WSTĘP

Związki humusowe (próchnicze) w tym kwasy różnego typu – powstające w wyniku humifikacji roślin występują głównie w torfach, glebach torfowo-murszowych. Znajdują się także w niektórych wodach powierzchniowych oraz w wodach podziemnych zwłaszcza pochodzących z warstw wodonośnych trzeciorzędu – miocenu.

Kwasy humusowe zawarte w borowinie to wielkocząsteczkowe związki organiczne o charakterze polimerycznym (1). Składają się z rdzenia aromatycznego (typu fenoli) połączonego z aminokwasami, cukrami, peptydami, kwasami alifatycznymi (2, 3, 4). Związki humusowe warunkują stan koloidalny, właściwości sorpcyjno-wymiennikowe, odczyn (pH) oraz czynne działanie biologiczne (5).

Rozróżnia się trzy typy kwasów humusowych: kwasy huminowe, hymatomelanowe i fulwonowe. Różnią się one między sobą masą cząsteczkową (od kilkuset do kilku tysięcy g/mol), liczbą i rodzajem grup funkcyjnych, stopniem polimeryzacji i kwasowości, zawartością węgla, tlenu i azotu. Zawartość węgla oraz intensywność zabarwienia poszczególnych związków wzrasta wraz z masą cząsteczkową. Ze wzrostem stopnia polimeryzacji maleje natomiast kwasowość i zawartość tlenu w poszczególnych związkach (6).

Ilościowy udział poszczególnych frakcji kwasów humusowych w danej borowinie a tym samym jej właściwości chemiczne, fizyko-chemiczne i biochemiczne są zależne od warunków w jakich przebiegał proces humifikacji.

Substancje humusowe a zwłaszcza kwasy huminowe obecne w borowinach, wykazują działanie m.in. ściągające na skórę i błony śluzowe (7), przeciwzapalne (8, 9), przeciwbakteryjne (10), wzmagające procesy przemiany materii (11) oraz powodują wzrost oddychania tkankowego (12). Izolowane związki humusowe są używane do produkcji środków farmaceutycznych i kosmetycznych.

Czy zatem wody mioceńskie mogą być również środkami naturalnymi o działaniu podobnym do wyżej wskazanego?

Substancje humusowe w wodach mioceńskich (oprócz związków żelaza i manganu) mają zasadniczy wpływ na żółtobrunatną barwę wody, podnoszą też tzw. utlenialność. Związki humusowe zawarte w podziemnych wodach mioceńskich przeznaczonych do powszechnego spożycia tworzą z punktu widzenia technologicznego trudność w ich uzdatnianiu – (obniżeniu jej barwy i utlenialności oraz usunięciu ponadnormatywnych stężeń żelaza i manganu) (13) i wykorzystaniu do zaopatrzenia ludności w wodę.

Celem przeprowadzonych badań była identyfikacja i charakterystyka związków humusowych zawartych w wodach mioceńskich w porównaniu z danymi uzyskanymi wcześniej dla tych związków wyizolowanych z borowin leczniczych oraz kwasów wzorcowych f. Fluka (14, 15, 16). Do charakterystyki i różnicowania poszczególnych związków wykorzystano różniczkowe widma absorpcyjne w zakresie UV-VIS wyizolowanych kwasów hymatomelanowych, fulwonowych i huminowych.

MATERIAŁ I METODYKA

Badane wody podziemne pochodziły z utworów wodonośnych trzeciorzędowych (mioceńskich), przewarstwionych węglem brunatnym, zlokalizowanych w dolinie rzeki Warty na odcinku Mosina-Poznań-Obrzycko. Dwa ujęcia umiejscowione są na terenie miasta Poznania [szpital(s-), Dębina (D-)], 2 ujęcia w m. Radzewice
k. Mosiny oraz 1 ujęcie w m. Brączewo k. Obrzycka.

Oznaczono niektóre parametry fizyko-chemiczne i chemiczne tych wód, tj: barwę, utlenialność (KMnO4), odczyn (pH), przewodnictwo elektrolityczne oraz stężenie żelaza i manganu – metodami ogólnie przyjętymi w tego typu oznaczeniach. Zmierzono absorbancję dla λ=254, 420,436 i 665 nm (tj. długościach fali stosowanych przy oznaczaniu rozpuszczalnego węgla organicznego i zawartości kwasów huminowych) (17, 18). Spektrogramy wykonano z wykorzystaniem spektrofotometru UV-VIS,  f. Hitachi typu U-1800.

