Гуминовые вещества

«Знание - сила»: Ирина Васильевна, гуминовые вещества - что это такое?

 

Ирина Перминова: Основная область нашего интереса - природное органическое вещество. Мы работаем на стыке живого и неживого. Гуминовые вещества - это продукт разложения всей живой органики, в который превращаются растения после отмирания. Они играют очень большую роль для сохранения и поддержания жизни природы, потому что делают неживое пригодным для жизни живого. Растения, умирая, сами удобряют почву. Такие системы, как почва, могут существовать только благодаря тому, что есть наши гуминовые системы.

 

«ЗС»: Почему вы их называете системами?

 

И.П.: Потому что на настоящий момент наконец-то химия вошла в новую для себя эпоху развития. Это химия сложных систем, в то время как наверное, каждый из нас не раз задумывался, каким образом из неживой материи однажды появилась живая. Где эта грань? В чем принципиальная разница? Каковы условия этого перехода? Можно ли их создать искусственно? Оказывается, возможность такого перехода осуществляют гуминовые системы, поддерживающие жизнь во всем ее разнообразии. Что это такое, почему важно их изучать и какие новые возможности нам это дает, рассказывает Ирина Васильевна Перминова, доктор химических наук, профессор, заведующая лабораторией природных гуминовых систем кафедры медицинской химии и тонкого органического синтеза химического факультета МГУ. Вплоть до прошлого века основной областью изучения химии были единичные молекулы. Теперь химия дошла до того, что начинает работать с супрамолекулярными системами, включая сложные природные органические системы. Работа с такого рода объектами безумно сложна.

 

Жан-Мари Лен, Нобелевский лауреат по химии 1987 года, впервые дал определение супрамолекулярной химии. Он, слава богу, жив до сих пор и занимается химией сложных систем в Университете Страсбурга (Франция). Я слушала его в 2019 году в Париже, он выступал на конгрессе, посвященном 100-летию Международного общества чистой и прикладной химии (ШРАС). Удивительный мыслитель, философ и потрясающий химик. Он сказал так: «Все знают, что такое основной вопрос биологии. Это происхождение жизни. Все знают основной вопрос физики - происхождение нашей Вселенной. А что такое основной вопрос химии?»

 

«ЗС»: И что же?

 

И.П.: Это вопрос, как произошло сложное вещество. Он считает, и я с ним полностью согласна, что XXI век - это век сложного вещества, сложных систем. Для меня это звездный час для моей науки, потому что гуминовыми веществами я начала заниматься еще в 1982 году. И вот уже 40 лет я пытаюсь ответить на вопрос, что такое гуминовые системы. На это нужна жизнь. Вы видите, у нас висит календарь нашей научной группы, девиз которой: «Познающее не всегда сложнее познаваемого». Нам пришлось снять шляпу перед нашей субстанцией и сказать, что она нас учит непрерывно. Благодаря тому, что мы работаем с веществом такой сложности, мы занимаемся, по сути, всеми химиями сразу.
 

«ЗС»: Иначе говоря, вы не знаете, что такое гуминовые вещества?

 

И.П.: Мы знаем, что это сложная система. Мы многое знаем, гораздо больше, чем многие, про эти вещества. Мы работаем над тем, чтобы дать им химическое определение.

 

«ЗС»: А его нет?

 

И.П.: Химического определения нет. Все существующие определения являются феноменологическими, сугубо описательными либо операционными. Например, гуминовые вещества - это то, что извлекается щелочью из почвы или твердых горючих ископаемых (торф, уголь). Мы знаем, что они берутся из растений: отмирают растения, в их составе ароматический скелет, есть углеводные, пептидные, фенольные и другие фрагменты. При этом, поскольку это продукт разложения, образуется огромное количество низкомолекулярных соединений, чуть поменьше - олигомеров, и совсем мало - остатков биомакромолекул-пре-курсоров. Для изучения молекулярного состава гуминовых систем мы работаем с масс-спектрометрией сверхвысокого разрешения, это наш основной инструмент познания сложности гуминовой материи. Только он позволил нам описывать гуминовую систему числами, мы уже можем это делать. Мы видим в их составе порядка сотни тысяч молекулярных составов. А теперь попробуйте сто тысяч молекулярных составов умножить на 10 миллионов изомеров - это размер химического пространства, которое содержится в капле любой гуминовой субстанции, которую мы извлекаем из почвы, воды, угля. Сколько получится?

«ЗС»: Много!

 

И.П.: Природа именно так устроена. У нее распределения сложные. Зачем такие сложности, казалось бы? Это один из основных инструментариев, как природа адаптируется к антропогенным, климатическим и другим воздействиям. Это очень жесткие воздействия. Задача - защитить живое.

«ЗС»: У кого задача защитить живое?

