для підвищення водорозчинності гідрофобних препаратів.

Готували срібні (Ag) наночастинки, покриті гуміновими кислотами, яким вдалося зберігати стабільність принаймні один рік.

Ці наночастинки срібла та гумінової кислоти разом з антибактеріальними властивостями останньої мають високий потенціал для приготування ліків.

Так само комплекси карбамазепіну, протиепілептичного препарату, з гуміновими кислотами намагалися підвищити його розчинність, і виявилося, що препарат стає набагато більш розчинним та ефективним.

Такий же ефект покращення розчинності та біодоступності був досягнутий з комплексами гумінових кислот та β-каротину, попередника вітаміну А.

- У медицині

Гумінові кислоти є сильними союзниками при лікуванні різних захворювань.

Проти деяких вірусів

Противірусна активність гумінових кислот спостерігалась серед цитомегаловірусу та вірусів імунодефіциту людини ВІЛ-1 та ВІЛ-2.

Молекули гумінової кислоти можуть інгібувати реплікацію вірусу, зв’язуючи їх негативний заряд у лужному середовищі до певних катіонних ділянок вірусу, які необхідні, щоб вірус зв'язувався з клітинною поверхнею.

Проти раку

Було виявлено, що гумінові кислоти виявляють канцерогенні оздоровчі властивості. Це пояснюється наявністю в його структурі хінонів.

Структура хінону, групи, присутньої в молекулах деяких гумінових кислот. Автор: Marilú Stea.

Хінони генерують реактивні види кисню, які виробляють окислювальний стрес та індукують апоптоз ракових клітин через фрагментацію їх ДНК.

Проти мутагенезу

Гумінові кислоти є інгібіторами мутагенезу всередині клітини та поза нею. Мутагенез - це стабільна зміна генетичного матеріалу клітини, яка може передаватися дочірнім клітинам.

Встановлено, що здатність інгібувати мутагенез змінюється залежно від складу гумінових кислот та їх концентрації.

З іншого боку, вони надають десмутагенну дію на мутагенні речовини, такі як бензопірен (поліароматичний вуглеводень, який присутній у деяких продуктах харчування), 2-нітрофлуорен (поліароматичний вуглеводневий продукт горіння) та 2-аміноантрацен.

Мутагенний вплив бензопірену на ДНК. Річард Уілер (Zephyris) 2007 р. Структура розчину відкритого адукту (10S) -dA +) - (7S, 8R, 9S, 10R) -7,8-дигідрокси-9,10-епокси-7,8 , 9,10-тетрагідробензопірен у дуплексній ДНК. Вироблено з {{PDB-1JDG}}. == Ліцензування == {{GFDL- Джерело: Wikimedia Commons.

Механізм цього ефекту полягає в адсорбції мутагену, для якої гумінові кислоти з більшими структурами є найбільш ефективними. Мутаген адсорбується гуміновою кислотою і втрачає мутагенну активність.

Вважається, що це може бути важливим для захисту від канцерогенезу.

- У косметичній галузі

Завдяки їх здатності поглинати УФ та видимі промені, гумінові кислоти запропоновані для використання у блокаторах сонця, антивікових кремах та засобах по догляду за шкірою.

Їх також можна використовувати як консерванти в косметичних засобах.

- У харчовій промисловості

Завдяки антиоксидантним властивостям пропонується його використання як харчових консервантів і як харчових добавок.

Список літератури

1. Гомес де Мело, Б.А. та ін. (2016). Гумінові кислоти: структурні властивості та безліч функціональних можливостей для нових технологічних розробок. Матеріалознавство та техніка C 62 (2016) 967-974. Відновлено з sciencedirect.com.
2. Вей, С. та ін. (2018). Фунгістатична активність мультіоригінових гумінових кислот у залежності від їх хімічної структури. Журнал сільськогосподарської та харчової хімії 2018, 66, 28, 7514-7521. Відновлено з pubs.acs.org.
3. Керндорф, Х. та Шнітцер, М. (1980). Сорбція металів на гуміновій кислоті. Geochimica et Cosmochimica Acta Vol 44, стор 1701-1708. Відновлено з sciencedirect.com.
4. Сато, Т. та ін. (1987). Механізм дезмутагенної дії гумінової кислоти. Мутаційне дослідження, 176 (1987) 199-204. Відновлено з sciencedirect.com.
5. Ченг, М.-Л. та ін. (2003). Гумінова кислота викликає окислювальне пошкодження ДНК, затримку росту та апоптоз первинних фібробластів людини. Exp Biol Med (Мейвуд) 2003 Квітень; 228 (4): 413-23. Відновлено з ncbi.nlm.nih.gov.
6. Лі, М. та ін. (2019). Секвестризація органічного вуглецю в ґрунтових гумінових речовинах, на які впливає застосування різних азотних добрив у системі сівозмінних сівозмін. Журнал сільськогосподарської та харчової хімії, 2019, 67, 11, 3106-3113. Відновлено з pubs.acs.org.