Поиск - новости науки и техники

К чистому истоку. Избавить реки и озера от загрязнений позволят разработки ученых Института водных проблем РАН.

Найти чистый водоем в России проблема. Многие реки, моря, озера содержат в себе практически всю таблицу Менделеева. Можно ли нейтрализовать действие вредных веществ, помочь воде быстрее избавиться от них? Положительно ответить на эти вопросы позволяют исследования, которые ведет старший научный сотрудник Института водных проблем РАН кандидат технических наук Татьяна Губернаторова. Результаты ее работы представлены в монографии “Механизмы и кинетика деструкции органического вещества в водной среде”, отмеченной медалью и премией Российской академии наук. О проблемах, которые ей пришлось решать, о планах на будущее молодой ученый рассказала нашему корреспонденту.
– Начнем с того, – говорит Татьяна Николаевна, – что причина многообразия углеродсодержащих соединений в водной среде – в широком спектре источников загрязнения природного и антропогенного происхождения. Различные вещества попадают в водоемы с выпавшими осадками, талыми водами, хозяйственно-бытовыми и промышленными стоками, смываются туда с больших территорий сельскохозяйственных полей, ферм. Серьезную проблему представляют эоловые взвеси – частицы, в большом количестве переносимые ветрами. Немало органики образуется в самих водоемах.
Большая часть поступающих веществ разрушается благодаря сложившейся экосистеме. Такой процесс называется биологической деструкцией и играет важную роль в сохранении экологического благополучия окружающей среды и биоразнообразия. Существенное место в биодеструкции занимают микроорганизмы. Они чутко реагируют на состав многокомпонентного органического вещества. В зависимости от этого состава регулируется спектр выделяемых ими ферментов, специфика их воздействия на расщепляемые молекулы, а также скорость распада (которая определяется снижением концентрации органического углерода). К слову, по этой скорости можно судить о биологической реактивности компонентов.
Реактивность хорошо определена для отдельных соединений. Но в случае с многокомпонентными веществами задача довольно сложная. Такие вещества представляют собой смесь, в которую входят как легко усваиваемые микроорганизмами молекулы, так и стойкие, то есть не вполне “доступные” для них. Если “легкую” органику могут усваивать даже бактерии, то “тяжелая” поддается деструкции в основном под действием ферментов грибов.
Органическое вещество почвы, которое выносится с поверхностными стоками в водную среду, весьма разнообразно по химическому составу. В большинстве своем это стойкие соединения. Время разложения отдельных фракций (объединяющих близкие по химической природе вещества) – от суток до нескольких тысяч лет. Например, лигнин, входящий в состав древесины, за 100 суток разлагается лишь на 10 процентов, а гумус за 3,4 тысячи лет – на 20.
Время распада сильно зависит от природы соединений, их структуры, размеров. Стойкие органические вещества состоят, как правило, из крупных макромолекул, образованных из мономерных единиц в результате поликонденсации. Они обладают хаотической дендроидной (разветвленной) или поперечно сшитой структурой. Типичные соединения такого рода — гидрофильные лигнины и гумусовые вещества. Водный гумус – это несколько групп стойких гидрофильных веществ. К ним относятся: соединения, извлеченные водой из почвы (фульвокислоты, гиматомелановые, гуминовые кислоты), белково- и углеводоподобные вещества, отложения планктона. Каждая группа содержит соединения, находящиеся на разных стадиях трансформации.
Распад органического вещества в водной среде представляет собой многоступенчатые реакции. В них участвуют растворенный кислород, различные ферменты, катализаторы – медь, железо, марганец, элементоорганические соединения, активизирующие действие кислорода.
При оценке скорости биодеструкции стойкого органического вещества нужно учитывать все факторы, действующие на этот процесс, в том числе структурные особенности вещества и механизмы его биоразложения. Именно такой подход мы использовали в своей работе.
– “Мы” – это кто?
– Монография “Механизмы и кинетика деструкции органического вещества в водной среде”, за которую я получила медаль Российской академии наук с премией для молодых ученых, – это плод шестилетнего научного труда, совместная работа с моим руководителем, заведующим лабораторией моделирования водно-экологических процессов Института водных проблем РАН, докто-
ром технических наук Борисом Михайловичем Долгоносовым. Он сыграл неоценимую роль в моем становлении как научного сотрудника, служит примером для подражания, непререкаемым научным авторитетом.
