Химическое строение и свойства биомосов
Химические и физико-химические исследования как синтетических, так и природных биомосов показали, что эти вещества представляют собой продукт окислительной конденсационной полимеризации, проходящей в условиях протонно-апротонного катализа.
Процесс биомосирования и условия, при которых он происходит, удобнее всего рассматривать на примере синтеза наиболее простого, "модельного" биомоса. Такой раствор представляет собой достаточно емкую буферную систему, удерживающую pH в ходе реакции в интервале между слабощелочными и слабокислыми значениями. В этой системе при энергетическом воздействии, сопровождаемом доступом окислителя (например, кислорода воздуха), происходит процесс окислительной конденсационной полимеризации с образованием высокомолекулярного металлокомплекса, названного глюкомосом. Глюкомос, как и другие биомосы, проявляет высокую биологическую активность в форме противоотечной (противовоспалительной) активности, обозначаемой далее ПВА. Исходный раствор (до энергетического воздействия), а также вещества, полученные при том же энергетическом воздействии, но без наличия в растворе хотя бы одного из перечисленных выше компонентов, ПВА не проявляют.
Глюкомос, синтезированный с соблюдением всех необходимых условий, дает качественные реакции на гумусовые вещества и, в частности, разделяется на гуминокислото- и фульвокислотоподобные фракции. Соединения, полученные при отсутствии одного из перечисленных выше необходимых компонентов, не разделяются на указанные фракции, а также не обладают свойствами амфотерного полиэлектролита, характерными для всех биомосов. Это обусловлено различным химизмом образования конечных продуктов реакции.
При полном наборе необходимых исходных компонентов под влиянием энергетического воздействия (кипячения раствора или облучения УФ-светом лампы ДРТ-220 в течение 100-120 минут) происходит быстрое образование оксоформы глюкозы, обладающей высокой химической активностью. Этим обеспечивается легкость эпимеризации глюкозы с превращением ее через энольную форму в маннозу и фруктозу и последующим окислением до глюконовой кислоты.
Наряду с описанным процессом в присутствии фосфатных группировок образуются также фосфорнокислые эфиры глюкозы с дальнейшим расщеплением до молочной и, частично, муравьиной кислот. Последние наряду с глюконовой кислотой участвуют в образовании координационных комплексов с Fe3+-ионами, а также в конденсационной полимеризации образующихся промежуточных продуктов.
Если в смеси реагирующих веществ нет слабощелочной буферной системы, то глюкоза находится преимущественно в таутомерной циклической форме (внутримолекулярных полуацеталей многоатомного альдегидоспирта). Содержание альдегидной формы, наиболее способной легко вступать в реакцию, весьма незначительно (менее 0,3 %). Под влиянием энергетического воздействия процессы полимеризации с образованием полисахаридов превалируют над процессами окисления.
Таким образом, отсутствие в растворе слабощелочной буферной системы препятствует активному образованию кислот, являющихся одним из источников протонов, необходимых для осуществления протонно-апротонного катализа, лежащего в основе образования биомосов.
Без наличия в растворе ионов переходных металлов не может быть задействован второй, апротонный, компонент катализа, в связи с чем образование координационных комплексов не происходит.
Глюкомосы, полученные путем термического или лучевого воздействия на исходные компоненты, не идентичны. УФ-облучение обеспечивает избирательные изменения электронной конфигурации молекул: квантованностью по энергиям молекулярных орбиталей создается квантованность энергии возбуждения и передача энергии строго определенной электронной системе молекулы, имеющей соответствующую полосу поглощения.
В противоположность этому при термических воздействиях энергия передается за счет столкновений молекул с одновременным возбуждением как желательных, так и нежелательных состояний и связей всех реагентов.
В результате при УФ-облучении образуется бесцветный опалесцирующий раствор (после высушивания - сероватый порошок), а при термической обработке - более вязкая однородная смесь красноватого цвета (вследствие частичного осмоления глюкозы), а после высушивания - желтовато-бурая смолоподобная масса.
Однако благодаря определяющему действию прочих равных условий, описанных выше, наиболее существенные химические, физикохимические и биологические характеристики глюкомоса термического и глюкомоса лучевого аналогичны.
Основные механизмы образования глюкомоса в более простой (фотохимической) системе можно представить следующим образом.
Роль апротонных катализаторов в реакции биомосирования выполняют не сами по себе ионы переходного металла, а их гидроксо-, аквагидроксо- и аквакомплексы:
Аква-гидроксокомплексы образуют многоядерные структуры с гидроксильными мостиками между ионами железа. Происходит значительная активация воды, входящей в аквакомплекс. Многократно возрастает константа ионизации.
Наряду с образованием аква-гидроксокомплексов возникают эксиплексы (возбужденные комплексы) Fe3+-ионов с глюкозой. При этом имеет место перенос заряда за счет перехода электронов с орбиталей лиганда (глюкозы) на орбитали центрального атома, который восстанавливается до Fe2+. Наряду с аква-гидроксокомплексами железа реакция переноса заряда инициирует процесс фотохимического окисления глюкозы. По мере накопления продуктов окисления вероятна фотоанация (замещение) молекул воды (в ее комплексах с железом) анионами кислот, образующихся из глюкозы.
