Роль гуминовых кислот в природе. Гуминовая кислота. Свойства, добыча, применение и цена гуминовой кислоты. Из каких веществ состоит гуминовая кислота

Действительно, сегодня мы находимся не в самой лучшей экологической обстановке. Нам не хватает витаминов, минералов, микроэлементов, мы отравлены воздухом больших городов, нас атакуют микробы и аллергены, не говоря уже о вредных привычках. А самое главное, сегодня мы не можем надеяться на наши продукты питания. Особенно это касается овощей и фруктов. Почвы для выращивания сельскохозяйственных культур по всему миру истощены. И только жизненная сила богатых минералами древних почв все еще сохраняется в глубинных слоях земли в виде гуминовых веществ. С приходом новых биотехнологий она стала нам доступна.

Из чего состоят гуминовые кислоты

Гуминовая кислота – это большая, длинная цепь молекул, которая может быть выделена в виде гумата из угля, слоя почвы, растительного сырья. Ее неотъемлемым компонентом является фульвовая кислота, свойства которой иногда рассматривают отдельно.

Комплекс гуминовой и фульвовой кислот – чрезвычайно мощная комбинация для оздоровления организма. Он обладает высокой биодоступностью. Его состав содержит полный спектр минералов, аминокислот и микроэлементов. В их числе природные полисахариды, пептиды, до 20 аминокислот, витамины, минералы, стерины, гормоны, и другие. Всего около 70 полезных компонентов.

Такое насыщенное полиморфное строения обуславливает многообразие положительных биологических эффектов гуминовых кислот.

Факт: обнаружено, что гуминовые кислоты способны менять структуру воды, превращая ее в «талую». Как известно, талая вода обладает целебным воздействием на живые организмы. Вода в тканях человека тоже имеет структуру талой.

Биологические свойства гуминовых кислот

Гуминовые вещества – органические соединения сложной физико-химической структуры, широко распространенные в природе. Гуминовые соединения в окружающей среде выполняют функции естественных детоксикантов и адаптогенов, обладают большим спектром биологического действия, экологически чистые и безопасные в применении. В России гуминовые кислоты и их соли, начиная с 60-х годов ХХ века, с хорошим результатом апробировались на животных, повышая устойчивость организма к условиям среды. Многочисленные исследования последних лет в России и за рубежом позволяют считать гуминовые кислоты ценным лекарственным сырьем.

Некоторые биохимические характеристики гуминовых кислот

Для гуминовых веществ характерны нестереохимичность состава, нерегулярность строения, гетерогенность структурных элементов и полидисперстность. Это молекулярный комплекс, наиболее реакцинно-способной компонентой которого являются гуминовые и фульвовые кислоты, активно участвующие в биохимических процессах. Структурные единицы гуминовых кислот представляют собой ароматические конденсированные системы с боковыми цепями и гетероциклами. Функциональными группами являются карбоксильные, карбонильные, фенольные и спиртовые гидоксиды, хиноидные группировки, метоксилы, амино- и аминдогруппы, моно-, ди-, полисахариды, пептиды, до 20 аминокислот, витамины, минеральные компоненты. Такая полиморфность строения обуславливает разнообразие положительных эффектов гуминовых кислот на организм, поскольку, если одни молекулы вещества не могут участвовать в химических и физиологических процессах, то всегда найдутся другие, подходящие для таких процессов по размерам и свойствам.

Гуминовые кислоты обладают разносторонним связывающим потенциалом. Благодаря карбоксильным, карбонильным и ароматическим фрагментам гуминовые кислоты вступают в ионные, донорно-акцепторные и гидрофобные взаимодействия. Таким образом, они способны связывать различные классы экотоксикантов, образуя комплексы с металлами и соединения с различными классами органических веществ. Тем самым они являются своеобразными посредниками, смягчающими действие токсинов на живые организмы.

Механизмы действия гуминовых кислот

Несмотря на вариабельность функциональных групп, все гуминовые кислоты обладают набором сходных свойств, позволяющих им действовать по общим механизмам:

Активация нуклеинового и белкового обмена;

Усиление и нормализация энергетического обмена клетки;

Влияние на систему синтеза белка за счет редепрессии соответствующих участков генома;

Триггерные эффекты;

Мембранная активность;

Транспорт электронов в электронных транспортных цепях митохондрий;

Активация окислительного фософорилирования;

Ионный обмен;

Комплексообразование;

Сорбционная способность.

Наиболее известными и хорошо доказанными свойствами гуминовых кислот является их сорбционная способность и безопасность применения. Можно с уверенностью сказать, что эти качества являются их визитной карточкой. Тем не менее, исследования показали, что гуминовые кислоты обладают гораздо более широким спектром благоприятного терапевтического действия, на чем мы остановимся ниже.

Биологические эффекты гуминовых кислот

Установлено, что гуминовые кислоты способны эффективно интенсифицировать обменные процессы в живом организме. Как показали опыты in vitro на митохондриях печени крысы, в их присутствии ускоряются окислительно-восстановительные процессы, улучшается газообмен в тканях, увеличивается скорость свободно-радикального окисления. Кислоты низкого молекулярного веса (фульвовая кислота) активно связывают свободные радикалы.

