木質(zhì)素腐植酸的結(jié)構(gòu)特征

Franti?ek NovákMartina ?estauberováRichard Hrabal著 張水勤袁 亮趙秉強*譯

（1 捷克科學院生物中心 布杰約維采 CZ 37005 2 捷克化學技術(shù)研究院 布拉格 16628 3 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 北京 100081）

木質(zhì)素腐植酸的結(jié)構(gòu)特征

Franti?ek Novák1Martina ?estauberová1Richard Hrabal2著 張水勤3袁 亮3趙秉強3*譯

（1 捷克科學院生物中心 布杰約維采 CZ 37005 2 捷克化學技術(shù)研究院 布拉格 16628 3 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 北京 100081）

從木質(zhì)素磺酸鹽氧化和水解轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物——木質(zhì)素腐植酸鹽中分離出腐植酸組分，并用化學和光譜學（UV/VIS，F(xiàn)T-IR，13C-NMR光譜學）的方法對其組成和結(jié)構(gòu)進行表征。同時，從褐煤和山地云杉林森林土有機層中分離出腐植酸，以作為對照。與其它來源的腐植酸相比，木質(zhì)素腐植酸（LHHA）羧基含量相對較低，而其酸性在一定程度上是通過磺酸基所體現(xiàn)出來的。木質(zhì)素及其相應(yīng)腐殖質(zhì)的13C-NMR光譜在55.9 ppm處有明顯的位移，這是其甲氧基碳的信號，而其它烷氧基碳的數(shù)量非常有限，如脂肪碳。由于這些類型的碳含量相對較低，木質(zhì)素腐植酸的芳香度較高，為60.6%。相比天然的腐植酸，木質(zhì)素磺酸鹽經(jīng)熱處理后所得的木質(zhì)素腐植酸鹽則被認為是一種工業(yè)化生產(chǎn)的天然腐植物質(zhì)的類似物。根據(jù)化學和光譜學數(shù)據(jù)評估結(jié)果，闡明了從木質(zhì)素腐植酸鹽提取的腐植酸的結(jié)構(gòu)特征，且提出了其可能的化學結(jié)構(gòu)，從而描述了分離組分的典型“平均”特征。

13C-NMR光譜 傅里葉變換紅外光譜 腐植酸 木質(zhì)素腐植酸鹽 木質(zhì)素磺酸鹽 結(jié)構(gòu)

腐殖質(zhì)是凋落物在自然分解過程中產(chǎn)生的非晶型復雜混合物，其分子結(jié)構(gòu)高度異質(zhì)性、有化學活性和較強的抗分解能力。大量學者試圖通過將工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物轉(zhuǎn)化成腐植酸或類腐植酸物質(zhì)作為土壤調(diào)節(jié)劑或植物生長刺激劑，以加速腐殖化/煤化這一長期的自然過程，而少數(shù)成功案例之一便是將生物質(zhì)水熱碳化后形成工業(yè)褐煤。如果在該技術(shù)進行過程中停止數(shù)小時，就有可能使轉(zhuǎn)化終止，從而形成腐殖質(zhì)作為中間產(chǎn)物。

Gladkov等開發(fā)了產(chǎn)生腐殖質(zhì)類似物的另一個途徑即基于高壓下木質(zhì)素磺酸鹽熱水解轉(zhuǎn)化技術(shù)，產(chǎn)生木質(zhì)素腐植酸鹽或者木質(zhì)素磺酸鹽-腐植酸鹽。運用純木塊亞硫酸鹽制漿法制得亞硫酸鹽木漿過程中的副產(chǎn)品即為木質(zhì)素腐植酸鹽。該過程中，去木質(zhì)作用使連接著很多木質(zhì)素成分的酸性醚鍵斷裂，醚鍵斷裂的基本位點在碳原子連接丙基側(cè)鏈芳香環(huán)的位置，且斷裂過程中產(chǎn)生的親電碳正離子與亞硫酸離子反應(yīng)生成磺酸鹽。

