Гуминовые вещества ― творение энтропии в природе. Интервью с профессором МГУ Ириной Перминовой

Ирина Васильевна Перминова. Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»

В природе переход от неодушевленных веществ к живым существам совершается столь нечувствительно, что нельзя провести границы между двумя этими группами.
Аристотель

Изучение гуминовых веществ называют наукой на стыке живого и неживого. Гуминовые системы образуются в результате случайного синтеза при распаде живых систем, осуществляя переход от живой материи к неживой. Гумификация ― второй по масштабности процесс превращения органического вещества на нашей планете после фотосинтеза. О том, что такое гуминовые вещества, как их можно использовать и при чем здесь энтропия, корреспонденту «Научной России» рассказала доктор химических наук Ирина Васильевна Перминова.

Справка. Ирина Васильевна Перминова доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией природных гуминовых систем кафедры медицинской химии и тонкого органического синтеза химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, президент Международного общества гуминовых веществ (IHSS), ассоциированный член Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) по секции VI «Химия и окружающая среда», член Научного совета РАН по глобальным экологическим проблемам.

― В своих выступлениях вы часто говорите, что у гуминовых веществ нет точного химического определения. А что оно должно в себя включать?

― Дело в том, что у гуминовых веществ нет индивидуальной химической формулы, а для нас, химиков, это ведь самое главное. Но недавно в этой области произошел долгожданный прорыв: ученые установили химический механизм образования в окружающей среде систем с очень долгим временем жизни, таких как гуминовые вещества, и теперь мы можем отнести их к классу биогеохимических макромолекул. Речь идет об исследовании моего хорошего друга Норберта Херткорна из Центра им. Гельмгольца (Мюнхен, Германия). Этой весной он вместе с коллегами опубликовал в журнале Nature статью, вызвавшую большой резонанс.

Ученые открыли механизм возникновения сложности гуминовых систем ― той экстраординарной сложности, которая принципиально отличает их от живых систем.

Живые организмы состоят из молекул, организованных в строгом соответствии с генетическим кодом, благодаря которому реализуется идеальный «химический порядок». Такие организмы функционируют как биологические машины, и любое отклонение, выпадение из строя «карается по закону», то есть ведет к разрушению системы.

Гуминовые вещества, напротив, образуются в результате нарушения «химического порядка» в процессе естественного разрушения биологических машин и представляют собой накачанные энтропией системы разупорядоченного углерода с очень высокой степенью химического разнообразия.

Норберт Херткорн вместе с коллегами предложил новый удивительный подход к пониманию эволюции органического углерода в глубинах океана. Согласно этому пониманию, создание субструктур природного органического вещества происходит по механизму окислительной деароматизации (oxidative dearomatization, ODA), широко используемому в органической химии для синтеза каркасов природоподобных структур. Этот механизм преобразует разнообразные полифенольные соединения лигниной и танниной природы в большие алициклы, отличительная особенность которых ― наличие атома углерода, связанного с одним атомом кислорода и тремя атомами углерода (единица OCqC3).

Окислительная деароматизация ― ключевой механизм создания новых кислородсодержащих алициклических молекул и основной драйвер химического разнообразия гуминовых систем.

Молекулярная эволюция гуминовых систем. Иллюстрация: Harir et. al. 2024, Nature, 628, 776

Молекулярная эволюция гуминовых систем. Иллюстрация: Harir et. al. 2024, Nature, 628, 776

― Вы сказали, что гуминовые вещества образуются в процессе разложения органики. Значит, их можно получить из торфа или, например, угля?

― Да. Торф и уголь ― это сырье, а гуминовые вещества ― это химические соединения, входящие в их состав. Мы относим гуминовые системы к классу химических соединений, которые можно охарактеризовать на молекулярном уровне. Торф действительно содержит гуминовые системы, но не только их.

― Гумус тоже состоит из гуминовых веществ?

― Да. Но гумус — это, конечно, нечто гораздо большее, чем гуминовые вещества, потому что гумус ― это практически все органическое вещество, все то, что некогда было живым и затем перешло в состав почвы, за исключением остатков корней, стеблей, листьев и т.п.

― А где помимо почвы встречаются гуминовые вещества?

― Везде. В природе существует единый механизм образования органической материи ― фотосинтез: первичная органическая материя создается за счет энергии Солнца благодаря фотосинтезирующим организмам ― растениям. А гуминовые вещества ― это продукт гумификации, то есть распада всего синтезированного органического вещества. Конечным продуктом гумификации выступают гуминовые вещества, представляющие собой сложные разупорядоченные системы. Вместе гумификация и фотосинтез составляют планетарный метаболизм, а гуминовые системы ― это планетарный метаболит живого вещества, если хотите.

― Превращающий живое в неживое?

― Несущий в себе код живого в неживое. Причем это неживое обладает колоссальным количеством функций, и самая главная из них ― сделать нашу планету пригодной для жизни живого. С помощью гуминовых веществ живое трансформирует косный мир, делая нашу планету пригодной для жизни.

Ирина Васильевна Перминова в практикуме химического факультета МГУ. Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»

Ирина Васильевна Перминова в практикуме химического факультета МГУ. Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»

― У гуминовых веществ очень широкий спектр применения: от косметологии, медицины и сельского хозяйства до решения серьезных экологических проблем. Добывают ли где-либо гуминовые вещества в промышленном масштабе? Насколько это целесообразно?

― Я считаю, что мы живем в удивительное время, ведь именно сейчас гуминовые вещества становятся востребованными как никогда. Понимание фундаментальных процессов естественной и искусственной гумификации сегодня очень интересует ученых и специалистов, связанных с промышленностью, хотя раньше исследования в этой области, как правило, не выходили за рамки вопросов получения и использования сырья. Но сейчас назрела совершенно другая проблема: глобальная, экологическая. Перед специалистами во всем мире стоит задача сохранить природные экосистемы с их богатым биологическим разнообразием. В мире действуют общественные движения, цель которых ― привлечь внимание к проблеме сохранения ископаемого углерода.