Широкий состав органических кислот гуминовых веществ помогает расщеплять частицы пищи в желудочно-кишечном тракте, дополнительно к действию ферментов, гуминовые кислоты угнетают рост патогенных бактерий в желудочно-кишечном тракте, улучшают переваривание белка и усвоение кальция, микроэлементов, питательных веществ. Они имеют свойство образовывать пленку на слизистой оболочкев желудочно-кишечном тракта, защищающую организм от инфекций и токсинов. При этом, благодаря снижению патологической импульсации с периферических нервных окончаний кишечника, происходит восстановление его нормальной перистальтики и тонуса.

В отличие от общеизвестных адсорбентов (активированный уголь или определенные силикаты и минералы глины), которые лежат на слизистой компактными конгломератами, гуминовые кислоты свободно проскальзывают между ворсинками эпителия кишечника и проникают между клетками эпителия, где защищают эти чувствительные ткани от повреждения вирусами и вероятности некротизации. При этом между возбудителями инфекции, их токсинами и эпителием слизистой образуется плёнка из тончайших частиц гуминовой кислоты, защищающая воспалённую ткань эпителия и комплекс лимфатических желез. Если ворсинки кишечника уже разрушены, гуминовые кислоты проникают в субэпителиальную ткань, и способствуют их восстановлению.

Поскольку адсорбция гуминовыми кислотами включает не только физические, но и химические взаимодействия, образование комплексов и ионообмен, то она протекает более интенсивно и динамично по сравнению с обычными физическими адсорбентами. Как следствие, гуминовые кислоты способны в значительной мере снижать частоту диареи и других расстройств пищеварения, а также помогают избежать чрезмерной потери воды через кишечник при диарее.

Наружное, пероральное и подкожное применение гуминовых кислот способствует ослаблению воспалительного процесса. Они оказывают также тормозящее действие на синтез простагландинов. В экспериментах при аппликациях на кожу крыс гуминовыми кислотами, отмечалось повышение процессов пролифирации фибробластов, активизация водного, белкового и жирового обмена. В месте введения инъекции фракций гуминовых кислот, происходит стимулирующее влияние на активность ретикуло-гистиоцитарных клеточных элементов. Введение мышам с кожными дефектами инъекций гуминовых препаратов вызывает у них ускоренное заживление, а в тканях в месте ведения – активацию тканевой гиалуронидазы, которая определяет течение раневого процесса.

Гуминовые кислоты успешно нейтрализуют патогенную микрофлору кишечника, при одновременном подавлении воспаления и блокаде мест налипания патогенных возбудителей в слизистой кишечника. При этом патогенные кишечные палочки связываются ими на 94%, эндотоксины на 82%. Связанные гуминовыми кислотами бактерии и токсины выводятся естественным путём.

Гуминовые кислоты значительно усиливают фагоцитоз, что объясняется индуцирующим действием фенольных групп этих соединений. В экспериментах наблюдалось повышение фагоцитоза и бактериальной активности лизоцима в крови у морских свинок и кроликов при применении препаратов из гуминовых кислот.

Гуминовые кислоты, способны влиять на метаболизм белков и углеродов бактерий, катализируя этот процесс. Это приводит к прямому ускоренному разрушению клеток бактерий и вирусов. Бактерицидное действие гуминовых кислот, усиливается при воздействии ультрафиолетового облучения. Еще один антибактериальный механизм гуминовых кислот, связан с образованием ион-ионных связей с высокомолекулярными фрагментами белков (токсинов) инфекционных бактерий. Их токсический эффект на физиологические процессы клеток слизистых оболочек может быть значительно ослаблен или полностью нейтрализован.

В различных тестовых системах, гуминовые кислоты активно подавляют многие вирусы. Антивирусное действие гуминовых кислот, даже более выражено, чем антибактериальное, так как в биологической среде добавляется ещё их иммуномодулирующее действие на организм хозяина.

Одним из самых выраженных эффектов от применения гуминовых кислот, является усиление общего иммунного ответа. Присутствие полифенольных группировок придает этим препаратам стимулирующее действие на неспецифическую резистентность и иммунитет.

При иммунодефицитах, гуминовые кислоты регулируют количество и соотношение Т- и В-лимфоцитов, активизируют синтез ИЛ-1, ИЛ-2, индукцию эндогенного интерферона, гамма-глобулинов, что приводит к активации угнетенных функций иммунной системы. Доказано, что кислоты низкого молекулярного веса (фульвовая кислота) ингибируют протеазную активность, что представляет интерес для снижения метастатической активности раковых клеток.

От применения гуминовых кислот, повышается содержание общего белка и каротина в сыворотке крови у телят и коров, а также активация гемопоэза и повышение содержание гемоглобина в крови у свиней за счет повышения биодоступности железа. Гуминовые и фульвокислоты in vitro сокращают протромбиновое время плазмы человека.

Способность гуминовых кислот формировать хелатные комплексы с тяжелыми металлами, позволяет использовать их для выведения тяжелых металлов из организма. Аналогичные комплексы гуминовых кислот формируют с холестерином, что делает их эффективными в борьбе с атеросклерозом и его последствиями. Было также доказано адсорбтивное действие гуминовых кислот, по отношению к нитратам, нитритам, флюоридам, органофосфатам, хлорорганичеким инсектицидам, карбарилу и варфарину.

