Смачиваемость поверхности природных дисперсных тел и свойства их твердой фазы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.03, кандидат наук Быкова Галина Сергеевна

• Быкова Галина Сергеевна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Быкова Галина Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Степень разработанности темы исследования

Основные положения, выносимые на защиту

Научная новизна и практическая значимость работы

Методология исследования

Степень достоверности и апробация работы

Структура и объем диссертации

Личный вклад автора

Благодарности

Глава 1. Смачиваемость как характеристика твердой фазы почв. Современные представления о смачиваемости почв

1.1. Смачиваемость почв как характеристика твердой фазы

1.1.1. Основные понятия и определения

1.1.2. Гидрофильность, гидрофобность почвы и различия смачиваемости

1.1.3. Способы измерения краевого угла смачивания почв

1.1.4. Методические особенности определения краевого угла смачивания методом сидячей капли

1.2. Смачиваемость в связи с некоторыми характеристиками почв

1.2.1. Влияние физических свойств поверхности твердой фазы почв на их смачиваемость

1.2.2. Влияние химических свойств поверхности почв на их смачиваемость

1.2.3. Влияние микробиоты на свойства поверхности твердой фазы почв

1.2.4. Влияние антропогенных факторов на способность почв смачиваться водой

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1. Объекты исследования

2.2. Методы исследования

2.2.1. Химические методы исследования

2.2.2. Физические методы исследования

2.2.3. Измерение краевого угла смачивания

2.2.4. Модельный эксперимент для исследования влияния микробиоты на свойства поверхности твердой фазы глинистых минералов

2.2.5. Обработка экспериментальных данных

Глава 3. Исследование методических особенностей определения краевого угла смачивания почв

3.1. Сравнительный анализ методов статической и динамической сидячей капли для определения угла смачивания дисперсных объектов

3.2. Определение краевого угла смачивания суспензий

3.3.3. Подготовка порошков к определению КУС

3.3.4. Влияние степени измельчения образца и объема капли тестовой жидкости на результаты измерения КУС

3.3.5. Сравнение данных, полученных с помощью разных методов пробоподготовки

3.3.6. Способы интерпретации данных, полученных с помощью метода статической сидячей капли

Глава 4. Основные свойства почв, влияющие на их способность смачиваться водой

4.1. Влияние морфологической неоднородности почв на их смачиваемость на примере дерново-подзолистых почв Московской области

4.2. Влияние дисперсности почв на их смачиваемость на примере дерново-подзолистых почв Московской области

4.3. Влияние содержания органического углерода на смачиваемость на примере почв разного генезиса

Глава 5. Модификация поверхности глинистых минералов на примере суспензий каолинита с чистой культурой Bacillus velezensis

4.1. Условия проведения модельного эксперимента

4.2. Изменение дисперсности каолинита под действием микробиоты

4.3. Изменение реологического поведения модифицированных суспензий

4.4. Влияние жизнедеятельности микробиоты на смачиваемость каолинита

4.5. Изменение морфологии глинистого минерала под воздействием культуры

Bacillus velezensis

Глава 6. Влияние деградационных процессов на примере интенсивной хозяйственной деятельности и лесных пожаров на смачиваемость почв

6.1. Влияние интенсивной сельскохозяйственной деятельности на свойства поверхности твердой фазы почв

6.2. Постпирогенная трансформация почв

Выводы

Список литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Изучение свойств поверхности твердой фазы почв и, в частности, ее способности смачиваться водой, - одна из актуальных задач современной физики почв, так как от них зависят сорбционные и транспортные функции почв, возможность проникновения влаги в почвенную толщу и ее перераспределение в профиле. Действительно, для функционирования почвенного покрова важно не только количество выпадающих осадков, но и то, будут ли они удерживаться почвенной толщей являться доступными для растений, или смогут практически беспрепятственно мигрировать в нижние горизонты вплоть до грунтовых вод. Формирование водных пробок («пендулярной воды») и защемленного воздуха, препятствующего попаданию в тонкие поры влаги и растворенных в ней веществ, ведет к угнетению микробиологической активности.

Смачиваемость влияет на различные свойства почв, такие, как устойчивость агрегатов в воде (Chenu C. et al., 2000; Ellies A. et al., 2005), что, по мнению многих авторов, отражается на скоростях поверхностного стока влаги и возможности возникновения водной эрозии, на интенсивности внутрипочвенного стока и вероятности формирования преимущественных потоков влаги (Doerr S. H. et al., 2000; Fernandez-Galvez J., Mingorance M. D., 2010; Ramírez-Flores J. C. et al., 2008), приводящих к снижению экологической функции почв.

Количественной характеристикой смачиваемости является краевой угол смачивания (КУС или в, °), однако его измерение - достаточно новая задача для почвоведения. Существует множество апробированных методов измерения краевого угла смачивания твёрдых материалов, например, метод пластинок Вильгельми (Alghunaim A. et al., 2016), метод подъема капиллярной

каймы (Liu Z. et al., 2016; Ramírez-Flores J. C. et al., 2010; Waniek E. et al., 2000; и другие), измерение скорости впитывания капли в образец (Badía D. et al., 2013; Bodí M. B. et al., 2013; Jeyakumar P. et al., 2014; Mataix-Solera J. et al., 2013; Mirbabaei S. M. et al., 2013; Neris J. et al., 2013; и другие). Однако, для такого дисперсного тела как почва, представленного огромным разнообразием почв разного гранулометрического, минералогического и химического состава, при определении смачиваемости возникает ряд сложностей методического характера, обусловленных гетерогенностью и полидисперсностью почв, макро- и микро- неровностями поверхности раздела фаз, что ведет к необходимости разработки методики пробоподготовки, гарантирующей получение достоверных и воспроизводимых данных.

В научной литературе основное внимание уделяется изучению смачиваемости песчаных почв или модельных смесей крупной дисперсности (Bisdom E. B. A. et al., 1993; González-Peñaloza F. A. et al., 2013; Horne D. J., McIntosh J. C., 2000; Hunter A., 2011; Jex G. W. et al., 1985; Leelamanie D. A. L., Karube J., 2007; Leelamanie D. A. L. et al., 2008a; Leelamanie D. A. L. et al., 2008b; Whelan A. et al., 2015), так как именно почвы легкого гранулометрического состава обычно демонстрируют ярко выраженную водоотталкивающую способность. Значительно реже представлены исследования смачиваемости суглинистых и глинистых почв, хотя их выраженная агрегированность и полидисперсность должна отражаться как на значениях краевого угла смачивания, так и на степени его дифференцированности по профилю почв.

Степень разработанности темы исследования

Исследования гидрофобности поверхности твердой фазы почв, впервые

описанной как «невозможность смочить почву ни человеческими усилиями, ни

дождем, ни ирригацией...» ( Schreiner O., Shorey E. C., 1910; цит. по Debano

L. F., 2000, p.7;), встречаются в научной литературе с начала прошлого века,

6

однако широкое распространение эта тема получает лишь к концу прошлого века. С 1990-х годов наблюдается резкий рост количества публикаций, связанных с водоотталкивающей способностью почв (Debano L. F., 2000; Doerr S. H. et al., 2000; Mao J., 2016). Измерение количественных характеристик смачиваемости почв началось с косвенных методов определения угла смачивания почвенных образцов (Adams R. H. et al., 2008; Bachmann J., McHale G., 2009; Cui Z. G. et al., 2005; Czachor H., 2006; King P. M., 1981; Leelamanie D. A. L., Karube J., 2007; Roy J. L. et al., 2003; Roy J. L., McGill W. B., 2001; Watson C. L., Letey J., 1970; Woche S. K. et al., 2005). С появлением цифровых гониометров получили распространение методы прямого определения угла смачивания поверхности твердой фазы почвенных образцов, такие как метод сидячей капли (Alghunaim A. et al., 2016; Bachmann J. et al., 2000; Bachmann J., McHale G., 2009; Gonzalez-Penaloza F. A. et al., 2013; Ojeda G. et al., 2015; Shang J. et al., 2008). Однако на сегодняшний день не разработано строгих методических рекомендаций и общепринятых методик подготовки почвенных образцов к анализу.

Большое внимание исследователи уделяют свойствам почв, влияющим на их смачиваемость, в первую очередь, - содержанию и свойствам почвенного органического вещества (DeJonge L. W. et al., 2007; Doerr S. H. et al., 2000; Franco C. M. M. et al., 2000b; Hardie M. A. et al., 2012; Hodge T. J. V, Michelsen P. P., 1991; Mao J. et al., 2014; Rodrigues-Alleres M. et al., 2007; Schaumann G. E. et al., 2007; Дымов А. А. и др., 2015), но, определенных однозначных зависимостей между этими показателями пока не установлено. Среди физических свойств почв наиболее исследовано влияние их влажности на краевой угол смачивания (Doerr S. H. et al., 2000; Graber E. R. et al., 2007; Karunarathna A. K. et al., 2010; Shang J. et al., 2010; Täumer K. et al., 2005; Wessolek G. et al., 2009; Whelan A. et al., 2015), роль дисперсности образца и

геометрии поверхности рассматривается значительно реже (Beatty S. M., Smith J. E., 2010).

Работы отечественных авторов, посвященные исследованию смачиваемости почв, единичны (Дымов А. А. и др., 2015; Матвеева Н. В. и др., 2019; Софинская О. А. и др., 2016; Холодов В. А. и др., 2015; Шеин Е. В. и др., 2014), данные о количественных характеристиках смачиваемости основных типов почв России отсутствуют.

Цель работы - исследование краевого угла смачивания почв как одного из важнейших свойств природных дисперсных тел на примере зональных суглинистых почв Русской равнины и глинистых минералов во взаимосвязи со свойствами их твердой фазы.

Были поставлены следующие задачи.

1. Обосновать, разработать и апробировать методику пробоподготовки дисперсных природных образцов к анализу для определения краевого угла смачивания на примере минеральных суглинистых почв методом статической сидячей капли;

2. Определить основные факторы, определяющие значения краевого угла смачивания, установить диапазон его колебаний и характер профильного распределения для основных зональных почв Русской равнины;

3. Определить влияние жизнедеятельности микроорганизмов Bacillus velezensis на изменение свойств поверхности твердой фазы глинистого минерала и его структурно-агрегатные свойства в модельном лабораторном эксперименте.

4. Обосновать показатель краевого угла смачивания как характеристики деградации почв при снижении содержания органического вещества в гумусовых горизонтах почв.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Необходимым этапом определения краевого угла смачивания методом статической сидячей капли является подготовка почвенных образцов к анализу, требующая соблюдения строгих методических рекомендаций. Исследование образцов суглинистых почв в 90-кратной повторности показало, что щадящее растирание образца резиновым наконечником пестика и просеивание через сито с диаметром ячеек 0,25 мм с последующей фиксацией образцов ацетатным лаком в качестве невпитывающей подложки позволяет добиться получения максимально тонкого и ровного слоя дисперсного образца и исключить перемещения и впитывания влаги в образец.

2. На примере зональных и пирогенных почв показано, что основным фактором, определяющим способность почв смачиваться водой является содержание в них органического вещества. Почвы Русской равнины имеют близкую форму профильного распределения величины смачиваемости. Обнаружено уменьшение значений краевого угла смачивания с глубиной с максимумом водоотталкивания, приуроченным к верхним гумусово-аккумулятивным горизонтам.

3. Деятельность почвенных микроорганизмов способна изменять свойства поверхности твердой фазы минералов, входящих в состав почв, увеличивая их гидрофобность, способствуя формированию микроагрегатов и увеличению прочности межчастичных связей.

4. Интенсивная сельскохозяйственная деятельность, ведущая к снижению содержания органического углерода в черноземных почвах, оказывает влияние на их способность смачиваться водой, выражающееся в увеличении краевого угла смачивания, и влечет за собой последующую деградацию физических свойств почв.

Научная новизна и практическая значимость работы

Впервые дана количественная характеристика смачиваемости поверхности твердой фазы почв Русской равнины. Во всех почвах наблюдается тенденция увеличения их гидрофильности с глубиной. Детальное изучение взаимосвязи смачиваемости исследованных почв с их основными свойствами показало присутствие тесной корреляционной взаимосвязи с профильным распределением органического углерода. Максимумы проявления гидрофобности почв наблюдался в гумусовых горизонтах почв.

По способности смачиваться водой верхних горизонтов исследованные зональные почвы составляют следующий ряд от наиболее гидрофобных к гидрофильным: дерново-подзолистая почва, серая лесная почва, чернозем типичный и каштановая почва.

Установлено, что жизнедеятельность микроорганизмов (Bacillus sp.) оказывает существенное влияние на свойства и морфологию поверхности глинистого минерала каолинита: делает ее более гидрофобной, способствует увеличению прочности структурных связей и образованию первичных структурных отдельностей.

Разработаны методические рекомендации для количественного определения краевого угла смачивания методом статической сидячей капли природных дисперсных тел: суглинистых почв разного генезиса и глинистых минералов.

Методология исследования

В основе работы лежит системный подход (Блауберг И. В. и др., 1969), почва рассматривается как открытая система, имеющая определенные уровни структурно-функциональной организации (Воронин А. Д., 1984; Розанов Б. Г.,

1983), а свойства поверхности твердой фазы почв, в частности смачиваемость, влияют на их функционирование.

Принцип зональности В. В. Докучаева использовался при выборе объектов исследования, отбор проб осуществлялся на основе профильного, морфологического и сравнительно-географического подходов (Рагимов А. О. и др., 2017; Роде А. А., 1971; Семендяева Н. В. и др., 2011). В рамках работы был проведен комплекс полевых, модельных и лабораторных исследований, включающих в себя традиционные и современные химические и физические методы анализа.

