Ćirilica | Početak § Radovi → Perminova 27.06.2024.

„Morali smo da skinemo kapu pred našom materijom”

Huminske materije su sve vrste hemije u jednom.

Fotografija Irine Perminove

Irina Vasilьevna Perminova
vice-prezident Meždunarodnogo guminovogo obщestva (IHSS).
Foto: Юliя Černova, press-služba himfaka MGU

Verovatno je svako od nas barem jednom razmišljao o tome kako je neživa materija jednom postala živa. Gde je ta granica? U čemu je suštinska razlika? Koji su uslovi za ovaj prelaz? Može li se to veštački stvoriti?

Pokazalo se da huminski sistemi omogućavaju takav prelaz, podržavajući život u svoj njegovoj raznovrsnosti. Šta su to huminski sistemi, zašto je važno proučavati ih i koje nam nove mogućnosti pružaju, objašnjava Irina Perminova, doktor hemijskih nauka, profesor, rukovodilac laboratorije prirodnih huminskih sistema na Katedri za medicinsku hemiju i fini organski sintez Hemijskog fakulteta Moskovskog državnog univerziteta (MGU).

Vek složne materije

Glavna oblast našeg interesovanja je prirodna organska materija. Radimo na spoju živog i neživog. Huminske materije su proizvod razlaganja cele žive organike, u koje se pretvaraju biljke nakon odumiranja. One igraju veoma važnu ulogu u očuvanju i održavanju života u prirodi jer čine neživu materiju pogodnom za život živih bića. Biljke, umirući, same đubre zemljište. Takvi sistemi kao što je zemljište, mogu postojati samo zahvaljujući tome što postoje naši huminski sistemi.

Žan-Mari Len, dobitnik Nobelove nagrade za hemiju iz 1987. godine, prvi je dao definiciju supramolekularne hemije. On je, hvala Bogu, još uvek živ i bavi se hemijom složenih sistema na Univerzitetu u Strazburgu (Francuska). Slušala sam ga 2019. godine u Parizu, gde je govorio na kongresu posvećenom 100-godišnjici Međunarodnog društva čiste i primenjene hemije (IUPAC). Izuzetan mislilac, filozof i sjajan hemičar. Rekao je: „Svi znaju šta je glavno pitanje biologije. To je poreklo života. Svi znaju glavno pitanje fizike — poreklo našeg svemira. A šta je glavno pitanje hemije?”

To je pitanje kako je nastala složena materija. On smatra, a ja se s njim potpuno slažem, da je XXI vek vek složene materije, složenih sistema. Ovo je zvezdani trenutak za moju nauku, jer sam se huminskim materijama počela baviti još 1982. godine. I evo, već 40 godina pokušavam da odgovorim na pitanje šta su huminski sistemi. Mogli smo samo da se naklonimo pred našom supstancom i reći da nas ona neprestano uči. Zahvaljujući tome što radimo sa tako složenom materijom, bavimo se, u suštini, svim hemijama odjednom.

Znamo, da ništa ne znamo!

Šta znamo o huminskoj materiji? Znamo da je to složen sistem. Znamo mnogo, mnogo više nego mnogi drugi, o ovim materijama. Radimo na tome da im damo hemijsku definiciju. Ali hemijske definicije nema. Sve postojeće definicije su fenomenološke, strogo opisne ili operativne. Na primer, huminske materije su ono što se izvlači alkalijama iz zemljišta ili čvrstih goriva (treset, ugalj). Znamo da potiču iz biljaka: biljke odumiru, u njihovom sastavu se nalazi aromatski skelet, postoje ugljenični, peptidni, fenolni i drugi fragmenti.

Pri tome, pošto je to produkt razlaganja, nastaje ogromna količina niskomolekularnih jedinjenja, nešto manje oligomera i veoma malo ostataka biomakromolekula-prekursora.

Za proučavanje molekularnog sastava huminskih sistema radimo sa mas-spektrometrijom ultravisoke rezolucije, što je naš osnovni alat za razumevanje složenosti huminske materije. Samo nam je on omogućio da opisujemo huminski sistem brojkama, i to već možemo raditi. U njihovom sastavu vidimo oko stotinu hiljada molekularnih sastava.

A sada pokušajte sto hiljada molekularnih sastava pomnožiti sa 107 količini izomera — to je veličina hemijskog prostora koji se nalazi u kapljici bilo koje huminske supstance koju izvučemo iz tla, vode ili uglja. Koliko to iznosi?

Zaštititi živo

Priroda je upravo tako uređena. NJena raspodela je složena. Zašto takve složenosti, moglo bi se zapitati? To je jedan od osnovnih alata kojim se priroda prilagođava antropogenim, klimatskim i drugim uticajima. To su veoma snažni uticaji. Zadatak živoga je da zaštiti samo sebe.