Гуминовые кислоты, обладают радиопротекторными свойствами. Так, исследования, проведенные на химическом факультете МГУ с целью выявить способность гуминовых кислот к нейтрализации радиоактивных агентов, показали, что гуминовые вещества оказались способны сорбировать плутоний почти на 95%.

Особо отмечено отсутствие каких-либо побочных эффектов и полное выведение гуминовых кислот из организма. Гуминовые кислоты, не проявляют тератогенных, мутагенных, эмбриотоксических и канцерогенных свойств.

Гуминовая кислота , или, как ее еще называют, «черный нектар природы от Богов», обладает насыщенным темно-коричневым цветом, ближе к черному. Этот органически заряженный биостимулятор , как оказалось, имеет свойства оказывать сильное воздействие на здоровье людей, животных, и отражаться на окружающей среде.

Поскольку тело человека включает в себя множество веществ, содержащихся в земле, существует мнение, что полученные из земли вещества являются в каком-то роде «помощниками» здоровья.

Гуминовая кислота использовалась древними культурами в качестве народного средства от различных болезней. Она, как известно, способна выводить свободные радикалы, кроме того, обладает свойствами естественного антиоксиданта. Гуматы , принимаемые внутрь, как полагают, повышают защитную функцию организма, атакуя негативные, поврежденные или мертвые клетки, уменьшая или устраняя таким образом инфекцию. Например, гуминовая кислота позволяет предотвратить развитие инфекции на коже, пострадавшей от ожогов.

Гуматы разрушают инфекционные клетки, вторгающиеся в организм, позволяя здоровым клеткам занять свое место. Российские ученые наблюдали подобный процесс при изучении влияния гуминовой кислоты на развитие лучевой болезни у крыс.

Поступление гуминовой кислоты в организм вместе с приемом пищи, например, через натуральные продукты или чистую воду, существенно снижает проникновение пестицидов и тяжелых металлов. Такой подход позволяет уменьшить создание токсинов в организме, а также снизить риск возникновения рака. Есть мнение, что гуминовая кислота - антиканцерогенная. Гуминовые кислоты также часто используются в ветеринарии, то есть вещества, получаемые из торфа, позволяют предотвратить передачу ящура у свиней.

До того, как масштабные производственные методы сельского хозяйства исчерпали богатые ресурсы нашей почвы, земля была богата гуминовой кислотой . Растения и животные, которые обитали вблизи земли, питались сбалансированной диетой, включающей в себя гуматы . К сожалению, сейчас почва не способна дать такое количество питательных веществ окружающему миру. Животные и растения остались без элементов, дающих огромную пользу организму.

Гуминовую кислоту можно получить из компоста, органического удобрения или торфа, однако эффективность такого продукта по количество полезных веществ уступает той, что была получена из Леонардита. Гуминовая кислота , называемая «черной» в формулировках, является богатым материалом, полученным из естественно окисленных и тщательно отобранных источников Леонардита.

Леонардит - естественный сланец углеводорода, сформированный в земле более чем миллионы лет химическим и биологическим разложением доисторических растений и животных. Он содержит высокую концентрацию гуминовой кислоты благодаря высокой активности микробов. Органическая концентрация в разных пластах разная. Пласты высшего качества в мире найдены в Южной Америке.

Щелочная среда, привнесенная в почву с сельским хозяйством, практически истребила гуминовую кислоту . Поэтому естественная окислительная защита, которую растения могли получать прямо из почвы, теперь недоступна.

Гуминовые кислоты помогают улучшить влагоемкость и структуру почвы и помочь поддержать ее стабильность. Гуминовые кислоты формируют соли из неорганических полезных ископаемых в форме, которая может быть легко усвоена растениями.

Гуминовые кислоты дают растению энергию противостояния болезни, а также увеличения силы корня и качества роста зерновых культур. За счет кислот повышается проходимость почвы, увеличивается способность удерживать влагу и уменьшается испарение, развиваются полезные колонии микробов около корня. Создание активных микробов рядом с корнем позволяет растению быстрее усваивать питательные вещества из почвы.

В использование гуминовых кислот позволяет добиться того же эффекта, что и в случае с почвой. Кроме того, поскольку гидропоника использует в своих целях «микро»-окружающую среду, то в сравнении с почвой это вариант экономичней. Добавление «черной» кислоты в резервуар с питательной жидкостью на гидропонных фермах увеличит эффективность питательных веществ, делая полезные ингредиенты всех категорий более доступными для корней. Кроме того, имеется возможность накопления и сохранения полезных веществ в среде, для того, чтобы корни могли ими воспользоваться по мере необходимости.

Воздействие на экологию может нанести непоправимый вред растениям: остановка или замедление роста, цветение или даже смерть. Молекулы свободных радикалов возникают из-за пагубных условий, таких как высокая температура или влажность, температурные колебания, большое содержание пестицидов или дефицит питательных веществ, токсичность. Биостимулирующая деятельность гуминовых кислот оказывает сопротивление вредным факторам, и, оставаясь в клетках растения, создает продолжительную защиту.

Одно из органических соединений в гуминовой кислоте - углерод, который создает в растениях сахар. Сахар особенно важен во время цветения, поскольку результативность урожая фруктов, например, прямо зависит от количества сахара в растении. Добавление гуминовой кислоты в питательный раствор позволит улучшить цвет, аромат и вкус урожая.

