Chemické a fyzikální transformace huminových kyselin

Abstract

Tato práce představuje pilotní studii testující souvislosti mezi biologickými vlastnostmi a strukturou huminových kyselin extrahovaných z původního a modifikovaného jihomoravského lignitu, důl Mír, Mikulčice. V první části práce byly testovány metody vhodné ke zvýšení výtěžku huminových kyselin extrahovaných z lignitu. Oxidace lignitu v plynné fázi nepřinesla uspokojivé zvýšení výtěžku a byla instrumentálně poměrně náročná. Dále proto byla zkoumána jen oxidace v kapalné fázi a modifikace nízkomolekulárními organickými kyselinami. Modifikace organickými kyselinami byla inspirována procesy podporujícími biologické funkce v rizosféře, t.j. kořenový systém vylučuje exudáty způsobující změny v supramolekulové struktuře okolní organické hmoty čímž zlepšuje její mobilitu a prostupnost buněčnými stěnami. Primární struktura huminových kyselin připravených v této práci byla zkoumána prostřednictvím elementární analýzy a spektrálních metod (13C CPMAS NMR, EPR a UV-VIS spektroskopie). Navzdory tomu, že primární struktura vykazovala jen malé rozdíly, měření biologické aktivity a genotoxického potenciálu prokázalo, že huminové kyseliny a jejich humáty získané z lignitu s rozdílnou předúpravou vykazují odlišnou bioaktivitu. Proto byla dále zkoumána supramolekulární struktura vzorků ve zředěných roztocích, a to prostřednictvím vysokoúčinné vylučovací chromatografie, měření ultrazvukové rychlosti a hustoty. Testovány byly dva různé protionty – draselný a amonný. Získané výsledky potvrdily předpoklad, že pozorované změny v kvalitě humátů jsou závislé na protiiontu, koncentraci humátu v roztoku a také na metodě předúpravy původního lignitu. Obě zvolené metody předúpravy lignitu prokázaly svůj potenciál produkovat huminové kyseliny s rozmanitými biologickými vlastnostmi, aplikovatelné v zemědělství, životním prostředí a potenciálně i ve farmakologii.

This work is a pilot study testing the relationships between biological properties and structure of humic acids extracted from original and modified South-Moravian lignite, mine Mír, Mikulčice. In first part of the work, methods suitable for increase of the humic acid yield were explored. Lignite oxidation in gas phase turned out to be relatively instrumentally demanding and insufficiently effective. Therefore, only oxidation in liquid phase was explored further along with modification with short-chained organic acids. Modification with short-chained organic acids was inspired by processes enhancing biological functions in rhizosphere, i.e. the root system produces exudates causing changes in the supramolecular structure of the surrounding organic matter, improving its mobility and cell-walls penetration. Primary structure of humic acids produced in this work was investigated by elemental analysis, solid state NMR, EPR and UV-VIS spectroscopy. Despite the fact that only minor differences were found, conducted assessment of biological activity and genotoxic potential showed that humic acids and their respective humates isolated from lignite with different pre-treatment show different bioactivity. Therefore, supramolecular structure of samples in diluted solutions was investigated by means of HPSEC, HRUS and densitometry measurements. Two counterions – potassium and ammonium – were tested. Obtained results confirm the assumption that observed quality of humates depends on counterion, concen-tration of humate and also on the method of lignite pre-treatment. Both selected pre-treatment methods showed potential to produce humic acids with variable biological properties, applicable in agriculture, environmental chemistry and potencially also in pharmacology.