按照規(guī)定在連續(xù)氧化1.5～2 h條件下，能夠進行木質(zhì)素磺酸鹽向腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化。相比自然界中的類似腐殖化過程，該技術(shù)過程大幅度地加速了腐殖化進程，生成的木質(zhì)素腐植酸鹽是一種含有木質(zhì)素腐植酸、富里酸和少量低分子量有機組分的黑褐色粉末或濃縮的堿性（pH 8～10）混合溶液，其對植物具有類激素的作用。施用后能夠促進根系和葉片的生長，增加其葉綠素含量，增強谷氨酸鹽合成酶、谷氨酸合成酶和二磷酸核酮糖羧化酶的活性，同時與環(huán)境友好。

本研究的目的在于通過物理化學的方法，表征從“未加工的”木質(zhì)素腐植酸鹽中提取的腐植酸組分，與其他來源的腐植酸進行比較，闡明木質(zhì)素腐植酸鹽的結(jié)構(gòu)特征；并根據(jù)化學和光譜學的數(shù)據(jù)，推斷其可能的存在結(jié)構(gòu)公式。

1 材料與方法

1.1材料

1.1.1樣品

從以下樣品中分離出腐植酸：木質(zhì)素A（購自俄羅斯圣彼得堡木質(zhì)素腐殖質(zhì)有限公司），褐煤（取自捷克Mikul?ice附近的Mír礦）和灰化土枯枝落葉層的土壤（取自捷克巨型山脈Al?bětinka地區(qū)云杉林土壤）。木質(zhì)素磺酸鹽（購自捷克共和國Paskov， a. s.生物技術(shù)公司）和木質(zhì)素磺酸的鈉鹽（購自Sigma公司）用來做比較。用50W×4（Aldrich）交換樹脂將木質(zhì)素磺酸從其鈉鹽中交換出來，并冷凍干燥，以便開展傅里葉變換紅外光譜分析。

1.1.2腐植酸的分離

褐煤和山地云杉林枯枝落葉層土壤經(jīng)風干后，適當碾碎，過2 mm篩。在腐植酸提取前，首先用0.1 M HCl將所有的樣品脫鈣20 h，然后用蒸餾水洗滌。從洗滌后的樣品中提取腐植酸，木質(zhì)素硫酸鹽粉末以液樣比20:1的比例用0.1 M NaOH浸提20 h，然后反復沉淀凈化，再用超濾作用脫鹽（超濾過濾單元，密理博YM 1 K過濾，1 kDa截止，氮壓下進行）。腐植酸鈉在強的離子交換樹脂Dowex 50W×4柱中轉(zhuǎn)化為腐植酸（H+形態(tài)），冷凍干燥，黑暗中保存?zhèn)溆?。為區(qū)分木質(zhì)素腐植酸鹽和其原材料分離出的腐植酸，我們用“木質(zhì)素腐植酸”（LHHA）表示制備的腐植酸產(chǎn)品。

1.2物理化學特征

1.2.1元素（CHNS）組成

冷凍干燥樣品的元素（CHNS）組成用元素分析儀測定。每個樣品分析2次，稱樣量為5 mg。結(jié)果以4-氨基-苯磺酸為參考標準。同時，將100 mg樣品置于馬弗爐中，在550 ℃下灼燒4 h，測其灰分含量。

1.2.2紫外/可見光（UV/VIS）光譜

用Varian Cary 3E紫外/可見光光譜儀測定溶解于0.05 M NaHCO3中濃度為80 mg/L的腐植酸樣品在200～900 nm范圍的吸光度。所謂的色度系數(shù)A4/6為A465/A665的吸光度比值。

1.2.3分子量

分子量分布用低壓尺寸排阻色譜法（SEC）測定。用pH 9.0的伯瑞坦-羅比森緩沖溶液（0.04 M磷酸，0.04 M醋酸和0.04 M硼酸1:1:1混合，用0.2 M NaOH調(diào)節(jié)其pH）作為流動相。柱子用葡聚糖凝膠G-50填充。為表征腐植酸的分子量，我們使用了一系列聚苯乙烯磺酸鈉標準樣品。以藍葡聚糖（MW 2000 kDa）和丙酮（MW 58 Da）為標準樣品來檢測柱子的孔隙體積（V0）以及總的滲透體積（Vt）。質(zhì)量為5 mg的腐植酸樣品定量溶于1 mL流動相中。進樣量為0.5 mL，流速為1 mL/min。用Libra S22紫外/可見光分光光度計在0.01 m的比色池中測定洗脫液中標準樣和樣品在280 nm處的相對濃度。平均分子量MW參考Kudryatsev等（2000）的研究方法進行計算。

