Изучение разрушающего влияния потоков природного водорода на почвенный покров

 

Изучение разрушающего влияния потоков водорода из недр Земли на почвенный покров, на гумусное состояние почв и, как следствие, на плодородие пахотных угодий

К.б.н. Суханова Н.И.
Факультет почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова
Полевые фотографии – А.И. Сысолин, Геологический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова

 

Дегумификация (потеря гумуса) пахотных почв является одной из важнейших проблем современной экологии, поскольку это ведет к снижению почвенного плодородия, к ухудшению всех почвенных свойств, а затем и, к часто необратимым, изменениям всей экосистемы.
Гипотеза о разрушающем воздействии на органическое вещество почв потоков молекулярного водорода, поступающего из недр земли в результате увеличивающейся в настоящее время дегазации планеты, высказана впервые.
Это наблюдается на кольцевых структурах проседания (западинах), хорошо дешифрируемых на космических снимках: они проявляются в виде светлых колец и кругов в местах выходов водородных потоков. Особенно четко они видны в черноземной зоне.

 

Рис.1 Автор, Суханова Н.И., за описанием отобранных проб

Верхний горизонт в таких просадках осветляется до серого или до светло-серого цвета.

Рис.2 Проседание грунта на месте выхода водородных струй. Липецк, Сселки.

Что это, потеря гумуса? Теоретические предпосылки таких опасений есть. Так, например, известны технологии переработки угля, сланцев, нефти, древесины в жидкое топливо в токе молекулярного водорода в присутствии катализаторов – металлов переменной валентности (например, железа), их сульфидов и оксидов. При этом основными реакциями являются гидрирование – присоединение водорода к ароматическим и непредельным углеводородам и гетероциклическим соединениям, и деструктивное гидрирование, то есть реакция соединений с водородом, сопровождающаяся расщеплением углерод-углеродных связей. Последние часто проводятся при переработке фракций нефти для снижения их средней молекулярной массы. В результате гидрогенизации высокомолекулярные органические вещества превращаются в смесь низкомолекулярных соединений, насыщенных водородом. Конечно, этот процесс проходит при повышенной температуре и давлении, но в последнее время довольно успешно разрабатываются технологические приемы их значительного снижения.

Все эти сведения позволяют предположить, что и гумус, как высокомолекулярное вещество с большим количеством сопряженных двойных связей и с ароматическими фрагментами, может подвергаться подобной деструкции на более мелкие по молекулярным массам фрагменты в токе водорода, тем более что железа в почве достаточно.

Рис.3 Описание разреза

Нами проведены предварительные исследования верхнего гумусового горизонта чернозема (запад Волгоградской области) в небольшой западине с выходом водорода, где отмечено сильное выбеливание поверхности.
Первые пробные исследования показали, что:

• 
  на участках выделения водорода из недр земли, где формируется кольцеобразная просадка грунта, наблюдается значительное осветление гумусового горизонта. Величина коэффициента отражения по сравнению с фоновыми почвами увеличивается почти вдвое.
• в области просадки грунта почва теряет некоторое количество органического углерода (0,1-0,7%), но эта потеря не может определять такое выбеливание горизонта. Почва подкисляется (величина рН меняется от 6,5 до 4,9).
• в почве зоны выхода водорода резко уменьшается интенсивность окраски гуминовых веществ почв (оцениваемая по оптической плотности ГК), обусловленная наличием двойных сопряженных углеродных связей в молекулах гуминовых веществ. Можно предположить, что идет водородная деструкция гуминовых веществ.
• наш первый пробный лабораторный модельный опыт по пропусканию водорода через почвенный слой показал ту же тенденцию. 
  
  

 

Рис.4. Оптическая плотность вытяжек ГК. 1,2 – пробы дна западины, 3,4,5 – пробы вне западины.

