土壤中既能溶于稀碱又能溶于稀酸的黄棕色天然有机高分子化合物。又称黄腐酸。曾称克连酸、阿波克连酸。它也广泛存在于泥炭、沉积物和水体等中。分离分离方法不同,富啡酸的组成、性质将有所不同。常用的分离方法有:①活性炭吸附法。将土壤稀碱提取液经酸化分离胡敏酸后的溶液,通过活性炭柱,然后依次用水、丙酮-水洗脱,以除去盐类和简单的非腐殖物质,最后用稀碱溶液洗脱。
土壤中既能溶于稀碱又能溶于稀酸的黄棕色天然有机高分子化合物。又称黄腐酸。曾称克连酸、阿波克连酸。它也广泛存在于泥炭、沉积物和水体等中。
分离方法不同,富啡酸的组成、性质将有所不同。常用的分离方法有:①活性炭吸附法。将土壤稀碱提取液经酸化分离胡敏酸后的溶液,通过活性炭柱,然后依次用水、丙酮-水洗脱,以除去盐类和简单的非腐殖物质,最后用稀碱溶液洗脱。该法制备过程长,制品中含糖类和含氮化合物较多。②沉淀法。将去除胡敏酸后的酸性溶液调至pH4.8,加三氯化铝使富啡酸沉降析出;该法较快速,但制品中灰分含量较高。③聚丙烯酸树脂(XAD-8)吸附法。将去除胡敏酸后的土壤提取液(pH3),通过XAD-8柱,再用稀碱洗脱并用0.3摩尔/升HF和KCl处理,以除去粘土矿物,将此去除粘土矿物后之溶液pH调至3后,再次通过XAD-8柱,如此经HF反复处理2次;该法回收率高,达95%以上,制得的制品中灰分(土壤富啡酸1%~5%,水体富啡酸≤1%)、糖和含氮化合物的含量均较低,1982年国际腐殖物质协会推荐该法为标准法。
富啡酸由碳、氧、氢、氮、硫5种元素组成,含有羧基、酚羟基、醇羟基、醌基、酮基等含氧功能团。其含量因土壤类型和制备方法而略异,一般碳和氧的含量均变动在40%~50%间,氢在3.8%~7%间,氮在0.9%~4.8%间,硫在0.1%~3.6%间。总酸度变动在6.4~14.0摩尔/千克间,羧基在5.0~11.2摩尔(+)/千克间,酚羟基在0.3~5.7摩尔(+)/千克间,醇羟基在2.6~9.5摩尔(+)/千克间,醌基和酮基在1.2~4.2摩尔(+)/千克之间。全部氧原子即以上述各种含氧功能团态存在。与同一土壤的胡敏酸比较,其碳、氮含量恒较低,氧含量较高,碳/氢比值较小,酚羟基含量较低,羧基含量显著较高,且其pK值较小。不同来源富啡酸的元素组成也有较大变异,碳含量和碳/氢原子比按风化煤>泥炭≥土壤>水体顺序降低。
各种化学降解方法,包括酸水解、碱水解、各种氧化降解、还原降解和热解等的研究结果表明,土壤富啡酸含有下列各种组分:①芳香族化合物,热水提取液中可鉴定出微量儿茶酸、香草酸等木素衍生物。碱水解产物中有多种酚酸,包括二羟基和三羟基苯羧酸、二羟基、三羟基乙酰苯以及羟基苯二酸和苯三酸。在碱性高锰酸钾、碱性氧化铜和过醋酸氧化降解产物中,鉴定出了许多芳香族化合物,包括各种苯羧酸、酚酸。苯羧酸的相对含量较胡敏酸和胡敏素为低。②链烷和脂肪酸,碱性高锰酸钾氧化降解、碱性氧化铜氧化降解、碱水解、高温水解等的降解产物中都分离出相当量的直链脂肪酸和少量的链烷,前者主要为C12~C38之间的各种高级脂肪酸,其中95%为饱和脂肪酸,少量为不饱和脂肪酸。这些脂肪酸大部分可能是通过酯键与富啡酸分子中的酚类化合物联接。小部分则可能为通过物理吸附存在于其中的混杂物。在所鉴定出的C14~C36的链烷中,奇数碳烷烃与偶数碳烷烃之比约为1。所有这些烷烃和脂肪酸主要来自生命体,其中C14~C23烷烃可能来自微生物,C24~C36烷烃可能来自植物物质。③含氮化合物,因制备方法不同,含氮组分的含量差异很大。