Степень достоверности и апробация работы

Все экспериментально полученные данные обрабатывались с помощью общепринятых статистических методов с использованием пакетов STATISTICA и MO Excel, для обоснования достоверности выводов работы.

Результаты работы были представлены на отечественных и международных конференциях, в том числе: на международной конференции «Фундаментальные концепции физики почв: развитие, современные приложения и перспективы», посвященной 90-летию со дня рождения профессора МГУ А. Д. Воронина - Москва, 2019, EGU General Assembly — 2017 и 2016, VII съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева и Всероссийской с международным участием научной конференции "Почвоведение - продовольственной и экологической безопасности страны"-Белгород, 2016, International Soil Science Congress on "Soil Science in international year of soils 2015" - Сочи, 2015, а также на заседаниях кафедры физики и мелиорации почв МГУ им. М. В. Ломоносова.

Результаты исследования опубликованы в 19 печатных работах, из которых 8 статей в научных журналах и 5 статей в сборниках.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, шести глав основной части (обзора литературы (глава 1), объектов и методов исследования (глава 2), результатов и их обсуждения (главы 3-6), заключения, списка литературы (161 источник) и 7 приложений, включает в себя 76 рисунков и 10 таблиц. Общий объем работы - 186 страниц.

Личный вклад автора

состоит в подборе и анализе литературы по теме исследования, в проведении лабораторных и полевых работ и интерпретации и обобщении полученных данных. Автор участвовал в подготовке научных статей по теме диссертации, представлял результаты исследования на конференциях, готовил текст диссертационной работы.

Благодарности

Автор глубоко признателен своему научному руководителю профессору Евгению Викторовичу Шеину за мудрое руководство, постоянную поддержку и теплые слова. Автор выражает благодарность коллективу кафедры физики и мелиорации почв за возможность профессионально развиваться, занимаясь любимым делом, заведующей кафедрой профессору Умаровой А. Б., а также в.н.с. Милановскому Е. Ю. и с.н.с. Тюгай З. Н. за неоценимую помощь и поддержку на протяжении всех этапов работы. Автор благодарит сотрудников кафедры агрохимии профессора Верховцеву Н. В. и с.н.с. Пашкевич Е. Б. за плодотворное научное сотрудничество. Отдельная благодарность любимым друзьям и близким за всестороннюю помощь, за веру и терпение, за то, что придали сил и поддержали в трудные минуты, без вас эта работа никогда бы не состоялась.

Глава 1. Смачиваемость как характеристика твердой фазы почв. Современные представления о смачиваемости почв

Изучение моделей поведения жидкости в профиле почв - одна из ключевых задач физики почв. Важно понимать, что процессы передвижения жидкости в почве зависят не только от традиционно рассматриваемых факторов вроде гранулометрического состава, определяющего величину капилляров в почвенном теле, плотности почв и их оструктуренности, но и от свойств поверхности твердой фазы почв, то есть от того, будет она смачиваться водой или нет. Традиционное рассмотрение почвы как системы, состоящей из твердой, жидкой и газообразной фаз и живого вещества позволяет ставить вопрос о взаимодействии этих фаз между собой. Как жидкость будет смачивать минерал? Будут ли живые организмы менять поверхность минерала? Отразится ли изменение содержания органического вещества на смачиваемости отдельных минеральных частиц на микроуровне и поверхности почвенного тела на макроуровне? Будут ли эти изменения обратимы? Помимо этих теоретических проблем, информация о смачиваемости почв позволяет исследователям решить и ряд практических задач, таких как эффективное использование оросительных вод, придание почве оптимальных свойств для впитывания и сохранения необходимой жидкости в корнеобитаемом слое, предотвращение эрозии.

Исследование смачиваемости почв и измерения краевого угла смачивания как количественной характеристики смачивания с появлением приборной базы нового поколения начинают появляться в научной литературе все чаще (Mao J., 2016). В последние годы статьи, так или иначе связанные с определением характеристик смачиваемости поверхности твердой фазы почв, все активнее встречаются и в русскоязычной литературе. Но, несмотря на это, в почвоведении эта область все еще мало исследована, например, отсутствуют общепринятые методики определения параметров смачиваемости поверхности

твердой фазы почв, способов подготовки почвенных образцов к анализу, не существует конвенциональных взглядов на влияние тех или иных факторов на смачиваемость почв и на механизмы, лежащие в основе этих процессов. Кроме того, в отечественной литературе существует определенная терминологическая неопределенность, которая также не способствует обобщению и систематизации данных. В этом обзоре мы постараемся обобщить наиболее значимые работы, посвященные исследованию способности почв смачиваться водой. Выделим проблемные места и наиболее слабо изученные вопросы и уточнить терминологию данной области физики почв, важную для понимания основных результатов представленной работы.

1.1. Смачиваемость почв как характеристика твердой фазы

Рассмотрение почвы как системы, состоящей из твердой, жидкой и газообразной фаз, ставит перед нами вопрос, как эти фазы будут между собой взаимодействовать между собой. Жидкость, попадающая на поверхность твердого тела, окруженного воздухом, может либо смачивать его поверхность, растекаясь по ней, либо отталкиваться от нее, собираясь в шарообразные капли на его поверхности. Способность поверхности смачиваться жидкостью или ее отталкивать количественно характеризуется краевым углом смачивания (КУС, КУ, 0), и измеряется в градусах.

Вопросы смачиваемости твердых тел жидкостями - область интересов в основном коллоидной химии; масштабные исследования способности почв смачиваться водой начали развиваться относительно недавно, исследования зарубежных коллег по сравнению с отечественными в этой области более известны. Опираясь на труды англоговорящих коллег, российские авторы часто вольно переводят некоторые термины, вследствие чего возникают терминологические разночтения. Поэтому, предваряя основную часть обзора, необходимо определиться с используемой терминологией.

Определяя смачиваемость почвенных образцов, исследователи работают с порошкообразным твердым телом, что еще больше усложняет процесс измерения, так как процесс смачивания в таком случае сопровождается процессом впитывания, а на полученные результаты влияет огромное количество факторов от влажности образца до геометрии его поверхности и пробоподготовки. Для более полного понимания процессов, происходящих в таких сложных дисперсных системах как почва, необходимо рассмотреть физический смысл процесса смачивания на более простых системах. Этот опыт позволит подбирать наиболее адекватные методы оценки смачиваемости и способы подготовки образцов к анализу в зависимости от свойств объектов исследования, что гарантирует получение воспроизводимых данных, в полной мере описывающих процессы и явления, происходящие в почве.

1.1.1. Основные понятия и определения

1.1.1.1. Используемая терминология Малый академический словарь русского языка (Словарь русского языка: в 4-х т./АН СССР, Ин-т рус.яз., 1988) описывает слово смачивание как существительное, обозначающее действие и образованное от глагола смачивать, который является несовершенным видом глагола смочить и во всех своих значениях совпадает с глаголом совершенного вида. «Смочить - намочить (обычно немного, слегка), сделать влажным» (Словарь русского языка: в 4-х т./АН СССР, Ин-т рус.яз., 1988, Т.4, с. 159). Таким образом, смачивание - это процесс (т.е. динамическое явление), а для характеристики свойств объекта следует использовать другие термины.

Когда мы говорим о способности поверхности смачиваться водой, в том случае, когда свойства этой поверхности нам известны, можем назвать ее гидрофильной (от др.-греч. йбюр «вода» + фШа «любовь») если поверхность смачивается водой, или гидрофобной (от др.-греч. бдшр «вода» + фд^од

«боязнь, страх») если поверхность водой не смачивается. Но использование этих терминов видится не совсем корректным, если свойства поверхности пока не известны или если речь идет о смачивании не водой, а иной жидкостью или водным раствором. В английском языке в таких случаях используется термин wettability, который буквально переводится как способность смачиваться. Русский аналог - смачиваемость, то есть «способность впитывать, удерживать влагу» (Словарь русского языка: в 4-х т./АН СССР, Ин-т рус.яз., 1988, Т.4., с. 149), на первый взгляд, кажется не совсем корректным, когда мы смотрим его значения в толковых словарях русского языка. Однако этот термин имеет широкое распространение в специальной литературе. Например, в нефтегазовой энциклопедии есть статья смачиваемость горных пород, где под смачиваемостью также понимается способность смачиваться жидкостями (Мохов М. А. и др., 2004). Наиболее четкая дефиниция, которой мы дальше будем придерживаться, дана А. А. Роде в толковом словаре по почвоведению:

«Смачиваемость почвы - характеристика взаимодействия поверхности твердой фазы почвы с водой. Количественно определяется углом смачивания, образуемым касательными к поверхности частицы и соприкасающегося с ней водного тела, проведенными в направлении, перпендикулярном границе раздела трех фаз» (Толковый словарь по почвоведению. Физика почв, 1972, с. 49).

В приведенном выше определении фигурирует такое понятие как угол смачивания, которое также вызывает некоторые терминологические вопросы. В русскоязычной литературе в последнее время появился ряд статей, в которых используется словосочетание «контактный угол смачивания» (Болотов А. Г., 2015; Дымов А. А. и др., 2015; Матвеева Н. В. и др., 2019; Холодов В. А. и др., 2015), вместо привычного, знакомого еще по пособиям по коллоидной химии , термина краевой угол смачивания (Зимон А. Д., Лещенко

Н. Ф., 2001; Исайчева Л. А., 2016; Сумм Б. Д., 2007; Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В., 1976; Фридрихсберг А. Д., 1974; Щукин Е. Д. и др., 2004). Поиск в системе Google Scholar по запросу « "контактный угол смачивания" почва » дает 17 ссылок на литературные источники, в то время как поиск по запросу « "краевой угол смачивания" почва » - 124 ссылки. Поиск по запросу "краевой угол смачивания", в результаты которого попадают в том числе и статьи из разных областей науки, дает 2950 ссылок, а по запросу "контактный угол смачивания" - 203. Предполагаем, что словосочетание «контактный угол смачивания» - прямая и не совсем удачная калька с английского аналога contact angle, поэтому в дальнейшем в работе будем использовать общепринятые и устоявшиеся термины краевой угол смачивания или просто угол смачивания.

Процесс смачивания гидрофильных пористых поверхностей сопровождается впитыванием жидкости в сам образец. «Впитывание -начальная стадия инфильтрации, поступление влаги в почву с поверхности под влиянием градиентов сорбционных и капиллярных сил и гидравлического напора» (Толковый словарь по почвоведению, 1975, с. 50), на протяжении этой стадии «водопроницаемость почвы уменьшается вследствие заполнения почвенных пор влагой, набухания и обесструктуривания почв» (Толковый словарь по почвоведению. Физика почв, 1972, с.18). Следует разграничивать понятия смачивания и впитывания. Первый процесс происходит строго на поверхности образца, и если она смачивается жидкостью, то начинается впитывание жидкости в толщу образца. Эти явления могут протекать и одновременно, что вносит особенности в методики прямого определения смачиваемости, которые связаны с необходимостью разделения влияния двух параллельно происходящих процессов. И если смачивание - это микро-или мезопроцесс, то впитывание воды в почву - макроявление.

1.1.1.2. Теоретические представления о процессе смачивания

Теоретические представления и основные законы, описывающие процесс смачивания твердой поверхности жидкостью были сформулированы более 200 лет назад, эти исследования в первую очередь связаны с именами Юнга и Лапласа, описавшими механику процесса смачивания. Их идеи были в дальнейшем развиты Гиббсом, развившим идеи Юнга с точки зрения термодинамики (Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В., 1976). В дальнейшем внимание исследователей было сфокусировано на исследованиях избирательного смачивания, процессов, происходящих в сложных системах, например, с участием растворения, возможности регулирования смачиваемости с помощью ПАВ и проч., однако, основные теоретические модели процессов смачивания не претерпели существенных изменений.

В трехфазной системе, представляющей из себя каплю жидкости, помещенную на поверхность твердого тела в воздушной среде, существуют три объемные фазы, поверхность каждой из которых характеризуется своим собственным значением поверхностного натяжения (б, Н/м). Именно соотношение этих величин и определяет условия сосуществования объемных фаз, в том числе условия их механического равновесия. От этих же величин будет зависеть поведение жидкости на поверхности твердого тела - будет ли она растекаться по поверхности, или, наоборот, собираться в капли (Фридрихсберг А. Д., 1974).

Рассмотрим следующие варианты поведения капли жидкости при попадании на твердую поверхность. Капля может растекаться, обретая форму полусферы, при условии, что бтг > бтж (индексами обозначены соответствующие границы раздела фаз, так ТГ - граница твердое вещество -газ, а ТЖ - твердое вещество - жидкость). В этом случае при растекании происходит замена поверхности с большей свободной энергией на

поверхность с меньшей, таким образом, в системе происходит уменьшение запаса энергии.

Во втором варианте при бтг <6тж, уменьшение свободной поверхностной энергии приводит к самопроизвольному уменьшению площади контакта твердой и жидкой фазы, происходит стягивание капли.

В первом случае мы наблюдали смачивание, а во втором - несмачивание твердого тела жидкостью (Рис. 1).

Рис. 1. Растекание капли на твердой поверхности (а - смачивание, б - несмачивание), штриховка - начальное положение капель.

Мерой смачивания является краевой угол 0, который определяется как угол между твердой поверхностью и касательной, проведенной от точки соприкосновения трех фаз. Как видно, этому условию удовлетворяют два угла, поэтому, во избежание путаницы, условились отсчитывать 0 в сторону жидкой фазы (в случае контакта двух жидкостей в системах типа Т- Ж1 - Ж2 0 отсчитывают в сторону более полярной из двух жидких фаз). Таким образом, в случае смачивания мы имеем 0 < 90°, и 0 > 90° в случае несмачивания (Рис. 2).