1.2.4傅里葉變換紅外光譜

將干燥樣品置于瑪瑙研缽內(nèi)磨勻后，用配有Smart Miracle Si晶體衰減全反射配件和氘代硫酸三甘肽溴化鉀檢測器的6700傅里葉變換紅外光譜儀在波數(shù)為4000～630 cm-1（波長為2.5～15.9 μm）范圍內(nèi)進行測定。每個光譜的總平均掃描次數(shù)是64次，分辨率為4 cm-1。用OMN IC操作系統(tǒng)進行大氣壓和衰減全反射的校正以及基線校準等波譜分析。

1.2.513C-NMR光譜

用Bruker Avance 500 DRX NMR光譜儀以125.758 MHz（13C）的工作頻率記錄13C-NMR光譜。樣品溶于0.1 M NaOD的重水后，進行測定，具體參數(shù)為：溫度298.15 K，轉(zhuǎn)子直徑5 mm，掃描次數(shù)12000，激發(fā)脈沖5.7 μs（90°），收集時間0.43 s，波譜寬度37538 Hz，脈沖重復延遲5 s，

1H反門控去耦。自由感應(yīng)衰減信號用25 Hz線增寬處理，化學位移以DDS（2，2-二甲基-2-硅烷-5-磺酸鈉）信號為參考外標。信號分布根據(jù)Shin and Moon（1996）的經(jīng)典文獻繪制，該文獻中運用DEPT 和QUAT脈沖技術(shù)分辨了土壤富里酸的13C-NMR光譜。腐植酸的芳香度通過計算I（106-165）/I（0-165）累積強度的比值而獲得。

2 結(jié)果與討論

2.1元素組成，碳氮比

研究所有腐植酸樣品的氮含量均較低，這體現(xiàn)在其碳氮比較高（表1）。LHHA的碳氮比與木質(zhì)素腐植酸鹽的值相近，約為褐煤腐植酸碳氮比值的2倍。土壤（灰化土）腐植酸的碳氮比也相對較高。木質(zhì)素腐植酸鹽中提取的腐植酸的碳氮比較高意味著其分子中1個氮對應(yīng)著97個碳原子，也就是說，每10個苯丙烷單元將近有1個氮原子。木質(zhì)素腐植酸鹽中的氮可能是來源于木質(zhì)物殘體的蛋白質(zhì)混合物或者是真菌的幾丁質(zhì)侵入原材料所形成的。研究的物質(zhì)硫含量差異顯著（表1）。然而，木質(zhì)素腐植酸鹽每18個碳中就包含有1個硫原子，在轉(zhuǎn)換過程中其硫含量減半，因此LHHA組分中每37個碳中含有1個硫原子，而土壤和褐煤中僅含有很少量的硫。

表1　供試樣品的元素組成（干物質(zhì)的百分含量）、灰分含量、碳氮比和A465/A665（A4/6）的吸光度比值Tab.1 Elemental composition of studied samples （weight percent in dry matter）， content of ash， C/N ratio，and the ratio of absorbances A465/A665（A4/6）

2.2尺寸排阻色譜

高分子量成分的“平均”公式代表了1 kDa超濾膜能夠通過的組分。分子量分布用尺寸排阻色譜測定，結(jié)果為，其分布呈雙峰，這是腐植酸的典型特征。約40%的LHHA在柱空體積中被洗脫處理，剩下的組分用1個最大值為3.4 kDa寬帶來表征。洗脫曲線的進程表明，與土壤腐植酸相似，LHHA分子量變化范圍較寬。當體積大于總的柱體體積時，會發(fā)生部分分析物的洗脫，這證明了葡聚糖凝膠對LHHA產(chǎn)生了類似于天然腐植酸的吸附作用。

考慮到以上因素，LHHA的平均分子量MW明顯高于3.4 kDa。木質(zhì)素磺酸鹽和木質(zhì)素腐植酸鹽產(chǎn)品的原料的分子量范圍為4.6～398 kDa，具體上限由去木質(zhì)作用的條件所決定。高溫高壓條件下木質(zhì)素腐植酸鹽經(jīng)氧化和水解斷裂而生成的LHHA分子量范圍較小，其分子量上限可能受到強度或轉(zhuǎn)化過程的持續(xù)時間影響。研究提出，LHHA的典型假擬結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)單元）分子量為4.5 kDa，這在一定程度上反映了LHHA在葡聚糖凝膠柱上的吸附。