Spektrogramy poszczególnych wód oraz wyodrębnionych z nich frakcji kwasowych: kwasów huminowych, hymatomelanowych i fulwonowych wykonano w zakresie 250-700 nm przy prędkościach skanowania w przedziale 100-800 nm/min, zakresie Abs 0-10, stosując kuwety kwarcowe lub szklane o długości drogi optycznej d=1 cm lub d=5 cm.

Różniczkowania IV stopnia rzeczywistych widm absorpcyjnych dokonano metodą numeryczną a wygładzenia widm metodą Savistky-Golay’a. Stopnie czułości oraz liczbę punktów do aproksymacji danej krzywej dobrano doświadczalnie.

Schemat procedury wyodrębniania badanych kwasów z wody mioceńskiej przy zastosowaniu selektywnej ekstrakcji alkalicznej, kwasowej i alkoholowej wg Christmanna i wsp. (19) przedstawia rycina 1.

WYNIKI

Badane wody z m. Poznania występują w warstwach piasków drobnoziarnistych i mułkowatych, lokalnie średnioziarnistych o miąższości > 100 m. Wody te są przedzielone warstwami mułków i węgli brunatnych o charakterze nieciągłym. Poznański poziom mioceński obejmuje wody o charakterze naporowym artezyjskim, w obrębie doliny rzeki Warty (20).

Wyniki badań fizyko-chemicznych i chemicznych badanych wód mioceńskich wraz z umiejscowieniem ujęć i podaniem ich głębokości przedstawiono w tabeli 1.

Badane wody zwłaszcza z ujęcia Brączewo i miasta Poznania (s- Poznań) charakteryzują się dużą utlenialnością – w granicach 520-610 mg02/dm3, wysoką barwą – 1250 do 1260 mg Pt/dm3, największymi wartościami absorpcji dla λ=254, 420 i 436 nm i odczynem pH = 7,04-7,60.

Rycina 2 ilustruje rzeczywiste widma absorpcyjne badanych wód mioceńskich i wyizolowanych frakcji kwasowych związków humusowych.

Przebieg krzywych rzeczywistych widm absorpcyjnych wskazuje, że brak jest wyraźnych, dobrze uformowanych i rozdzielonych pików absorpcyjnych; widma mają charakter linii monotonicznie malejącej. Obserwowany jest systematyczny wzrost krzywych widmowych absorpcji począwszy od λ= 450-480 nm tj. od zakresu barwy żółtej promieniowania widzialnego, w kierunku ultrafioletu.

Z wielkości max absorbancji odczytanej z widma rzeczywistego danej wody mioceńskiej wynika, że absorbancja a więc zawartość związków humusowych maleje w następującej kolejności dla badanych wód:

Brączewo > s-Poznań > D-Poznań > Radzewice I > Radzewice II.

Na rycinie 3 przedstawiono różniczkowe IV stopnia widma absorpcyjne badanych wód mioceńskich i wyodrębnionych z nich kwasów huminowych, fulwonowych, hymatomelanowych dla zakresu 250-700 nm i długości drogi optycznej d=1 cm.

Przedstawione na tych rycinach widma różniczkowe zawierają dobrze rozdzielone, na ogół symetryczne piki absorpcyjne przy określonych pasmach długości fal promieniowania elektromagnetycznego. Charakterystyczne, największe piki występują w pasmach wspólnych dla wód w stanie naturalnym, dla kwasów huminowych oraz kwasów hymatomelanowych: 321-324 nm, 365-366 nm, 404-406 nm. Wysokość tych pików w max absorpcji jest różna w zależności od rodzaju i pochodzenia danego kwasu. Występują także niekiedy dodatkowe piki. Dotyczy to głównie pików w przy λ= 483-485 nm dla kwasów huminowych i λ=404nm dla kwasów hymatomelanowych oraz λ=593 nm dla kwasów fulwonowych w wodach z ujęcia Brączewo i s-Poznań.

Analizując wielkości pików i wartości absorbancji wszystkich różniczkowych widm absorpcyjnych poszczególnych frakcji kwasów wyodrębnionych z badanych wód można ustalić następujące zależności ilościowe:

• woda z ujęcia Brączewo: zaw. kwasów huminowych 3x > zaw. kwasów hymatomelanowych

• woda z ujęcia s-Poznań: zaw. kwasów huminowych 1,5x > zaw. kwasów hymatomelanowych

Wartości absorbancji uzyskane dla wody mioceńskiej niekiedy są mniejsze od wartości absorbancji dla wyizolowanych z niej kwasów huminowych i hymatomelanowych. Różnice te są wynikiem badania danej wody przesączonej (aby uzyskać klarowny roztwór do analizy). Brunatne osady żelaza i jego połączenia z kwasami humusowymi wytrącają się szczególnie w wodach z ujęcia: D-Poznań i Radzewice II, które zawierają żelazo w granicach 7,98-11,25 mg/dm3.