В результате высокая биологическая активность раствора глюкомоса обусловлена не только свойствами комплекса "металл-органический лиганд", но и "металл-неорганический лиганд" (вода, гидроксильные группировки). Существенно, что обе эти системы сходны с электроно-донорно-акцепторными комплексами (ЭДА): вместо структуры Д...А (донор-акцептор электронов) за счет эффекта поляризации преобладает структура Д+... А- (ионная пара).
Возбужденную ЭДА систему представляет собой не только раствор с исходным набором компонентов, необходимых для образования биомоса, подвергнутый энергетическому воздействию, но также облученный УФ-светом раствор глюкозы в фосфатном буфере (в отсутствие ионов железа). Если в этот облученный раствор добавить необработанный (не активированный УФ-светом) раствор хлорного железа, развивается реакция биомосирования с образованием глюкомоса.
Аналогичным образом процесс биомосирования развивается без дополнительного энергетического воздействия при добавлении облученного раствора хлорного железа к необлученному раствору глюкозы в фосфатном буфере.
Активированные системы, способные к образованию биомосов после смешивания с недостающей компонентой, названы нами пробиомосами. Значительный гипсохромный сдвиг максимума поглощения в электронных спектрах при введении пробиомоса в реагирующую систему свидетельствует о переходе последней в возбужденное состояние. Дальнейший энтропийный процесс дезактивации, сопровождающийся перераспределением электронной плотности в образующихся макромолекулах и гиперхромией, реализуется по пути окислительной конденсационной полимеризации, создания координационных соединений, сопровождающихся на начальных стадиях процесса биомосирования хемилюминесценцией (см. рис.1. и табл.1).
Рисунок 1
Электронные спектры поглощения
А) 1 - необлученного (Iир) и 2 - облученного (Iос) растворов глюкозы, фосфатного буфера и хлористого железа. В качестве холостой пробы использован фосфатный буфер.
Б) 1 - необлученный раствор глюкозы в фосфатном буфере (IIир); 2-облученный раствор глюкозы в фосфатном буфере (IIос); 3-облученный раствор глюкозы в фосфатном буфере через 4 часа после облучения (IIосд); 4 - смесь облученного раствора глюкозы в фосфатном буфере (IIос) и необлученного раствора хлорного железа в фосфатном буфере (IIIир). Растворы смешивали в соотношений 1:1. Исходная концентрация глюкозы 6%, хлорного железа - 0,008%; концентрация после смешивания 3% и 0,004% соответственно.
ИР - исходный (не облученный УФ-светом) раствор.
ОС - облученный УФ-светом раствор (облученная система).
Таблица 1
Электронные спектры поглощения облученных и необлученных систем
| Системы | Изменение оптич. плотности, ΔD, % | Изменение длины волны, Δλ, нм | Энергия перехода, Δ Ω, кДж/моль | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| λmin | λmax | λmin | λmax | λmin | λmax | |
| Iир → Iос | 6,7±0,1 | 16,3±0,2 | 6,5±0,5 | 5,5±0,4 | 12,2±0,9 | 10,8±0,8 |
| IIир → IIос | - | 1280,0±15,0 | - | 35,0±2,4 | - | 68,9±4,5 |
| IIIир → IIIос | 3,0±0,05 | 6,5±0,07 | 1,9±0,1 | 0,1±0,01 | 3,7±0,2 | 0,2±0,02 |
| IIос + IIIир | 82,0±3,5 | 284,6±12,0 | 10,0±0,8 | 13,0±1,0 | 19,7±1,6 | 25,6±2,0 |
I - раствор, содержащий все исходные компоненты (глюкоза, фосфатный буфер, FeCl3);
II - раствор глюкозы в фосфатном буфере;
III - раствор FeCl3 в фосфатном буфере.
Мы предположили, что возбужденные комплексы типа пробиомосов способны инициировать образование биомосов непосредственно в организме из ресурсов последнего. В качестве исходной среды для индукции пробиомосов УФ-облучением была исследована природная слабоминерализованная вода. Многие минеральные воды представляют собой буферные растворы органо-минеральных компонентов, в том числе - малых концентраций ионов переходных металлов. Такие слабоминерализованные воды (например, некоторые воды Харьковского минерального яруса) не обладают высокой терапевтической активностью и нередко квалифицируются как столовые, а не лечебные. В то же время в этих водах в малых концентрациях содержатся компоненты, необходимые для образования пробиомосов, а также, возможно, и высокоактивных биомосов.
Действительно, проведенные исследования показали, что после 100-120 минутного облучения УФ-светом слабоминерализованная вода приобретает выраженную биологическую активность, в том числе терапевтическую эффективность при таких заболеваниях, как лекарственная аллергия, стрессовые состояния, генерализованный туберкулез (при приеме воды перорально), парапроктит (введение воды в микроклизмах) и при других патологических процессах.
Медицинская проверка возможности активации слабоминерализованной воды УФ-светом (без внесения в нее каких-либо дополнительных компонентов) позволяет сформулировать гипотезу об инициирующей роли пробиомосов (и малых доз биомосов). Попадая в организм, они, по-видимому, побуждают первичную защитную систему эндогенных биомосов (филатовских "биогенных стимуляторов"), ранее разрушенную или ослабленную, к восстановлению.
Для активации минеральных вод в медицине используют, в частности, метод магнитной обработки воды. Однако, механизм такой активации до сих пор является предметом научных дискуссий.