Скорость прорастания выше, если в содержится «черная» кислота. Кроме скорости роста, биостимулятор повышает процент прорастания семян.

Исследования показали, что кислота способна регулировать pH фактор, приводя его в нейтральное положение, делая питательные вещества более доступными. Эти методы позволяют получить здоровый продукт, стойкий к атакам вредителей.

«Черная» гуминовая кислота - экологически безопасный биостимулятор, который может использоваться в течение всего цикла роста. Добавление гуминовой кислоты к высококачественному питательному раствору приведет к производству урожая высшего качества, вне зависимости от типа: почва или гидропонное культивирование. Зерновые культуры будут в свою очередь потребляться животными и людьми, что позволяет улучшить качество диеты всей пищевой цепи.

Гуминовая кислота - длинная молекулярная цепь, которая находиться в виде гумата в окисленном угле, почвенном слое, торфе и в растениях. В очень маленьких дозам ее можно обнаружить и в продуктах питания: кофе, черном чае, в жареном мясе или хлебной корке. В состав входит и фульвовая кислота. Гуминовые кислоты и фульвокислоты обладают оздоровительным эффектом на организм благодаря наличию в этом комплексе свыше 70 полезных компонентов: около 20 аминокислот, пептиды, минералы, гормоны, полифенолы, хиноны и др. Такой широкий спектр в составе обеспечивает разнообразие положительного влияния данных кислот на живой организм и окружающую среду.

Еще в древности принимали торфяные ванны, содержащие гуминовые кислоты, в медицинских целях. На научном уровне их начали изучать только с 1967 года.

Гуминовая кислота: польза для человека

Гуминовые препараты благодаря своей натуральности абсолютно безвредны для человека, их применение не вызывает аллергии, анафилактического шока или других побочных эффектов. Также они обладают и другими преимуществами перед другими медицинскими лекарствами. При лечении заболеваний желудочно-кишечного тракта и нарушении обменных процессов гуминовая кислота действует на патогенные вирусы или бактерии, связывают их и выводят природным путем. При этом препарат не всасывается в кровь и понижает уровень холестирина.

Обволакивающий эффект, которым обладает гуминовая кислота, снимает воспаление и предотвращает дальнейшее впитывание кишечником токсических веществ при инфекциях или пищевом отравлении. Препарат возвращает органы пищеварительной системы к нормальному функционированию.

Для уничтожения патогенной микроорганизмов в кишечнике позволяет отказаться от антибиотиков, которые негативно влияют на микрофлору органа и на иммунитет.

Также гуминовый препарат является адсорбентом во взаимодействии с тяжелыми металлами,органофосфатами, нитратами, нитритами и другими вредными для организма веществами.

Гуминовые кислоты активно используются и в косметологии, особенно в грязелечении. С помощью масок, мазей, ванн и прочих косметических средств с гуминовыми веществами выводятся токсины и ядовитые элементы, которые могут накапливаться в кожных покровах и вызывать аллергическую реакцию или провоцировать другие заболевания кожи. Также наружное применение гуминовых кислот обладает обезболивающим, обеззараживающим и противовоспалительным эффектом при лечении гематом, воспалении вен и повреждений опорно-двигательного аппарата.

Гуминовые кислоты: применение в ветеринарии

Так же, как и на человека, положительно влияет гуминовая кислота и на животное. Природностьпрепарата позволяет изготавливать экологически натуральные кормовые добавки для сельскохозяйственных животных и домашних питомцев.

Гуминовые кислоты укрепляет иммунитет и активирует обмен веществ, что позволяет повысить выживаемость молодняка. Кожа и шерсть животных начинает выглядеть намного лучше, а при длительном употреблении гуминовых веществ отмечается положительный привес в массе тела.

При вводе нового прикорма препарат регулирует работу кишечника, а в случае развития патогенных процессов действует обволакивающе, адсорбируя негативные микроорганизмы и снимая воспаление. При этом патогенные вирусы и бактерии, химические яды, токсины, тяжелые металлы выводятся природным путем.

Гуминовая кислота не вызывает побочных эффектов, генных мутаций и хорошо переносится при употреблении в корме. Она устраняет проблему кишечного гниения и брожения, повышает перевариваемость пищи.

Гуминовые кислоты для растений

Гуминовые кислоты входят в состав гумуса - плодородного слоя почвы богатого на питательные вещества для растений. Чем дольше формируется природное сырье, тем больше там накапливается гуминовых веществ. Но гуминовые кислоты в воде не растворяются и поэтому практически недоступны для растений в естественных условиях. Но если их перевести в соли аммония, калия или натрия, которые являются водорастворимыми, их биологическая польза значительно увеличится. Соли гуминовых кислот называются гуманатами и насыщают растения необходимыми питательными микроэлементами.

Гуминовая кислота также принимает активное участие в борьбе с загрязнением окружающей среды. Их возможность поглощать ионы тяжелых металлов и токсинов нейтрализует негативное влияние на биосферу.

Детям, беременным и кормящим перед употреблением проконсультироваться с врачом.

Бактериальные инфекции:

острые кишечные инфекции,
бактериальный энтерит,
энтероколит, дизентерия,
сальмонеллез, лямблиоз,
иерсинеоз, гельминтозы.

Вирусные инфекции:
энтеровирусные инфекции,
герпес-вирусы, ОРЗ, грипп, ВИЧ.