Мы исследуем процессы распада стойкого органического вещества в водной среде. Эта проблема связана с биодеструкцией углерода на планете в геохимическом цикле, оценкой потенциала самоочищения загрязненной воды и разработкой соответствующей системы нормативов, регулирующих качество водоемов. Для решения проблемы необходимо изучать механизмы деструкции под действием ферментов, выделяемых микроорганизмами, учитывать влияние на этот процесс структуры, размеров и реакционной способности органических молекул.
Механизмы ферментативной деструкции низкомолекулярных соединений изучены достаточно хорошо. Хуже обстоит дело с высокомолекулярными соединениями, в особенности с биополимерами с хаотической структурой. Это, например, лигнин и его производные, широкий спектр гумусовых веществ. В последние годы появляется все больше свидетельств того, что деструкция отклоняется от линейного закона, распад протекает по степенному закону, в котором отсутствует характерное время разложения.
В монографии рассматривается современное состояние исследований деструкции многокомпонентного органического вещества в водной среде на примере природного полимера – лигнина. Из широкого спектра стойкой органики наименее изучено разложение биополимеров с хаотической структурой, эталонным представителем которых считается именно лигнин. Это вещество широко распространено в природе, составляет до трети биомассы древесины, его техногенный вариант является основным отходом целлюлозно-бумажной промышленности и несет серьезную экологическую опасность для водных экосистем.
– Для чего и для кого могут быть полезны полученные вами результаты?
– Не впадая в преувеличение, можно сказать, что наша работа имеет особую актуальность. Мы исследуем природные процессы биодеструкции органического вещества, которые занимают ведущее место среди факторов, регулирующих темп самоочищения водной среды, и влияют (через качество вод) на благополучие водных экосистем, их биоразнообразие и доступность для человека. Остро стоит проблема техногенного загрязнения гидросферы органическими отходами производств, содержащими стойкие соединения. Деструкция органического вещества играет важную роль в планетарном цикле углерода, значительная часть которого приходится на Мировой океан, определяет параметры климата и состояние биосферы.
В нашей работе представлены свежие теоретические результаты, обоснования нового подхода к кинетике ферментативной деструкции биополимеров с хаотической структурой, что вносит существенный вклад в такое научное направление, как гидрогеохимия органического вещества. В области моделирования процессов самоочищения водной среды предлагаемые методы отвечают высоким современным требованиям, а что касается описания биодеградации многокомпонентного органического вещества, то оно и вовсе выполнено впервые. Теоретические исследования не только не уступают зарубежным, но и по ряду позиций опережают их. Монография представляет интерес для специалистов по геохимии, гидрохимии, экологической химии, а также для исследователей, занимающихся проблемами водных ресурсов и природопользования.
Наши исследования помогли выявить важные кинетические закономерности процесса биодеструкции стойкого органического вещества. Разработана математическая модель кинетики распада неупорядоченных биополимеров с хаотической структурой (таких как лигнин, гумусовые соединения). Мы провели глубокий анализ особенностей строения, структуры, молекулярной организации вещества и механизмов ферментативной деструкции в водной среде. Все эти работы легли в основу базиса модели. Такого рода подход использован впервые и в современных научных исследованиях не имеет аналогов.
– Надеюсь, не собираетесь останавливаться на достигнутом?
– В конце 2012 года была поддержана моя заявка на молодежный грант РФФИ, и сейчас я – руководитель проекта “Экспериментальное изучение механизмов и кинетики биодеструкции гумусовых веществ в водной среде”. Этот грант поможет подтвердить ранее выведенные теоретические закономерности, основанные на собственных экспериментальных исследованиях, даст возможность получить новые знания о компонентах гумуса, которые широко распространены в природе и относятся к стойким органическим соединениям, трудно поддающимся деструкции. У них достаточно сложные структуры, поэтому не так просто постичь механизмы их изменения в водной среде. Но возможности продвинуться в этом направлении есть. Скажем, известно, что гумусовые вещества способны трансформироваться под воздействием грибов, однако изучение подобных процессов почти не проводилось. Словом, перед нами широкое поле деятельности. Экспериментальные исследования в рамках гранта – лишь начало очередного этапа научного поиска.

Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото из архива
Т.Губернаторовой

Нет комментариев