Гуминовые вещества

Гуми́новые вещества́ – это совокупность биотермодинамически устойчивых соединений, образующихся в процессе разложения и трансформации растительных и животных остатков, не имеющих аналогов в живых организмах и отличающихся темной окраской, полидисперсностью, высокими молекулярными массами (Zimmermann W., 1989). Гумификация – процесс превращения органических остатков в гуминовые вещества – одно из величайших изобретений природы (Орлов Д.С. 1993, 1997; Kastner M. et al., 1999; Filip Z., Berthelin J., 2001) . В отсутствие такого механизма можно было бы ожидать осуществления двух прямо противоположных процессов: полную минерализацию органических остатков до оксидов, нарушающую непрерывность существования жизни на Земле, или абсолютную сохранность органических веществ, что привело бы к полному покрытию ими поверхности планеты. В реальности часть органических остатков минерализуется, а часть трансформиру-ется в термодинамически устойчивые гуминовые вещества (Орлов Д.С., 1999; Kastner M., Mahro B., 1996).

Гуминовые вещества представляют собой макрокомпоненту органических веществ почвенных (Кононова М.М., 1963; Александрова Л.Н., 1980; Орлов Д.С., 1985, 1997; Перминова И.А., 2000; Beck A.J. et al., 1993; Clapp C.E. et al., 1996; Myneni S.C. et al., 1999; McDowell R.W., Sharpley A.N., 2001) и водных (Варшал Г.М. с соавт., 1990; Hessen D.O., Travnik L.J., 1998; Peng A. et al., 1999) экосистем, твердых горючих ископаемых (Драгунов С.С., 1962; Лиштван И.И. с соавт., 1990; Schacht S. et al., 1999; Swift R.S., Spark K.M., 2001), пелоидов (Бахман В.И. с соавт., 1965; Черепанова М.Н., 1976, 1981; Пунтус, 1976; Шустов Л.П., 1999; Агапов А.И., 1999; Hayes M.H.B., Wilson W.R., 1997). Их содержание в почвах и водах составляет 60-80 % от общего органического вещества (Перминова И.В., 2000), в торфах и углях оно колеблется от 20 до 90 % (Thurman Е.М., 1985), в пелоидах –45-90% (Степанова Е.А., 1996).

До настоящего времени не существует единого мнения о природе гуминовых веществ. Ряд исследователей рассматривают их как продукт превращения лигнина (Trigo C., Ball A.S., 1994), что не подтверждается балансовыми опытами. Другие авторы (Комиссаров И.Д., 1982; Wunderwald U. et al., 2000) считают гуминовые вещества результатом синтеза из фенолов и дубильных веществ. Некоторые исследователи основную роль отводят углеводному компоненту (Бамбалов Н.Н., Комаренко В.В., 1973). Однако углеводы не принимают прямого участия в синтезе гумусовых кислот, а являются лишь материалом для микробиологического «передела» (Орлов Д.С.,1990; Sola N.Z., Cbrera Z.Z., 1993).

Поскольку гуминовые вещества биотермодинамически более устойчивы, чем попадающие в почву органические соединения и растительные остатки, то гумусообразование можно рассматривать как процесс, в ходе которого относительно непрочные лабильные вещества растительных и животных остатков и продукты их трансформации быстро минерализуются, разлагаются и усваиваются микроорганизмами, существуя в биообъектах лишь короткий промежуток времени, а цепь превращений всей совокупности органических компонентов задерживается на звене, которое представлено наиболее термодинамически устойчивыми соединениями (De Bertoldi M. et. al., 1996; Frimmel F.H. et al., 2002). Этот общий принцип определяет только одну сторону явления -направленность процесса гумификации. Биотермодинамически процесс гумификации всегда имеет принципиальное направление - отбор устойчивых продуктов - независимо от факторов и объектов образования. Поэтому гумификация – явление глобальное, а гуминовые вещества всех биосистем имеют общий принцип строения (Орлов Д.С., 1980, 1997; Steinbrenner K., Matschke J., 1971).