Ono stvara svoje okruženje, kako bi moglo da postoji u njemu. Živo biće ne postoji izvan svog okruženja, ono je sredina u kojoj živi. A humusna jedinjenja su produkt života koji mu stvara uslove za opstanak.

Na engleskom zvuči veoma lepo kao life sustaining functions, a na ruskom govorimo funkcii žizneobespečeniя (životne funkcije). To su funkcije koje imaju humusna jedinjenja. Ona omogućavaju biljkama pristup biogenim elementima, vezuju, na primer, toksične metale u nedostupne komplekse, stvaraju strukturu zemljišta — to je nanostruktura. Ona daje hidrofobnost zemljišnim grudvama, čime se stvara vodootporna struktura zemljišta koja se ne raspada pri dodiru sa vodom.

Evo postoji živi organizam — kako on postoji? Ima procese anabolizma, odnosno sinteze organske mase, i katabolizma — raspada organske mase. Anabolizam plus katabolizam vam daje metabolizam. Pri tome, ako analizirate metabolite, oni vam mnogo govore: zdravi organizam, ne zdravi organizam, šta je bolest. S druge strane, to su proizvodi koji vam obezbeđuju život.

A sad uzmimo zemlju. Na njoj postoji samo jedan anabolički proces nagomilavanja primarne biomase — to je fotosinteza. Sva energija dolazi odatle. Biljke uzimaju ovu energiju, daju biomasu. Dalje, biomasa se raspada, daje metabolite. To su huminske supstance. To je sistemski metabolit. One osetljivo reaguju na globalno zagrevanje klime, na primer. Na ponašanje ljudi, na sve što se dešava u prirodi.

Molekularna kuhinja

Bavimo se izučavanjem molekularne organizacije, istražujemo funkcije i način na koji huminske supstance u prirodi postaju markeri različitih procesa. Najvažniji na današnji dan je Arktik, jer je to klimatska kuhinja gde se dešava jaka promena svega na svetu. Ove godine kod nas će biti odbrana jedne doktorske disertacije o arktičkoj organskoj materiji. Naša Anja Hreptugova je tri godine za redom išla na ekspedicije Severnim morskim putem, od Arhangelska do Istočno-Sibirskog mora, donela uzorke koje smo analizirali.

Jasno vidimo očigledan trend promene organske materije od oksidovanog aromatskog ka vostanovljenom alifatskom na zapadu ka istoku, jer na istoku sada bukvalno teče večna zamrznutost. Organska materija večne zamrznutosti je principijelno različita, nije ona koja se formira u zemlji srednjih širota. Ona je slabo humificirana (nerazložena) organska materija. I vidimo da se brzo razlaže, jer nije obrađena mikroorganizmima i bila je sahranjena. Pri tome dolazi do ogromnog oslobađanja metana i ugljen-dioksida.

Imamo jako malo načina, alatki na molekularnom nivou da bismo posmatrali klimatske procese. Ovde, faktički, ispred naših očiju je celokupna molekularna kuhinja. Radila sam pet godina u institutu za globalnu klimu i ekologiju i znam koliko je teško vršiti takva istraživanja, povezujući molekularnu nauku i makroprocese. Obično se operiše samo ugljeničnim tokovima. Ali tok ugljenika je jedno, a kvalitet ugljenika je drugo. Mi pokazujemo da ove supstance mogu biti ne samo indikatori globalnog zagrevanja, već i, na primer, traseri vodnih masa.

Ovo je vrlo ozbiljno područje našeg rada. Učestvujemo u projektu koji vodi dopisni član Ruske akademije nauka Igor Semiletov. To je mega grant dobijen od Tihookeanskog okeanografskog instituta Dalekoistočnog ogranka Ruske akademije nauka. Mi obezbeđujemo molekularnu hemiju, dok oni obavljaju sve ostalo.

Prirodni bafer

Takođe se bavimo interakcijom huminskih supstanci sa različitim vrstama ekotoksikanata: teškim metalima, pesticidima, poliaromatskim ugljovodonicima. Pokazali smo da rezultat ovih interakcija jeste smanjenje toksičnosti. Naše supstance deluju kao prirodni baferi, koji omogućava zaštitu živih organizama od naglog ispuštanja, od naglih promena uslova života.

Sledeći zadatak je iskoristiti svojstvo smanjenja toksičnosti kako bismo stvorili tehnologije za rekultivaciju. Posebnu pažnju posvećujemo interakciji između huminskih supstanci i mineralnih komponenti u zemljištu. To se pre svega odnosi na glinene komponente. Glina je suštinski prirodni nanomaterijal, manja je od 0,2 mikrona. U kombinaciji sa huminskim supstancama, ona stvara jedinstvene formacije.