а) б)

Рис. 2. Положение капли воды на гидрофильной (а) и гидрофобной (б) поверхностях.

В приведенных выше примерах изменение свободной поверхностной энергии AGs сопровождается небольшим смещением жидкости, то есть изменением площади покрытия твердой фазы жидкостью (ДА).

AGs = ДЛ(о-ТЖ - отт) + ДАоЖГ cos (в - Дв)

В состоянии равновесия

AG s lim -=

а&^О AA

тогда

0Тж — ^Тт + ^ЖГ cosO =

или

Отг — отж cosQ =-

°ЖГ

Полученное выражение называют законом Юнга.

Кроме того, сопоставив полученное выражение с формулой, описывающей работу адгезии,

Щг = °жг + °тг — °ТЖ

получим

Wa = ^жг (1 + cosO)

Последнее выражение называют уравнением Дюпре, оно показывает, что чем больше адгезия, то есть работа разрыва межфазного поверхностного слоя, тем больше косинус краевого угла, то есть смачивание. Иными словами, именно адгезионные силы стремятся растянуть каплю (Adamson A. W., Gast A. P., 1997).

Но следует помнить, что для одних и тех же контактирующих тел краевые углы могут изменяться в зависимости от наличия примесей, загрязнений, неровностей твердой поверхности, температуры и других факторов, поэтому мы можем говорить о таком понятии как гистерезис краевого угла смачивания,

то есть способности жидкости образовывать при контакте с твердым телом несколько устойчивых краевых углов, отличных по значению от равновесного. Это явление наглядно проявляется, если поверхность с нанесенной на нее каплей наклонена: при этом угол в нижней ее части будет много больше угла в верхней части. Влияние шероховатости поверхности на гистерезисные явления можно объяснить следующим образом.

Подходя к краю неровности, капля начинает «перетекать» в нее, и кажущийся краевой угол (0к) по отношению к идеализированной поверхности твердого тела (пунктирная линия на Рис. 3) увеличивается по сравнению с истинным краевым углом 0 (Щукин Е. Д. и др., 2004).

Рис. 3. Распространение капли по шероховатой поверхности.

Неровности поверхности, усложнение состава поверхности и явление гистерезиса угла смачивания делают процесс определения угла смачивания весьма затруднительным, а экспериментально полученные данные могут существенно различаться от теоретически рассчитанных.

1.1.2. Гидрофильность, гидрофобность почвы и различия смачиваемости

Почва - это многокомпонентная, полидисперсная гетерогенная система, обладающая различной способностью к смачиванию водой. Помимо гидрофильных минеральных зерен, которые могут быть покрыты амфифильными органическими пленками, твердая фаза почвы может быть

представлена растительными остатками различной степени разложенности, почвенными новообразованиями (Ковда В. А., Розанов Б. Г., 1988). Эти компоненты складываются в сложную иерархически организованную структуру, состоящую из элементарных почвенных частиц, микро- и макроагрегатов (Розанов Б. Г., 2004). Сложность организации почвенного тела определяет то, насколько отличаются процессы смачивания простых однокомпонентных непористых твердых тел от тех процессов, что происходят в почве.

Если силы адгезии между почвой и водой будут больше, чем силы когезии внутри воды, и больше, чем силы притяжения между воздухом и почвой, то КУС будет небольшим, и вода будет смачивать почву. В случае, когда силы адгезии (вода-почва) будут больше сил когезии (вода-вода) и больше сил адгезии (почва-воздух), будет наблюдаться несмачивание поверхности (Ьа1 R., Shukla М. К., 2004).

Гидрофильность тесно связана с краевым углом, который, в свою очередь, зависит от свободной поверхностной энергии твердой фазы и поверхностного натяжения почвенного раствора и является ее мерой измерения (Letey J. et а1., 1962). Если почва гидрофобна, то вода образует шарообразные капли на поверхности минералов. Краевой угол от 0° до 90° соответствует гидрофильной почве, тот, что больше - гидрофобной. Почвы, где частицы полностью покрыты гидрофобными пленками, отталкивают воду. Считалось, что все естественные почвы имеют тенденцию к смачиванию водой из-за сильного притяжения между водой и почвенными частицами ^еВапо L. F., 1981), однако для естественных почв характерны значения краевого угла от 0° до 140°, так как почвы все же способны противостоять смачиванию, особенно в их сухом состоянии.

Для оценки способности почв смачиваться водой существует два подхода (Таблица 1). Первый основан на оценке способности отталкивать воду, мерой

которой считают угол смачивания (King P. M., 1981). Второй категоризирует почвы по стойкости водоотталкивающего эффекта, измеряющегося временем полного впитывания капли жидкости в образец (Dekker L. W., Jungerius P. D., 1990). Чау с соавт. предлагает оценивать почвенные образцы, используя оба комбинацию описанных выше подходов, чтобы получить максимально полную характеристику объекта, ведь эти классификации основаны на разных физических принципах (Chau H. W. et al., 2014).

Таблица 1. Классификация почв по силе (King P. M., 1981) и устойчивости (Dekker L. W.,

Jungerius P. D., 1990) водоотталкивающей способности.

Угол смачивания (°) Сила водоотталкивающей способности

< 75 Не существенная водоотталкивающая

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Смачиваемость поверхности природных дисперсных тел и свойства их твердой фазы»

способность

75 - 80 Очень низкая водоотталкивающая способность

81 - 86 Низкая водоотталкивающая способность

87 - 93 Средняя водоотталкивающая способность

94 - 97 Высокая водоотталкивающая способность

> 97 Очень высокая водоотталкивающая способность

Время полного Классификация почв по устойчивости

впитывания капли (с) водоотталкивания

< 5 Смачиваемая

5 - 60 Достаточная водоотталкивающая способность

60 - 600 Сильная водоотталкивающая способность

600 - 3600 Очень сильная водоотталкивающая способность

> 3600 Экстремальная водоотталкивающая способность

Особую роль в формировании водоотталкивающей способности почв традиционно отводят органическому веществу почвы. Однако, целесообразно

рассматривать вклад органического вещества в изменение свойств поверхности минеральной массы отдельно на каждом уровне структурной организации почв, так как от выбранного масштаба будут зависеть механизмы формирования репеллентной поверхности.

Органические амфифильные молекулы могут сорбироваться на поверхности глинистых минералов, изменяя ее смачиваемость. В зависимости от концентрации органики сорбция может приводить как к формированию гидрофобной, так и гидрофильной поверхности за счет формирования второго слоя органических молекул, ориентированных гидрофильными окончаниями наружу (ВаЛтапп J. et а1., 2008).

На следующем уровне структурной организации почв роль амфифильного органического вещества сложно переоценить. Существует гипотеза, согласно которой, именно амфифильным свойствам почвенного ОВ принадлежит структурообразующая роль (Shein Е. V, Milanovskiy Е. Y., 2014; Милановский Е. Ю., 2009). Если минеральные частицы не покрыты амфифильными молекулами ОВ, то они, имея отрицательно заряженную поверхность за счет присутствия обменных катионов, будут отталкиваться друг от друга, так как между ними будет образовываться зона повышенного осмотического давления - здесь выше концентрация катионов. Возникновение расклинивающего давления приводит к тому, что образовавшаяся таким образом структура оказывается неводопрочной. Но если минеральные частицы покрыты амфифильными веществами, наблюдается совсем иная картина: гидрофильные участки молекул взаимодействуют с минеральной матрицей, а гидрофобные - друг с другом за счет сил гидрофобного связывания. Так формируется достаточно устойчивая к водному воздействию структура (Теории и методы физики почв, 2007).

В зависимости от условий формирования ОВ обретает различные свойства. Так в зонах анаэробиоза, где преобладает соответствующая

микробиота, образуется гидрофобное ОВ, которое способствует образованию устойчивых агрегатов. В аэробных же условиях образуется гидрофильное органическое вещество (Милановский Е. Ю., 2009). Специфические водоотталкивающие органические компоненты, находясь во внутриагрегатном пространстве, могут повышать агрегативную устойчивость, уменьшая впитывание воды агрегатами (Hallett P. D. et al., 2011; Horton R. et al., 2016; Артемьева З. С., 2010).

Считается, что в условиях засухи органическое вещество почвы становится гидрофобным и органо-минеральные пленки, покрывающие агрегаты, начинают снижать смачиваемость агрегатов (Fer M. et al., 2016; Goebel M. O. et al., 2007). Именно гидрофобное органическое вещество снижает способность агрегатов впитывать волу и повышает их водопрочность (Goebel M. O. et al., 2005; Hallett P. D., Young I. M., 1999; Zhang H., Hartge K. H., 1992).

Но гидрофобные компоненты здесь также могут играть решающую роль, не подпуская воду к поверхности почвенных частиц, тем самым влияя на диффузию растворов в поровом пространстве. По сравнению с гидрофильными поверхностями, гидрофобные имеют меньшую толщину водных пленок на их поверхности (270 и 30-80 нм, соответственно), что не может не сказаться на диффузии растворов и коллоидов между водными менисками. Таким образом, многие биологические, физические и химические процессы в почвах определяются пространственным распределением водных пленок и менисков.

Неоднородные и разноразмерные минеральные почвенные частицы, склеиваясь между собой и формируя органоминеральные элементарные почвенные частицы и агрегаты, образуют сложный иерархически организованный комплекс, представленный не просто полидисперсную, но еще и поликомпонентную систему, включающую в себя вещества разной

природы и происхождения, соединенные и разделенные межфазными поверхностями. Неоднородность и структурная организация почв делает их чрезвычайно сложным и интересным объектом для исследования смачиваемости и предъявляет высокие требования к выбору методов определения смачиваемости и разработке оптимальных способов подготовки образцов к анализу. Ведь важно с одной стороны унифицировать подготовку и избавиться от всех усложняющих анализ факторов, а с другой - сохранить индивидуальные особенности, характерные для каждого конкретного образца.

1.1.3. Способы измерения краевого угла смачивания почв

Измерение КУС почв - очень интересная, но, к сожалению, пока еще окончательно не решенная задача. В настоящее время все больше и больше появляется исследований, посвященных обозначенной проблеме (ССЫЛКА). Чаще всего в литературе фигурируют следующие методы: сидячей капли, метод пластинок Вильгельми, для пористых материалов используются также методы, основывающиеся на впитывании капель исследуемой жидкости (метод молярности этаноловых капель) и метод подъема капиллярной каймы (Alghunaim A. et al., 2016).

Весьма просто иметь дело с однокомпонентными непористыми или малопористыми материалами. Например, в случае, когда нам необходимо определить, насколько хорошо смачивается тот или иной материал, например, какой-либо полимер, металл, лакокрасочное покрытие, краевой угол смачивания можно вычислить, рассчитывая угол, который образуется в результате погружения пластинки в жидкость или ее поднятия на некоторую высоту (L, мм) с определенным усилием (F, мН) из некоторого материала с известным нам поверхностным натяжением (о, мН/мм) по следующей формуле:

л *

cos 0 = — ,

а также по высоте подъема слоя жидкости, примыкающей к стенке сосуда (Фридрихсберг А. Д., 1974) (Рис. 4). Но, к сожалению, в почвоведении для измерения угла смачивания почв такие методы достаточно трудно применить ввиду специфики исследуемого образца.

Как было упомянуто выше, почва - весьма необычный для такого рода исследований объект, хотя бы из-за того, что, работая с ней, нам придется измерять смачивание дисперсных тел - наглядной моделью которых могут служить полидисперсные порошки. Для решения таких задач можно попытаться оценить величины, непосредственно связанные с углом смачивания.

Величины, связанные с процессом смачивания - это скорость, с которой жидкость впитывается в брикет из порошка, давление на границе жидкость -газ в слое порошка, препятствующее дальнейшему проникновению жидкости в этот слой, высота подъема жидкости в слое порошка. Идеальным было бы и измерить поверхностную энергию твердого тела, но в случае почвы это сделать напрямую невозможно, ввиду неровной формы почвенных частиц, поэтому используют косвенные методы, которые включают измерение

и

Рис. 4. Определение КУС по высоте подъема слоя жидкости, примыкающей к стенке сосуда.

скорости всасывания капли воды в образец (water drop penetration time test -WDPTT) и определение краевого угла через известные величины поверхностного натяжения - метод молярности этаноловых капель (molarity of ethanol droplet method - MED-method).

Измерение скорости всасывания капли в образец, пожалуй, один из самых простых и легкодоступных методов для оценки смачиваемости почв (Badia D. et al., 2013; Letey J. et al., 2000). Капля жидкости помещается на исследуемый образец, после чего фиксируется время, за которое она всасывается. Такая процедура помогает исследователю сказать, какая почва смачивается тестовой жидкостью, а какая - нет, однако точность такого метода оставляет желать лучшего. Кроме того, стоит помнить, что даже если угол смачивания образца будет больше 90о, существует вероятность того, что капля «проскочит» в капилляр, если будет меньше его диаметра (Marmur A., 1988).

Похожие принципы лежат и в основе следующего метода. В первой его вариации подготавливается серия водных растворов этанола с известным поверхностным натяжением, капли этих растворов помещаются на почву. Капли с наибольшим поверхностным натяжением будут оставаться на поверхности образца, с наименьшим - впитываться. То поверхностное натяжение, при котором капля остается на поверхности в течение 5 секунд, принимается за то, при котором угол смачивания будет равен 90о (Watson C. L., Letey J., 1970). Второй вариант заключается в том, что готовится серия растворов не с известным поверхностным натяжением, а с известными молярными концентрациями этанола, 90о будет соответствовать та концентрация, при которой капля будет оставаться на поверхности в течение 10 секунд (King P. M., 1981).