Отечественные (Кононова М.М., 1963) и зарубежные (Holker U. et al., 1999; Steffenk T. et. al., 2002) ученые высказали идеи влияния биологической деятельности микрофлоры на глубину гумификации. Исходя из этих позиций Д.С. Орлов и О.Н. Бирюкова (1998) предложили способ расчета продолжительности периода биологической активности почв, а затем использовали этот показатель для объяснения причин и механизмов образования гумуса различного качественного состава. Следует отметить, что пелоиды имеют более высокие значения данного показателя за счет меньших температурных колебаний и максимальной увлажненности. Кроме того, слабощелочные значения рН растворов грязевых озер способствуют повышенной активности микрофлоры. Известно, что в кислой среде общая численность микрофлоры и ее активность понижена, а при низкой насыщенности почв микроорганизмами и их слабой биологической активности формируется фульватный гумус (Орлов Д.С., 1985).

Связь между глубиной гумификации и продолжительностью периода биологической активности характеризуется коэффициентом корреляции +0,93 (Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., 1998). Данный факт имеет принципиальное значение и прямо указывает на то, что в процессе гумификации биологический фактор играет ведущую роль. Этот принцип лежит в основе кинетической теории, согласно которой гумификация заключается в формировании и накоплении биотермодинамически устойчивых структур органических соединений и протекает с участием любых возможных химических и биохимических реакций и не обусловлен какими-либо условиями, кроме отбора устойчивых соединений, случайно возникающих в результате многочисленных трансформаций; конечный результат процесса обусловлен только кинетикой постмортальных превращений органических остатков (Орлов Д.С., Розанова О.Н., Матюхина С.Г., 1988).

Процесс гумификации носит глобальный характер, всеобщими являются и биосферные функции гуминовых веществ (Орлов Д.С., 1997; Stepanauskas R. et al., 1999). К их числу относятся структурирование почвы (Овчаренко М.М., 2000), накопление питательных элементов и микроэлементов в доступной для растений форме (Tate K. R. еt al., 1990), регулирование геохимических потоков металлов в водных и почвенных экосистемах (Варшал Г.М., 1999; Bertsch P.M., Seaman J.C., 1999).

История изучения гуминовых веществ насчитывает уже более двухсот лет. Впервые эти вещества были выделены из торфа и описаны немецким химиком Ахардом в 1786 году (Ahard F., 1786). В исследование химических свойств гуминовых веществ наиболее весомый вклад был внесен в середине XIX столетия шведским химиком Я. Берцелиусом и его учениками. В двадцатом веке значительные результаты были получены при исследовании гуминовых веществ российскими и советскими учеными. Всемирно известными стали имена Кононовой М.А., Христевой Л.А., Александровой Л.Н., Кухаренко Т.А., Орлова Д.С. В нашей стране исследование гуминовых веществ осуществлялось преимущественно в рамках почвоведения и химии горючих ископаемых. К числу немногих исключений относятся работы Г.М. Варшал (1993, 1999), изучающего гумусовые кислоты водных экосистем; Л.П. Шустова (1996, 1999), А.И. Агапова (1999), посвященных гуминовым веществам пелоидов. В последние годы ХХ-го столетия интерес химиков к данному объекту резко упал. Основной причиной этого явился тот факт, что был достоверно установлен стохастический характер гуминовых веществ сложность строения которых хорошо иллюстрирует модель структурного фрагмента гумусовых кислот почв, опубликованная в 1970 году Кляйнхемпелем (Kleinhempel D., 1970).

Широко распространено представление о структуре гуминовых кислот торфа по С.С. Драгунову (1962), представленное на рис.3. Гипотетическая структура гуминовых кислот по F.Stevenson (1982), изображенная на рис.4, включает свободные и связанные фенольные гидроксогруппы, хиноидные структуры, бензольные кольца,связанные мостиками через азот и кислород, различным образом прикрепленные к ароматическим кольцам, карбок сильные группы.

Однако, она обладает избытком кислородных заместителей и не содержит достаточного количества сопряженных двойных связей. Simpson A.J. et al., (2002) предложили различные формулы гуминовых кислот, состоящие из ароматических колец, связанных длинными цепочками алифатических структур так, что образуется гибкая сеть, содержащая пустоты, в которые могут захватываться и связываться другие органические молекулы. Карбоксильные и гидроксогруппы расположены как на ароматических кольцах, так и на алифатических концевых цепочках.