Заболевания желудочно-кишечного тракта

Симптомы диспепсии
(боль, тошнота, рвота, переполнение, вздутие),
острый и хронический гастрит,
рефлюксная болезнь желудка и
двенадцатиперстной кишки, острый
и хронический панкреатит, колит,
острые и хронические гепатиты,
вирусные гепатиты, цирроз печени,
холецистит, дисбактериоз.

Аллергозы, дерматозы, иммунодефициты

Поллиноз, атопический дерматит,
бронхиальная астма, экзема,
вульгарные угри, астматический
бронхит, нейродермит, острая
крапивница, очаговая алопеция,
дисгидроз, иммунодефицитные
состояния.

Заболевания органов кровообращения
с нарушением липидного обмена,
атеросклероз, артериальная
гипертензия.

Интоксикация различного происхождения -
острая и хроническая алкогольная,
наркотическая, химическая
интоксикации, отравление солями
тяжёлых металлов.

Онкологические заболевания,
последствия лучевой терапии,
химиотерапии.

MatrixRelictum – это:

* Активизация защиты от вирусов

* Увеличение энергии и выносливости

* Повышение психического внимания, концентрации

* Гармонизация эмоционального настроя

* Выравнивание уровня сахара в крови

* Уменьшение симптомов аллергии

* Ускорение метаболизма питательных веществ

* Уменьшение аппетита и тяги к вредным продуктам

* Нормализация сна

* Гормональный баланс

* Повышение иммунитета

* Нормализация всасывание питательных веществ

* Снижение излишней кислотности организма

* Мощная детоксикация

* Положительное воздействие на щитовидную железу

* Улучшение пищеварения

* Уменьшение воспалительных процессов

* Улучшение подвижности суставов

* Улучшение функции всех органов

* Восстановление электрохимического баланса

* Здоровый уровень холестерина

* Улучшение кожи, волос и ногтей

Есть огромный класс природных органических веществ, о котором химики надолго и совершенно незаслуженно забыли. Между тем с точки зрения химии будущего их возможности безграничны, а область их возможного применения очень велика. Речь о гуминовых веществах.

Что такое гуминовые вещества?

Это основная органическая составляющая почвы, воды, а также твердых горючих ископаемых. Гуминовые вещества образуются при разложении растительных и животных остатков под действием микроорганизмов и абиотических факторов среды. В. И. Вернадский в свое время называл гумус продуктом коэволюции живого и неживого планетарного вещества. Более развернутое определение уже в 90-х годах XX века дал профессор кафедры химии почв МГУ Д. С. Орлов: «Гуминовые вещества — это более или менее темноокрашенные азотсодержащие высокомолекулярные соединения, преимущественно кислотной природы». Из этого следует только один вывод: вплоть до сегодняшнего дня определение гуминовых веществ имело скорее философский, чем химический смысл. Причины кроются в специфике образования и строения этих соединений. Откуда же они берутся и что они собой представляют?

Образование гуминовых веществ, или гумификация, — это второй по масштабности процесс превращения органического вещества после фотосинтеза. В результате фотосинтеза ежегодно связывается около 50·10 9 т атмосферного углерода, а при отмирании живых организмов на земной поверхности оказывается около 40·10 9 т углерода. Часть отмерших остатков минерализуется до СO 2 и Н 2 O, остальное превращается в гуминовые вещества. По разным источникам, ежегодно в процесс гумификации вовлекается 0,6-2,5·10 9 т углерода.

В отличие от синтеза в живом организме, образование гуминовых веществ не направляется генетическим кодом, а идет по принципу естественного отбора — остаются самые устойчивые к биоразложению структуры. В результате получается стохастическая, вероятностная смесь молекул, в которой ни одно из соединений не тождественно другому. Таким образом, гуминовые вещества — это очень сложная смесь природных соединений, не существующая в живых организмах.

История изучения гуминовых веществ насчитывает уже более двухсот лет. Впервые их выделил из торфа и описал немецкий химик Ф. Ахард в 1786 году. Немецкие исследователи разработали первые схемы выделения и классификации, а также ввели и сам термин — «гуминовые вещества» (производное от латинского humus — «земля» или «почва»). В исследование химических свойств этих соединений в середине XIX века большой вклад внес шведский химик Я. Берцелиус и его ученики, а потом, в XX веке, и наши ученые-почвоведы и углехимики: М. А. Кононова, Л. А. Христева, Л. Н. Александрова, Д. С. Орлов, Т. А. Кухаренко и другие.

Надо сказать, что к началу XX века интерес химиков к гуминовым веществам резко упал. Понятно почему — было достоверно установлено, что это не индивидуальное соединение, а сложная смесь макромолекул переменного состава и нерегулярного строения (рис. 1), к которой неприменимы законы классической термодинамики и теории строения вещества.

Фундаментальные свойства гуминовых веществ — это нестехиометричность состава, нерегулярность строения, гетерогенность структурных элементов и полидисперсность. Когда мы имеем дело с гуминовыми веществами, то исчезает понятие молекулы — мы можем говорить только о молекулярном ансамбле, каждый параметр которого описывается распределением. Соответственно, к гуминовым веществам невозможно применить традиционный способ численного описания строения органических соединений — определить количество атомов в молекуле, число и типы связей между ними. В какие-то моменты ученым, наверное, казалось, что работать с этими веществами совсем невозможно — они как «черный ящик», в котором все происходит непредсказуемо и каждый раз по-иному.