Методы, оценивающие скорость пропитки пористого вещества определенной жидкостью, такие, например, метод впитывания в тонкий слой порошка (Thin layer wicking method) (Cui Z. G. et al., 2005) как метод

капиллярного поднятия (capillary rise method) или метод Уошбурна,

основанный на определении скорости, с которой жидкость будет подниматься

по колонке, заполненной порошком, под действием капиллярных сил (Czachor

H., 2006; Depalo A., Santomaso A. C., 2013), также используются для

определения краевых углов смачивания почвы, но следует учитывать, что если

краевой угол будет больше 90 то жидкость не будет подниматься по

капиллярам. Этот метод требует большого внимания к созданию

сопоставимой плотности упаковки частиц в колонке для всех исследуемых

образцов для получения адекватных результатов (Ramírez-Flores J. C. et al.,

2008). Кроме того, метод капиллярного подъема дает весьма нестабильные и

не всегда поддающиеся логическому анализу результаты, о чем и

предупреждает в своей работе Шанг с соавт. (Shang J. et al., 2008). Если для

тех же измерений использовать не почву, а стеклянные шарики того же

диаметра, что и почвенные частицы, то на графике зависимости изменения

массы колонки в связи с поглощением жидкости от времени совершенно

отчетливо будут выделяться три участка. На первой стадии, которая занимает

очень короткий временной интервал, когда происходит контакт пористого

фильтра основания колонки с жидкостью, наблюдается своеобразный удар

или толчок, влияющий на измерения массы поглощенной жидкости и не

позволяющий проследить верную зависимость изменения массы поглощенной

жидкости со временем. На второй стадии заполняется поровое пространство

между частицами и наблюдается линейная зависимость прибавления массы от

времени. На третьем этапе поры уже полностью заполнены жидкостью, и

зависимость приобретает вид параллельной оси абсцисс прямой. Но если мы

работаем с почвой, то на второй стадии заполняется межагрегатное

пространство и одновременно начинает заполняться внутриагрегатное, а на

третьей - сначала заканчивает заполняться внутриагрегатное пространство и

только потом постепенно полученная зависимость выходит на «прямой

участок». В этом случае в результате набухания минералов и изменения

29

диаметра пор нам очень сложно выделить прямолинейный участок на степенной кривой, поэтому и определенный таким образом краевой угол будет мало соответствовать действительности.

Таким образом, мы видим, что на подобные методы накладывается ограничение, связанное с возможностью проводить измерения только на гидрофильных поверхностях, если в качестве исследуемой жидкости используется вода.

Метод сидячей капли, заключающийся в непосредственном измерении КУС, является достаточно широко используемым среди иностранных исследователей. В основе прямого измерения КУС лежит следующая принципиальная схема: капля жидкости, помещенная на исследуемую твердую горизонтальную поверхность, располагается перед источником света, увеличенная в несколько раз, она проектируется на экран, затем полученный контур капли фотографируется, проводится касательная из точки раздела трех фаз и измеряется краевой угол. Погрешность такого определения может составлять 3-5°. Современные технические средства позволяют теперь получать высококачественные фотографии самой капли, а не ее проекции, и даже записывать на видео поведение капли на пластине с целью дальнейшего измерения краевого угла не вручную, а с помощью соответствующих компьютерных программ, что ощутимо увеличивает точность измерения.

Но, как и отмечалось ранее, почва имеет сложную структурную организацию и ее сравнение с порошком не всегда правомерно. Почва агрегирована и состоит из элементарных почвенных частиц и агрегатов разного размера, пронизанных сетью пор и трещин. Все эти особенности накладывают ограничения на используемые методы и поднимают целый ряд вопросов, связанных с пробоподготовкой.

1.1.4. Методические особенности определения краевого угла смачивания методом сидячей капли

Основная сложность, связанная с использованием этого метода для анализа почвенных образцов, заключается в выборе способа подготовки образца к анализу. К сожалению, несмотря на то, что метод сидячей капли является одним из наиболее общеупотребимых, исследований, в которых детально описана схема подготовки образца к анализу, не так много и каждая методическая работа имеет огромную ценность. Именно поэтому мы подробно рассмотрим имеющиеся взгляды на методику пробоподготовки, чтобы систематизировать современные подходы к определению краевого угла смачивания методом сидячей капли.

Наиболее часто метод сидячей капли применяется в том виде, который предложил в своих работах Й. Бахман с соавторами (ВаЛтапп J. et а1., 2000; ВаЛтапп J., МсНа1е G., 2009). А именно, просеянный исследуемый образец помещается на двустороннюю клейкую ленту, наклеенную не предметное стекло, сверху на него на некоторое время опускается груз (весом 100 г на 3-5 секунд (ВаЛтапп J. et а1., 2000) или на 10 секунд (Ьее1атате D. А. L. et а1., 2008Ь) в двукратной повторности; весом 500 г на 10 секунд ^о^а^-Репа^а F. А. et а1., 2013). Далее не приклеившиеся частички аккуратно удаляются постукиванием предметного стекла. Наконец, производится измерение КУС с помощью гониометра или специальных приборов, таких, например, как DSA100. Кроме того, увеличив размер капли тестируемой жидкости до 100 мкл, измерение КУС возможно производить и с помощью снимков, полученных с помощью цифровой фотокамеры (Diehl D., 2013а).

Кроме того, существует ряд более нестандартных модификаций метода сидячей капли для порошкообразных образцов. Так Л. Сузана с соавт.^шапа L. et а1., 2012), измеряя смачивание металлических и минеральных пудр, предлагает помещать порядка 80 г порошка (просеянного через сито 150 мкм)

в чашку Петри слоем около 20 мм, затем, разравняв его с помощью металлического шпателя, микрошприцом (5 мкл объемом), который расположен в 20 мм от поверхности порошка, помещать на поверхность капли жидкости объемом 0,05-0,15 мкл. Поведение капель снимается на видео с частотой от 25 до 1000 кадров в секунду.

При непосредственном измерении краевого угла можно так же, руководствуясь рекомендацией, которая предложена в книге «Адгезия жидкости и смачивание» А. Д. Зимоном (Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф., 2001), для определения смачивания порошков спрессовывать их предварительно в таблетку, на которую потом и наносить каплю. Но автор также предупреждает, что от этого метода не стоит ждать абсолютно точных результатов, так как смачивание в этом случае будет сопровождаться впитыванием части жидкости. Как отмечалось ранее, впитывание - процесс проникновения жидкости с поверхности образца в его толщу. При прямом определении угла смачивания оценивается форма капли, образующейся на поверхности. Впитывание, происходящее параллельно с растеканием, будет непременно отражаться на форме капли, уменьшая угол, проведенный между базовой линией и касательной,проведенной из точки раздела трех фаз. Поэтому, работая с пористыми средами, целесообразно выбирать методы, гарантирующие получение максимально тонкого слоя образца, для предотвращения впитывания.

Достаточно интересным видится и метод, в котором измеряется КУС не самой почвы, а ее суспензии (Shang J. et а1.., 2008). Предметные стекла очищаются с помощью ацетона и воды, на них помещаются капли исследуемой суспензии (объем капли 1,5 мкл), после чего их оставляют на двое суток под ламинарным воздушным потоком при температуре 20о и относительной влажности порядка 33%; образец сушится, затем помещается в сушильный шкаф, нагретый до 105° еще на 12 часов. Подготовленные таким

образом образцы анализируются с помощью прибора DSA100 при следующих настройках: объем капли тестируемой жидкости - 2 мкл, расстояние между каплей и поверхностью суспензии 0,2 мм, скорость подачи капли - 105 мкл/мин.

Важно понять, какой размер капли тестовой жидкости оптимален. ВаЛтапп et а1. (2000) предлагает использовать капли от 2 до 10 мкл, ОДаи с соавторами - 4 мкл (ОДаи Н. W. et а1.., 2014), в то же время другие исследователи значительно увеличивают размеры вплоть до 50-100 мкл (Dieh1 D. et а1., 2010; Dieh1 D., 2013Ь). Большие капли покрывают большую площадь образца, что снижает влияние гетерогенности образца на результаты, однако с увеличением объема капли возрастает и влияние неровности поверхности, а также сил гравитации, в результате чего возникает необходимость учета геометрического фактора.

Краевой угол можно рассчитывать с еще большей точностью по форме капли и по ее основным размерам: по высоте ^ и радиусу или диаметру площади контакта капли с поверхностью Гк (Рис. 5).

Зная эти размеры, угол рассчитывают по следующим формулам:

при в < 90° tan6> =

r.2 - ^

при в >90° tan <9= 02rfe2"22, где h - высота, а Гк - и радиус капли.

Для того, чтобы привести эти выражения к виду, соответствующему уравнению Юнга, tan в выразим через sin в и получим:

при в < 90° cos6> =

rk2 - h2 г. + h2

h

при в > 90° cos6> = 1--

т.

Кроме того, производя такого рода измерения, нам необходимо также учитывать размер капли, ведь чем больше размер, тем больше влияние на форму капли гравитационных сил (Whyman G., Bormashenko Е., 2009), что неизбежно должно привести к погрешностям в расчетах КУС. Для того, чтобы предотвратить появление таких ошибок, целесообразно ввести в расчеты индекс деформации (Ь) (Ьее1аташе D. А. L., КагиЬе J., 2007; Leelamanie D. А. L., КагиЬе J., 2012):

Рас. 5. Определение вертикального и горизонтального радиусов для капли с КУС <90°

С помощью несложных (Рис. 5) геометрических выкладок можно вычислить вышеуказанные радиусы для капель, помещенных на гидрофобную поверхность:

,4 = (1- 5$) »100,

где Rv - вертикальный радиус капли, Rн - горизонтальный.

И

ЯТ/ = к = а

х

а =-—

tan 0А

Кн sin вА

Очевидно, что если нюансы подготовки образца к анализу могут внести существенный вклад в экспериментально полученные данные, то свойства самого почвенного образца тоже можно рассматривать как факторы, влияющие на его смачиваемость.

1.2. Смачиваемость в связи с некоторыми характеристиками почв

Существует большое количества факторов, которые могут изменить смачиваемость почв в одну или в другую сторону. Исследованию влияния содержания органического вещества, кислотности почвы, ее гранулометрического состава на способность смачиваться водой уделяется огромное внимание. Однако, корреляции между этими характеристиками отмечаются зачастую для очень схожих по этим характеристикам почв. Масштабных исследований, включающих в себя рассмотрение различных и контрастных типов почв не так много, а те, что есть не описывают хороших корреляций между этими параметрами (Hajnos M. et al., 2013).

Несмотря на то, что смачиваемость почв является наглядной характеристикой, описывающей состояние почв, она является достаточно лабильным показателем, что добавляет сложности при проведении экспериментов.

Гидрофобность почв - явление, неоднородное во времени и пространстве, многие исследователи указывают на сезонную динамику проявления гидрофобности почв (Johnson M. S. et al., 2005; Keizer J. J. et al., 2007; Madsen M. D. et al., 2011; Mirbabaei S. M. et al., 2013; Wahl N. A., 2008). Отмечается, что максимум водоотталкивания обычно приходится на сухие сезоны, причем, чем дольше длится засуха, тем сложнее потом смочить почву, в то же время во влажные периоды водоотталкивание может и вовсе исчезать. Исследователи отмечают сезонность, с которой почва приобретает водоотталкивающие свойства, связанную не просто с изменениями влажности почвы, скажем, в сезоны тропических дождей, но и с сезонными жизненными циклами микробиоты, с процессами промерзания-оттаивания, с вымыванием водорастворимого органического вещества (Hardie M. A. et al., 2012).

Огромное внимание в литературе уделяется исследованию смачиваемости почв в связи с содержанием и свойствами почвенного органического вещества (Bachmann J. et al., 2008; Franco C. M. M. et al., 2000a; Home D. J., Mcintosh J. C., 2000; Kleber M. et al., 2007; Ma'shum M. et al., 1988), так как в попытках объяснить природу гидрофобности почв именно ему традиционно отводят главную роль.

Отмечается положительная корреляция между водоотталкиванием и содержанием почвенного органического вещества (DeJonge L. W. et al., 2007). Многие ученые связывают гидрофобность почвы с органическим веществом живых организмов и растительных остатков, покрывающим гидрофильную минеральную матрицу почвы (Doerr S. H. et al., 2000; Rodrigues-Alleres M. et al. 2007). Это органическое вещество может быть представлено алифатическими углеводородами с неполярными углеводородными цепочками и амфифильными соединениями (Hardie M. A. et al., 2012), главным образом - с жирными кислотами, n-алканами и циклоалканами (Schaumann G. E. et al., 2007).

Для мелиорации легких гидрофобных почв предлагается вносить в них высокодисперсные вещества с высокой удельной поверхностью, от силикагелей до простых глин (Hodge T. J. V, Michelsen P. P., 1991).

Самым простым для понимания влияния на смачиваемость свойством почв можно считать их влажность, так как очевидно, что абсолютно сухие материалы должны хуже впитывать воду, чем влажные. Однако, работы исследователей не всегда подтверждают эти теоретические представления.

12.1. Влияние физических свойств поверхности твердой фазы почв на их смачиваемость

Влияние влажности образцов на смачиваемость

Считается, что по мере иссушения почва хуже смачивается водой (Doerr S. H. et al., 2000; Graber E. R. et al., 2007). Однако Ziogas et al. (Ziogas A. K. et al., 2003) указывает на абсолютно противоположное влияние влажности образца на КУС, вплоть до гидрофильности абсолютно сухих образцов, также отмечается увеличение водоотталкивания модельных смесей из стеклянных шариков с ростом относительной важности воздуха (Whelan A. et al., 2015). Ряд ученых (Karunarathna A. K. et al., 2010; Taumer K. et al., 2005; Wessolek G. et al., 2009) не считают целесообразным учет влажности, как самостоятельно влияющего на КУС фактора, предлагая рассматривать ее влияние совокупно с содержанием ОВ.