Нам представилось интересным изучить на модельной системе биомоса (глюкомоса) действие магнитных полей. Проведенные эксперименты показали, что после обработки исходного раствора постоянным магнитным полем напряженностью на полюсах от 300 до 6-8 эрстед ( в центре - от 150 до 2-4 эрстед) раствор приобретал ПВА, приближающуюся к активности аналогичного раствора после обработки его УФ-светом. При отсутствии в системе хотя бы одного из необходимых исходных компонентов (см. выше) магнитная обработка не способствовала повышению противовоспалительной активности.
В другом варианте опытов раствор глюкомоса, помещенный в круговое магнитное поле лабораторной магнитной мешалки ММ-З, терял не только противовоспалительную, но и антиокислительную активность, свойственную биомосам. Равным образом УФ-облучение исходных растворов при размещении их в магнитной мешалке (круговом движущемся магнитном поле) не вызывало образования биологически активных продуктов. Более того, для последующего восстановления биологической активности раствора глюкомоса, предварительно обработанного круговым движущимся магнитным полем, требовалось более значительное энергетическое воздействие, чем для первичного образования глюкомоса.
Из сказанного, по нашему мнению, можно сделать ряд выводов:
- Векторное магнитное поле способствует образованию биомосов, что отчасти обусловлено, вероятно, уменьшением структурной неупорядоченности реакционной среды и, тем самым, - снижением энергетического барьера активации реакции биомосирования; в еще большей мере это может быть обусловлено воздействием векторной магнитной энергии, не исследованной до сих пор.
- Круговое движущееся магнитное поле дестабилизирует и разрушает биомосы и реакцию их образования.
Но если это так, то возникает предположение: не вызвано ли скверное самочувствие космонавтов после длительного пребывания на орбитальных станциях, как и известные факты нарушения развития животных и эмбрионов в космических орбитальных экспериментах, не столько невесомостью, сколько длительным отсутствием действия необходимого для организма векторного магнитного поля Земли, возникновением своеобразного эффекта магнитной мешалки по отношению к тому "раствору биомосов", которым является, (точнее, должен являть собой) живой организм? И, наконец, если это предположение верно, то живым организмам в орбитальных полетах жизненно необходимы малые дозы экзогенных биомосов.
В образовании синтетических биомосов из растительного сырья, а также природных биомосов участвуют десятки исходных веществ. При изучении столь сложных соединений первичную информацию дают различные методы физико-химического анализа.
Рентгеновские фотоэлектронные спектры биомосов обнаружили в их структуре наличие углеродного скелета, состоящего из бензольных колец, соединенных углеродными мостиками, и содержащего функциональные группы - гидроксильную, карбоксильную, аминогруппу и, в некоторых случаях, азотсодержащие гетероциклы. Анализ спектральных линий атомов металлов показал, что последние связаны с органическим ансамблем циклических комплексов координационными связями.
В инфракрасных спектрах биомосов выявляются гидроксильные, фенольные и спиртовые группировки, свободные и соединенные водородными связями; метильные, метиленовые, метоксильные, карбонильные группы, свободные и соединенные водородными связями с гидроксильными группами; карбоксильные группы, а также ароматические С=С и С-Н связи (см. рис.2. Инфракрасные спектры биомосов).
Существенно, что аналогичный характер инфракрасного спектра имеет биомос из глюкозы (глюкомос) - фиг. 4 на рис.2. С другой стороны важно, что для ИК-спектров биомосов свойственны те же характеристические полосы, что и для гуминовых веществ. Более того, сходна также относительная интенсивность характеристических полос.
Спектры электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) различных биомосов выявляют, как и в гуминовых веществах, сигналы органических радикалов с g-фактором, близким к таковому свободного электрона (2,004), а также сигналы ионов переходных металлов (Fe, Mn). Для некоторых образцов биомосов характерна идентичность формы и интенсивности сигналов ЭПР. В целом же одно из наиболее важных свойств рассматриваемых образований - это парамагнетизм, отражающий способность кооперативных кластерных систем к накоплению и переносу энергии.
В таблицах 2. и 3. сопоставлены показатели, являющиеся специфичными и диагностическими для гумусовых веществ. Количественные пределы показателей для гумусовых кислот и фульвокислот контрастных типов почв (чернозема и дерново-подзолистой) заимствованы из монографии Д.С.Орлова (1974). При проведении анализов соблюдены все требования стандартизации, предъявляемые к гумусовым веществам. Диагностические показатели пересчитаны на вещество, высушенное при температуре 65°С и обеззоленное.
Данные элементного и качественного спектральных анализов (см. табл.2.) показывают, что в биомосах, полученных на основе водного экстракта из растительного сырья, содержатся те же органогенные и неорганические элементы, что и в гуминовых кислотах. При этом содержание углерода, азота и бензолполикарбоновых кислот (БПК) находится в пределах, характерных для гуминовых кислот дерново-подзолистых почв.
