Humic Substances Characterization Employing High Resolution Ultrasonic Spectroscopy

Předkládaná dizertační práce se zabývá využitím techniky vysoce rozlišovací ultrazvukové spektroskopie (HRUS) při analýze huminových látek, za účelem získání hlubšího vhledu do problematiky vztahu mezi jejich primárními charakteristikami (elementární složení a rozložení uhlíku ve funkčních skupinách) a agregačními vlastnostmi. V literární rešerši jsou shrnuty nejnovější poznatky z oblasti studia huminových látek a představeny základní principy HRUS. Dále jsou uvedeny základní informace z oblasti fraktální analýzy a její aplikace na data získaná pomocí různých metod při studiu huminových látek. První úkol experimentální části je zaměřen na výhodné využití HRUS pro výzkum huminových látek, zde reprezentovaných standardy Mezinárodní společnosti pro huminové látky (IHSS) a to sodnými solemi huminových a fulvinových kyselin. Fulvinové kyseliny v jejich protonované formě byly taktéž zkoumány a to z důvodu objasnění vlivu sodného kationu. Pro popis chování vzorků byla použita mocninná funkce, jejíž empirické parametry byly korelovány s primárními charakteristikami. Byla vytvořena metoda fraktální analýzy a následně byla aplikována na data získána ultrazvukovou spektroskopií. Data získaná pomocí ultrazvukové spektroskopie byla zpracována i alternativní metodou. Ta spočívala v globálním pohledu na závislost ultrazvukové rychlosti na koncentraci a využití lineární regrese. Druhým z cílů práce je získání informací o vlivu teploty na stabilitu agregátů HS (IHSS standardy). Byl zkoumán vliv teplotních gradientů na chování agregátů při čtyřech různých koncentracích. V třetí části práce pak byly zkoumány koncentrační závislosti u vzorků pocházejících především z lokalit příliš nezasažených lidskou činností. HRUS data byla proložena mocninnou funkcí a zkoumána pomocí fraktální analýzy. Takto získané parametry byly korelovány s primárními vlastnostmi. Ze znalosti hustoty při dané koncentraci mohly být stanoveny velikosti hydratačních obálek. Jak se v současné době ukazuje, informace o agregačním chování huminových biomolekul mohou být v budoucnu velmi důležité pro navrhování průmyslových aplikací huminových látek, zejména v zemědělství a v ochraně životního prostředí, ale také například v medicíně.This doctoral thesis deals with the application of high resolution ultrasonic spectroscopy (HRUS) on studying of humic substances (HS). The goal is to obtain deeper insight to the field of relations between primary characteristics (elemental composition and distribution of carbon in functional groups) and aggregation properties. In the literature review the contemporary information about HS and HRUS are presented. Furthermore, basic information about fractal analysis as well as its application on data obtained by various techniques is mentioned. In the first section of the experimental part of this thesis the advantageous application of HRUS in the research of HS is discussed. International Humic Substances Society (IHSS) standards were selected to represent wide spectrum of samples, both humates and fulvates were used. To determine the influence of sodium counterion also fulvic acids in their protonized form were used. Power-based fitting was applied on all samples data and gained empirical parameters were correlated with primary characteristics. Fractal analysis method was developed and applied on the HRUS data. An alternative approach was applied on data gained by HRUS. From a global point of view, the dependency of ultrasonic velocity on concentration shows a linear trend and therefore a linear regression method can be applied. The second purpose of this thesis is to find information about thermal stability of HS aggregates (IHSS standards). Samples at four different concentrations were treated by temperature gradients and aggregation behavior was assessed and discussed. In the third part of thesis the concentration dependencies of the samples were studied. Unlike the first goal, samples originating mainly from locations unaffected by anthropogenic activity were used. Power-based fitting and fractal analysis were applied and acquired parameters were correlated with primary characteristics. To elucidate the extent of hydration shells, the high precision density measurements were performed. As the state-of-the-art research shows, the aggregation properties of humic biomolecules may play an important role in the future designing of humic substances applications, mainly in the agriculture and environmental protection, but even also in medicine.