Природа защитного действия гуминовых веществ различного генеза

Возрастающая антропогенная нагрузка на биосферу обусловила изыскание способов регулирования нарушенного равновесия в экосистемах. В решении этой проблемы значимую роль приобретает протекторная биосферная функция специфических органических (гуминовых) веществ. Гуминовые вещества, присутствующие во всех природных средах планеты, образуют жизненный фон человечества [1]; при этом они способны поглощать экотоксиканты различной структуры: пестициды, тяжелые металлы, ра-дилнуклиды [2]. Защитная функция гуминовых веществ в условиях химического стресса

Аввакумова Надежда Петровна, доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой общей, бионеорганической и биоорганической химии

Глубокова Мария Николаевна, кандидат фармацевтических наук, старший преподаватель кафедры общей, бионеорганической и биоорганической химии Фомин Игорь Викторович, кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры общей, био-неорганической и биоорганической химии

Катунина Елена Евгеньевна, кандидат биологических наук, доцент кафедры общей, бионеорганической и биоорганической химии обеспечивается их полигетерофункциональностью. Формирование данного класса природных соединений в значительной мере зависит от внешних условий: температурного режима, степени гидроморфизма и аэробности, окислительно-восстановительных свойств среды. Главным компонентом пула гуминовых веществ являются гумусовые кислоты. В литературе имеется значительное количество работ, посвященных исследованию функционально-группового состава гумусовых кислот различного вида почв, в то время как специфические органические вещества лечебных грязей изучены в меньшей степени. Все гумусовые кислоты являются соединениями нестехиометрического состава и обладают стохастическим характером структуры, представляющей собой макромолекулы нерегулярного строения и различной степени разветвленности. Структура гумусовых кислот почв в виде блок-схем [3] представляет собой часть макромолекулы, содержащей все основные структурные фрагменты, с выделением негидролизуемой части молекулы и гидролизуемой периферии. Негидролизуемая часть макромолекул представляется в виде ядра в состав которого входят ароматические кольца, хиноны, кислород- и азотсодержащие гетероциклы, включающие гидроксильные, карбонильные и карбоксильные группы. Ядро биополимера является конденсированной ароматической структурой, образующей сильно развитую непрерывную цепь сопряженных двойных связей. Периферическая часть макромолекул представлена алифатическими цепями углеводного и полипептидного типа. Таким образом, по своей химической природе гумусовые кислоты представляют собой нерегулярные сополимеры ароматических гидроксиполикарбоновых кислот с включениями азотсодержащих и углеводных фрагментов [3]. Фундаментальными свойствами гумусовых кислот являются их полидисперсность, полимолекулярность, гетерогенность и присутствие в составе карбоксильных, карбонильных групп различной этиологии, спиртовых и фенольных заместителей, а также амино- и тиогрупп.

Классификация гуминовых веществ основана на их различной растворимости в кислотах и щелочах [1]. Их подразделяют на следующие фракции: фульвовые, гиматомелановые, гуминовые, гумусовые кислоты и гумин, представляющий собой конгломерат сложных эфиров кислот и их органоминеральных сорбционных комплексов с глинистыми минералами, нерастворимый в большинстве растворителей. Гуминовые кислоты пелоидов нерастворимы при кислотности водных растворов меньше 2 единиц рН; в растворенном состоянии имеют темно-бурую окраску, в сухом – черный блестящий порошок или чешуйки. Гиматомелановые кислоты являются спирторастворимой фракцией и их отличительной особенностью по сравнению с другими фракциями гуминовых веществ являются высокое атомное отношение Н/С, составляющее более единицы, высокая отрицательная степень окисленности, низкие коэффициенты экстинкции, высокая интенсивность полосы 1700-1720 см-1 в инфракрасных спектрах, характеризующая наличие карбоксилат-аниона, сопряженного с ненасыщенным фрагментом [4]. Фульвовые кислоты растворимы во всем диапазоне кислотности среды, имеют вариабельную окраску. От гуминовых и гиматомелановых кислот они отличаются большей окисленностью и меньшим содержанием углерода, а также большей гидрофильностью. Особенностью строения фульво-вых кислот является обогащённость их структуры, в большей степени алифатическими фрагментами, а также присутствием значительного количества карбоксильных групп, определяющими их кислотную природу, и наличием азота в структуре (pKa = 2). Они характеризуются более низкими молекулярными массами по сравнению с другими фракциями. В нативных образцах пелоидов эти фракции представлены в виде гумусовых кислот, причем образец, полученный путем механического смешивания фракций после выделения, не обладает тем набором свойств, который характеризует гумусовые кислоты.

Таблица. Относительное содержание гидрофобных и гидрофильных фрагментов в гумусовых веществах фракции, % гидрофобности

Среди биологических структур широко представлено амфифильное взаимодействие. Установлено, что в биосфере большинство органических загрязнителей и тяжелые металлы избирательно взаимодействуют с гумусовыми кислотами [5], гидрофильные компоненты которых обуславливают миграцию органических и минеральных веществ в биосистемах, в то время как малоподвижные гидрофобные фракции способствуют связыванию и иммобилизации экотоксикантов. Полученные нами данные выявляют однотипность фракционного состава гумусовых кислот почв и пелоидов (таблица). Гумусовые кислоты представлены шестью пиками по выраженности гидрофильно-гидрофобных компонентов. Исключение составляют фульвокислоты, в которых обнаружены только 4 фракции. Изложенное подтверждает генетическую однотипность структуры всех гумусовых кислот.