 

И.П.: У живого. Живое создает себе окружающую среду, для того чтобы можно было в ней существовать. Живое не существует в отрыве от окружающей среды, это среда его обитания. А гуминовые вещества -это продукт живого, который создает для живого условия выживания.

«ЗС»: Для самого себя?

 

И.П.: Да, для продолжения жизни на Земле. По-английски очень красиво звучит - life sustaining functions, по-русски мы говорим «функции жизнеобеспечения». Ими обладают гуминовые вещества. Они делают доступными для растений биогенные элементы, связывают, например, токсичные металлы в недоступные комплексы, создают структуру почвы - это наноструктура. Они придают гидрофоб-ность почвенным комочкам, за счет чего создается водостойкая структура почвы, которая не рассыпается при соприкосновении с водой.

 

Растения как устроены? Их корни находятся в почве. Почва насыщена воздухом, и поэтому каждый комочек почвы должен быть гидрофобным. Когда мы с вами распахиваем почву, мы нарушаем структуру почвы. Мы окисляем органику, она начинает смачиваться водой, и все комочки начинают рассыпаться.
 

«ЗС»: А жизнь в воде? Там тоже есть гуминовые вещества?

 

И.П.: Конечно. Они есть везде. Вот есть живой организм - как он существует? У него есть процессы анаболизма, то есть синтеза органической массы, и катаболизма - распада органической массы. Анаболизм плюс катаболизм дает вам метаболизм. При этом, если вы будете анализировать метаболиты, они очень много вам говорят: здоровый организм, нездоровый организм, чем болен. С другой стороны, это продукты, которые обеспечивают вашу жизнедеятельность.

 

А теперь возьмем земной шар. На нем есть всего один анаболический процесс накопления первичной биомассы - это фотосинтез. Вся энергия идет оттуда. Растения забирают эту энергию, дают биомассу. Дальше биомасса распадается, дает метаболиты. Это и есть гуми-новые вещества. Это экосистемный метаболит. Они чутко реагируют на глобальное потепление климата, например. На поведение человека, на все, что происходит в природе.

«ЗС»: Чем конкретно вы занимаетесь в своей лаборатории?

 

И.П.: Изучением молекулярной организации с помощью той самой масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения. Мы изучаем функции, каким образом гуминовые вещества в природе становятся маркерами самых разных процессов. Самое главное на сегодняшний момент - это

Арктика, потому что это такая климатическая кухня, где происходит очень резкая смена всего на свете. У нас будет защищаться в этом году диссертация по арктическому органическому веществу. Наша Аня Хрептугова ходила три года подряд в экспедиции по Северному морскому пути, из Архангельска до Восточно-Сибирского моря, привозила пробы, мы их анализировали.

 

«ЗС»: И что вы видите? Действительно теплеет?

 

И.П.: Мы отчетливо видим очевидный, явный тренд смены органического вещества от окисленного ароматического к восстановленному алифатическому с запада на восток, потому что на востоке сейчас в буквальном смысле течет вечная мерзлота. Органическое вещество вечной мерзлоты принципиально другое, не то, которое образуется в почве средних широт. Это слабо гумифицированное (не разложившееся) органическое вещество. И мы видим, что оно быстро разлагается, поскольку не успело переработаться микроорганизмами и было захоронено. При этом идет колоссальное высвобождение метана, С02.

 

У нас очень мало способов, инструментария на молекулярном уровне смотреть климатические процессы. Здесь же, по сути, прямо перед нами, перед нашими глазами вся молекулярная кухня. Я пять лет работала в Институте глобального климата и экологии и знаю, насколько сложно проводить такие исследования, стыковать молекулярную науку и макропроцессы. Обычно оперируют только потоками углерода. Но поток углерода - это одно, а качество углерода -другое. Мы показываем, что эти вещества могут быть не только индикаторами глобального потепления климата, но и, например, трассерами водных масс.

 

Это очень серьезное наше направление. Мы участвуем в проекте, которым руководит член-корреспондент РАН Игорь Петрович Семилетов. Это мегагрант, который получен Тихоокеанским океанологическим институтом ДВО РАН. Мы там обеспечиваем молекулярную химию, они делают все остальное.
 

«ЗС»: Знаю, у вас есть еще направление, связанное с исследованием токсинных веществ...

 

И.П.: Если быть точнее, мы занимаемся взаимодействием гуминовых веществ с различного рода экотоксикантами: с тяжелыми металлами, пестицидами, полиароматическими углеводородами. Мы показали, что результатом этих взаимодействий является снижение токсичности. Наши вещества выступают в качестве природного буфера, который позволяет защитить живые организмы от резкого выброса, от резкой смены условий обитания.

 

«ЗС»: Можно ли это свойство как-то использовать?