В наши дни теория гумификации переживает ренессанс, мы видим очень большое количество научных работ по искусственной гумификации.

Это вполне закономерно, потому что мы сталкиваемся с большим количеством органических отходов по всей планете, а гуминовые вещества могут сыграть важнейшую роль в борьбе с ними. Мы слышим отовсюду разговоры об экономике замкнутого цикла. Самое главное в такой циркулярной экономике ― полная ликвидация отходов или устранение их на самой начальной стадии.

― Но синтезировать гуминовые вещества пока никто в мире не умеет?

― Единственная страна, где работает целый завод по синтезу таких искусственных веществ, ― Россия. Этот завод, выпускающий препарат «Лигногумат», находится в Ленинградской области, и мы активно сотрудничаем с нашими питерскими коллегами из ООО «НПО «РЭТ». Компания получает органические удобрения с помощью искусственной гумификации, используя в качестве сырья отходы целлюлозно-бумажного производства (лигносульфанат). Лигногумат хорошо зарекомендовал себя для комплексной обработки растений и весьма востребован на рынке.

Несколько лет назад в одном из ведущих научных журналов, Advanced Science, вышла статья известного ученого Маркуса Антониетти, возглавляющего Институт коллоидов и межфазных поверхностей Общества Макса Планка в Потсдаме. Он писал, что за искусственными гуминовыми веществами будущее, ведь они дают возможность сохранить климат на нашей планете.

Гуминовые вещества положительно влияют на химические и биологические показатели почв.Фото: rawpixel / 123RF

Гуминовые вещества положительно влияют на химические и биологические показатели почв.
Фото: rawpixel / 123RF

― Каким образом?

― Гуминовые вещества позволяют из отходов получить соединения, живущие в окружающей среде на протяжении длительного времени, а это и есть основное требование для всех технологий декарбонизации. В последние годы в вопросах утилизации отходов большие надежды возлагались на древесный уголь (биоуголь, biochar), который должен был заменить гумус, но оказалось, что биоуголь нестабилен и очень быстро трансформируется почвенными микроорганизмами, превращаясь, опять же, в тот самый гумус. Сейчас в Chemical Reviews выходит очень большое количество научных работ, посвященных изучению процессов искусственной гумификации для создания новых технологий, в том числе по утилизации органических отходов разного происхождения. Я могу согласиться с моими коллегами в том, что за гуминовыми веществами будущее.

― То есть гуминовые вещества помогут очистить планету от отходов?

― Они и так делают это на протяжении всей истории углеродной жизни на Земле, это их природная функция. Я считаю, что если мы научимся связывать углерод в гуминовые вещества и применять его по назначению, то это станет оптимальным природоподобным инструментом декарбонизации: вы выводите углерод из атмосферы и возвращаете его в почву ― самый большой резервуар углерода на планете. Именно в таком виде углерод сможет принести максимальную пользу и позволит восстановить деградированные почвы, вернуть им плодородие.

― Проводятся ли на химическом факультете МГУ подобные исследования?

― Да, и, на мой взгляд, это одно из самых интересных научных направлений. Мы назвали его «экоадаптивная химия и технологии». Это изучение механизмов самоорганизации и самоочищения в природе для воспроизведения в материалах, процессах и технологиях. Конечно, здесь мы идем рука об руку с зеленой химией, на знаменах которой ― минимизация воздействия на окружающую среду. Однако у зеленой химии нет императива «учимся у природы»; ее императив ― не вредить природе. Я считаю, что будущее развития химии ― учиться у природы! Мы должны думать о сложных веществах и процессах, не искать легких путей. Мне бы хотелось, чтобы мои студенты черпали химическое вдохновение в окружающем их сложном и разнообразном мире.

Мы, химики, очень хорошо знаем мир в колбе: от молекул до атомов, ядер и электронов. Это прекрасно. А вот о том, как устроен этот мир на бо́льших масштабах, мы осведомлены не так хорошо.

Именно поэтому в 2022 г. у нас на химическом факультете МГУ была открыта новая специализация под названием «экологическая химия и экоадаптивные технологии», благодаря которой химики учатся смотреть на окружающий мир совершенно по-новому.

― К слову о смене подхода. В начале нашего разговора вы сказали о том, что благодаря новому исследованию Норберта Херткорна произошла смена парадигмы в понимании того, что такое гуминовые вещества. К чему, на ваш взгляд, это может привести?

― Это очень глобальный вопрос. Нам еще предстоит осознать все произошедшие изменения. В ближайшее время мы будем обсуждать их в рамках рабочей группы по проекту Международного союза теоретической и прикладной химии, посвященному разработке химического определения гуминовых веществ. Я руковожу этой рабочей группой, в которую также входят Норберт Херткорн и другие мои коллеги. Кроме того, в августе этого года пройдет научная конференция Международного гуминового общества. Эта встреча как раз будет посвящена выработке химического определения гуминовых веществ, и, я думаю, она станет знаковым событием для нас.

Химия начинается с молекул. Ранее мы не могли «подержать в руках» ни одну молекулу гуминового вещества, а теперь у нас есть ряд молекул и объяснение механизмов их образования. Мы можем классифицировать их, описывать на разных уровнях. Для нас это настоящий прорыв и новая веха в истории изучения гуминовых веществ.

Сбывается пророчество Жан-Мари Лена ― лауреата Нобелевской премии по химии 1987 г. за открытие супрамолекулярной химии ― о том, что XXI в. будет веком химии сложного вещества.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ


Источник