W przypadku wyodrębniania z wód poszczególnych frakcji kwasowych, stosowano wodę surową (bez przesączania).

PODSUMOWANIE

Krzywe różniczkowe widm absorpcyjnych kwasów huminowych i hymatomelanowych pochodzących z badanych wód mioceńskich, zwłaszcza z ujęcia Brączewo i s-Poznań są podobne do krzywych różniczkowych widm uzyskanych dla borowin (14, 15, 16) co wskazuje na tożsamość tych związków pod względem ich budowy chemicznej.

Na podstawie uzyskanych różniczkowych IV stopnia widm absorpcyjnych można stwierdzić, że w badanych wodach mioceńskich występują głównie kwasy huminowe, a także w mniejszej ilości kwasy hymatomelanowe.

Jest to zgodne z doniesieniami, w których stwierdzono, że kwasy huminowe i ich sole występują w wodach podziemnych, a kwasy fulwonowe przeważają w wodach powierzchniowych (21).

Spośród badanych wód najwięcej kwasów huminowych zawiera woda z ujęcia Brączewo. Woda ta sklasyfikowana jest jako 0,1% woda silnie hiposmotyczna wodorowęglanowo-chlorkowo-sodowa, zawierająca 122 mg/dm3 naturalnych kwasów huminowych i 1,36 mg/dm3 fulwonowych (22, 23). Woda ta była przedmiotem badań farmakodynamicznych na zwierzętach, w których oceniano jej wpływ na elementy gospodarki węglowodanowej, tłuszczowej, białkowej, elektrolitowej. Określono także jej wpływ na wydalanie moczu, żółci, na mięśnie gładkie jelita izolowanego oraz równowagę kwasowo-zasadową krwi (22, 24). Wyniki tych badań były zbliżone do uzyskanych dla kwasów huminowych pochodzących z borowiny (25).

WNIOSKI

Spośród badanych wód najwyższą zawartością związków humusowych wyróżnia się woda z ujęcia Brączewo. Zawiera też najwięcej rozpuszczonych składników mineralnych.

W badanych wodach mioceńskich występują głównie kwasy huminowe, kilkakrotnie w mniejszej ilości kwasy hymatomelanowe oraz w nieznacznej ilości kwasy fulwonowe.

Krzywe różniczkowe widm absorpcyjnych kwasów huminowych i hymatomelanowych, które występują w badanych wodach zwłaszcza z ujęcia Brączewo i s-Poznań są podobne do krzywych uzyskanych dla borowin co potwierdza genetyczny związek tych wód ze złożami torfów i wskazuje na podobieństwo właściwości biochemicznych tych surowców balneologicznych.

..............................................................................................................................................................

PIŚMIENNICTWO

1.    Gonet S., Dębiska B.: Charakterystyka kwasów huminowych powstałych w procesie rozkładu resztek roślinnych. Zeszt. Prob.Post. Nauk Roln.1993, 411, 241-248.

2.    Grasset L., Ambles A.: Structure of humin and humic acid from an acid soil es revealed by phase transfer catalyzed hydrolysis. Org. Geochem., 1998, 29, 4, 881-891.

3.    Kawatsuka S., Tsutsuki K., Kumada K.: Elementary composition of humic acids. Chemical Studies on soil humic acids. J.Soil. Sci. Plant. Nutr.,1978, 24, 337-347.

4.    Senesi N: Molecular and Quantitative Aspects of Chemistry of Fulvic Acid and Its Interactions with Metal Ions and Organic Chemicals. Anal. Chim. Acta, 1992, 232, 51-75.

5.    Lishtvan I.I. et al.: Die Anwendung vor Torfen und Mudden der chemischen und Peloid-Therapie. Wirkungmechanismen der Moortherapie. Telma, 1975, 5, 277-307.

6.    Ghabbor E.A.: Humic substances-Structures, Models and Function, Royal Society of chemistry, 1998, 19-39.

7.    Baszyński T. i wsp.: Torfowisko wysokie Gorba cz. II. Acta Soc. Botanicorum Pol. 1956, 25, 3-14.

8.    Klöcking R., Hofman R., Mücke D.: Tieriexperimentelle Untersuchungen zur  entzündungshemmndn Virkung von Humaten. Arzneimittel-Forsch. 1968,18, 941-942.