2.3紫外/可見光光譜

褐煤腐植酸、木質(zhì)素腐植酸、年輕土壤中的腐植酸和年輕土壤中的木質(zhì)素磺酸，這4種物質(zhì)的紫外/可見光光譜均在220 nm處達到最大值，該處對應(yīng)的是芳環(huán)中π電子的強烈吸收。電子傳遞帶體現(xiàn)于280 nm左右的肩峰處。在所測的4種物質(zhì)中，褐煤中分離的熟化腐植酸的紫外/可見光光譜比較簡單，其在250～900 nm區(qū)域的吸收值為最大（圖1）。

木質(zhì)素磺酸的紫外/可見光光譜在289 nm處的吸收值僅次于褐煤腐植酸，具有磺化有機物質(zhì)的典型特征；土壤腐植酸和LHHA的紫外/可見光光譜在該波長（280 nm）附近具有一個肩峰，是分子中豐富的發(fā)色團產(chǎn)生的電子傳遞帶，這反映了在轉(zhuǎn)化過程中木質(zhì)素磺酸鹽的磺酸基團減少；在褐煤腐植酸的紫外/可見光光譜中，并沒有明顯特征的肩峰；泥炭腐植酸的紫外/可見光光譜僅能在上層觀測到此肩峰。在250～900 nm區(qū)域，木質(zhì)素磺酸鹽的吸光值最低；土壤腐植酸和LHHA則具有較高的吸光值，且其吸收曲線相近。A465/A665吸收比是分析腐植酸的典型指標，只有年輕的土壤腐植酸具有一個較高的值（表1）。因此，4種物質(zhì)的紫外/可見光光譜分析結(jié)果表明，LHHA與年輕土壤的腐植酸最為相像。

2.4傅里葉變換紅外光譜

根據(jù)所研究樣品的傅里葉變換紅外光譜譜圖（圖2），不難觀察到其斜對稱和對稱振動特征吸收帶，如分別在2925 cm-1和2840 cm-1（不太明顯的）的脂肪族C-H結(jié)合。官能團的主要吸收峰在1800～900 cm-1之間。1710 cm-1處有1個顯著的吸收峰是羧基官能團上C=O的伸縮振動；1615 cm-1處的振動屬于芳香C=C的伸縮振動（木質(zhì)素磺酸鹽和LHHA在1605 cm-1處）。

1508～1512 cm-1處的吸收峰與芳香C=C結(jié)合的伸縮振動有關(guān)。1460 cm-1附近雙峰的出現(xiàn)是由于C-H脂肪族-CH3和-CH2官能團的變形（1463 cm-1）和甲氧基基團中C-H的變形（1455 cm-1）而引起的。1423 cm-1處的吸收峰與木質(zhì)素或碳水化合物中C-H的變形有關(guān)。1375 cm-1處的吸收峰與（LHA，LHHA，SHA）半纖維素或纖維素中C-H的變形有關(guān)。1263 cm-1處吸收峰的出現(xiàn)是木質(zhì)素中愈創(chuàng)木酚環(huán)規(guī)則性變動和C-O伸縮的結(jié)果。1217 cm-1處的吸收峰屬于木質(zhì)素中紫丁香基環(huán)和C-O的伸縮，1144 cm-1和1153 cm-1處的雙峰脂肪族C-OH的振動。在1070～1780 cm-1處有較弱的振動出現(xiàn)，這是（LHHA，LSA，SHA）半纖維素和（SHA）纖維素的C-O伸縮振動。LHA和SHA波譜的Si-O弱振動在1030～1040 cm-1處得以體現(xiàn)。然而，1038 cm-1處出現(xiàn)的肩峰屬于磺化木質(zhì)素和LHHA波譜的S-O振動。