用活性炭法制备的样品中含氮化合物的含量一般较XAD-8法制备的样品高。几乎全部的氮(约95%)可为6摩尔/升HCl水解释出。其中氨基酸态氮占样品中全氮的40%~60%,氨基糖氮占2%~13%,嘌呤和嘧啶态氮占0.8%~6.9%。氨基酸中,酸性氨基酸、中性氨基酸、碱性氨基酸和含硫氨基酸分别占总氨基酸量的28%~46%、48%~68%、2.7%~13%和1%~3%。氨基糖主要为氨基葡萄糖和氨基半乳糖。大部分氨基酸以多肽形式存在,它们有的直接与酚类化合物结合,有的通过碳水化合物与酚类化合物连接,部分则可能是通过氢键与富啡酸连接的混杂物。④碳水化合物,酸解液中分离出了葡萄糖、半乳糖、甘露糖、木糖、核糖、阿拉伯糖和鼠李糖等各种单糖。含量因样品制备方法和纯化程度的不同而差异极大,一般在2.3%~5.4%之间,样品制备不纯时,最高的可达20%~30%。
①紫外和可见光谱,富啡酸在210~800纳米波段内无特征吸收,消光系数随波长增大而降低,不同土壤的富啡酸的消光系数不同,一般较胡敏酸低,E4/E6比值则较胡敏酸大,在5~8间。②红外光谱,主要吸收带分别位于3400(O—H伸展,N—H伸展)、2625(脂肪族C—H伸展)、2500(羧基氢键)、1720(羧基和酮基中的C=O伸展)、1650(酰胺I)、1620(芳香族C=C及氢键共轭酮中的C=O)、1520~1510(苯环上共轭双键)、1450(脂肪C—H)和1400cm-1(羧酸根)等处,显示其中含有羧基、羟基以及一些饱和的和不饱和原子团。羧基含量较胡敏酸高,但相互邻位的羧基较少。芳香族C=C也较胡敏酸少。同时可能含有酰胺、酮基和醌基。③核磁共振谱(NMR),13C核磁共振谱显示它含有烷基碳(10~50mg/kg);脂族连氧或连氮碳(50~105mg/kg)包括氨基酸、碳水化合物和甲氧基等;芳香族碳和烯碳(105~165mg/kg);羰基碳(165~200mg/kg)包括羧基、酰胺、酯、醛和酮等。芳香族碳约占7%~34%,平均为20%;羰基碳约占10%~32%,平均23%;脂族碳约占36%~83%,平均58%。后者的相对含量较胡敏酸高,芳香族碳的相对含量则较胡敏酸低。15N核磁共振谱表明,它含有酰胺(95~140mg/kg)、芳胺(50~90mg/kg)、脂肪胺(0~50mg/kg),此外还可能有吡咯型氮(160~190mg/kg)。酰胺氮约占80%,脂肪胺约占10%,芳胺和杂环态氮均不足10%。④顺磁共振谱,土壤富啡酸自由基浓度在1.1×1016~4×1017自旋/克之间,低于同一土壤中的胡敏酸,更低于胡敏素。顺磁共振幅线亦较胡敏酸、胡敏素宽。同一富啡酸的自由基浓度且随pH值而变异。灰化土富啡酸H型为4.0×1017自旋/克,钠质为7.0×1017自旋/克,在碱性介质中增高。据信其中含半醌(酚氧)式和氢醌式两种自由基。
利用凝胶过滤、等电聚焦电泳等方法,20世纪80年代时最多已分离出52个级分,分子量在数百到数千之间。加拿大灰壤中分离的富啡酸,未分级样品的数均分子量(Mn)为951,各级分的数均分子量在272~2110之间。中国砖红壤富啡酸的Mn为670~710,黑土富啡酸为1450。分子形状因其本身的浓度、介质的pH和电解质浓度等而异。当本身浓度较高时,由于分子缺乏充分伸展的空间,分子卷曲成球形刚体;当本身浓度较低时,在通常的土壤pH值(>4)和土壤溶液中的离子强度下为挠性线型分子。