Таблица 2
Элементный состав биомоса и гумусовых веществ
| Показатели | Метод анализа биомоса | Биомос | Гумусовые вещества | ||
|---|---|---|---|---|---|
| ГК чернозема | ГК дерн.-подз. почв. | ФК | |||
| Содержание, %, на сухое беззольное вещество: | |||||
| углерода | элементный | 50,7±1,0 | 57,9±1,6 | 53,4±1,9 | 40,0±1,1 |
| водорода | тот же | 7,1±0,5 | 4,0 | 4,8 | 5,3 |
| азота | Микрометод Дюма | 4,5±0,3 | 4,0±0,2 | 4,7±0,6 | 3,7±0,2 |
| кислорода | По разности | 38,7±3,2 | 36,3 | 37,7 | 49,0 |
| Содержание, %, на воздушносухое вещество: | |||||
| фосфора | Качественный спектральный По Шёнингеру | 10-1-1,01,0 | 0,1-0,33* | 1,8-3,7 | |
| натрия | Пламенная фотометрия | 3,0±0,5 | 0,05-0,15* | - | |
| калия | тот же | 3,3±0,5 | ~0,6* | - | |
| кальция | Качественный спектральный | 10-1-1,0 | ~0,04* | - | |
| кремния | тот же | 10-1-1,0 | ? | - | |
| магния | тот же | 10-1-1,0 | ~0,02* | - | |
| железа | тот же | 10-3-10-1 | ~1,0* | - | |
| микроэлементы | тот же | 10-5-10-3 | Микроколичества | - | |
Примечание. * - величины, приведенные безотносительно к виду почвы.
Рисунок 2
Инфракрасные спектры биомосов
А - призма NaCl; Б - призма LiF:
1 - кислотная форма гуминокислотноподобной фракции биомоса, полученного на основе водного экстракта растительного сырья,
2 - нативная форма того же препарата,
3 - кислоторастворимая форма того же препарата,
4 - нативный биомос из глюкозы
Таблица 3
Некоторые химические и физико-химические
характеристики биомоса и гумусовых веществ чернозема (Ч),
дерново-подзолистой почвы (ДП),
торфа (Т) и слабогумифицированных видов почв (СГ)
| Показатели | Биомос | Гумусовые вещества | |
|---|---|---|---|
| ГК | ФК | ||
E 0,001% 465 нм |
0,012 | 0,097-0,119(Ч) 0,041-0,057(ДП) 0,020-0,030(СГ) |
0,007 0,018 |
|
К цв = ————
Д465
Д650
|
6,4 | 3,0-4,0 (Ч) 3,4-4,7 (ДП) 5,3-10,3 (СГ) |
9,0 - 18,0 |
| Бензолполикарбоновые кислоты, % на сухое беззольное вещество | 4,2±3,5 | 20,0(Ч) 6,0-7,0(ДП) 2,8(Т) |
3,0 -6,0 |
| Содержание негидролизуемого остатка, % | 24,7±2,0 | 70,0 (Ч) 55,0 (ЧП) |
- |
| Содержание суммы кислотных группировок, мг-экв/г | 13,6±1,5 | 3,0-17,0 | - |
| Содержание основных группировок, мг-экв/г | 2,0±0,4 | - | - |
| Плотность, г/см3 | 1,54±1,66 | 1,2-1,8 | 1,6 |
| Показатель преломления | 1,34 | 1,3-1,4 | - |
| Поверхностное натяжение, дина/см | 71,24 | 71-73 | - |
| Оптическая активность | 0 | 0 | 0 |
| Потеря в массе при высушивании (65°С), % | 4,6±1,0 | 6,8 | 5,5-10,4 |
| Общая окисленность, Δ (0, H) | -0,95±0,37 | +0,5 (Ч) 0,0 (ДП) -1,4 (Т) |
- |
| Относительная степень окисленности, w | -0,35±0,13 | +0,13-0,34 (Ч) 0,0 (ДП) -0,29 (Т) |
- |
Электронные спектры поглощения щелочных растворов биомосов в видимой и ультрафиолетовой областях имеют монотонный ниспадающий характер, как это свойственно гуминовым кислотам всех видов почв.
По величинам экстинкции при 465 нм и коэффициентов цветности (см. табл. З.) биомосы данного типа ближе всего к гуминовым кислотам и фульвокислотам слабогумифицированных почв.
Таким образом, биомосы, полученные на основе водных экстрактов растительного сырья, по сумме показателей имеют общий с гумусовыми веществами почв мотив строения и в химическом отношении могут быть отнесены к "молодым", слабогумифицированным образованиям. О последнем свидетельствуют: невысокая оптическая плотность растворов биомоса; относительно высокие значения коэффициентов цветности; сравнительно низкое содержание бензолполикарбоновых кислот; легкая гидролизуемость, а также восстановленный (на уровне торфов) характер вещества.С другой стороны, биомосы проявляют фундаментальные физико-химические свойства поликоординационных полимеров.
Так, традиционными химическими методами анализа в препаратах определяются сильно заниженные количества некоторых элементов и функциональных групп. По данным масс-спектроскопического анализа, например, содержание кремния и кальция превосходит 10%, в то время как фотоколориметрическим и гравитационным методами выявляются лишь следы этих элементов. Активный водород, активный кислород, сложноэфирные группировки и непредельные соединения классическими методами органического анализа не определяются вообще, тогда как в инфракрасных спектрах поглощения они обнаруживаются. Число фенольных групп, распознаваемых броматометрическим методом, составляет менее 0,2%; по данным же электронной спектроскопии в УФ-области доля полифенолов в биомосах достигает 10-11%.
При тонкослойной хроматографии в системах для полифенолов водные растворы биомосов не разделяются на фенолсодержащие фракции. Однако после гидролиза металлсодержащих комплексов подкислением растворов (до рН 1,0-2,0) удается разделить биомосы на ряд фракций (до восьми).