2.513C-NMR光譜

所研究樣品的液態(tài)定量13C-NMR光譜結(jié)果如圖3所示，該光譜結(jié)果表現(xiàn)出了腐殖質(zhì)的典型共振：脂肪族碳（0～45 ppm），碳水化合物和/或氨基酸（45～106 ppm），芳香碳（106～145 ppm），酚碳（145～165 ppm），羧基碳（165～190 ppm）和羰基碳（190～210 ppm）（表2）。在脂肪碳區(qū)域主要由脂肪鏈或芳香環(huán)上甲基基團（0～20 ppm）和亞甲基基團（27、31和40 ppm）的信號構(gòu)成。替代碳的區(qū)域（45～106 ppm）主要包括季碳、次甲基碳基團（碳水化合物和氨基酸），在63 ppm處的信號是由于氧與亞甲基的結(jié)合效應(yīng)引起的，在56～57 ppm處是甲氧基基團-OCH3的典型信號。

表2　13C-NMR光譜中所研究腐殖質(zhì)各碳形態(tài)的平均分布Tab.2 Average distribution of individual carbon types in the studied HS from the13C-NMR spectra

木質(zhì)素磺酸鹽（磺化的木質(zhì)素）是水溶的陰離子聚合電解質(zhì)的聚合物，其分子量達140 kDa，甚至高達398 kDa。它們的13C-NMR光譜芳香碳含量較低，而木質(zhì)素O-CH3基團在57 ppm處有一個尖峰，含酚碳的信號在145 ppm附近，而有別于其它的芳香碳區(qū)域；且它們的波譜特征與腐殖質(zhì)的波譜完全不同，幾乎沒有羧基和羰基信號。

用于生產(chǎn)木質(zhì)素腐植酸的木質(zhì)素磺酸鹽的原料由木質(zhì)素磺酸鹽、一定比例的水溶性半纖維素和其它的有機物質(zhì)（有機酸、蛋白質(zhì)等）組成?？紤]到這個原因，木質(zhì)素腐植酸鹽的13C-NMR光譜中包含在70 ppm處其他碳水化合物碳的強信號和在100 ppm處異頭碳的弱信號，而其相對應(yīng)的LHHA信號更弱。在13C-NMR光譜的碳水化合物區(qū)域，從含纖維素的凋落物中提取的天然腐植酸異頭碳（褐煤腐植酸在100 ppm處，土壤腐植酸在103 ppm處）信號明顯，該區(qū)域也可能有C-2、C-3、C-5纖維素碳的強吸收，且在74 ppm附近達到最大吸收值。

木質(zhì)素腐植酸鹽的13C-NMR光譜包含除木質(zhì)素磺酸鹽的典型信號（酚類物質(zhì)、芳香物質(zhì)和O-烷基）外，還在165～210 ppm處包含了許多強烈的羧基和羰基碳信號。此外，于57 ppm處有一個明顯木質(zhì)素O-CH3碳信號，該信號對總累積強度的貢獻率為12.4%；還有許多可能由于木質(zhì)素磺酸鹽部分分解產(chǎn)物而形成的脂肪族區(qū)域的尖峰（特別是在20 ppm附近區(qū)域）。

為測定各樣品的氧化度，我們用HCl沉淀預處理木質(zhì)素腐植酸鹽，并將其溶于0.1 M NaOH，進行超濾，從而分離出LHHA。木質(zhì)素腐植酸鹽的13C-NMR光譜不同于其分離出的LHHA組分。然而，被氧化的低分子量的產(chǎn)品-木質(zhì)素腐植酸鹽在13C-NMR光譜中有明顯的特征尖峰，而其相應(yīng)的腐植酸-LHHA的光譜中很多此類信號的缺失（圖3），這可能是由于在木質(zhì)素磺酸鹽轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生很多氧化變化與最初的大分子分裂有關(guān)，因此導致小分子的氧化程度最高。由此結(jié)論可知，在木質(zhì)素磺酸鹽轉(zhuǎn)化過程中，LHHA和富里酸中有大量小分子量的組分（如香草醛、香草酸和相關(guān)的物質(zhì)）形成，其中有些物質(zhì)可能對木質(zhì)素腐植酸鹽的生物活性有較大的促進作用。