Смачиваемость почв меняется с изменением содержания жидкости в почве нелинейно. Гидрофобность может увеличиваться с увеличением влажности от воздушно-сухой почвы до влажности завядания, после чего начинает снижаться вплоть до гидрофобности с увеличением влажности до ПВ (King P. M., 1981). Также исследователи отмечают, что зависимость водоотталкивания почв и их влажности имеют имеет не линейный характер (DeJonge L. W. et al., 1999). У разных почв эти зависимости имеют формы кривых, которые условно можно разделить на три группы: пологие кривые без ярко выраженных пиков характерны для смачиваемых почв, а кривые с одним и двумя пиками - для почв, способных к водоотталкиванию. Поскольку эти пики могут быть очень ярко выражены и смачиваемость одного образца в зависимости от его влажности может меняться драматически, рекомендуется оценивать этот параметр при широком диапазоне влажностей.

Выясняя влияние влажности на КУС, Шанг с соавторами (Shang J. et al., 2010) проводил измерения смачиваемости различных минералов при влажностях 19, 33, 75 и 100% (Таблица 2). Анализируя полученные экспериментальные данные, сложно выявить какие-либо определенные тенденции. Показано только, что КУС для воды достигает своего минимума

при 100% влажности. При меньших значениях никаких закономерностей не отмечено, так как вода на образцах не представлена единым слоем, но разбросана по их поверхности отдельными «островками», что может придавать некую случайность измерениям.

Так как большинство исследователей отмечает, что влажность образцов влияет на их смачиваемость, причем, влияет нелинейно, очевидно, что сравнивать степень смачивания почв возможно лишь при некоторой стандартизации условий смачивания, например, путем выбора характерных точек на кривой смачивания или параметров смачиваемости. Таким параметром может служить критическая влажность, при которой образец теряет способность отталкивать воду и становится гидрофильным (DeJonge L. W. et al., 1999; DeJonge L. W. et al., 2007; Dekker L. W., Ritsema C. J., 1994). Dekker и Ritsema предлагают разделять гидрофобность на актуальную и потенциальную. Первую получают на образцах при полевой влажности, а вторую - на абсолютно сухих (Dekker L. W., Ritsema C. J., 1994).

Влияние дисперсности и минералогического состава почв на их смачиваемость

Влияние просеивания и растирания образцов на результаты измерений КУС изучала С. М. Бетти (Beatty S. M., Smith J. E., 2010). Для этого она измеряла КУС одного и того же образца в просеянном и не просеянном виде. У просеянного образца КУС изменялся от 38,5° до 102,3°, у непросеянного -от 78° до 103,3°. Таким образом, мы видим, что просеивание увеличивает долю гидрофильных поверхностей за счет растирания частиц. Кроме того, показано, что для гидрофобных образцов увеличение неровности поверхности образца ведет к увеличению КУ, в то время как для гидрофильных - к его уменьшению.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Быкова Галина Сергеевна, 2020 год

Список литературы

1. Аристовская Т. В. Микробиология процессов почвообразования. -Л.: Наука, 1980. - 187 с.

2. Артемьева З. С. Органическое вещество и гранулометрическая система почвы. - М.: ГЕОС, 2010. - 240 с.

3. Блауберг И. В. и др. Системные исследования. - М.: Наука, 1969. -204 с.

4. Богданова Ю. Г., Должикова В. Д., Сумм Б. Д. Влияние смесей поверхностно-активных веществ на смачивание // Вестник Московского университета. Серия 2. Химия. - 2000. - Т. 41 № 3. - С. 199-201

5. Болотов А. Г. Модифицированный метод подъема капиллярной каймы для определения контактного угла смачивания в почве // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. -2015. - Т. 3 № 125. - С. 27-30

6. Бородко А. В., Александров В. Н., Котляков В. М., Рыбальский Н. Г. Национальный атлас России. - М.: АСТ, 2008. - 496 с.

7. Вадюнина А. Ф., Корчагина З. А. Методы определения физических свойств почв и грунтов в поле и лаборатории. - М.: Высшая школа, 1961. - 345 с.

8. Вернадский В. И. Биосфера : (Избр. труды по биогеохимии) / под ред. А.И. (д-р геол.-минерал. наук) Перельман. - М.: Мысль, 1967. -367 с.

9. Верховцева Н. В. Трансформация соединений железа гетеротрофными бактериями // 1993. -

10. Войтович Н. В., Шишов Л. Л. Почвы Москвы и Московской области. - М.: Почвенный институт им. В. В. Докучаева, 2002. - 300 с.

11. Воронин А. Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. - М.: Изд-во Московского университета, 1984. - 204 с.

12. Герасимова М. И., Макеев А. О., Шеин Е. В. Путеводитель научных полевых экскурсий III съезда Докучаевского общества почвоведов. -М.: АгроВестник, 2000. - 118 с.

13. Дмитриев Е. А. Математическая статистика в почвоведении. - М.: Книжный дом Либроком, 2009. - 327 с.

14. Докучаев В. В. Избранные труды. - М.: изд-во АН СССР, 1949. - 646 с.

15. Дымов А. А., Милановский Е. Ю., Холодов В. А. Состав и гидрофобные свойства органического вещества денсиметрических фракций почв Приполярного Урала // Почвоведение. - 2015. - Т. 11 С.1335-1345

16. Звягинцев Д. Г., Бабьева И. П., Зенова Г. М. Биология почв: Учебник.

- М.: Изд-во МГУ, 2005. - Вып. 3-е изд.,445 с.

17. Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Коллоидная химия: учебник для вузов. -М.: АГАР, 2001. - 320 с.

18. Иванова Е. А., Зенова Г. М., Чижикова Н. П. Структурное преобразование глинистых минералов под влиянием модельных ассоциаций цианобактерии и актиномицетов // Медицинская геология состояния и перспективы. - 2010. - С. 71-77

19. Исайчева Л. А. Коллоидная химия. - Сатратов: ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ, 2016. - 47 с.

20. Качинский Н. А. Физика почвы. Часть 1. - М.: Высшая школа, 1965.

- 323 с.

21. Ковда В. А., Розанов Б. Г. Почвоведение. Учеб. для ун-тов. В 2 ч. Ч.1. Почва и почвообразованине. - М.: Высшая школа, 1988. - 400 с.

22. Колосова Н. Н., Чурилова Е. А. Атлас Московской области. - М.: Просвещение, 2004. - 48 с.

23. Максимова Е. Ю., Быкова Г. С., Абакумов Е. В. Характеристика физических свойств послепожарных почв // Известия Самарского центра Российской академии наук. - 2014. - Т. 16 № 5. - С. 51-57

24. Максимович Н. Г., Хмурчик В. Т. Влияние микроорганизмов на минеральный состав и свойства грунтов // Вестник Пермского университета. - 2012. - Т. 3 № 16. - С. 47-54

25. Матвеева Н. В., Милановский Е. Ю., Рогова О. Б. Способ подготовкиобразцов почв для определения контактного угла смачивания методом сидячей капли // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. - 2019. - № 97. - С. 91-112

26. Матюхин С. И., Фроленков К. Ю. Форма капель жидкости, помещенных на твердую горизонтальную поверхность // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2013. - Т. 15 № 3.

- С. 292-304

27. Милановский Е. Ю. Гумусовые вещества почв как природные гидрофобно-гидрофильные соединения. - М.: ГЕОС, 2009. - 188 с.

28. Михайловская Н. А. Количественная оценка активности калиймобилизующих бактерий и их эффективность на посевах озимой ржи // Весщ Нац. акад. навук Беларусь Сер. аграрных навук.

- 2006. - Т. 3 С. 41-46

29. Мохов М. А., Игоревский Л. В., Новик Е. С. Краткий электронный справочник по основным нефтегазовым терминам с системой перекрестных ссылок. - М.: Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина, 2004. -

30. Рагимов А. О., Мазиров М. А., Шентерова Е. М. Почвоведение: лаб. практикум. - Владимир: Изд-во ВлГУ, 2017. - 120 с.

31. Роде А. А. Почвообразовательный процесс и эволюция почв. - М.: Государственное издательство географической литературы, 1947. -143 с.

32. Роде А. А. Система методов исследования в почвоведении. -Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1971. - 92 с.

33. Розанов Б. Г. Морфология почв. - М.: Изд-во МГУ, 1983. - 309 с.

34. Розанов Б. Г. Морфология почв. - М.: Академический проект, 2004. -432 с.

35. Сафронова И. Н., Юрковская Т. К., Микляева И. М., Огуреева Г. Н. Зоны и типы поясности растительности России и сопредельных территорий. - М.: изд-во МГУ, 1999. - 64 с.

36. Семендяева Н. В., Мармулев А. . Н., Добротворская Н. И. Методы исследования почв и почвенного покрова. - Новосибирск: Изд-во НГАУ, 2011. - 202 с.

37. Соколова Т. А. Роль почвенной биоты в процессах выветривания минералов (обзор литературы) // Почвоведение. - 2011. - Т. 1 С. 6481

38. Софинская О. А., Костерин А. В., Костерина Е. А. Краевые углы смвчивания на границе вода-воздух препаратов загрязненных углеводородами почв и глинистых минералов // Почвоведение. -2016. - Т. 12 С. 1456-1463

39. Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - Вып. 2-е изд.,240 с.

40. Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В. Физико-химические основы смачивания и растекания. - М.: «Химия», 1976. - 323 с.

41. Сусленкова М. М., Умарова А. Б., Бутылкина М. А. Микроструктура почв разного генезиса и ее трансформация в составе конструктоземов в условиях г. Москвы // Почвоведение. - 2018. - Т. 10 С. 1265-1273

42. Фридрихсберг А. Д. Курс коллоидной химии. - СПб.: Химия, 1974. -400 с.

43. Холодов В. А., Ярославцева Н. В., Яшин М. А., Фрид А. С., Лазарев В. И., Тюгай З. Н., Милановский Е. Ю. Контактные углы смачивания и водоустойчивость почвенной структуры // Почвоведение. - 2015. -Т.6 С. 693-701

44. Шеин Е. В., Лазарев В. И., Айдиев А. Ю., Туангсуанг С., Кузнецов М. Я., Милановский Е. Ю., Хайдапова Д. Д. Изменение физических свойств черноземов типичных (Курская обл.) в условиях длительного стационарного опыта // Почвоведение. - 2011. - Т. 10 С. 1201-1208

45. Шеин Е. В., Милановский Е. Ю., Хайдапова Д. . Д., Дембовецкий А. В., Тюгай З. Н. Новые приборы для изучения физических свойств почв: 3D-томография, реологические параметры, контактный угол // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. -2014. - Т. 5 № 115. - С. 44-48

46. Шеин Е. В., Милановский Е. Ю., Хайдапова Д. Д., Поздняков А. И., Тюгай З. Н., Початкова Т. Н., Дембовецкий А. В. Практикум по физике твердой фазы почв: учебное пособие. - М.: Буки-Веди, 2017. - 119 с.

47. Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А. Коллоидная химия_2004^. - М.: Высшая школа, 2004. - 445 с.

48. Юдина А. В., Милановский Е. Ю. Микроагрегатный анализ почв методом лазерной дифракции: особенности пробоподготовки и интерпретации результатов // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. - 2017. - Т. 89 С. 3-20

49. Толковый словарь по почвоведению. Физика почв / под ред. А.А. Роде. - М.: Наука, 1972. - 63 с.

50. Толковый словарь по почвоведению / под ред. А.А. Роде. - М.: Наука, 1975. - 288 с.

51. Словарь русского языка: в 4-х т./АН СССР, Ин-т рус.яз. / под ред. А.П. Евгеньева. - М.: Русский язык, 1988. - Вып. 3-е изд.,800 с.

52. Практикум по агрохими / под ред. В.Г. Минеев. - М.: изд-во МГУ, 2001. - 689 с.

53. Теории и методы физики почв / под ред. Е.В. Шеин, Л.О. Карпачевский. - М.: 2007. - 616 с.

54. DeJonge L. W., Moldrup P., Jacobsen O. H. Soil-water content dependency of water repellency in soil: effect of crop type, soil management and physical-chemical parameters // Soil Sci. - 2007. - Т. 172 № 8. - С. 577-588

55. Achtenhagen J., Goebel M.-O., Miltner A., Woche S. K., Kastner M. Bacterial impact on the wetting properties of soil minerals // Biogeochemistry. - 2015. - Т. 122 С. 269-280

56. Adams R. H., Guzmán Osorio F. J., Zavala Cruz J. Water repellency in oil contaminated sandy and clayey soils // Int. J. Environ. Sci. Tech. - 2008.

- Т. 5 № 4. - С. 445-454

57. Adamson A. W., Gast A. P. Physical Chemistry of Surfaces. - New York: A Wiley-Interscience publication, 1997. - 757 p с.

58. Alghunaim A., Kirdponpattara S., Newby B. M. Z. Techniques for determining contact angle and wettability of powders // Powder Technol.