9.    Lishtvan I.I. et al.: Die Anwendung vor Torfen und Mudden in der chemischen und Peloid- Therapie. Wirkungsmechanismen der Moortherapie G.Goecke, G.Lüttig. Hippokrates Verlag GmBH, Stuttgart, 1987, 73-82.

10.    Kłosowska T.: Badania nad bakteriobójczym działaniem borowin. Acta Microbiol. Pol. 1972, 28, 607-612.

11.    Naucke W.: Physikalische und chemische Aspekte der Moortherapie. Telma, 1975, 5, 277-307.

12.    Nowacka A., Górniok A., Majewski Cz.: Wpływ borowiny oraz niektórych frakcji borowinowych na procesy oddychania w skórze wyosobnionej. Pol.Tyg.Lek.,1970, 40, 1494-1497.

13.    Perchuć M., Ziółkowska T.: Badania nad uzdatnianiem barwnych wód podziemnych. Ochrona Środowiska, 1995, 59, 4, 233-28.

14.    Drobnik M., Latour T.: Wykorzystanie różniczkowych widm absorpcyjnych UV-VIS do oznaczania niektórych związków humusowych w torfach leczniczych. Roczniki PZH, 2009, 60, 3, 221-228.

15.    Drobnik M.: Zróżnicowanie ilościowe i jakościowe kwasów humusowych w borowinach typu niskiego ze złóż o różnej miąższości i stopniu humifikacji.  Baln. Pol.-(w druku).

16.    Drobnik M., Latour T.: Badanie zawartości i struktury związków humusowych w wodzie mioceńskiej, torfach leczniczych oraz węglu brunatnym na podstawie różniczkowych widm absorpcyjnych. Roczn. PZH – (w druku).

17.    Fresenius W., Quentin K.E., Schneider W.: Watter Analysis. A Practical Guide to Physico-Chemical, Chemical and Microbiological Water Examination and Quality Assurance. Springer –Verlag Berlin Heidelberg 1988, 547-549.

18.    Hermanowicz W. i wsp.: Fizyczno- chemiczne badania wody i ścieków. Arkady, W-wa, Wyd. I, 1976r, 260-261.

19.    Christmann R.F., Masood Ghassemi : Chemical Nature of Organic Color in Water. Journal American Water Works Assocation, 1966, 58, 6, 723-741.

20.    Siepak M. i wsp.: Metale ciężkie oraz żelazo i mangan w wodach podziemnych piętra neogeńskiego miasta Poznania. Współczesne problemy hydrogeologii. Wyd. Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH, Kraków, 2007, 13, 3, 879-888.

21.    Górniak A.: Substancje humusowe w ekosystemach wód słodkowodnych. Metody badań substancji humusowych ekosystemów wodnych i lądowych. AR, Szczecin, 2004, 81-91.

22.    Banaszkiewicz W., Latour T., Drobnik M.: Badania chemiczne i farmakodynamiczne wód mioceńskich zawierających kwasy fulwonowe oraz ocena ich przydatności do celów balneologicznych. Baln.Pol. 1994, 36, 2, 65-74.

23.    Husson G.P., Latour T., Lulek J.: Caractéristiques chimiques et étude de cytotoxicité d’une eau souterraine polonaise de Braczewo. Cahiers de l’Association Scientifique Européenne pour l’Eau et la Santé, 1996, 1, 43-48.

24.    Banaszkiewicz W., Latour T., Drobnik M.: Właściwości biologiczne naturalnych i izolowanych kwasów huminowych zastosowanych w formie kuracji pitnej w warunkach doświadczalnych. Baln.Pol. 1994, 36, 3-4, 35-41.

25.    Banaszkiewicz W., Drobnik M. : Wpływ borowiny naturalnej i roztworu  izolowanych kwasów huminowych na niektóre wskaźniki równowagi kwasowo- zasadowej u zwierząt doświadczalnych. Roczn. PZH, 1994, 45, 4, 353-360.

..............................................................................................................................................................

Adres do korespondencji:

Michał Drobnik
Zakład Tworzyw Uzdrowiskowych NIZP-PZH
60-823 Poznań,
ul. Słowackiego 8
tel. 61 847 01 82
mail: mdrobnik@pzh.gov.pl

Artykuł nadesłano: 30.11.2009
Zaakceptowano do druku:15.01.2010