 

И.П.: Это следующая задача - использовать свойство снижения токсичности, для того чтобы создавать технологии рекультивации. Мы уделяем особое внимание взаимодействию между гуминовыми веществами и минеральными компонентами почвы. Это, в первую очередь, глинистые компоненты. Глина - это, по сути, природная наноматерия, она меньше 2 микрон. И вместе с гуминовыми веществами она создает уникальные образования. Для меня как для химика, почва - это эмульсия Пикеринга.

 

«ЗС»: Что это такое?

 

И.П.: Эмульсия Пикеринга - это когда у вас вместо молекулярного поверхностно-активного вещества в качестве стабилизатора эмульсии выступает частица. У частиц один гидрофильный конец, второй - гидрофобный, и они на границе раздела фаз образуют структурный барьер путем сцепления очень прочными связями. Так вот, для меня почва - это эмульсия Пикеринга воды в воздухе, где капли воды стабилизированы органо-минеральным комплексом и диспергированы а воздухе.

 

Такого же рода конструкция реализуется, когда океан, например, чистит себя от нефтяных углеводородов. Когда нефтяные углеводороды выбрасываются на берег, там лежит пленка. Дальше - прибойная волна - шарах! Все эмульгируется, разбивается.

 

После этого капли обволакиваются глинистыми частицами, модифицированными органикой. И опять получается эмульсия Пикеринга. Только почва - это обратная эмульсия (вода в воздухе), а здесь - прямая (масло в воде). Капли нефти, стабилизированные глинистыми частицами, приобретают отрицательную плавучесть и начинают потихонечку опускаться на дно. Вся эта глинистая компонента прекрасно заселяется микроорганизмами, выедается нефтяная капля. Так работает природа.

 

А наше основное направление - это экоадаптивная химия. Мы хотим создать материалы, технологии, процессы, которые основаны на природных процессах.

 

«ЗС»: Это так называемая «зеленая» химия?

 

И.П.: «Зеленая» химия создавалась химиками и химиками-технологами, чтобы получать традиционные химикаты по новым, безопасным методикам. Экоадаптивная химия создает новые природоподобные вещества и процессы. Основные сферы применения таких веществ и процессов - это экология, медицина и сельское хозяйство.

 

«ЗС»: Вы уже что-то создали?

 

И.П.: У нас есть много патентных разработок, где описаны возможности применения. Еще больше идей. Но реализованных на уровне технологий не так много, как хотелось бы. Но они тоже есть. Мы реализовали технологию по in situ (без перемещения) промывке загрязненных дизельным топливом грунтов.

 

Наша технология - реакция на норильскую катастрофу 2020 года, когда разлилось 20 000 дизельного топлива. Я была членом межведомственной комиссии по этой аварии и наблюдала воочию происходящее. Мы предложили технологию поверхностной промывки, каким образом можно убрать пленку дизельного топлива на берегу реки без высвобождения топлива опять в свободном виде. Как раз-таки, опираясь на те самые эмульсии Пикеринга. Суть вот в чем: мы берем наши гуминовые агенты, бентонит, безопасный эмульгатор и делаем эмульсию Пикеринга - наносим наши промывные агенты на берег, ждем какое-то время, потом все смываем. У нас есть даже видео, где мы показывали, как это работает, и есть видео, где наши ребята говорят про эти адаптивные технологии.

 

В общем, мы предложили ОАО «НТЭК» - дочке «Норникеля» использовать такую технологию для финишной очистки берегов от следов нефтяного загрязнения. У них тогда работала компания, которая вымывала дизель путем обводнения береговой зоны. Но когда вода сошла, остался запах как на бензоколонке. Мы предложили, по сути, средство для «генеральной уборки», чтобы ничего не пахло, все блестело.

 

«ЗС»: Они его использовали?

 

И.П.: Они нам заказали технологию с условием получения государственной экологической экспертизы. И мы это заключение получили в прошлом году, в марте 2022 года, которое открывает возможность для использования технологии. Мы провели внедренческие испытания этой технологии на Дудинской нефтебазе, где нам были предоставлены все условия для проведения полномасштабных испытаний. Мы разработали технологический регламент, технические условия, патентную заявку сейчас оформляем. Эта технология уже существует: при наличии разрешения ГЭЭ любая организация может купить у ОАО «НТЭК» лицензию на осуществление этой деятельности.

 

«ЗС»: Какие у вас проекты на очереди? Что вы хотите обязательно успеть внедрить?