LHHA的定量13C-NMR光譜如圖3所示?？梢钥闯觯?78 ppm和200 ppm處，有羧基碳和羰基碳2個弱的吸收峰，同時在168.4 ppm處有1個碳酸鹽的強信號?；谝陨瞎庾V強度，可以假設(shè)LHHA的組分中約2個芳香環(huán)上有1個羧基，約4個苯丙烷單元有1個羰基。在芳香碳區(qū)域可辨別出2個結(jié)合峰，1個是芳香碳上連接的未被取代的碳或結(jié)合芳香碳的脂肪族碳，另1個是酚碳。大約20個芳香碳中有7個為酚碳，這意味著平均1個苯環(huán)約有2.1個酚碳。初始木質(zhì)素的主要構(gòu)建模塊中尤以1個O-CH3基團連接苯環(huán)的松柏醇特征最為明顯、2個O-CH3基團連接苯環(huán)的芥子醇程度較輕（約10%）。這意味著木質(zhì)素腐植酸鹽產(chǎn)品的初始材料來源于針葉樹材（云杉）。典型的木質(zhì)素及其腐殖質(zhì)的光譜于55.9 ppm處，有1個明顯的位移，這是典型的甲氧基碳13C-NMR光譜特征信號。從13CNMR光譜（圖3）可知，LHHA脂肪碳（0～45 ppm）和烷氧基碳（45～106 ppm）的含量很低。

毋庸置疑，羧基是腐植酸最重要的官能團，且它主要與苯環(huán)相連。其中，1個羧基大約與2個苯丙烷單元相連。分子中羧基的比例相對較低，主要通過與木質(zhì)素苯丙烷單元α-C相連的強烈酸化的磺酸基的存在得到補償。1個磺酸基與略大于3個苯丙烷單元數(shù)量一致。松柏醇單元中的甲氧基主要存在于LHHA中：每個苯環(huán)大都含有1個O-CH3，很少有像芥子醇中含有2個。少量與190～220 ppm處13C-NMR信號相關(guān)的羧基可能連接在脂肪鏈上。芳環(huán)上未被取代氫的比例相對較高，平均每個苯環(huán)上大約有2個氫原子。連接在苯丙烷單元的γ-C上的醇羥基比僅有三分之一的苯環(huán)上具備的酚羥基多2倍。LHHA的氮含量很低，1個氮約對應(yīng)97個碳原子。顯而易見，它來源于通過肽鍵連接在脂肪族側(cè)鏈的氨基酸上。

通過比較木質(zhì)素腐植酸鹽的元素組成和光譜圖（特別是13C-NMR）特征，可以總結(jié)出木質(zhì)素磺酸鹽骨架中LHHA典型的結(jié)構(gòu)單元。丙酸單元連接在磺酸基上的針葉木木質(zhì)素結(jié)構(gòu)形成了木質(zhì)素磺酸鹽的基礎(chǔ)骨架。根據(jù)先前提到的結(jié)構(gòu)，可設(shè)計出代表木質(zhì)素磺酸鹽腐植酸組分“平均”分子量的假定化學結(jié)構(gòu)。由于木質(zhì)素磺酸鹽是分子大小不一的復雜的混合物，它的化學式就像天然腐植酸那樣不能被確定下來，但是，我們提出了LHHA的代表性化學結(jié)構(gòu)，具體如圖4所示，它描述了該物質(zhì)的典型“平均”特征，這與本研究的分析結(jié)構(gòu)相一致。

2.6木質(zhì)素腐植酸與土壤腐植酸的比較

Springer（1938）為了區(qū)分天然的腐殖質(zhì)，通過它們的熟化程度的差異，引入了木質(zhì)素腐植酸的概念。熟化程度最低的是木質(zhì)素腐植酸，且木質(zhì)素腐植酸熟化程度越高，越有可能成為土壤腐植酸。通過對木質(zhì)素腐植酸組成和結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與天然腐殖質(zhì)相比，盡管木質(zhì)素腐植酸的氮含量較低，磺酸基比例略高，但兩者較為相近，且可將木質(zhì)素腐植酸認為是天然腐殖質(zhì)的類似物。