由于含有多种含氧、含氮等带阴电荷的功能团,富啡酸能与Mn2+、Co2+、Ni2+、Cd2+和Zn2+等形成外层水合络合物,与Cu2+、Fe2+、Al3+、Cr3+、Vo2+等形成内层水合螯合物。络合物的稳定常数和溶解度等视离子强度、pH值和金属离子的浓度等不同而异。金属离子少时,常形成水溶性络合物,金属离子多时则形成水不溶性络合物。富啡酸的这些性质使其在矿物风化和土壤剖面中的一些元素的迁移、淋失中起着重要的作用。黑云母、正长石等原生矿物易被富啡酸分解,1g/l灰壤富啡酸溶出黑云母中铁、铝、镁和钾的量与0.001摩尔/升HCl溶出量相当。土壤中三氧化物等次生矿物也易被络合溶解。富啡酸-铁的logK值>富啡酸-铝的logK值,前者在较宽的pH范围内保持水溶性;后者在水中稳定的pH范围较狭,因而土壤中铁较铝易被富啡酸络合淋溶而下移。灰化土的A2层和B层的形成,即与铁、铝被富啡酸络合淋溶、淀积和铁的还原、氧化有关。富啡酸和植物根系对微量元素的竞争络合反应,则影响植物对微量元素的摄取。富啡酸可通过离子交换、氢键键合等机制吸持某些除草剂、杀虫剂等农药,从而影响后者的水溶性和生物活性。二烃基酞酸盐可部分溶于富啡酸中。DDT在森林土壤剖面中的随水下移也与富啡酸有关。富啡酸的还原能力和含有自由基还使其具有催化某些农药的转化和分解的能力,影响其持久性。在富啡酸的存在下,氯化三嗪将水解为羟基三嗪,3-氨基三唑将进一步分解。这一方面降低了这些农药的药效,另一方面则可减轻这些农药对环境的污染。富啡酸能还原变价金属离子:Fe3+→Fe2+、Hg2+→Hg0、Cr6+→Cr3+、V5+→V4+、U6+→U4+。光化学反应使还原反应增强。富啡酸通过Ca2+、Fe3+、Al3+或沉积在粘土矿物表面上的铁铝氧化物与粘土矿物复合。在pH<5.5时,它可被吸持在2∶1型矿物的晶层间隔中。从而改变土壤粘粒的行为,有助于土壤水稳性团聚体的形成。
富啡酸是一类天然生物活性物质,当浓度在100~300mg/l范围内时,对种子发芽和植物根系特别是次生根的生长以及养分的吸收有促进作用;大于此浓度时,则有抑制作用。用于叶面喷施时,能增大作物叶片气孔阻力,降低植物蒸腾强度。富啡酸具有生理活性,据信与其含有的自由基有关。农业上常用含自由基高的富啡酸作为作物气孔关闭剂。
土壤融冻水和淋溶水的补给,使江、河、湖、塘和地下水中往往每升含数10毫克的富啡酸。富啡酸污染水源,使水的色度增高,超过饮用水质和某些工业水质标准。某些地方病据信与富啡酸有关。一些缺硒的地方病地区,饮用水中的富啡酸含量和自由基浓度常高于非病区。摄入富啡酸有损人体软骨细胞生长。当水通过加氯或漂白粉净化消毒时,水中富啡酸将被氧化产生许多氯代化合物,其中一种氯代呋喃[3—氯—4(二氯甲基)—5羟—2(5氢)呋喃](简称MX)是一种致癌物质。富啡酸还可作为烷烃和一些不溶于水的有机农药的载体,在水体中农药的迁移中起着积极作用。富啡酸的络合作用以及还原作用,致使地壳表生带的元素的迁移加速。在淋溶土壤、森林土壤地区,径流中不仅含有富啡酸,同时含富啡酸-Fe3+、富啡酸-Fe2+等络合物。中国黑龙江中、下游春汛期,水中含有的暗棕色絮状物即与上游土壤融冻水的补给有关。在河口与海洋交汇地带,由于盐分增高,水中富啡酸-金属络合物和富啡酸-金属-粘土矿物复合体的稳定性降低而沉积,往往形成河口沉积物中有机物和金属离子富集带。水体中的富啡酸是影响元素地球化学迁移和富集的最活跃因子之一。
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