Индивидуальность отдельных компонентов гумусовых кислот заключается в количественном варьировании фракций. Наиболее богаты гидрофильными структурами фульвокисло-ты, что объясняет их лучшую растворимость при различных значениях рН среды. В целом доля гидрофобных компонентов в составе гумусовых кислот пелоидов возрастает от 11,54% до 73,6% в фульвовых и гуминовых кислотах соответственно (таблица). При сравнении амфифильных свойств специфических органических веществ пелоидов и почв обращает на себя внимание факт существенного различия фракционного состава поверхностного слоя и высокая идентичность глубинных образцов. Это свидетельствует об общности биогеохимических объектов, которое, на наш взгляд, обусловлено анаэробными условиями формирования гумусовых кислот глубинных слоев почв и пелоидов.

Спектральный анализ дает информацию о структурно-групповом составе биополимеров. В ИК-спектрах гумусовых кислот пелоидов выявлены общие полосы, характерные для гуминовых веществ различных природных объектов [4]. В области 1370-1460 см-1 обнаружены полосы алифатических фрагментов, в области 1640 см-1 – полосы карбоксилат-ионов. Интенсивный пик в интервале частот 1700-1720 см-1 соответствует карбонильной группе. Максимальная интенсивность полос поглощения в спектрах фракций гуминовых веществ пелоидов отмечена для гидроксильных, карбонильных и карбоксильных групп, а также для алифатических фрагментов. Интенсивное поглощение в области 3400 и 3200 см-1 может быть обусловлено присутствием первичных амидов, которое проявляется за счет С=О колебаний карбонила амидной группы О=C-N. Это свидетельствует о сохранности в молекулах гуминовых кислот отдельных фрагментов протеинов. Помимо первичных амидов, поглощение в этой области указывает на присутствие хиноидных связей, кетонных, карбоксильных и карбонильных групп. Валентные колебания двойных связей атомов ароматического скелета смещено в коротковолновую область, что предполагает, по-видимому, наличие многоядерных структур. Сравнительная характеристика инфракрасных спектров гуминовых веществ, полученных из пелоидов и других источников, показывает, что они имеют близкое молекулярное строение. Различия в ИК-спектрах гуминовых веществ обусловлено условиями их формирования и способом выделения и связано, по-видимому, со степенью ненасыщенности, конденсированности и различным количественным соотношением функциональных групп.

В спектре ЯМР ¹Н гуминовых кислот наблюдаются типичные для данной фракции сигналы насыщенных алифатических групп в области 0,6-1,7 м.д., а также сигналы аллильных протонов, метиленовых групп, связанных с двойными связями с ароматической структурой фрагментов в области 1,8-2,8 м.д. Протоны карбинольных групп (ОСН 3 , ОСН 2 ) характеризуются серией пиков с химическим сдвигом в диапазоне 3,0-4,1 м.д. Протоны ароматических колец наблюдаются в спектре в области 6-9 м.д. Пики протонов карбоксильных групп гуминовых кислот регистрируются при 4,7 м.д. Сравнение интегральной интенсивности сигналов спектра гуминовых кислот показывает более высокое содержание протонов ароматических фрагментов соединения по сравнению с долей алифатических протонов. Это может свидетельствовать о преобладающей ароматической структуре гуминовых кислот пелоидов, включающей определенное количество линейных и разветвленных углеводородных радикалов.

Анализ молекулярной структуры гуминовых веществ пелоидов показал, что их макромолекулы состоят из каркасных олефиновых и ароматических фрагментов со значительной долей неокисленных алифатических группировок. Олефиновые С=С-связи в макромолекулах сопряжены с О- и N-содержащими группами. Качественное сравнение относительной интенсивности полос пропускания спектров позволяет утверждать, что в фульвовых кислотах преобладают алифатические цепочки с большим количеством спиртовых групп типа углеводов, а гуминовые кислоты содержит сопряженные ароматические структуры со значительным содержанием карбоксильных групп. Гиматомелановые кислоты, по сравнению с гуминовыми и фульвовыми можно отнести к наиболее ненасыщенной фракции, содержащей наибольшее количество ненасыщенных фрагментов алифатического и ароматического характера. Указанные особенности строения показывают генетическую связь гумусовых кислот почв и пелоидов. Особенности условий формирования пелоидов определяют их меньшую молярную массу и степень ароматичности. По видимому, можно утверждать, что гумусовые кислоты пелоидов имеют более выраженный ненасыщенный характер по сравнению с аналогичными компонентами почв.

Вывод: именно многопрофильность функциональных групп обусловливает активное участие компонентов гумусовых кислот в глобальных биохимических процессах по сохранению экологического равновесия.