Slična konstrukcija se ostvaruje kada se okean čisti od naftnih ugljovodonika. Kada se oni izbace na obalu, tamo ostaje folija. Zatim dolazi talas, sve se emulguje, razbija. Nakon toga kapljice se oblažu glinenim česticama, modifikovanim organskim materijama. Tako se dobija tzv. emulzija Pikeringa. Samo što je zemljište obrnuta emulzija (voda u vazduhu), a ovo je direktna (ulje u vodi). Kapljice nafte, stabilizovane glinenim česticama, dobijaju negativnu plivajućnost i počinju da tonu na dno. Ova cela glinena komponenta savršeno se naseljava mikroorganizmima, koji razgrađuju naftne kapljice. Tako priroda funkcioniše.

Generalno čišćenje

Naše osnovno usmerenje je adaptivna hemija. Želimo da stvorimo materijale i tehnologije zasnovane na prirodnim procesima. Ovo nije „zelena” hemija koju su stvarali hemičari i hemijski tehnolozi kako bi dobili tradicionalne hemikalije novim bezbednim metodama. Ekoadaptivna hemija stvara nove prirodnim procesima slicne supstance i procese. Glavne oblasti primene takvih supstanci i procesa su ekologija, medicina i poljoprivreda.

Imamo mnogo patentnih razvoja gde su opisane mogućnosti primene. Imamo još više ideja. Međutim, realizovanih na nivou tehnologija nije toliko koliko bismo želeli. Razvili smo tehnologiju in situ pranja zemljišta zagađenog dizel gorivom.

Naša tehnologija je odgovor na Noriljsku katastrofu 2020. godine, kada se izlilo 20 hiljada tona dizel goriva. Bila sam član međuresorne komisije za tu nesreću i lično sam posmatrala dešavanja. Predložili smo tehnologiju površinskog pranja, kako bismo uklonili sloj dizel goriva sa obale reke bez oslobađanja goriva u slobodnom obliku.

Suština je u sledećem: uzimamo naše huminske agense, bentonit, siguran emulgator i pravimo Pikering emulziju — nanosimo naše agense za čišćenje na obalu, čekamo određeno vreme, zatim ispiramo sve. U osnovi smo predložili sredstvo za „generalno čišćenje”, kako ništa ne bi mirisalo, sve bi blistalo.

Zaključak državne ekološke ekspertize dobili smo prošle godine, što otvara mogućnost za korišćenje te tehnologije. Sproveli smo terenska ispitivanja tehnologije. Sada svaka organizacija može koristiti naš razvoj prema potrebi.

Dole antibiotikorezistentnost

Među našim najvažnijim planovima su medicinski projekti. Trenutno radimo na bio-nanomaterijalima za zarastanje rana. Kompozicija nanočestica srebra i huminskih supstanci poseduje ne samo svojstva zarastanja rana, već i antibakterijsko dejstvo. Ovaj rad se razvija u okviru kompleksnog projekta Ruske naučne fondacije (RNF) iz hemije i medicine, gde razvijamo kompozicije u oblasti hemije.

Testiranje naših kompozicija vrši Sibirski državni medicinski univerzitet (Tomsk). Trenutno smo na završnoj fazi projekta, u poslednjoj godini rada. Ovim radom se veoma zainteresovala i pridružila nam se Vojno-medicinska akademija imena S. M. Kirova. Trenutno najinteresantniji rezultat koji smo postigli je obnavljanje osetljivosti na antibiotike.

Osnova antibakterijskog dejstva naših kompozicija je srebro. Prednost našeg metoda sinteze nanočestica srebra je u tome što nam nisu potrebni nikakvi redukcijski agensi; nanočestice se same formiraju iz jonskog srebra u prisustvu huminskih supstanci.

Radimo sa grupom Marine Zikove. Oni proučavaju biološku aktivnost naših supstanci i pokazuju da one nemaju citotoksičnost, oksidativna svojstva, već mogu biti dobre farmakološke supstance.

Znamo da je jedan od najtužnijih trendova našeg vremena antibiotička rezistencija, i imali smo ideju da bi kombinacija i stohastičnost naše supstance mogli uspeti da otežaju prepoznavanje naših antibiotika od strane bakterija.

Uspeli smo, ali samo u prisustvu srebra. Sistem funkcioniše upravo zbog ove kombinacije. Molekularni mehanizam nam nije potpuno jasan. Vidimo da se povećava provodljivost, ali još uvek ne znamo putem kojih molekularnih mehanizama.

Nadamo se da će projekat imati nastavak. Ove godine trebalo bi da pronađemo produženje projekta i sve naše napore usmerimo na prevazilaženje antibiotičke rezistencije pomoću različitih kombinacija.

Bibliografija