Нельзя исключить еще один очень существенный фактор, влияющий на состояние гумуса, и почвы в целом, в местах выхода водорода. Это периодическое избыточное переувлажнение на кольцевых структурах проседания (западинах), сопровождающееся формированием временных восстановительных условий в почвенном профиле, в результате которого, как отмечают многие исследователи, возможно превращение стабильных гуминовых веществ в более подвижные и агрессивные низкомолекулярные фрагменты (Касаткин, 1948; Урусевская, 1978; Зайдельман, 2009). Интенсивность окраски их значительно ниже. Кроме того, накапливаются низкомолекулярные органические кислоты, фенолы и полифенолы. В анаэробных условиях одновременно накапливаются неорганические восстановители – водород, метан, сероводород, аммиак. Это вызывает резкое подкисление почвы, вынос питательных веществ, резкое уменьшение степени насыщенности основаниями, лессиваж, и в результате увеличение мощности элювиальной деградированности почв (Зайдельман, 2009). Плодородие таких почв резко снижается.
Однако есть и противоречащие факты. Так, например, показано, что гумусовые горизонты гидроморфных почв независимо от ландшафта отличаются повышенным содержанием высокомолекулярных гуминовых кислот (Джиндил, 1968). Кроме того, отмечено, что в условиях периодического увлажнения в черноземно-луговых почвах развивается процесс тирсификации, в результате которого формируются более темные по окраске гумусовые кислоты с повышенной оптической плотностью (Гришина,1986). И.С.Кауричев и Д.С.Орлов считают, что повышенное увлажнение и сдвиг в сторону усиления восстановительных процессов могут оказывать двоякое влияние на характер гумуса, определяемое глубиной изменения окислительно-восстановительного потенциала в почве.
Такая противоречивость говорит о пока что недостаточной изученности вопроса. Процесс гумификации в почвах идет постоянно, это сложный и многостадийный биофизико-химический процесс преобразования отмерших остатков и экскретов живых организмов. Очередность и механизм формирования различных групп гуминовых и фульвокислот все еще остается дискуссионным. На какой стадии превращения поступающего органического вещества он, условно говоря, останавливается, если в почве резко меняется гидрологический режим? В условиях избыточного увлажнения при гумификации появляется возможность относительно более длительного сохранения слабогумусированных компонентов и неспецифических соединений, формируются гуминовые вещества с более «рыхлым» строением (Фокин, 1974), в составе гумуса преобладают фульвокислоты. Возможно, именно этим объясняется преобладание фульвокислот в глееватых почвах западин. В этом случае говорить о том, что стабильные гуминовые вещества подвергаются деструкции в результате переувлажнения пока преждевременно. Показано, что природные гуминовые вещества отличаются устойчивостью к кислотному гидролизу (Рыжиков и др. 1991), а из данных по радиоуглеродному датированию следует, что даже в биологически активной среде гуминовые вещества могут существовать сотни и тысячи лет. Но в то же время под воздействием минеральных кислот вполне вероятно отщепление боковых цепочек (Орлов, 1968) и даже разрыв цепи ядра гуминовых веществ с образованием менее конденсированных продуктов, сохраняющих основу их первоначального строения (Попов, 2004). 
Гуминовые кислоты подвергаются разложению и в процессе биологической деструкции. Для этого требуется большое количество ферментов, выделяемых микроорганизмами (Тейт Р, 1991), хотя одни и те же ферменты (например, некоторые оксидазы) могут принимать участие и в разложении и в синтезе гуминовых веществ. Следует отметить, что на новообразование гуминовых веществ затрачивается намного меньше (в 20-80 раз) энергии, чем на микробиологические процессы (Алиев, 1978). В то же время известны анаэробные бактерии и анаэробные грибы, способные расщеплять ароматические углеводороды в результате реакции восстановления.
Понятно, что гуминовые вещества представляют собой систему, в которой изменения происходят одновременно в противоположных направлениях – разрушение и их синтез. В зависимости от изменения внешних условий равновесие сдвигается то в одну, то в другую сторону (Орлов, 1990; Попов, 2004). Что будет, если через почву будет проходить ток водорода? В разбираемой проблеме больше вопросов, чем ответов.
На основании анализа литературных данных и наших предварительных исследований вполне вероятно предположить, что поток водорода может:
- усиливать восстановительную обстановку в почве, работая как дополнительный фактор при временном переувлажнении,
- при длительном действии трансформировать гумус, расщепляя его по двойным связям на более мелкие фрагменты.
В последние годы почвоведы отмечают усиливающееся локальное временное переувлажнение на блюдцеобразных понижениях территории нашей страны, и, в то же время, с 70-х годов геологи также отмечают усиливающуюся водородную дегазацию из земных недр.

Рис.5. Полевая водородометрия. Н.Ларин и В.Комиссаров

Этот факт вызывает большое беспокойство, поскольку гумус - основа плодородия почв, основа жизни. Если этот факт будет подтвержден дальнейшими исследованиями, то в систему почвенно-экологического мониторинга следует включить наблюдения за водородными потоками из недр Земли. С такими землями необходимо обращаться очень осторожно по нескольким причинам. Во-первых, при распахивании почвы будет усиливаться минерализация гумуса, а это, в свою очередь, ведет к еще большему снижению плодородия, как результат - к меньшему поступлению источников органического вещества почв и еще большей деградации почвы. Во-вторых, существует опасность негативного влияния потоков водорода и других сопутствующих газов (метан, оксиды серы и др.) на строительные конструкции и на людей. Целесообразно при картировании земельных ресурсов относить такие территории к потенциально опасным. Составление карт водородной опасности позволит по новому оценивать земельные ресурсы, разрабатывать мероприятия по сохранению почвенного плодородия, учитывать особенности таких территорий для строительства и любой другой деятельности человека.

Об авторе, Сухановой Наталье Ивановне.

 

Литература

1. Алиев С.А. Экология и энергетика биохимических процессов превращения органического вещества почв. Баку, 1978.
2. Гришина Л.А. Гумусообразование и гумусное состояние почв, М., 1986.
3. Зайдельман Ф.Р. Теория образования светлых кислых элювиальных горизонтов почв и ее прикладные аспекты. Москва. Изд-во КРАСАНД, 2009.
4. Касаткин В.Г. О формах органического вещества гумуса подзолистых и заболоченных подзолистых почв. Науч. тр. Ивановского СХИ, вып.9, Иваново, 1948.
5. Кауричев И.С., Орлов Д.С. Окислительно-восстановительные процессы и их роль в генезисе и плодородии почв. М., Колос, 1982.
6. Рыжиков С.В., Стрелков В.М., Ведерников Н.А., Гайлитис Ю.П. Фракционный состав продуктов механохимической деструкции гуминовых веществ торфа. Биологические науки: Науч.доклады высшей школы, 1991, №10 (334).
7. Орлов Д.С., Дубина В.Л., Елкина В.А. Пиролиз и дифференциальный термоанализ гумусовых веществ почвы, Агрохимия, 1968, №1.
8. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. Изд-во Московского университета, 1990.
9. Попов А.И. Гуминовые вещества. Свойства, строение, образование. Изд-во С-Петербургского университета, 2004.
10. Тейт Р. Органическое вещество почвы: Биологические и экологические аспекты. Пер. с англ., М. 1991.
11. Урусевская И.С., Щипихина Л.С. Содержание и состав гумуса почв различной степени оглеенности в условиях дерново-подзолистой зоны. Науч. докл. высш. шк. Биол.науки, 1978, №10.
12. Фокин А.Д. Включение органических веществ и продуктов их разложения в гумусовые вещества почвы. Изв. Тимирязев. с.-х. акад., М., 1974, вып.6.