- 2016. - Т. 287 С. 201-215

59. Bachmann J., Woche S. K., Goebel M. O., Kirkham M. B., Horton R. Extended methodology for determining wetting properties of porous media // Water Resour. Res. - 2003. - Т. 39 № 12. - С. 1-14

60. Bachmann J., Guggenberger G., Baumgartl T., Ellerbrock R. H., Urbanek E., Goebel M. O., Kaiser K., Horn R., Fischer W. R. Physical carbonsequestration mechanisms under special consideration of soil wettability // J. Plant Nutr. Soil Sci. - 2008. - Т. 171 № 1. - С. 14-26

61. Bachmann J., Ellies A., Hartge K. H. Development and application of a new sessile drop contact angle method to assess soil water repellency // J. Hydrol. - 2000. - T. 231-232 C. 66-75

62. Bachmann J., McHale G. Superhydrophobic surfaces: A model approach to predict contact angle and surface energy of soil particles // Eur. J. Soil Sci. - 2009. - T. 60 № 3. - C. 420-430

63. Badía D., Aguirre J. A., Martí C., Márquez M. A. Sieving effect on the intensity and persistence of water repellency at different soil depths and soil types from NE-Spain // Catena. - 2013. - T. 108 C. 44-49

64. Balcázar J. L., Subirats J., Borrego C. M. The role of biofilms as environmental reservoirs of antibiotic resistance // Front. Microbiol. -2015. - T. 6 № October. - C. 1216

65. Bayer J. V, Schaumann G. E. Development of soil water repellency in the course of isothermal drying and upon pH changes in two urban soils // Hydrol. Process. - 2007. - T. 12 C. 2266-2275

66. Beatty S. M., Smith J. E. Fractional wettability and contact angle dynamics in burned water repellent soils // J. Hydrol. - 2010. - T. 391 № 1-2. - C. 97-108

67. Beatty S. M., Smith J. E. Dynamic soil water repellency and infiltration in post-wild-fire soils // Geoderma. - 2013. - T. 192 C. 160-172

68. Bisdom E. B. A., Dekker L. W., Schoute J. F. T. Water repellency of sieve fractions from sandy soils and relationships with organic material and soil structure // Geoderma. - 1993. - T. 56 C. 105-118

69. Bodí M. B., Muñoz-Santa I., Armero C., Doerr S. H., Mataix-Solera J., Cerdá A. Spatial and temporal variations of water repellency and probability of its occurrence in calcareous Mediterranean rangeland soils affected by fires // Catena. - 2013. - T. 108 C. 14-25

70. Braimoh A. K., Vlek P. L. G. Land use and soil resources: Springer, 2008. - 253 c.

71. Cerd' a A., Doerr S. H., Cerd'. Soil wettability, runoff and erodibility of major dry-Mediterranean land use types on calcareous soils // Hydrol. Process. - 2007. - T. 21 C. 2325-2336

72. Chau H. W., Goh Y. K., Si B. C., Vujanovic V. Assessment of alcohol percentage test for fungal surface hydrophobicity measurement // Lett. Appl. Microbiol. - 2010. - T. 50 № 3. - C. 295-300

73. Chau H. W., Biswas A., Vujanovic V., Si B. C. Relationship between the severity, persistence of soil water repellency and the critical soil water content in water repellent soils // Geoderma. - 2014. - T. 221-222 C. 113-120

74. Chenu C., Bissonnais Y. Le, Arrouays D. Organic Matter Influence on Clay Wettability and Soil Aggregate Stability // Soil Sci. Soc. Am. J. -2000. - T. 64 № 4. - C. 1479-1486

75. Cui Z. G., Binks B. P., Clint J. H. Determination of contact angles on microporous particles using the thin-layer wicking technique // Langmuir.

- 2005. - T. 21 № 18. - C. 8319-8325

76. Czachor H. Modelling the effect of pore structure and wetting angles on capillary rise in soils having different wettabilities // J. Hydrol. - 2006. -T. 328 № 3-4. - C. 604-613

77. Debano L. F. Water repellency in soils: A historical overview // J. Hydrol.

- 2000. - T. 231-232 C. 4-32

78. DeBano L. F. Water repellent soils: a state-of-the-art. - California, Berkley: Pacific Southwest Forest and Range Experiment Station, 1981. -25 c.

79. DeJonge L. W., Jacobsen O. H., Moldrup P. Soil Water Repellency: Effects of Water Content, Temperature, and Particle Size // Soil Sci. Soc. Am. J. - 1999. - T. 63 C. 437-442

80. Dekker L. W., Ritsema C. J., Oostindie K., Moore D., Wesseling J. G. Methods for determining soil water repellency on field-moist samples // Water Resour. Res. - 2010. - Т. 46 № 4. - С. W00D33

81. Dekker L. W., Jungerius P. D. Water repellency in the dunes with special reference to the Netherlands // Dunes Eur. Coast, Geomorphol. Hydrol. Soil, Catena Suppl. - 1990. - С. 173-83

82. Dekker L. W., Ritsema C. J. How water moves in a water repellent sandy soil 1. Potential and actual water repellency // Water Resour. Res. - 1994. - Т. 30 № 9. - С. 2507-2517

83. Depalo A., Santomaso A. C. Wetting dynamics and contact angles of powders studied through capillary rise experiments // Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. - 2013. - Т. 436 С. 371-379

84. Diehl D., Bayer J. V., Woche S. K., Bryant R., Doerr S. H., Schaumann G. E. Reaction of soil water repellency to artificially induced changes in soil pH // Geoderma. - 2010. - Т. 158 № 3-4. - С. 375-384

85. Diehl D. Physicochemical and Engineering Aspects Soil water repellency : Dynamics of heterogeneous surfaces // Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. - 2013a. - Т. 432 С. 8-18

86. Diehl D. Soil water repellency: Dynamics of heterogeneous surfaces // Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. - 2013b. - Т. 432 С. 8-18

87. Doerr S. H., Shakesby R. A., Walsh R. P. D. Soil water repellency: Its causes, characteristics and hydro-geomorphological significance // Earth Sci. Rev. - 2000. - Т. 51 № 1-4. - С. 33-65

88. Drelich J., Miller J. D. Critical review of wetting and adhesion phenomena in the preparation of polymer-mineral composites // Miner. Metall. Process. - 1995. - Т. 12 № 4. - С. 197-204

89. Ellies A., Ramirez C., Donald R. Mac. Organic matter and wetting capacity distribution in aggregates of Chilean soils // Catena. - 2005. - Т. 59 № 1. - С. 69-78

90. Fér M., Leue M., Kodesová R., Gerke H. H., Ellerbrock R. H. Droplet infiltration dynamics and soil wettability related to soil organic matter of soil aggregate coatings and interiors // J. Hydrol. Hydromechanics. -2016. - T. 64 C. 111-120

91. Fernandez-Galvez J., Mingorance M. D. Vapour and liquid hydrophobic characteristics induced by presence of surfactants in an agricultural soil // Geoderma. - 2010. - T. 154 C. 321-327

92. Franco C. M. M., Clarke P. J., Tate M. E., Oades J. M. Hydrophobic properties and chemical characterisation of natural water repellent materials in Australian sands // J. Hydrol. - 2000a. - T. 231-232 C. 47-58

93. Franco C. M. M., Michelsen P., Oades J. M. Amelioration of water repellency : Application of slow-release fertilisers to stimulate microbial breakdown of waxes // J. Hydrol. - 2000b. - T. 231-232 C. 342-351

94. Goebel M. O., Bachmann J., Woche S. K., Fischer W. R. Soil wettability, aggregate stability, and the decomposition of soil organic matter // Geoderma. - 2005. - T. 128 № 1-2. - C. 80-93

95. Goebel M. O., Woche S. K., Bachmann J., Lamparter A., Fischer W. R. Significance of wettability-induced changes in microscopic water distribution for soil organic matter decomposition // Soil Sci. Soc. Am. J. - 2007. - T. 71 № 5. - C. 1593-1599

96. González-Peñaloza F. A., Zavala L. M., Jordán A., Bellinfante N., Bárcenas-Moreno G., Mataix-Solera J., Granged A. J. P., Granja-Martins F. M., Neto-Paixao H. M. Water repellency as conditioned by particle size and drying in hydrophobized sand // Geoderma. - 2013. - T. 209-210 C. 31-40

97. Graber E. R., Tagger S., Wallach R. Do surface active substances from water repellent soils aid wetting? // Eur. J. Soil Sci. - 2007. - T. 58 № 6. -C.1393-1399

98. Hajnos M., Calka A., Jozefaciuk G. Wettability of mineral soils // Geoderma. - 2013. - Т. 206 С. 63-69

99. Hallett P. D. An introduction to soil water repellency // Proceedings of the 8th International Symposium on Adjuvants for Agrochemicals (ISAA2007) / под ред. R.E. Gaskin. - Christchurch, New Zealand: Hand Multimedia, 2007. -

100. Hallett P. D., Bachmann J., Czachor H., Urbanek E., Zhang B. Hydrophobicity // Encyclopedia of Agrophysics. Encyclopedia of Earth Sciences Series / под ред. J. Glinski, J. Horabik, J. Lipiec.: Springer, Dordrecht, 2011. -

101. Hallett P. D., Young I. M. Changes to water repellence of soil aggregates caused by substrate-induced microbial activity // Eur. J. Soil Sci. - 1999. - Т. 50 № 1. - С. 35-40

102. Hardie M. A., Cotching W. E., Doyle R. B., Lisson S. Influence of climate, water content and leaching on seasonal variations in potential water repellence // Hydrol. Process. - 2012. - Т. 26 С. 2041-2048

103. Hodge T. J. V, Michelsen P. P. The effect of lime and vegetation management on non-wetting behaviour of an acid siliceous sand // Plant-Soil Interactions at Low pH. Developments in Plant and Soil Sciences / под ред. R.J. Wright, C. V Baligar, R.P. Murrmann.: Springer, Dordrecht, 1991. -

104. Horne D. J., Mcintosh J. C. Hydrophobic compounds in sands in New Zealand-extraction, characterisation and proposed mechanisms for repellency expression // J. Hydrol. - 2000. - Т. 231-232 С. 35-46

105. Horton R., Horn R., Bachmann J., Peth S. Essential Soil Physics. -Stuttgart: Schweizerbart Science Publishers, 2016. - 391 с.

106. Hunter A. Investigation of Water Repellency and Critical Water Content in Undisturbed and Reclaimed Soils From the Athabasca Oil Sands Region of Alberta, Canada // Dep. Soil Sci. - 2011. -

107. Janczuk B., Chibowski E., Hajnos M., Bialopiotrowicz T., Stawinski J. Influence of exchangeable cations on the surface free energy of kaolinite as determined from contact angles // Clays Clay Miner. - 1989. - T. 37 № 3. - C. 269-272

108. Jex G. W., Bleakley B. H., Hubbell D. H., Munro L. L. High Humidity-induced Increase in Water Repellency in Some Sandy Soils // Soil Sci. Soc. Am. J. - 1985. - T. 49 C. 1177-1182

109. Jeyakumar P., Müller K., Deurer M., Dijssel C. Van den, Mason K., Mire G. Le, Clothier B. A novel approach to quantify the impact of soil water repellency on run-off and solute loss // Geoderma. - 2014. - T. 221-222 C.121-130

110. Johnson M. S., Lehmann J., Steenhuis T. S., DeOliveira L. V., Fernandes E. C. M. Spatial and temporal variability of soil water repellency of Amazon pastures // Aust. J. Soil Res. - 2005. - T. 43 № June. - C. 319326

111. Kajiura M., Tokida T., Seki K. Effects of moisture conditions on potential soil water repellency in a tropical forest regenerated after fire // Geoderma. - 2012. - T. 181-182 C. 30-35

112. Karunarathna A. K., Kawamoto K., Moldrup P., DeJonge L. W., Komatsu T. A Simple Beta-Function Model for Soil-Water Repellency as a Function of Water and Organic Carbon Contents // Soil Sci. - 2010. - T. 157 № 10. - C. 461-468

113. Keizer J. J., Doerr S. H., Malvar M. C., Ferreira A. J. D., Pereira V. M. F. G. Temporal and spatial variations in topsoil water repellency throughout a crop-rotation cycle on sandy soil in north-central Portugal // Hydrol. Process. - 2007. - T. 21 C. 2317-2324

114. King P. M. Comparison of methods for measuring severity of water repellence of sandy soils and assessment of some factors that affect its measurement // Aust. J. Soil Res. - 1981. - T. 19 № 3. - C. 275-285

115. Kleber M., Sollins P., Sutton R. A conceptual model of organo-mineral interactions in soils: Self-assembly of organic molecular fragments into zonal structures on mineral surfaces // Biogeochemistry. - 2007. - T. 85 № 1. - C. 9-24

116. Lal R., Shukla M. K. Principles of Soil Physics. - New York: Marcel Dekker, inc., 2004. - 699 c.

117. Leelamanie D. A. L., Karube J. Effects of organic compounds, water content and clay on the water repellency of a model sandy soil // Soil Sci. Plant Nutr. - 2007. - T. 53 № 6. - C. 711-719

118. Leelamanie D. A. L., Karube J. Drop size dependence of soil-water contact angle in relation to the droplet geometry and line tension // Soil Sci. Plant Nutr. - 2012. - T. 58 № 6. - C. 675-683

119. Leelamanie D. A. L., Karube J., Yoshida A. Characterizing water repellency indices: Contact angle and water drop penetration time of hydrophobized sand // Soil Sci. Plant Nutr. - 2008a. - T. 54 № 2. - C. 179-187

120. Leelamanie D. A. L., Karube J., Yoshida A. Relative humidity effects on contact angle and water drop penetration time of hydrophobized fine sand // Soil Sci. Plant Nutr. - 2008b. - T. 54 № 5. - C. 695-700

121. Letey J., Carrillo M. L. K., Pang X. P. Approaches to characterize the degree of water repellency // J. Hydrol. - 2000. - T. 231-232 C. 61-65

122. Letey J., Osborn J., Pelishek R. E. The influence of the water-solid contact angle on water movement in soil // Hydrol. Sci. J. - 1962. - T. 7 № 3. - C. 75-81

123. Liu Z., Yu X., Wan L. Capillary rise method for the measurement of the contact angle of soils // Acta Geotech. - 2016. - T. 11 № 1. - C. 21-35

124. Ma'shum M., Tate M. E., Jones G. P., Oades J. M. Extraction and characterization of water-repellent materials from Australian soils // J. Soil Sci. - 1988. - T. 39 C. 99-109

125. Madsen M. D., Zvirzdin D. L., Petersen S. L., Hopkins B. G., Roundy B. A., Chandler D. G. Soil Water Repellency within a Burned Piñon-Juniper Woodland: Spatial Distribution, Severity, and Ecohydrologic Implications // Soil Sci. Soc. Am. J. - 2011. - T. 75 № 4. - C. 1543-1553

126. Mao J., Nierop K. G. J., Sinninghe Damste J. S., Dekker S. C. Roots induce stronger soil water repellency than leaf waxes // Geoderma. -2014. - T. 232-234 C. 328-340

127. Mao J. Water repellent soils: From molecule to ecosystem // 2016. -

128. Marmur A. Penetration of a small drop into a capillary // J. Colloid Interface Sci. - 1988. - T. 122 № 1. - C. 209-219

129. Marques deSá J. P. Applied Statistics Using SPSS, STATISTICA, MATLAB and R. - Berlin: Springer, 2007. - 504 c.

130. Martínez-Zavala L., Jordán-López A. Influence of different plant species on water repellency in Mediterranean heathland soils // Catena. - 2009. -T. 76 № 3. - C. 215-223

131. Mataix-Solera J. h gp. Soil properties as key factors controlling water repellency in fire-affected areas: Evidences from burned sites in Spain and Israel // Catena. - 2013. - T. 108 C. 6-13

132. McCarty L. B., Hubbard L. R., Quisenberry V. Applied soil physical properties, drainage, and irrigation strategies: Springer, Dordrecht, 2015. - 314 c.