Так как препаративно мономолекулярные фракции гуминовых веществ получить пока не удалось, то методы и приемы, которые обычно используют для создания формул природных высокомолекулярных биоорганических молекул, в данном случае оказались неприемлемыми. Это привело к тому, что некоторые авторы (Кухаренко Т.А., 1993) высказали мнение о нецелесообразности создания формул гуминовых веществ, поскольку они не могут быть конкретными. Тем не менее, специфические органические вещества, выделенные из различных источников, обладают сравнительно близкими свойствами (Dergachova M. еt al, 1998) и на основе имеющихся экспериментальных данных можно составить некоторые представления относительно типов составляющих единиц, характера связей между ними, возможного их расположения (Кречетова Е.В., 1994).

Предложено большое количество вероятностных схем строения гуминовых вещест, но как правило, они относятся к преобладающей группе гуминовых кислот. По имеющимся представлениям, все гуминовые кислоты состоят из ароматического ядра и периферической части, сложенной алифатическими цепями. По данным 13С ЯМР-спектроскопии, гумусовые кислоты из различных источников сильно различаются по соотношению этих частей (Norwood D.L., 1988). Исходя из этого, в последнее десятилетие отдается предпочтение не формулам, а блок-схемам, отражающим реально только состав и свойства гуминовых веществ, а не точное расположение атомов и атомных групп (Орлов Д.С., 1993; Мистерски В. с соавт., 1998).

Вероятностная схема строения структурной ячейки гуминовых кислот по Д.С.Орлову (1993) имеет минимальную массу 1500 единиц при 4 атомах азота, один из которых входит в гидролизуемую, второй - в негидролизуемую часть, а остальные - в гетероциклы. Гидролизуемая часть составляет 45% массы препарата и включает 6% аминокислот, до 25% углеводов. При окислении перманганатом калия в щелочной среде из фрагмента можно получить в среднем 2 молекулы бензолполикарбоновых кислот. Шестичленные кольца представлены в основном трех- и четырехзамещенными структурами и соединены мостиками с двойными связями. Построенная из таких фрагментов молекула должна иметь вытянутую форму и обладать определенной гибкостью.

Для описания конформаций гуминовых кислот Логиновым Л.Ф. (1992) предложена модель спирально свернутой макромолекулы с расстоянием между слоями, равным удвоенному Ван-дер-Ваальсовскому радиусу атома углерода. Конформационная модель макромолекул гуминовых кислот позволяет осуществить теоретическое описание процесса титрования карбоксильных групп с учетом свободной электростатической энергии ионизации. Две валентные формы углерода обусловливают различие в энергиях их связей, что определеяет неодинаковый характер поведения при термических, окислительных, гидролитических и других взаимодействиях в технологических и природных процессах на молекулярные структуры гуминовых кислот. Размеры ядер и алифатических цепей, их химический состав и количественные соотношения подвержены значительным статистическим флуктуациям. Это обуславливает аморфное строение гуминовых веществ, которое имеет лишь локальные области упорядоченности, выявляемые при рентгеноструктурных исследованиях (Логинов Л.Ф., 1992). Наиболее вероятные формы полициклических ядер соот-ветствуют размерам 4-6 конденсированных бензольных колец, которые соединяются друг с другом звеньями из 3-5 сопряженных углерод-углеродных связей. Макромолекулы гуминовых кислот изменяют конформационные формы в растворах в связи со стремлением к сокращению свободной энергии.

В развитии современных взглядов на конформацию гуминовых вещест большую роль сыграли представления о конформации белков. Первичные-четвертичные структуры последних некоторые авторы пытаются соотнести со структурой гуминовых кислот (Davies G. et al., 1998). Это вряд ли верно, поскольку процессы образования и строение этих двух полиэлектролитов принципиально различны. Предпочтительной в настоящее время является модель так называемого стохастического клубка (Swift R.S., 1989). Считается, что такая конформация характерна для молекул, имеющих неупорядоченность в структуре, не обладающих большим числом внутримолекулярных связей и не способных принимать жесткие, сжатые формы, приближающиеся к эллипсоиду или сфере. Для стохастического клубка характерно непостоянство формы, он все время изгибается и закручивается, в определенных условиях принимая то приближающуюся к сферической, то более вытянутую конформацию. Последняя зависит от многих факторов, среди которых важнейшими являются рН, ионная сила, тип противоиона, концентрация гуминовых веществ. С увеличением рН молекулы стремятся принять вытянутую конформацию, так как возрастает степень ионизации кислых групп гуминовых веществ и их взаимное отталкивание. Молекула, однако, не может быть полностью вытянута, поскольку ее отрицательные заряды компенсируются равным количеством противоионов. Чем выше ионная сила раствора, тем больше противоионов находится в непосредст-венной близости от заряженных групп; последние могут располагаться на меньшем расстоянии друг от друга - и молекула сжимается. Большое значение имеет тип противоионов. Если они представлены легкодиссоциирующими катионами (Li+, Na+, K+), то молекула все еще может быть сильно вытянута. Если присутствуют двухвалентные ионы или водород, то макромолекула будет вытянута в меньшей степени. В случае ионов водорода дополнительное значение имеет образование внутри- и межмолекулярных водородных связей.