在木質(zhì)素腐植酸鹽的生產(chǎn)過程中，通過高溫高壓對木質(zhì)素磺酸鹽進行技術(shù)性處理，借以實現(xiàn)其經(jīng)受類似植物凋落物在自然界中腐殖化過程的化學變化：在其他材料中，木質(zhì)素骨架形成具有較高比例的比羧基和羰基官能團的分子量更小的物質(zhì)。此外，木質(zhì)素腐植酸鹽分子中有相當高比例來源于木質(zhì)素苯丙烷結(jié)構(gòu)單元的酚羥基，也有一部分來自于木質(zhì)素磺酸鹽的磺酸基。這些強酸性基團彌補了分子中羧基含量較低的不足，增加了LHHA的水溶性，在木質(zhì)素磺酸鹽施用于土壤的過程中能夠通過生物硫促進植物生長。LHHA與天然腐植酸一樣可以通過形成氫鍵來促進環(huán)境酸化。

盡管難以摸索出腐殖質(zhì)準確的結(jié)構(gòu)公式，但仍然有必要表達它們典型的特征結(jié)構(gòu)，以此代表其近似結(jié)構(gòu)，這需要進一步研究。已知的結(jié)構(gòu)特征可作為木質(zhì)素腐植酸鹽特性及其環(huán)境行為的一方面，也可以作為其與養(yǎng)分或污染物交互作用的模型。

木質(zhì)素磺酸鹽轉(zhuǎn)化和其在土壤中腐殖化作用的主要差別是整個過程的進行速度。植物凋落物在自然界中腐殖化需要很多年才能完成，且自然界中黃腐酸能被淋溶到土壤深層或者水體表面；而木質(zhì)素磺酸鹽在形成過程中，低分子量的物質(zhì)依舊保留在產(chǎn)品中，溫度和轉(zhuǎn)化周期的選擇能夠影響產(chǎn)品中高分子量和低分子量組分所占的比例。另1個不同是原材料的差異。木材大部分是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素所構(gòu)成，而在木材自然降解過程中，纖維素被分解者消化利用，因此只有部分轉(zhuǎn)化為腐植酸；在木屑的紙漿產(chǎn)品中，纖維素在第一步被分離出來，而不能進入木質(zhì)素腐植酸鹽結(jié)構(gòu)中。盡管部分木質(zhì)素磺酸鹽的磺酸基在轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生了水解，但LHHA的硫含量依舊明顯高于土壤或者褐煤腐植酸。

凋落物降解和腐殖化的自然過程極度復雜也引起了其他差異。由于環(huán)境中的時空變異較大，以上自然過程經(jīng)常發(fā)生可逆反應(yīng)（特別是礦化反應(yīng)、合成反應(yīng)、氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)等），這導致形成的腐植酸具有較大變異。因此，天然腐植酸的結(jié)構(gòu)更為復雜且難以確定，這在13C-NMR光譜圖中存在寬峰、特征結(jié)構(gòu)單元的尖峰信號中得到證實。由于原料質(zhì)量檢驗和木質(zhì)素磺酸鹽轉(zhuǎn)化條件的控制，使得木質(zhì)素腐植酸鹽具有更多確定的結(jié)構(gòu)，這體現(xiàn)在其13C-NMR光譜在56～57 ppm化學位移處具有較高分子量組分的特征強峰——木質(zhì)素O-CH3基團，也在低分子量組分的光譜圖中具有與氧化產(chǎn)物（如香草醛）相對應(yīng)的一系列尖峰核磁信號。這些低分子量的有機組分可用乙醇或乙醚進行提取，用GC-MS進行檢測，它們中有些類似于木酚素，可以顯著影響木質(zhì)素腐植酸鹽的生物活性功能。木質(zhì)素腐植酸組分的構(gòu)成具有明顯的特征，能夠用來進行鑒定甚至可以將其與假冒偽劣產(chǎn)品區(qū)分開來。

3 結(jié)論

將組成、結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)考慮其中，木質(zhì)素磺酸鹽通過高壓轉(zhuǎn)化制得的木質(zhì)素腐植酸可認為是一種工業(yè)生產(chǎn)的天然腐殖質(zhì)的類似物。我們所提出的結(jié)構(gòu)模型可能在研究木質(zhì)素腐植酸鹽與重金屬的結(jié)合效應(yīng)或木質(zhì)素腐植酸鹽與微量元素或除草劑同時施用的交互作用等方面有用。轉(zhuǎn)化條件對低分子量組分的影響、木質(zhì)素腐植酸鹽的生理效應(yīng)和對作物生產(chǎn)的最優(yōu)效果均需要進一步的研究。木質(zhì)素腐植酸鹽低分子量組分的組成分析將用來確定木質(zhì)素磺酸鹽轉(zhuǎn)化的最優(yōu)參數(shù)，尤其是在生物活性成分確定了之后。