Чтобы хоть как-то упростить систему, исследователи предложили способ классификации гуминовых веществ, основанный на их растворимости в кислотах и щелочах. Согласно этой классификации, гуминовые вещества подразделяют на три составляющие: гумин — неизвлекаемый остаток, не растворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гуминовые кислоты — фракция, растворимая в щелочах и нерастворимая в кислотах (при рН

По мере погружения в «молекулярный хаос» гуминовых веществ химикам открылось то, что уже давно было известно почвоведам, — хаос только кажущийся. Так, например, диапазон вариаций атомных отношений основных составляющих элементов (C, H, O и N) не столь уж широк. При этом он отчетливо зависит от источника происхождения гуминовых веществ. Максимальное содержание кислорода и кислородсодержащих функциональных групп наблюдается в веществах, полученных из воды, и дальше их содержание снижается в ряду: «вода—почва—торф—уголь». В обратной последовательности увеличивается содержание ароматического углерода.

Выяснилась еще одна закономерность. У всех гуминовых веществ (не важно, какого происхождения) единый принцип строения. У них есть каркасная часть — ароматический углеродный скелет, замещенный функциональными группами. Среди заместителей преобладают карбоксильные, гидроксильные, метоксильные и алкильные группы. Помимо каркасной части, у гуминовых веществ есть и периферическая, обогащенная полисахаридными и полипептидными фрагментами. Гуминовые вещества, повторим еще раз, — одни из самых сложных по строению природных органических соединений, в этом они превосходят даже нефти, лигнины и угли.

Чтобы можно было количественно описать структуру и свойства гуминовых веществ, на Химическом факультете МГУ мы предложили использовать молекулярные дескрипторы (структура записывается набором численных параметров, связанных с определенными свойствами) различных уровней структурной организации: элементного, структурно-группового и молекулярного. С помощью такого подхода строение гуминовых веществ можно описать набором параметров, которые отражают атомные отношения составляющих элементов, их распределение между основными структурными фрагментами и характеристики молекулярно-массового состава.

Важная характеристика вещества — его химические свойства, то есть способность вступать в реакции с другими соединениями. А как же быть при таком сложном строении? Спектр реакций, в которые могут вступать гуминовые вещества, очень широк, особенно это касается их наиболее реакционноспособной части — гумусовых кислот. Благодаря карбоксильным, гидроксильным, карбонильным группам и ароматическим фрагментам (рис. 2) гумусовые кислоты вступают в ионные, донорно-акцепторные и гидрофобные взаимодействия. В переводе на язык химии окружающей среды гуминовые вещества способны связывать различные классы экотоксикантов, образуя комплексы с металлами и соединения с различными классами органических веществ. Тем самым они выполняют функцию своеобразных посредников, смягчающих действие загрязнений на живые организмы.

Где встречаются гуминовые вещества?

Гуминовые вещества есть почти повсюду в природе. Их содержание в морских водах 0,1-3 мг/л, в речных — 20 мг/л, а в болотах — до 200 мг/л. В почвах гуминовых веществ 1-12%, при этом больше всего их в черноземах. Лидеры по содержанию этих соединений — органогенные породы, к которым относятся уголь, торф, сапропель, горючие сланцы. Обычно гуматы получают из окисленного бурого угля (его еще называют леонардитом), потому что в нем гуминовых веществ до 85%. Еще этот уголь удобен тем, что у него низкая теплотворная способность, поэтому его обычно сгребают в отвалы. Получается, что основной источник гуминовых веществ — отходы добычи бурого угля, а это полностью соответствует основным принципам «зеленой химии». Запасы бурого угля в мире превышают 1 трлн т.

Второй источник гуминовых веществ — торф (его мировые запасы больше 500 млрд тонн). Из-за того что при торфяных разработках нарушаются естественные болотные ландшафты, то есть экосистемы, необходимые для поддержания экологического равновесия, добычу торфа в мире признали нецелесообразной. Однако в России торф активно добывают, причем в некоторых экономически отсталых регионах это единственный способ добычи средств к существованию для населения. В основном торф идет на топливо и местные удобрения, поэтому, если бы из него же извлекать гуминовые вещества, этот уникальный природный ресурс можно было бы использовать более рационально. Конечно, с точки зрения «зеленой химии» торф не идеальный источник гуминовых веществ, но в краткосрочной перспективе это вполне приемлемо.

Наконец, третий крупномасштабный источник гуминовых веществ — сапропель (донные отложения пресноводных водоемов, образующиеся из остатков растений и животных). Только в России его запасы составляют 225 млрд м 3 . Однако в сапропеле гораздо больше минеральных примесей, чем в торфе и угле, и он существенно разнообразнее по химическому составу, поэтому нужны более сложные технологии его переработки. С другой стороны, для производства сырья на месте и этот вариант может оказаться полезным. Тем более что в сапропеле нередко уже содержатся различные микроэлементы, которые нужны в качестве удобрений и кормовых добавок. Параллельно при добыче сапропеля удается очистить заиливающиеся озера.