133. Mirbabaei S. M., Shahrestani M. S., Zolfaghari A., Abkenar K. T. Relationship between soil water repellency and some of soil properties in northern Iran // Catena. - 2013. - T. 108 C. 26-34

134. Neris J., Tejedor M., Rodríguez M., Fuentes J., Jiménez C. Effect of forest floor characteristics on water repellency, infiltration, runoff and soil loss in Andisols of Tenerife (Canary Islands, Spain) // Catena. - 2013. -T.108 C. 50-57

135. Ojeda G., Mattana S., Àvila A., Alcañiz J. M., Volkmann M., Bachmann J. Are soil-water functions affected by biochar application? // Geoderma. - 2015. - T. 249-250 C. 1-11

136. Quirk T. J., Quirk M. H., Horton H. F. Excel 2016 for Environmental Sciences Statistics: Springer, 2016. - 253 c.

137. Ramírez-Flores J. C., Woche S. K., Bachmann J., Goebel M. O., Hallett P. D. Comparing capillary rise contact angles of soil aggregates and homogenized soil // Geoderma. - 2008. - T. 146 № 1-2. - C. 336-343

138. Ramírez-Flores J. C., Bachmann J., Marmur A. Direct determination of contact angles of model soils in comparison with wettability characterization by capillary rise // J. Hydrol. - 2010. - T. 382 № 1-4. -C.10-19

139. Rodrigues-Alleres M., Benito E., DeBlas E. Extent and persistence of water repellency in north-western Spanish soils // Hydrol. Process. -2007. - T. 21 C. 2291-2299

140. Roy J. L., McGill W. B., Lowen H. A., Johnson R. L. Relationship between Water Repellency and Native and Petroleum-Derived Organic Carbon Carbon in Soils // J. Environ. Qual. - 2003. - T. 32 C. 583-590

141. Roy J. L., McGill W. B. OBSERVATIONS ON THE CHEMISTRY OF ORGANIC MATERIALS IN WATER-REPELLENT SOILS // Int. Turfgrass Soc. Res. J. - 2001. - T. 9 C. 428-436

142. Schaumann G. E., Braun B., Rotard W., Szewzyk U., Grohmann E. Influence of biofilms on the water repellency of urban soil samples // Hydrol. Process. - 2007. - T. 21 C. 2276-2284

143. Schreiner O., Shorey E. C. Chemical nature of soil organic matter // USDA Bur. Soils Bull. - 1910. - T. 74 C. 2-48

144. Shang J., Flury M., Harsh J. B., Zollars R. L. Comparison of different methods to measure contact angles of soil colloids // J. Colloid Interface Sci. - 2008. - T. 328 № 2. - C. 299-307

145. Shang J., Flury M., Harsh J. B., Zollars R. L. Contact angles of aluminosilicate clays as affected by relative humidity and exchangeable cations // Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. - 2010. - Т. 353 № 1. - С. 1-9

146. Shein E. V., Verkhovtseva N. V., Milanovskiy E. Y., Romanycheva A. A. Microbiological Modification of Kaolinite and Montmorillonite Surface: Changes in Physical and Chemical Parameters (Model Experiment) // Biogeosystem Tech. - 2016. - Т. 9 № 3. - С. 229-234

147. Shein E. V, Milanovskiy E. Y. Soil Structure Formation: Role of the Soil Amphiphilic Organic Matter // Biogeosystem Tech. - 2014. - Т. 2 № 2. -С.182-190

148. Susana L., Campaci F., Santomaso A. C. Wettability of mineral and metallic powders: Applicability and limitations of sessile drop method and Washburn's technique // Powder Technol. - 2012. - Т. 226 С. 68-77

149. Taumer K., Stoffregen H., Wessolek G. Determination of repellency distribution using soil organic matter and water content // Geoderma. -2005. - Т. 125 № 1-2. - С. 107-115

150. Vogelmann E. S., Reichert J. M., Reinert D. J., Mentges M. I., Vieira D. A., Barros C. A. P. de, Fasinmirin J. T. Water repellency in soils of humid subtropical climate of Rio Grande do Sul, Brazil // Soil Tillage Res. -2010. - Т. 110 № 1. - С. 126-133

151. Wahl N. A. Variability of Water Repellency in Sandy Forest Soils under Broadleaves and Conifers in north-western Jutland / Denmark // Soil Water Recources. - 2008. - Т. 3 С. S155-S164

152. Wang X. Y., Zhao Y., Horn R. Soil Wettability as Affected by Soil Characteristics and Land Use // Pedosphere. - 2010. - Т. 20 № 1. - С. 43-54

153. Waniek E., Szatylowicz J., Brandyk T. Determination of soil-water contact angles in peat-moorsh soils by capillary rise experiments // Suo. -2GGG. - Т. 51 № 3. - С. 149-154

154. Watson C. L., Letey J. Indices for Characterizing Soil-Water Repellency Based upon Contact Angle-Surface Tension Relationships // Soil Sci. Soc. Am. J. - 197G. - Т. 34 № 6. - С. 841-844

155. Wessolek G., Stoffregen H., Täumer K. Persistency of flow patterns in a water repellent sandy soil - Conclusions of TDR readings and a time-delayed double tracer experiment // J. Hydrol. - 2GG9. - Т. 375 № 3-4. -С.524-535

156. Whelan A., Kechavarzi C., Coulon F., Doerr S. H. Experimental characterization of the impact of temperature and humidity on the breakdown of soil water repellency in sandy soils and composts // Hydrol. Process. - 2G15. - Т. 29 № 8. - С. 2G65-2G73

157. Whyman G., Bormashenko E. Oblate spheroid model for calculation of the shape and contact angles of heavy droplets // J. Colloid Interface Sci. - 2GG9. - Т. 331 № 1. - С. 174-177

158. Woche S. K., Goebel M. O., Kirkham M. B., Horton R., Ploeg R. R. Van Der, Bachmann J. Contact angle of soils as affected by depth, texture, and land management // Eur. J. Soil Sci. - 2GG5. - Т. 56 № 2. - С. 239-251

159. Zhang H., Hartge K. H. Effect of differently humified organic matter on aggregate stability by reducing aggregate wettability // J. Plant Nutr. Soil Sci. - 1992. - Т. 155 С. 143-149

16G. Ziogas A. K., Dekker L. W., Oostindie K., Ritsema C. J. Soil water repellency in northeastern Greece // Soil water repellency; Occur. consequences, Amelior. - 2GG3. - С. 127-135

161. Zvirzdin D. L. Postfire soil water repellency in piñon-juniper woodlands: Extent, severity, and thickness relative to ecological site characteristics and climate // Ecol. Evol. - 2G12. - С. 463G-4639.

Приложение

Приложение 1. Описание профилей исследованных почв.

Дерново-подзолистая старопахотная почва (Московская область)

Апах (0-29см) - серовато-бурый, свежий, рыхлый средний суглинок порошисто-комковатой и мелкоглыбистой структуры; обилие корней разного размера, в верхней части горизонта бусы по корням; большое количество тонких пор; червороины, копролиты, растительные остатки разной степени разложенности; переход к следующему горизонту ровный, резкий и заметный по окраске, плотности и структуре.

Е1В (29-35см) - окраска мраморовидная, на буром фоне белесые и палевые пятна, свежий; более плотный, от среднего к тяжелому суглинку; структура призматическая с элементами плитчатости; большое количество пор разного размера; среднее количество тонких корней, червороины, копролиты, растительные остатки высокой степени разложенности; граница карманная, переход заметный по окраске и плотности.

ВП (39-61 см) - окраска мраморовидная, на буром фоне небольшое количество белесых пятен и много тонких темно-серых преимущественно вертикально ориентированных тяжей; свежий, уплотненный тяжелый суглинок; структура призматическая, присутствуют вертикально ориентированные трещины, мелкие и средние поры; единичные тонкие корни, червороины, копролиты, растительные остатки высокой степени разложенности; кутаны по границам структурных отдельностей и по корневым ходам; преход к следующему горизонты заметный по количеству и мощности кутан, по структуре и плотности, граница диффузная.

В12 (с 61 см) - окраска мраморовидная, на буром фоне много тонких и более крупных темно-серых преимущественно вертикально ориентированных тяжей, бурые пятна; свежий, плотный тяжелый суглинок; структура

крупнопризматическая с вертикальной ориентацией призм, присутствуют вертикально ориентированные трещины, мелкие и средние поры; единичные тонкие корни, червороины, копролиты; кутаны по границам структурных отдельностей и по корневым ходам.

Серая лесная почва со вторым гумусовым горизонтом (Владимирская область)

Апах (0-20 см) - серовато-бурый, свежий, рыхлый средний суглинок зернисто-порошисто-комковатой структуры; обилие корней разного размера; большое количество тонких пор; червороины, копролиты, растительные остатки разной степени разложенности; переход к следующему горизонту ровный, резкий и заметный по окраске, плотности и структуре.

Ah (20-25 см) - темно-серый, свежий; более плотный, средний суглинок; большое количество пор разного размера; среднее количество тонких корней, червороины, копролиты, растительные остатки высокой степени разложенности; граница волнистая, переход заметный по окраске и плотности.

AhB (30-40 см) - темносеровато-бурый, свежий; плотноватый средний суглинок; структура комковато-ореховатая; большое количество пор разного размера; среднее количество тонких корней, червороины, копролиты, растительные остатки высокой степени разложенности; граница языковатая, переход заметный по окраске и плотности

ЕВ (50-60 см) - окраска мраморовидная, на буром фоне белесые и палевые пятна, свежий; более плотный, от среднего к тяжелому суглинку; структура комковато-ореховато-призматическаыя; большое количество пор разного размера; среднее количество тонких корней, червороины, копролиты, растительные остатки высокой степени разложенности; скелетаны по

границам структурных отдельностей; граница волнистая, переход заметный по окраске и плотности.

В (с 60 см) - темно-бурый, свежий; более плотный, от среднего к тяжелому суглинку; структура призматическая с элементами плитчатости; большое количество пор разного размера; среднее количество тонких корней, червороины, копролиты, растительные остатки высокой степени разложенности; скелетаны по границам структурных отдельностей; граница волнистая, переход заметный по окраске и плотности.

Чернозем типичный под лесополосой (Воронежская область)

А1 (0-15 см) - темно-серый, свежий к влажноватому, зернистый, рыхлый, от среднего к тяжелому суглинку; обилие корней, растительные остатки разной степени разложеннности, червороины, копролиты; много мелких пор, среднее количество средних пор, граница слабоволнистая, заметная по плотности сложения и структуре.

А2 (15-60 см) - темно-серый, свежий, мелкокомковато-зернистый, плотнее вышележащего горизонта, мягкий, от среднего к тяжелому суглинку, мало корней, затеки гумуса по корневым ходам, органика сильной степени разложенности, червороины; мелкопористый; граница слабоволнистая, заметная по цвету и сложению.

АВ (с 60 см) - темно-серый, свежий к влажноватому, зернистый, рыхлый, тяжелый суглинок; обилие корней, растительные остатки разной степени разложеннности, червороины, копролиты; большое количество мелких пор, среднее количество средних пор, граница слабоволнистая, заметная по плотности сложения и структуре.

А2 (15-60 см) - буровато-темно-серый, свежий, комковато-зернистый, уплотненный, твердоватый, тяжелый суглинок, мало корней, органика сильной степени разложенности, червороины.

Чернозем типичный под пашней (Воронежская область)

Апах (0-20 см) - темно-серый, свежий, мелкокомковато-зернистый, рыхлый, тяжелый суглинок; обилие корней, растительные остатки разной степени разложеннности, червороины, копролиты; много мелких пор, граница ровная, заметная по плотности сложения.

А1 (20-70 см) - темно-серый, свежий, зернистый, плотнее вышележащего, тяжелый суглинок; среднее количество корней, растительные остатки разной степени разложеннности, червороины, копролиты; много мелких пор, среднее количество средних пор, граница волнистая, заметная по окраске.