После кислотной обработки биомосов при исследовании спектров электронного парамагнитного резонанса проявляется сверхтонкая структура марганца.
Представленные материалы позволяют с уверенностью полагать, что биомосы, получаемые на основе растительных экстрактов, являются металлокомплексными соединениями, сопоставимыми с органоминеральными комплексами гумусовых веществ слабогумифицированного типа.
Более глубоко гумифицированные биомосы были получены путем электрохимической обработки сложных исходных наборов, содержащихся в жидких стоках животноводческих хозяйств. В основе этой технологии лежит та же реакция биомосирования методом окислительной конденсационной полимеризации, что и при получении биомосов на основе экстрактов растительного сырья.
Процесс характеризуется коротким производственным циклом (15-20 минут), высоким выходом конечного продукта (96-98 %) по сухому остатку стоков и практически завершается получением комплексных соединений железа, кальция и металлов-микроэлементов с органическими лигандами, образующимися в результате деструкции лигнина, белков, полисахаридов и других природных полимеров.
Ниже приведен фракционный состав искусственного гумуса, произведенного из стоков свинокомплекса в поселке Граково Харьковской области. При определении составляющих частей использована классическая методика Кононовой-Бельчиковой.
| Углерод гуминовых кислот (Сгк) | 20-45% |
| В том числе: связанный с Fe2O3 | 80-90% |
| связанный с Ca | 0-15% |
| Углерод фульвокислот (Сфк) | 0-25% |
| Остаток | 30-40% |
| Сгк/Сфк не менее | 0,7 |
Показатель глубины гумификации (Сгк/Сфк) находится на уровне нативного гумуса черноземов оподзоленных, а по показателям, связанным с Са и Fe2O3, ближайшим аналогом является гумус дерново-луговой почвы.
При сравнении химических характеристик искусственного гумуса с биогумусом (вермикулитом) - хорошо известным удобрением, которое получается путем переработки подстилочного навоза (чаще всего - крупного рогатого скота) красным калифорнийским червем, установлены данные, приведенные в таблице 4.
Таблица 4
Сравнительные показатели вермикулита
(ТУ 10 УССР 3336496-01-90 на удобрение "Биогумус")
и искусственного гумуса (биомоса)
| Показатели | Биогумус | Искусственный гумус |
|---|---|---|
| Влажность (%) | 50-60 | 78,2 |
| рН (ед. рН) | 6,8-7,2 | 6,0 |
| Содержание по сухому веществу: | ||
| азота (%) | не менее 0,8 | 0,3 |
| фосфора P2O 5 (%) | не менее 1,0 | 1,2 |
| калия K2O (%) | не менее 1,0 | 0,8 |
| кальция (%) | не менее 2,6 | 3,8 |
| магния (%) | не менее 2,4 | 0,64 |
| меди (мг/кг) | не менее 5,0 | 53,6 |
| марганца (мг/кг) | не менее 500 | 142,8 |
| цинка (мг/кг) | не менее 40,0 | 139,2 |
| кобальта (мг/кг) | не менее 2,0 | 11,3 |
| железа (мг/кг) | не менее 10000 | 6130,0 |
| ртути (мг/кг) | не более 10,0 | 2,0 |
| кадмия (мг/кг) | не более 40,0 | 0,71 |
| бактериальной флоры | 2·10-12 | нет |
| патогенной флоры | нет | нет |
При сопоставлении эффективности применения в овощеводстве искусственного гумуса с биогумусом доказано, что они не уступают друг другу или же биомос превосходит действие вермикулита. Таким образом, разработанные к настоящему времени технологии синтеза биомосов дают возможность получать широкий спектр гуминоподобных металлокомплексов и биополимерметаллов: от сравнительно простых слабогумифицированных биомосов, синтезированных из одного химического вещества и металла-биотика (типа препарата "глюкомос" ), до сложных глубокогумифицированных продуктов типа искусственного гумуса.
При разработке и изучении биомосов не мог не возникнуть вопрос об их структуре. Понятно, что для высокомолекулярных (гетерокомплексных) соединений речь может идти лишь о структурной модели, а не о точной химической формуле.
Естественно, при создании такой модели отправной точкой для нас послужили предложенные ранее структурные модели гуминовой макромолекулы. Большинство из них были построены на основе идеи о наличии в гумусовых веществах конденсированного (ароматического) гидрофобного ядра и периферических боковых цепей (Орлов Д.С., 1977, Гуминовые препараты, 1971; Гуминовые вещества в биосфере, 1993).
К сожалению, все без исключения модели такого типа не отражали и не могли объяснить те важнейшие свойства гумуса, которые обеспечивают плодородие почвы. Эти свойства, как известно, можно свести к следующим основным положениям:
- Гумус аккумулирует в верхнем слое почвы энергию Солнца.
- Катализирует межфазовые реакции, увеличивая растворимость солей и посылая в раствор ионы.
- Катализирует анионные реакции.
- Ускоряет транспортировку катионов через мембраны.
- Обеспечивает снабжение растений азотом, фосфором и калием.
- Улучшает физические свойства почвы.
- Консервирует почвенную влагу, понижая ее испарение.