Основной метод, которым выделяют гуминовые вещества, — щелочная экстракция растворами аммиака или гидроксидами калия или натрия. Такая обработка переводит их в водорастворимые соли — гуматы калия или натрия, обладающие высокой биологической активностью. Метод практически безотходный, поэтому его широко используют и в России, и за рубежом. Альтернативный способ предполагает механическое измельчение бурого угля с твердой щелочью, в результате чего получается твердый, растворимый в воде гумат калия и натрия.

Где их использовать

Сначала надо рассказать о той важной роли, которую гуминовые вещества выполняют в биосфере. Они участвуют в структурообразовании почвы, накоплении питательных элементов и микроэлементов в доступной для растений форме, регулировании геохимических потоков металлов в водных и почвенных экосистемах.

К концу XX века, одной из основных проблем которого стало химическое загрязнение окружающей среды, гуминовые вещества, как уже говорилось, начали выполнять роль естественных детоксикантов. Гумусовые кислоты связывают в прочные комплексы ионы металлов и органические экотоксиканты в воде и почве (рис. 3). Известно, что наиболее активен свободный токсикант, связанное вещество не так опасно, поскольку теряет биодоступность.

Во всех моделях биогеохимических циклов загрязняющих веществ, которые создают для того, чтобы оценить опасность, скорость накопления и время жизни ядов в окружающей среде, обязательно надо учитывать их взаимодействие с гумусовыми кислотами. Оно коренным образом меняет и химическое, и токсикологическое поведение вредных веществ. В свое время это дало новый импульс исследованиям — надо же было получить количественные характеристики взаимодействия гумусовых кислот с экотоксикантами.

Химики, вооруженные сложнейшими инструментальными методами, с энтузиазмом принялись за гумусовые вещества. Сегодня в «Chemical Abstracts » каждый год можно найти рецензии на более чем 2000 статей, посвященных этому вопросу. В результате накоплен колоссальный экспериментальный материал. Особо надо отметить тот факт, что наряду с теоретическими изысканиями растет количество прикладных исследований.

В каких областях сегодня применяют гуминовые вещества? Чаще всего — в растениеводстве как стимуляторы роста или микроудобрения. В отличие от аналогичных синтетических регуляторов роста, гуминовые препараты не только влияют на обмен веществ растений.

При систематическом их использовании улучшается структура почвы, ее буферные и ионообменные свойства, становятся активнее почвенные микроорганизмы. Особого внимания заслуживают адаптогенные свойства — гуминовые препараты повышают способность растений противостоять болезням, засухе, переувлажнению, переносить повышенные дозы солей азота в почве. Преимущества гуминовых препаратов заключаются также в том, что они повышают усваивание питательных веществ, а значит, нужно меньше минеральных удобрений без ущерба для урожая.

В последнее время перспективными считают органо-минеральные микроудобрения, содержащие гуматы калия и/или натрия с добавкой Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, Co и B в хелатной форме. Особенно они хороши на карбонатных почвах, где, несмотря на высокие концентрации микроэлементов, содержание их в доступной для растений форме невелико. Надо сказать, что обычно для этих же целей применяют микроудобрения на основе синтетических лигандов (ЭДТА, ДТПА, ЭДДГА). Они эффективны, но в их промышленном производстве используют и монохлоруксусную кислоту, и этилендиамин, получаемые из хлорированных углеводородов. Конечно, такое производство небезопасно для человека и окружающей среды. Кроме того, если регулярно вносить удобрения с синтетическими лигандами, то они накапливаются в почве, а это ухудшает ее свойства. Поэтому создание и использование удобрений на основе гуминовых препаратов — куда более безопасная альтернатива.

Другое интересное применение гуминовых веществ — рекультивация загрязненных почв и вод. Их пытаются также применять для очистки и рекультивации территорий, загрязненных органическими веществами и нефтепродуктами, а также тяжелыми металлами. Уже разработаны и используются твердые сорбенты на основе гуминовых веществ.

Наряду со связывающими свойствами гуминовые вещества имеют ярко выраженные поверхностно-активные свойства. Поэтому их добавляют для лучшей растворимости гидрофобных органических веществ (например, нефтепродуктов). Гуминовые вещества входят в состав буровых растворов, а также служат основой растворов, предназначенных для промывания водоносных горизонтов, загрязненных ароматическими веществами. Также для этих целей используют синтетические ПАВ, но, в отличие о них, гуминовые вещества совершенно безопасны для природы.

Другие способы их применения пока остаются экзотикой. Основная причина — та самая гетерогенность структуры, которая, с одной стороны, дает чрезвычайно широкий спектр свойств, а с другой — неспецифичность действия.

Как уйти от этой неспецифичности, создать гуминовые вещества более направленного действия? Например, для рекультивации сред, загрязненных гидрофобными органическими соединениями, нужны гуминовые препараты, обладающие повышенным сродством по отношению к загрязняющим веществам, то есть тоже гидрофобные. А вот при создании микроудобрений на гуминовой основе они, наоборот, должны быть гидрофильными и прекрасно растворяться в воде. Поэтому, чтобы повысить эффективность применения гуминовых препаратов в конкретной области и расширить спектр их применения, надо научиться направленно менять их свойства. Причем получающийся продукт должен быть стабильным, а его свойства воспроизводимыми.