АВ (с 70 см) - буровато-темно-серый с бурыми пятнами, свежий, комковато-зернистый, к низу - комковатый, уплотненный, твердоватый, тяжелый суглинок, мало корней, органика сильной степени разложенности, червороины.

Каштановая старопахотная почва (Волгоградская область)

А (0-18 см) - буровато-каштановый, сухой, комковато-порошистый, рыхлый; большое количество корней, много мелких и средних пор; не вскипает; граница ровная, заметная по окраске

АВ (18-35 см) - светло-бурый, влажноватый, комковато-призматический тяжелосуглинистый; уплотненный; много мелких и средних пор, вертикально ориентированные трещины; граница волнистая, заметная по окраске и структурной организации.

ВСа (с 35 см) - рыжевато-бурый, влажноватый; структура комковатая, уплотненный, тяжелосуглинистый; много мелких пор, вертикально ориентированные трещины; присутствуют карбонатные конкреционные новообразования.

Приложение 2. Свойства каолинита (Еленинское месторождение, Челябинская область)

Химический состав каолина. Массовая доля оксидов, % :

^2 , не менее 46,3 К2О, не более 1,0

АЬОз , не менее 36,0 Na2O, не более 0,2

Fe2Oз , не более 1,0 SOз , не более 0,15

ТЮ2 , не более 0,8 Р2О3 , не более 0,1

СаО, не более 0,4 ПМПП, не 14,0

более

MgO, не более 0,3

Минеральный состав:

Каолинит 84%

Кварц 8%

Полевой шпат 1%

Гидрослюда 7%

Серицит следы

Зерновой состав каолина. Содержание частиц размером , % :

менее 5 мкм 60±5%

менее 20 мкм 85±5%

Остаток на сите № 0056 0,5%

Физико-химические свойства каолина

Массовая доля 1,8 Концентрация 9,5

растворимых Са и Mg в водородных

водной вытяжке, мг-экв ионов в водной

/100 г, не более вытяжке (рН),

не более

Массовая доля хлор-ионов 0,7 Температура,

(С1-) в водной вытяжке, %, °С : 1450-1500

не более

спекания

образцов

1720-1750

плавления

Массовая доля сульфат- 0,6 Суммарная 370

ионов (SO42-) в водной удельная

вытяжке, %, не более активность

естественных радионуклидов, Бк*кг-1, не более

Емкость поглощения 15,0

каолинов, мг/г, не более

Технические свойства каолина:

Пластичность по Аттербергу 5-7

Предел прочности при изгибе в 0,6

сухом состоянии, Мпа, не менее

Плотность каолина высушенного 2,8

при 100 °С, г/см3

Усадка воздушная, % 0,8-2,8

Усадка в обжиге (1300°С), % 9,2-11,1

Насыпная плотность, кг/м3

до уплотнения, не менее 380

после уплотнения, не более 550

Белизна, % 77±2

Массовая доля влаги, %, не более 0,5

Приложение 3. Результаты секвенирования гена 16S рРНК исследованной культуры

Bac mac merge 1472bp

CGAACGCTGGCGGCGTGCCTAATACATGCAAGTCGAGCGGACAGATGGGAGCTTGCTCCCTGA TGTTAGCGGCGGACGGGTGAGTAACACGTGGGTAACCTGCCTGTAAGACTGGGATAACTCCGGGAAA CCGGGGCTAATACCGGATGGTTGTTTGAACCGCATGGTTCAGACATAAAAGGTGGCTTCGGCTACCAC TTACAGATGGACCCGCGGCGCATTAGCTAGTTGGTGAGGTAACGGCTCACCAAGGCGACGATGCGTA GCCGACCTGAGAGGGTGATCGGCCACACTGGGACTGAGACACGGCCCAGACTCCTACGGGAGGCAGC AGTAGGGAATCTTCCGCAATGGACGAAAGTCTGACGGAGCAACGCCGCGTGAGTGATGAAGGTTTTC GGATCGTAAAGCTCTGTTGTTAGGGAAGAACAAGTGCCGTTCAAATAGGGCGGCACCTTGACGGTACC TAACCAGAAAGCCACGGCTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGGTAATACGTAGGTGGCAAGCGTTGTCC GGAATTATTGGGCGTAAAGGGCTCGCAGGCGGTTTCTTAAGTCTGATGTGAAAGCCCCCGGCTCAACC GGGGAGGGTCATTGGAAACTGGGGAACTTGAGTGCAGAAGAGGAGAGTGGAATTCCACGTGTAGCGG TGAAATGCGTAGAGATGTGGAGGAACACCAGTGGCGAAGGCGACTCTCTGGTCTGTAACTGACGCTG AGGAGCGAAAGCGTGGGGAGCGAACAGGATTAGATACCCTGGTAGTCCACGCCGTAAACGATGAGTG CTAAGTGTTAGGGGGTTTCCGCCCCTTAGTGCTGCAGCTAACGCATTAAGCACTCCGCCTGGGGAGTA CGGTCGCAAGACTGAAACTCAAAGGAATTGACGGGGGCCCGCACAAGCGGTGGAGCATGTGGTTTAA TTCGAAGCAACGCGAAGAACCTTACCAGGTCTTGACATCCTCTGACAATCCTAGAGATAGGACGTCCC CTTCGGGGGCAGAGTGACAGGTGGTGCATGGTTGTCGTCAGCTCGTGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGT CCCGCAACGAGCGCAACCCTTGATCTTAGTTGCCAGCATTCAGTTGGGCACTCTAAGGTGACTGCCGG TGACAAACCGGAGGAAGGTGGGGATGACGTCAAATCATCATGCCCCTTATGACCTGGGCTACACACGT GCTACAATGGACAGAACAAAGGGCAGCGAAACCGCGAGGTTAAGCCAATCCCACAAATCTGTTCTCA GTTCGGATCGCAGTCTGCAACTCGACTGCGTGAAGCTGGAATCGCTAGTAATCGCGGATCAGCATGCC GCGGTGAATACGTTCCCGGGCCTTGTACACACCGCCCGTCACACCACGAGAGTTTGTAACACCCGAAG TCGGTGAGGTAACCTTTNNGGAGCCAGCCGCCGAAGGTGGGACAGATGATTGGGGTGAA

Приложение 4. Результаты BLAST поиска

Description Max Tota Quer E Iden Accession

score l y valu t

scor cover e e

Bacillus velezensis strain FZB42 16S 2700 2700 100% 0.0 99% NR_075005.

ribosomal RNA, complete sequence 2

Bacillus amyloliquefaciens strain NBRC 2697 2697 100% 0.0 99% NR_112685.

15535 16S ribosomal RNA gene, partial 1

sequence

Bacillus amyloliquefaciens strain NBRC 2697 2697 99% 0.0 99% NR_041455.

15535 16S ribosomal RNA gene, partial 1

sequence

Bacillus subtilis subsp. subtilis strain 16816S 2695 2695 100% 0.0 99% NR_102783.

ribosomal RNA, complete sequence 2

Bacillus vallismortis strain DSM 11031 16S 2689 2689 100% 0.0 99% NR_024696.

ribosomal RNA gene, partial sequence 1

Bacillus amyloliquefaciens strain BCRC 2687 2687 99% 0.0 99% NR_116022.

11601 16S ribosomal RNA gene, partial 1

sequence

Bacillus vallismortis strain NBRC 101236 2686 2686 100% 0.0 99% NR_113994.

16S ribosomal RNA gene, partial sequence 1

Bacillus nakamurai strain NRRL B-41091 2684 2684 100% 0.0 99% NR_151897.

16S ribosomal RNA, partial sequence 1

Bacillus subtilis strain NBRC 13719 16S 2684 2684 100% 0.0 99% NR_112629.

ribosomal RNA gene, partial sequence 1

Bacillus subtilis strain DSM 10 16S 2684 2684 100% 0.0 99% NR_027552.

ribosomal RNA gene, partial sequence 1

Bacillus siamensis strain PD-A10 16S 2680 2680 100% 0.0 99% NR_117274.

ribosomal RNA gene, partial sequence 1

Bacillus subtilis strain JCM 1465 1 6S ribosomal RNA gene, partial sequence 2680 2680 99% 0.0 99% NR_ 1 113265.

Bacillus subtilis strain IAM 12118 16S ribosomal RNA, complete sequence 2678 2678 100% 0.0 99% NR_ 2 112116.

Bacillus subtilis subsp. inaquosorum strain BGSC 3A2816S ribosomal RNA gene, partial sequence 2678 2678 100% 0.0 99% NR_ 1 104873.

Bacillus nematocida strain B-16 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2678 2678 100% 0.0 99% NR_ 1 115325.

Bacillus subtilis subsp. spizizenii strain NBRC 101239 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2673 2673 100% 0.0 99% NR_ 1 112686.

Bacillus subtilis strain BCRC 10255 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2671 2671 99% 0.0 99% NR_ 1 116017.

Bacillus atrophaeus strain NBRC 15539 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2669 2669 100% 0.0 99% NR_ 1 112723.

Bacillus mojavensis strain NBRC 15718 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2667 2667 100% 0.0 99% NR_ 1 112725.

Bacillus halotolerans strain DSM 8802 16S ribosomal RNA, partial sequence 2667 2667 100% 0.0 99% NR_ 1 115063.

Bacillus mojavensis strain IFO15718 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2667 2667 100% 0.0 99% NR_024693. 1

Bacillus atrophaeus strain JCM 9070 1 6S ribosomal RNA gene, partial sequence 2667 2667 100% 0.0 99% NR_024689. 1

Bacillus axarquiensis strain LMG 2247616S ribosomal RNA gene, partial sequence 2660 2660 99% 0.0 99% NR_ 1 115929.

Bacillus amyloliquefaciens strain MPA 1034 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2649 2649 98% 0.0 99% NR_ 1 117946.

Bacillus tequilensis strain 10b 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2627 2627 98% 0.0 99% NR_ 1 104919.

Bacillus methylotrophicus strain CBMB205 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2625 2625 97% 0.0 99% NR_ 1 116240.

Bacillus axarquiensis strain CR-119 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2597 2597 100% 0.0 98% NR_115283. 1

Bacillus malacitensis strain CR-95 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2566 2566 96% 0.0 99% NR_115282. 1

Bacillus subtilis subsp. spizizenii strain NRRL B-23049 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2564 2564 95% 0.0 99% NR_024931. 1

Bacillus licheniformis strain DSM 13 16S ribosomal RNA, partial sequence 2555 2555 100% 0.0 98% NR_118996. 1

Bacillus licheniformis strain NBRC 12200 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2555 2555 100% 0.0 98% NR_113588. 1

Bacillus subtilis strain SBMP416S ribosomal RNA gene, partial sequence 2553 2553 98% 0.0 98% NR_118383. 1

Bacillus licheniformis strain BCRC 11702 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2547 2547 99% 0.0 98% NR_116023. 1

Bacillus licheniformis strain ATCC 14580 16S ribosomal RNA, partial sequence 2543 2543 100% 0.0 98% NR_074923. 1

Bacillus mojavensis strain ifo 15718 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2542 2542 95% 0.0 99% NR_118290. 1

Bacillus sonorensis strain NBRC 101234 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2538 2538 100% 0.0 98% NR_113993. 1

Bacillus subtilis strain NCDO 1769 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2525 2525 95% 0.0 99% NR_118972. 1

Bacillus aerius strain 24K 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2510 2510 100% 0.0 97% NR_042338. 1

Bacillus altitudinis strain 41KF2b 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2499 2499 100% 0.0 97% NR_042337. 1

Bacillus amyloliquefaciens strain ATCC 23350 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2497 2497 95% 0.0 98% NR_118950. 1

Bacillus stratosphericus strain 41KF2a 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2495 2495 100% 0.0 97% NR_042336. 1

Bacillus xiamenensis strain MCCC 1A00008 16S ribosomal RNA, partial sequence 2494 2494 100% 0.0 97% NR_ 1 148244.

Bacillus safensis strain NBRC 100820 1 6S ribosomal RNA gene, partial sequence 2483 2483 100% 0.0 97% NR_ 1 113945.

Bacillus pumilus strain NBRC 12092 16S ribosomal RNA gene, partial sequence 2483 2483 100% 0.0 97% NR_ 1 112637.

Bacillus 1A08372 zhangzhouensis strain MCCC 16S ribosomal RNA, partial 2477 2477 100% 0.0 97% NR_ 1 148786.

sequence

Bacillus 1A05787 australimaris strain MCCC 16S ribosomal RNA, partial 2471 2471 100% 0.0 97% NR_ 1 148787.

sequence

Приложение 5. Гранулометрический (сплошная линия) и микроагрегатный состав (пунктирная линия) каолинита разного срока инкубации с микроорганизмами. 0 - исходный каолинит; 1-6 -10-60 суток инкубации; 1К-6К - соответствующие контрольные образцы

Приложение 6. Разница между содержанием частиц в микроагрегатном и гранулометрическом составах (Л, %) в образцах каолинита разного срока инкубации с микроорганизмами. О - исходный каолинит; 1-6 - 10-60 суток инкубации; 1К-6К- соответствующие контрольные образцы.

IE-,

Размер частщ, мкм

1К

А

^ ^ Размер частиц, мкм

3 ■ 2К

— Jllk------

"""'"UP =

Размер частиц, мкм

Приложение 7. Зависимость КУС (в 25% - в 50% - в 75%) от времени, прошедшего с момента соприкосновения капли с поверхностью образца. 0 - исходный каолинит; 1Ь-6Ь - 10-60 суток инкубации; 1с-6с - соответствующие контрольные образцы

100 90 80 70

3 60

и

I 50

е-

се," 40 30 20 10 0

—е (5Ь) —8 (5с)

\

\Ч

О НИИ И I I т -

т £ £

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Время, секунды