Не менее существенно, что в структурных моделях гумуса, существовавших до разработки биомосов, не нашли своего места ионы металлов(Ca, Fe, Al, Cо, Mn и ряда других переходных металлов), без которых немыслимо само существование в почве гумусовых веществ. В равной степени то же относится к структурированной воде и всегда присутствующим в почве анионам SО42-, РO43-, СO32- и т.д.
Прежними структурными моделями невозможно было объяснить причины малой растворимости гумусовых веществ в воде, а также то обстоятельство, что они, как и синтетические биомосы, образуют с водой не пространственно-однородные гели, а более или менее устойчивые коллоидные растворы (что касается истинных растворов, то их содержание в биомосах составляет 0.2 - 0.5%).
Не объяснимы с позиций предложенных ранее моделей и такие существенные свойства биомосов (в том числе природных гумусовых веществ), как парамагнетизм и монотонный ниспадающий характер электронных спектров поглощения в области 220-800 нм. Указанные недостатки прежних структурных моделей побудили нас разработать модель, способную хотя бы на качественном уровне отразить и объяснить важнейшие свойства природных гумусовых веществ и синтетических поликоординационных структур (биомосов) /38/.
Отметим, что некоторые уже рассмотренные свойства биомосов и гумуса характерны для группы органических веществ, объединенных под названием "краун-соединения". Последние образуют замкнутые кольцевые структуры, внутри которых расположены центральные атомы металлов, связанные с краунами координационными связями.
Дальнейшее усложнение структуры краун-соединений с учетом того, что на месте атомов кислорода могут находиться атомы азота, серы и другие, приводит к объемным макроструктурным системам так называемых "клатратов" или "соединений включения". В этих соединениях в систему включаются не только отдельные ионы, но и аква-гидроксокомплексы и комплексы типа краунов. В целом четкой границы между краунами и клатратами не существует, можно с полным основанием приписать последним свойства краунов в более общем виде (Ф.Крамер, 1958; М.Хираока, 1986).
В водных растворах комплексообразующие ионы металлов сильно поляризуют молекулы координационной воды. Возникающие аквагидратные комплексы легко связываются (координационными и водородными связями) с группировками СОOH, -ОН, - Н2, = О многочисленных фрагментов, участвующих в реакции биомосирования.
При этом весьма существенно, что гидрофобные сопряженные конденсированные ароматические структуры, координационно связанные с комплексообразующими ионами металлов, создают не "ядро", а плотную наружную оболочку, обеспечивая таким образом возникновение малорастворимой в воде системы.
Рисунок 3
Модель биомоса (пространственная)
Комментарии в тексте
Рисунок 4
Структурная модель элемента биомоса
Комментарии в тексте
Дальнейшая эволюция возникающих металлокомплексов состоит в образовании кооперативных (объединенных) высокоинформативных структур, как это следует из основных положений пригожинской термодинамики открытых систем (Г.Николис, И.Пригожин, 1979).
В результате возникает клатратная многослойная трубка, содержащая внутри значительное количество структурированной воды, которая обеспечивает прочность трубчатой структуры. Наращивание трубки по длине лимитируется статистическими процессами, в частности, броуновским движением.
Используя предложенную клатратную модель и любую из существовавших ранее структурных схем гуминовых веществ, можно построить, по-видимому, достаточно объективную схему поликоординационной макромолекулы биомосов (рис.3. и 4.). Предложенная структура неплохо согласуется с большинством традиционных моделей строения гумусовых веществ, если учитывать, что эти модели отражают структуру плоскостных "осколков" реального гумуса, деструктурированного в результате жесткого щелочного гидролиза.
На основе построенной модели хорошо объяснима, прежде всего, избирательная связь гумусовых веществ с катионами определенных металлов. Например, известно, что фульвокислоты (ФК) имеют четко выраженное сродство с ионами Al3+, бурые гуминовые кислоты (БГК) - с ионами железа Fe2+ и Fe3+, черные гуминовые кислоты (ЧГК) - с ионами Са2+. Однако причины такой закономерности стали понятными лишь с позиций предложенной краун-клатратной модели.
Известно, что алюминий (Аl3+) - мощный высокозаряженный компактный ион, который в свободном виде существовать в водном растворе не может (за исключением очень кислых сред), мгновенно гидролизуясь с образованием полимерной гидроокиси. Мощное кулоновское поле иона создает практически непроницаемую для протонов (одного из двух необходимых компонентов катализа в реакции биомосирования) гидратную оболочку. Только высокоактивные краун-соединения, содержащиеся в фульвокислотных фракциях, способны "вырвать" ионы алюминия из гидроокиси с образованием подвижных краун-комплексов.
Таким образом, алюминий и его комплексы являются высокоактивным апротонным катализатором структурообразования, превалирующим над протонным компонентом, вследствие чего весь процесс структурообразования завершается на элементарном подвижном комплексе с фульвокислотой.
Ионы железа также несут высокий заряд (2+), (3+), однако радиус иона железа больше радиуса иона алюминия. В силу этого кулоновское взаимодействие с ионами - ОН- здесь существенно слабее. Поэтому в гидратную оболочку могут внедряться протоны, вызывая асимметрию электрического поля центрального иона и создавая благоприятные условия для внедрения органического лиганда. Происходит постепенное наращивание полилигандной оболочки по длине и толщине, то-есть образование трубчатой структуры. При этом лиганды частично "сшиваются" в единую молекулярную структуру за счет индукционного эффекта в поле комплексообразующего иона. Так возникает макромолекулярный комплекс БГК, который по степени поликонденсированности занимает промежуточное положение в ряду ФК-БГК-ЧГК.