 

И.П.: Планов много, но среди самых важных - медицинские. Мы сейчас работаем по ранозаживляющим бионаноматериалам. Композиция наночастиц серебра и гуминовых веществ обладает не только ранозаживляющим, но и антибактериальным действием. Эта работа развивается в рамках комплексного проекта РНФ по химии и медицине № 20-63-47070, где мы разрабатываем композиции в области химии. Медики - это Сибирский государственный медицинский университет (г. Томск), они тестируют наши композиции. Мы сейчас вышли на завершающую, финальную стадию, у нас последний год работы по проекту. Этой работой очень заинтересовалась и вошла в нашу команду Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова. На данный момент самый интересный результат, который мы получили, это - восстановление антибиотикочувствительности.

 

«ЗС»: Каким образом вы этого добились?

 

И.П.: Основой антибактериального действия наших композиций является серебро. В чем достоинство нашего метода синтеза наночастиц серебра - нам не нужны никакие восстановительные агенты, наночастицы формируются сами из ионного серебра в среде гуминовых веществ.

 

Мы работаем с группой Марии Владимировны Зыковой из СибГМУ. Они изучают биологическую активность наших веществ, показывают, что они не обладают цитотоксичностью, прооксидантными свойствами, могут быть хорошими фармакологическими субстанциями.

 

У нас давно витала в воздухе идея попробовать ввести в эту композицию антибиотик. Иначе говоря, использовать гуминовые вещества, в том числе для восстановления антибиотикочувствительности. Мы знаем, что один из самых печальных трендов нашего времени - это именно анти-биотикорезистентность, и у нас была идея, что может сработать комбина-торность, или стохастичность, нашей субстанции для того, чтобы ухудшить распознавание, узнавание бактериями наших антибиотиков.

 

«ЗС»: Получилось?

 

И.П.: Получилось, но только в присутствии серебра.

 

«ЗС»: А если гуминовое вещество убрать, оставить только серебро?

 

И.П.: Тоже не работает. Работает, как всегда, система, комбинация.

 

«ЗС»: А почему она работает, вы не знаете?

 

И.П.: Нам медики сказали: да все понятно, мы уже все изучили. Улучшается проникновение антибиотика в клетку. Но для химика это мало. Молекулярный механизм нам непонятен. Да, они увидели, почему повышается проводимость. Но за счет каких молекулярных механизмов, мы еще не знаем.

Мы надеемся, что у проекта будет продолжение. В этом году мы должны выходить на его продление, и все свои усилия бросим на преодоление анти-биотикоустойчивости с помощью разных комбинаций.

 

Следующая наша задача - по экологии. У нас сейчас текущие проекты с головным заказчиком - департаментом экологии «Норникеля» по внедренческим испытаниям технологии поверхностной промывки и по рекогносцировочным испытаниям нейтрализации загрязнения окружающей среды гематитом. Мы пытаемся предложить способ, каким образом можно ликвидировать это загрязнение.
 

«ЗС»: Каким же?

 

И.П.: Это природное соединение - гематит. Его особенность -ярко-красный цвет. В природе красные, желтые, оранжевые цвета оксидов железа маскируются гуминовы-ми субстанциями, которые представляют собой природный черный пигмент. Поэтому мы с вами их видим, как бурый цвет. А здесь, если гематит попадает в реку, то река становится красная. И все думают: ужас какой.
 

«ЗС»: А на самом деле?

 

И.П.: Для реки плохо, что увеличивается содержание взвешенного вещества. Это все равно, как в реку попадет глина, и она станет белого цвета. Дело в том, что взвешенное вещество нормировано, и у гидробионтов, например, оно забивает жабры. Но основным раздражителем является именно цвет. Для человека красная река -это сигнал невероятной опасности. Если бы она была полна глины, человек бы на это не реагировал: мутная река течет, и бог с ней! А когда течет красная река, то совсем другое дело. Человек это распознает как опасность.

 

«ЗС»: То есть это чисто психологический дискомфорт? Стоит ли ради этого компании делать инвестиции?

 

И.П.: Это уже компания должна решить. Но на самом деле мы вступили в новый век. В прошлом веке такие мысли никому в голову не приходили, а в этом человек себя по-другому ощущает - он стал себя чувствовать более ответственным, что ли... Имеем ли мы право изменять ландшафт, который формировался тысячелетиями?

 

«Норникель» в этом году запускает первую очередь «Серного» проекта - это 23 миллиарда рублей инвестиций. Никакой прибыли компания от этого не имеет, она, по сути, только несет убытки. Но они пошли на это - и скоро Норильск сможет вздохнуть полной грудью. У них ведь все руды - сульфидные, колоссальные выбросы сернистого газа. В новой экологической стратегии компании - не только воздух, но и вода, хвосто-хранилище, почвы и биоразнообразие. Вовсю идет строительство рыборазводного завода, уже первого малька выпустили. Хочется верить, что так и дальше будет. А мы сможем послужить Норильску и Таймыру своими знаниями о том, как сделать окружающий мир чище, используя для этого силы и механизмы природы - наши гуминовые системы.