Дизайн гуминовых материалов

Итак, цель — получение гуминовых производных с заданными свойствами (рис. 4, 5). То есть надо найти такой способ их модификации, после которого усиливаются уже имеющиеся положительные свойства и появляются новые. Желательно вдобавок, чтобы такой способ можно было использовать в промышленном масштабе. При решении этой сложной химической проблемы надо, с одной стороны, максимально сохранить гуминовый каркас после серии реакций — в этом залог нетоксичности и устойчивости к биоразложению, а с другой стороны, максимально модифицировать в нужном направлении активные группы. Скажем несколько слов о предлагаемых методах и подходах. Чтобы увеличить растворимость комплексов с металлами в воде, на Химическом факультете МГУ мы провели сульфирование гуминовых веществ. Дело в том, что, когда речь идет о микроудобрениях с гуминовыми кислотами, растворимость комплексов гуминовых веществ с металлами ниже, чем у синтетических аналогов. Чтобы решить эту задачу, мы ввели дополнительные сульфогруппы, после чего, как показали эксперименты, растворимость гуматов железа действительно увеличилась.

Для решения другой задачи — увеличения гидрофобности гуминовых веществ — мы провели кислотный гидролиз гуминовых веществ. Напомним, что гуминовые молекулы состоят из двух строительных блоков, различающихся по химической природе: ароматического каркаса и углеводно-пептидной периферии. При этом известно, что в зависимости от того, какой фрагмент преобладает — гидрофобный ароматический или гидрофильная периферия, — будут сильно изменяться поверхностная активность и способность гуминовых веществ к гидрофобным взаимодействиям. Наши эксперименты подтвердили, что если разложить гуминовые вещества на составляющие, то, например, каркасные фрагменты на 20% лучше связывают пирен, чем исходные препараты.

Совершенно другой тип модификации мы использовали для того, чтобы сделать гуминовые вещества более активными восстановителями. Дело в том, что именно восстановительные свойства определяют способность гуминовых препаратов нейтрализовать окисленные актиниды (например, плутоний). Мы взяли гуминовые вещества, полученные из окисленного угля — как мы уже говорили, основного сырья для промышленного производства гуминовых препаратов. У этих гуминовых веществ самое высокое содержание ароматического углерода (свыше 60%) и нет углеводных фрагментов. К ним мы присоединили различные хиноидные фрагменты с помощью фенолформальдегидной конденсации и получили высокоактивные гуминовые редоксполимеры (рис. 6). Они действительно лучше восстанавливали радионуклиды. Более того, чтобы сделать реакцию «зеленой» при производстве в промышленном масштабе, мы отработали такую реакцию, для проведения которой не нужен токсичный формальдегид. Оказалось, что такой способ позволяет ввести хиноидный фрагмент в гуминовые вещества «по выбору» — достаточно одного незамещенного положения в фенольном фрагменте гуминового каркаса. В результате получается целый набор хиноидно обогащенных гуминовых производных с различными электрохимическими свойствами.

Следующий наш шаг — получение гуминовых производных с повышенной сорбционной способностью на минеральных матрицах (рис. 7). Зачем это нужно? Основное, что останавливает применение гуминовых веществ в природоохранных технологиях: после того как детоксикант вносят в почву и он адсорбирует металл, непонятно, как предотвратить его дальнейшее передвижение. Идеальным решением проблемы было бы заставить гуминовые вещества необратимо прилипать к минеральным поверхностям (например, к песку или глинам). Учитывая, что основная составляющая природных минералов — это кремнезем, то самый удобный способ — создать связь Si—О—Si между гуминовым веществом и минеральной матрицей. Тогда можно получить порошок с поверхностно-активными группами, которые после растворения в водоеме будут прилипать к минеральной поверхности. Вопрос только в том, как это сделать? Казалось бы, все просто: нужно ввести силанольный фрагмент в гуминовый каркас — и дело с концом. Но такие гуминовые вещества в воде будут полимеризоваться, и ничего хорошего из этого не выйдет.

Мы обратились за помощью к коллегам в лабораторию элементоорганических соединений Института синтетических полимерных материалов (ИСПМ) РАН. И решение было найдено: нужно вводить не силанольную группу, а алкоксисилильную. Такое вещество в воде будет гидролизоваться и высвобождать гуминовые вещества с силанольными группами. Сказано — сделано: были получены гуминовые производные (рис. 7), которые с успехом сели на силикагель (модель минеральной поверхности) из водного раствора. Оказалось, что, изменяя степень модификации гуминовых веществ, можно управлять и свойствами, которыми будет обладать гуминовая пленка. По экспериментальным данным, новый препарат сорбирует плутоний почти на 95%.

Конечно, невозможно охватить в одной статье и даже в книге все накопленные данные по существующим способам и перспективам использования гуминовых веществ. Публикации последних лет содержат большое количество оригинальных предложений по новым областям применения гуминовых препаратов. Наряду с растениеводством их все больше используют в медицине, животноводстве и других областях.

Очередная конференция Международного гуминового общества называется «От молекулярного понимания — к инновационным применениям гуминовых веществ». Она пройдет в России (14-19 сентября 2008 года) под эгидой IUPAC, а ее организатор — Химфак МГУ. Это вполне закономерно подтверждает лидерство наших ученых в этой области химии. Кстати, они совершенно уверены, что это сырье будущего. Почему? Потому что гуминовые вещества проявляют уникальные биологические свойства, не нанося никакого вреда природе.