從環(huán)境的視角來說，木質(zhì)素磺酸鹽的轉(zhuǎn)化是一項重要的廢物資源利用技術(shù)。因此，將來在相似條件下檢驗其他生物廢棄物轉(zhuǎn)化是否產(chǎn)生相似的產(chǎn)品會使研究變的更加有趣。

致謝和參考文獻（略）

譯自：Journal of Molecular Structure，2015，1093：179～185。

（上接版權(quán)頁科普配圖詩注釋）

注：

[1]全句：2015年，在農(nóng)資市場上，腐植酸肥料被譽為“黑珍珠”“黑動力”“黑美人”?！安徽f腐植酸肥料就賣不上好價錢”，成了肥料界的“口頭禪”。

[2]全句：2015年3月18日，《到2020年化肥使用量零增長行動方案》發(fā)布，全社會為之交口稱道。腐植酸是土壤本源性物質(zhì)，是土壤的“生命核”。40多年來，腐植酸肥料為育化土壤、優(yōu)化肥料、食品安全生產(chǎn)默默積聚力量。在化肥零增長的背景下，腐植酸肥料既可讓土壤、肥料回歸本來面貌，又可替代化肥，成為育化土壤的好肥料。

[3]全句：讓“腐植酸+”大中微量營養(yǎng)元素，開創(chuàng)“肥料工業(yè)4.0”（“視點”）新時代成為歷史的選擇。協(xié)會提出創(chuàng)立“腐植酸·植物礦物質(zhì)營養(yǎng)學說”的新理論，將對指導我國肥料產(chǎn)業(yè)變革乃至世界肥料發(fā)展產(chǎn)生重要影響。新三元，系指腐植酸提質(zhì)增效氮磷鉀與土偕。

[4]全句：俱往昔，締造“土肥和諧”就是締造土肥的全家福。通過腐植酸團聚土壤生命家族，同心協(xié)力，為人類可持續(xù)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)食品提供安全的保育環(huán)境。

Structural Features of Lignohumic Acids

Franti?ek Novák1， Martina ?estauberová1， Richard Hrabal2write，Zhang Shuiqin3， Yuan Liang3， Zhao Bingqiang3*translate
（1 Biology Centre Academy Sciences of Czech Republic， ?eské Budějovice， CZ 37005 2 Institute of Chemical Technology of Czech Republic， Prague， 16628 3 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning， Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing， 100081）

The composition and structure of humic acids isolated from lignohumate， which is produced by hydrolytic-oxidative conversion of technical lignosulfonates， were characterized by chemical and spectral methods （UV/VIS， FT-IR， and13C-NMR spectroscopy）. As comparative samples， humic acids （HA） were isolated also from lignite and organic horizon of mountain spruce forest soil. When compared with other HA studied， the lignohumate humic acids （LHHA） contained relatively few carboxyl groups， whose role is partly fulflled by sulfonic acid groups. Distinctive13C-NMR signal of methoxyl group carbons， typical for lignin and related humic substances， was found at the shift of 55.9 ppm. Other alkoxy carbons were present in limited quantity， like the aliphatic carbons. Due to the low content of these carbon types， the LHHA has high aromaticity of 60.6%. Comparison with the natural HA has shown that lignohumate obtained by thermal processing of technical lignosulfonate can be regarded as an industrially produced analog of natural humic substances. Based on the chemical and spectral data evaluation， structural features of lignohumate humic acids were clarifed and their hypothetical chemical structure proposed， which described typical “average” properties of the isolated fraction.

13C-NMR； FT-IR； humic acids； lignohumate； lignosulfonate； structure

TQ314.1，O636.2

A

1671-9212（2016）01-0024-08

2015-09-23

張水勤，女，1988年生，在讀博士研究生，主要從事肥料資源利用研究。*通訊聯(lián)系人:趙秉強，男，研究員，E-mail:bqzhao@163.com。