Гумусовые соединения
Гумусовые соединения распространены практически во всех экосистемах и представляют собой стратегически важное сырьё будущего. Они обладают уникальным спектром биологически активных свойств и совершенно безвредны для окружающей среды.
Впервые термины «гумусовые вещества» (от лат. humus — «земля») ввёл в обиход в 1786 году немецкий учёный Франц Ашер, выделивший компоненты из торфа. Двадцать лет спустя, в 1806 году, Йёнс Якоб Берцелиус впервые выделил водорастворимые фракции гуминовых соединений из родниковой воды.
Эти соединения образуются при разложении растительных и животных остатков в почве и воде: после гибели органики под действием микроорганизмов и абиотических факторов клетки растений трансформируются в высокомолекулярные комплексные структуры. Гумусовые вещества — важнейшая макрокомпонента органического матрикса почвенных и водных экосистем, а также твёрдых горючих ископаемых.
Пример экологической катастрофы
В мае 2020 года на резервуаре № 5 ТЭЦ-3 Норильско-Таймырской энергетической компании (дочернее предприятие «Норникеля») произошёл разрыв ёмкости, и в окружающую среду вылилось около 21 000 тонн дизельного топлива. Причиной стала осадка свайного фундамента из-за оттаивания вечномерзлых грунтов, что привело к нарушению герметичности резервуара. Топливо попало в реки Амбарная и Далдыкан и озеро Пясино, угрожая экосистемам Северного Ледовитого океана и став одним из крупнейших нефтяных разливов в Арктике за историю наблюдений.
Познание сложных систем
Все природные вещества делятся на неорганические и органические, последние возникают в рамках естественных «биореакторов» планеты. В составе гумусовых соединений основные элементы (C, H, O, N) варьируются умеренно: по мере продвижения от воды к почве, торфу и углю содержание кислорода снижается, а доля ароматического углерода возрастает.
Независимо от источника, все гумусовые вещества объединяет единый принцип строения: ароматический каркас, окружённый разнообразными функциональными группами — спиртовыми, карбоксильными, аминными и др.
Гумусовые вещества способны комплексировать тяжёлые металлы и органические загрязнители, выступая природными «буферами», смягчающими действие экотоксикантов. Кроме того, они проявляют выраженные поверхностно-активные свойства, что облегчает диспергирование гидрофобных соединений, например нефтепродуктов.
Без гумусовых систем почва утратила бы способность поддерживать жизнь: именно они создают наноструктуру агрегации, обеспечивая водо- и воздухопроницаемость. Совокупность гумусовых и фульвокислот образует так называемые «гуминовые кислоты» — сложную смесь нерегулярных макромолекул, неподдающуюся классическим функциям термодинамики.
Классификация по растворимости
- Гумин — фракция, нерастворимая при любом значении pH.
- Гуминовые кислоты — растворимы при pH выше 2.
- Фульвокислоты — растворяются в любом диапазоне pH.
Идею супрамолекулярной химии в 1987 году сформулировал Жан-Мари Лен, доказавший важность изучения сложных систем. Несмотря на множество определений, чёткого химического описания гумусовых веществ до сих пор не существует — они характеризуются лишь операционально.
Инструменты исследования
Гумусовые вещества обычно извлекают щелочью из почвы, торфа или угля. В результатах выделения присутствует огромное число низкомолекулярных соединений, умеренное количество олигомеров и незначительная доля макромолекулярных остатков биопредшественников.
Основной метод анализа — масс-спектрометрия сверхвысокого разрешения. Один образец может содержать сотни тысяч уникальных формул, а реальное «химическое пространство» достигает десятков миллионов изомеров в каждой капле гумусового экстракта.
Гумусовые вещества делают почву пригодной для жизни: они создают агрегацию частиц, улучшают водо- и воздухопроницаемость, связывают токсичные металлы, переводя их в неактивные комплексы, и доставляют растению необходимые питательные элементы.
Арктика
Исследования проб грунта и воды вдоль Северного морского пути выявляют переход от окисленных ароматических к восстановленным алифатическим формам гумусовых веществ с запада на восток. Вечная мерзлота в восточных районах содержит не полностью разложенные соединения, которые при оттаивании быстро разлагаются, высвобождая метан и CO₂.
Климатические молекулярные исследования требуют синхронизации данных от фотосинтеза до макро-процессов углеродного цикла. Руководимый И. П. Семилёвым мегагрантовый проект Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН изучает эти связи совместно с несколькими научными коллективами страны.
Рекультивация почв
Регулярное применение гумусовых веществ улучшает структуру грунтов, повышает их буферные и ионообменные свойства и стимулирует микробное сообщество. В рекультивации загрязнённых почв и вод гумус служит природным сорбентом, связывая пестициды, тяжёлые металлы и ПАУ, снижая токсичность среды.
Совместно с глиной (частицы <2 мкм) гумусовые вещества формируют органо-минеральные комплексы, стабилизируя почвенные агрегации как эмульсии Пикеринга: твёрдые частицы на границе «вода – воздух» предотвращают разрушение структуры под воздействием влаги.
При разливах нефти природные процессы схожи: волна дробит масляную плёнку, капли покрываются глиняными частицами, образуя Pickering-эмульсию, после чего они осаждаются на дно и утилизируются микроорганизмами — эхоадаптивная химия в действии.
Технология in situ-промывки загрязнённых дизелем грунтов (2020 г., 20 000 т) основана на Pickering-эмульсиях из гумусовых агентов, бентонита и безопасного эмульгатора: наносим промывочный состав на берег, выдерживаем контакт и смываем, эффективно удаляя плёнку топлива.
Перспективы
Медицинские разработки включают бионанометериалы на основе серебряных наночастиц и гумусовых веществ с ранозаживляющими и антибактериальными свойствами. Без использования восстановителей ионное серебро самоорганизуется в наночастицы в среде гумуса, восстанавливая антибиотикочувствительность патогенных штаммов.
Области применения
- Сельское хозяйство: стимуляторы роста растений (гуматы калия, натрия, фульвокислоты).
- Животноводство: биостимуляторы для птицы, свиней, КРС.
- Металлургия: составы для точного литья.
- Нефтяная индустрия: буровые растворы.
- Медицина: регенерация тканей, укрепление кожи и костей, сокращение реабилитационного периода, противоопухолевая активность.
Выводы
Невозможно охватить все наработки и перспективы использования гумусовых веществ в одной публикации: их спектр применения охватывает экологию, медицину, сельское хозяйство и промышленность. Российские учёные продолжают лидировать в этой области, ведь гумусовые соединения действительно могут стать сырьём будущего благодаря своей биосовместимости и экологической безопасности.
Литература
- Попов А. И. Гумусовые вещества: свойства, строение, образование. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2004. 248 с. ISBN 5-288-03516-4.
- Варшал Г. М., Велюханова Т. К., Кощеева И. Я. Геохимическая роль гумусовых кислот в миграции элементов. В сб.: «Гумусовые вещества в биосфере». М.: Наука, 1993.
- Лунин В. В., Тундо П., Локтева Е. С. Зеленая химия в России. М.: Моск. ун-т, 2004.
