«Нам пришлось снять шляпу перед нашей субстанцией»

«Нам пришлось снять шляпу перед нашей субстанцией»

Гуминовые вещества — это все виды химии сразу

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?

Ирина Перминова

Фото: Юлия Чернова, пресс-служба химфака МГУ

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 Перминова, доктор химических наук, профессор, заведующая лабораторией природных гуминовых систем кафедры медицинской химии и тонкого органического синтеза химического факультета МГУ.

Век сложного вещества

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.

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 (IUPAC). 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?»

Это вопрос, как произошло сложное вещество. Он считает, и я с ним полностью согласна, что XXI век — это век сложного вещества, сложных систем. Это звездный час для моей науки, потому что гуминовыми веществами я начала заниматься еще в 1982 году. И вот уже 40 лет пытаюсь ответить на вопрос, что такое гуминовые системы. 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.

Знаем, что ничего не знаем

Что мы знаем о гуминовом веществе? 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. Но 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-прекурсоров.

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 107 количества изомеров — это размер химического пространства, которое содержится в капле любой гуминовой субстанции, которую мы извлекаем из почвы, воды, угля. Сколько получится?

Защитить живое

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 живого — защитить самое себя.

Оно 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 ему условия выживания.

По-английски это 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 гидрофобность почвенным комочкам, за счет чего создается водостойкая структура почвы, которая не рассыпается при соприкосновении с водой.

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 гуминовые вещества. Это системный метаболит. Они чутко реагируют на глобальное потепление климата, например. На поведение человека, на все, что происходит в природе.

Молекулярная кухня

Мы занимаемся изучением молекулярной организации, изучаем функции, каким образом гуминовые вещества в природе становятся маркерами самых разных процессов. Самое главное на сегодняшний момент — это Арктика, потому что это 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.

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, углекислого газа.

У нас очень мало способов, инструментария на молекулярном уровне смотреть климатические процессы. Здесь же, по сути, прямо перед нашими глазами вся молекулярная кухня. Я пять лет работала в институте глобального климата и экологии и знаю, насколько сложно делать 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 Семилетов. Это мегагрант, который получен Тихоокеанским океанологическим институтом Дальневосточного отделения РАН. Мы там обеспечиваем молекулярную химию, они делают все остальное.

Природный буфер

А еще 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.

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 0,2 микрона. И вместе с гуминовыми веществами она создает уникальные образования.

Такого же рода конструкция реализуется, когда океан чистит себя от нефтяных углеводородов. Когда они выбрасываются на берег, там лежит пленка. Дальше идет прибойная волна, все эмульгируется, разбивается. После этого капли обволакиваются глинистыми частицами, модифицированными органикой. Получается так называемая 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 опускаться на дно. Вся эта глинистая компонента прекрасно заселяется микроорганизмами, выедается нефтяная капля. Так работает природа.

Генеральная уборка

А наше основное направление — это адаптивная химия. Мы хотим создать материалы и технологии, которые основаны на природных процессах. Это не «зеленая» химия, которая 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 — экология, медицина и сельское хозяйство.

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

Наша технология — реакция на норильскую катастрофу 2020 года, когда разлилось 20 тыс. тонн дизельного топлива. Я была членом межведомственной комиссии по этой аварии и наблюдала воочию происхоящее. Мы предложили технологию поверхностной промывки, каким образом можно убрать пленку дизельного топлива на берегу реки без высвобождения топлива в свободном виде.

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. Мы предложили, по сути, средство для «генеральной уборки», чтобы ничего не пахло, все блестело.

Заключение государственной экологической экспертизы получено в прошлом году, оно открывает возможность для использования технологии. Провели внедренческие испытания технологии. Теперь любая организация при необходимости сможет нашей разработкой воспользоваться.

Долой антибиотикорезистентность

Среди самых важных наших планов — 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, где мы разрабатываем композиции в области химии.

Медики — это Сибирский государственный медицинский университет (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.

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 Марины Зыковой. Они изучают биологическую активность наших веществ, показывают, что они не обладают цитотоксичностью, прооксидантными свойствами, могут быть хорошими фармакологическими субстанциями.

Мы знаем, что один из самых печальных трендов нашего времени — антибиотикорезистентность, и у нас была идея, что может сработать комбинаторность, стохастичность нашей субстанции, для того чтобы ухудшить узнавание бактериями наших антибиотиков.

Получилось, но только в присутствии серебра. Работает именно система, комбинация. Молекулярный механизм нам не до конца понятен. Да, мы видим, что повышается проводимость. Но за счет каких молекулярных механизмов, мы еще не знаем.

Надеемся, что у проекта будет продолжение. В этом году мы должны выходить на его продление, и все свои усилия бросим на преодоление антибиотикоустойчивости с помощью разных комбинаций.