И, наконец, кальций (Са2+) - достаточно слабый комплексообразователь, способный создавать вокруг себя сравнительно "рыхлую" гидратную оболочку, в которую легко внедряются органические лиганды и, в конечном счете, полностью ее заменяют. В такой оболочке индукционный эффект проявляется в наибольшей степени, связывая лиганды в единую полимерную макроструктуру с высокой степенью конденсирования. Таким образом, с позиции протонно-апротонного катализа кальций создает для него идеально сбалансированные условия, что приводит к образованию макромолекулярной структуры ЧГК. При этом следует подчеркнуть, что, играя важную роль в структурировании ЧГК, кальций отнюдь не заменяет обязательного участия переходных металлов-биотиков в обеспечении биологической активности образующихся глубокогумифицированных биомосов. То же в равной степени относится и к фульвокислотам: имеется в виду участие алюминия в их структурировании и переходных металлов - в гарантировании биологической активности.
При биологической (как и при химической) деструкции гумуса происходит, в первую очередь, разрыв внутренних связей, вследствие чего многослойная оболочка гумусовой макромолекулы раскручивается с выделением энергии. Этот процесс, прежде всего, осуществляется под действием ферментов, выделяемых корневой системой растений, результатом чего является, в частности, высвобождение клатратной воды и перенос катионов через мембрану. Высвобождаются также азотсодержащие (NH2-), фосфорсодержащие (HPO42-) и серосодержащие (SO42-) группировки, которые, вероятно, располагаются на условной "границе" ядра и периферии (за счет взаимодействия отрицательно заряженного аниона с индуцированным положительным зарядом внутренней части гидрофобной оболочки).
С позиций построенной модели можно определить также роль воды в формировании биомосов, в том числе гумусовых: когда в почве много влаги, активные группы фрагмента, участвующего в реакции биомосирования, распределяются равномерно и более или менее симметрично относительно линейного фрагмента "ядра".
При уменьшении содержания влаги в почве остается только та вода, которая связана в аквакомплексы. Гидрофильные активные группы ориентируются на эту воду, появляется нескомпенсированная сила, изгибающая и замыкающая фрагмент вокруг гидролизованного иона. Таким образом, для образования макромолекулы гумуса необходимо наличие нескомпенсированных гидрофильных сил, что возможно лишь при отсутствии сплошной водной среды. С другой стороны, формирование макромолекулы гумуса внутри клатратной трубки всегда требует преобладания координационной воды, защищенной от испарения плотной гидрофобной оболочкой. При полной потере влаги макромолекула гумуса разрушается, оболочка денатурируется и разворачивается. Однако в природе этот процесс не реализуется, так как для него необходима температура 100°С, поэтому внутриклатратную воду гумуса можно считать надежно защищенной от испарения.
Коллоидный характер растворов и значительная продолжительность процесса растворения биомосов определяются также, исходя из предлагаемой модели, блокированием функциональных группировок за счет поликоординации крауновского типа.
Донорно-акцепторные свойства биомосов связаны с эффектами координации органоминеральных аква-гидроксокомплексов переходных металлов высшей валентности. В таких системах окислительно-восстановительные качества органического лиганда изменяются - происходит внутрисферное автокаталитическое окисление путем превращения лиганда в реакционноспособный свободный радикал. При этом восстановленный ион переходного металла окисляется активированной (координационной связью) молекулой кислорода (Бионеорганическая химия. - 1978. - Т. 1), в результате чего в биомосах образуются стабильные свободные радикалы семихинонного типа, стабилизированные в полимерной поликоординационной матрице.
Таким образом, эффекты координации обусловливают особенности донорно-акцепторных свойств биомосов - парамагнетизм и специфический характер электронных спектров поглощения. В то же время один из парамагнитных сигналов возникает за счет наличия делокализованных электронов в составе органических свободных радикалов, а второй представлен сигналами ионов железа и марганца.
Ранее выдвигались следующие равновероятные причины парамагнетизма гуминовых веществ (Гуминовые препараты, 1971):
- Наличие делокализованных электронов в составе радикалов семихинонного типа, стабилизированных в полимерной матрице.
- Возникновение магнитных эффектов за счет сильных коллективных взаимодействий в кооперативных сопряженных системах.
- Образование комплексов с переносом заряда (КПЗ).
Ни одна из существовавших ранее моделей строения гумусовых веществ не дала достаточных оснований для объективного толкования причин парамагнетизма этого класса веществ. Предлагаемая же краун-клатратная модель позволяет предположить, что в биомосах содержатся все три источника парамагнетизма, в том числе и образование КПЗ (как следствие одного из эффектов координации - взаимодействия ионов переходных металлов с p -электронной ароматической системой).
Усиление интенсивности сигналов свободных органических радикалов после кислотной обработки биомосов является следствием нарушений полимерной матрицы (за счет разрушения координационных связей) с высвобождением свободного семихинонного радикала, имеющего более интенсивный и узкополосный сигнал, чем высокомолекулярный поликоординационный комплекс.
Свойственный гуминовым веществам монотонный ниспадающий характер электронных спектров поглощения в области 220-800 нм большинство исследователей связывают с наличием в их макромолекулах ароматических конденсированных структур.