Гуминовые вещества рассматриваются как динамичные макромолекулярные системы, способные к внутреннему перераспределению электронной плотности при энергетическом взаимодействии на них широкой области спектра. Перераспределение электронной плотности осуществляется по макромолекулярной системе сопряженных связей. Это определяет фундаментальную природу гуминовых веществ и дополняется взаимодействием многообразных периферических полифункциональных цепей и переменного состава радикалов при ядрах, придающим этим соединениям свойства полиэлектролитов.

В результате различных взаимодействий между функциональными группами за счет сил Ван-дер-Ваальса, водородных связей и электростатических сил, конформация молекул гумусовых кислот может сильно меняться, что влияет на реакционную их способность. Если до настоящего времени нет однозначного решения вопроса о молеклярной структуре гуминовых веществ, тем более сложно определить их конфигурацию. Гуминовые вещества содержат в своем составе большой набор полярных функциональных групп, за счет диссоциации которых в растворе молекулы несут значительный рН-зависимый отрицательный заряд, то есть относятся к полиэлектролитам.

В последнее десятилетие, как в нашей стране, так и за рубежом, значительно снизились темпы исследования, даже традиционно изучавшихся, гумусовых кислот почв. Вместе с тем появилось множество мелких организаций по производству гуминовых препаратов не имеющих должного теоретического обоснования. Из сказанного следует, что задача исследования гумусовых кислот в настоящее время особенно актуальна. Так, способы выделения узких фракций специфических органических веществ, их физико-химическая характристика и исследования биологической активности, по мнению Д.С.Орлова (1999), относятся к важнейшим проблемам биогеохимии XXI века.

Применение

Гуминовые вещества имеют широкое применение во многих отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.

В растениеводстве их используют в качестве стимуляторов роста растений (гуматы калия, гуматы натрия, фульвокислоты).

В животноводстве их используют в качестве стимуляторов роста животных (птиц, свиней, КРС).

В металлургии используются для изготовления составов для точного литья.

В нефтедобывающей промышленности в качестве буровых растворов.

Гуминовые вещества - биологически активные соединения, поэтому при обработке они становятся источниками новых разнообразных биологически активных веществ. Самый известный пример - широко применяемый в клинической практике сорбент «медицинский лигнин» или полифепан.

Опытами доказано увеличение эффективности окислительного фосфорилирования под влиянием фульво- и гуминовых кислот на митохондрии печени крысы. У лабораторных животных, которым в течение 24 дней скармливали гуминовые кислоты, снижался холестерин в крови, липиды, глюкоза, увеличивалось содержание глобулинов, гемоглобина и количество эритроцитов. Установлен ингибирующий (тормозящий) эффект гуминовых кислот на протеолитические ферменты, обусловливающие повреждения стенок сосудов и кожи. Гуминовые и фульвокислоты сокращают протромбиновое время плазмы человека. Отмечается способность гуминовых кислот стимулировать некоторые функции нейтрофилов человека.

Гуминовые кислоты используются в составе средств, повышающих сопротивляемость организма к действию различных неблагоприятных факторов. Например, в Польше выпускается природный иммуномодулятор, включающий гуминовые кислоты, обладающий интерфероногенным эффектом и являющийся индуктором некроза опухолей. Биостимулирующий эффект гуминовых кислот существенно ускоряет заживление ран и уменьшает количество спаек.

Препараты из гуминовых кислот имеют высокую антибактериальную активность. Установлено, что полифенольные композиции на основе гуминовых веществ обладают антимутагенным и противовирусным действием. Недавно появился международный патент на лечение СПИДа с помощью гуминовых кислот.

Гуматы рекомендованы также для лечения метаболических нарушений в пищеварительной системе. При этом отмечается отсутствие побочных эффектов и полное выведение препарата из организма, что особенно ценно в педиатрической клинике.

Существует обширная литература о лечении отравлений тяжелыми металлами и об антитоксической функции гуматов.