Однако, во-первых, содержание этих структур в гуминовых веществах невелико - от 3 до 20 %. Во-вторых, остается неясным, почему хромофобные группировки боковых цепей, находящихся в сопряжении с ароматическим ядром, не проявляются в спектрах. Наконец, большинство ароматических соединений имеет хорошо разрешенные максимумы в интервале 180-300 нм, тогда как у биомосов, в том числе и у гуминовых веществ, в этой области максимумы не проявляются, а наблюдается лишь интенсивное возрастание светопоглощения.
Предложенные ранее модели строения гумусовых веществ не могут устранить эти противоречия, равно как и объяснить специфический характер электронных спектров поглощения биомосов с образованием в них комплексов с переносом заряда.
Предлагаемая краун-клатратная модель хорошо согласуется с представлениями об исключительной способности ароматических структур определять характер спектров поглощения: сопряженные ароматические конденсированные структуры, образующие плотную наружную оболочку и экранирующие расположенную внутри макромолекулы гидрофильную "начинку", в значительной степени обусловливают свойства спектров поглощения.
Однако наличие такой ароматической оболочки хотя и необходимо, но недостаточно для проявления специфических особенностей спектров поглощения. Вторым обязательным условием является присутствие в системе делокализованных электронов, мигрирующих по наружному "ароматическому" контуру макромолекулы.
Хромофорные группировки внутренней, гидрофильной части макромолекулы биомосов, равно как и индивидуальные ароматические ядра, в спектрах поглощения биомосов не проявляются вследствие эффекта маскирования.
В заключение необходимо более детально рассмотреть роль протонно-апротонного катализа в образовании биомосов.
Данный вид катализа осуществляется с участием гомогенных бифункциональных катализаторов - апротонных и протонных (Д.В.Сокольский и соавт., 1975).
Первые - это ионы переходных металлов и их комплексы, служащие акцепторами или донорами электронов. Апротонный катализ, в первую очередь, связан со свойствами металлокомплексных соединений, для которых характерны эффекты координации, обусловленные образованием как донорно-акцепторной (лиганд-металл), так и дативной (металл-лиганд) -связей.
Протонные катализаторы (группировки, поставляющие в реакцию ионы водорода) влияют на скорость и направление химических реакций, изменяя состав внутренней среды комплексов, снижая их устойчивость и создавая условия к замене одного лиганда другим, а также и дополнительного внедрения лиганда в комплекс.
Сочетанное действие апротонных и протонных катализаторов приводит к структурной динамике макромолекул биомосов, их наращиванию и высокой реакционной способности.
Биомосирование (в частности, гумусообразование) возможно только при использовании сбалансированного протонно-апротонного катализа, который имеет много общего с ферментативным катализом, работающим в мягкой среде живого организма, что позволяет осуществляться процессам, для протекания которых в условиях обычной химической реакции требуются более высокие температуры и давление.
Без специфичного, селективного и жесткого механизма активации субстрата апротонными катализаторами, запуска и обеспечения "затравочной" матричной реакции (образования аква-гидроксокомплексов) начальный этап формирования макрокомплексов биомосов невозможен.
В свою очередь, без неспецифического, мягкого и гибкого механизма активации за счет протонного катализа процесс синтеза завершился бы либо на образовании "затравочного" компонента типа Me(OH) R- √n (в щелочной среде), либо на доведении органических лигандов в смешанных аква- и аква-гидроксокомплексах (в нейтральной и кислой средах) до предельной степени окисления.
Сильное каталитическое действие протона обусловлено тем, что его внедрение или отщепление значительно меняет симметрию комплексного иона за счет перераспределения электронной плотности, увеличивая ее на атоме-доноре или уменьшая на атоме-акцепторе неподеленной пары. Внедрение протона в гидроксо- или аквагидроксокомплекс металла снижает устойчивость комплекса из-за увеличения константы ионизации. Кi координированной воды на 6-8 порядков выше по сравнению с Кi обычной воды. Кстати, именно по этим причинам не следует ожидать высокую гумусированность там, где среда почвенной вытяжки имеет кислый характер, что и наблюдается в природных условиях.
Литература
Бионеорганическая химия /Под ред. Г.Эйхгорна: Пер. с англ.-М.:Мир, 1978.-Т.1.-711с.
Гуминовые препараты: Науч.труды Тюменск. с.-х. ин-та.-1971.-Т.14. - 266 с.
Гуминовые вещества в биосфере: Сб.ст./Редколлегия: (Отв.ред. Д.С.Орлов) и др. - М.: Наука, 1993. - 237с.
Крамер Ф.Соединения включения: Пер. с англ. - М.:ИЛ, 1958.-169 с.
Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах: Пер. с англ.-М., Мир, 1979. - 512с.
Орлов Д.С. Гуминовые кислоты почв. - М.: Изд.МГУ, 1974. - 332 с.
Орлов Д.С. Кинетическая теория гумификации и схема вероятного строения гуминовых кислот// Биологические науки.- 1977. - Т.165. - №9. - С.5-16.
Сокольский Д.В. и др. Протонно-апротонный катализ ( в растворах).- Алма-Ата:Наука, 1975.- 246 с.
Хираока М. Краун-соединения: Пер. с англ.-М.: Мир, 1986.-363 с.
.......................................................................................
Copyright© 2002г. АО"Биомос"
Web-master