Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Состав и биологические свойства гумусовых кислот пелоидов

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Аввакумова, Надежда Петровна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА В БИОСФЕРЕ

1.1 Процесс гумификации и структурная организация гумусовых кислот

1.2 Групповой и фракционный состав гумусовых кислот

1.3 Элементный состав и функциональные группы гумусовых кислот

1.4 Структурная организация гумусовых кислот

1.5 Биологические свойства гумусовых кислот

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Этапы проведения исследования, характеристика объекта исследования и условия проведения экспериментов

2.2 Выделение, фракционирование и очистка гумусовых кислот Пелоидов

2.3 Методы идентификации гумусовых кислот. Определение экологической чистоты пелоидопрепаратов

2.4 Методы исследования структурной организации гумусовых кислот пелоидов

2.5 Методы исследования гетерогенности гумусовых кислот

2.6 Определение биологической активности гумусовых кислот

2.6.1 Методы исследования биологической активности гумусовых кислот в условиях «in vivo»

2.6.2 Методы исследования биологической активности гумусовых кислот в условиях «in vitro»

2.7 Статистическая обработка результатов исследования

ГЛАВА 3. ГРУППЫ И ФРАКЦИИ СПЕЦИФИЧЕСКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ИЛОВЫХ СУЛЬФИДНЫХ ГРЯЗЕЙ

3.1 Групповой состав гуминовых веществ

3.2 Фракционный состав и показатели биотрансформации гумусовых кислот

3.3 Определение органических и неорганических экотоксикантов в лечебных грязях и пелоидопрепаратах

3.3.1 Содержание экотоксикантов органической природы

3.3.2 Содержание тяжелых металлов

3.3.3 Динамика взаимодействия с ионами различных металлов

ГЛАВА 4. ИДЕНТИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ ГУМУСОВЫХ КИСЛОТ ПЕЛОИДОВ

4.1 Элементный состав и строение гумусовых кислот

4.2 Инфракрасные спектры гумусовых кислот

4.3 Электронные спектры поглощения гумусовых кислот

ГЛАВА 5. СТРУКТУРА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГУМУСОВЫХ КИСЛОТ

5.1 Характеристика кислотно-основных свойств гумусовых кислот

5.2 Исследование полидисперсности гумусовых кислот

5.2.1 Исследование молекулярно-массового распределения гумусовых кислот

5.2.2 Изучение гидрофильно-гидрофобных свойств гумусовых кислот

5.2.3 Исследование гумусовых пелоидов методом капиллярного электрофореза

5.3 Характеристика структуры и свойств макромолекул гумусовых кислот пелоидов физико-химическими методами

5.3.1 Изучение гумусовых кислот методом дифференциально-термического анализа

5.3.2 Парамагнетизм в ряду гумусовых кислот

5.3.3 Определение коэффициента самодиффузии в ряду гумусовых кислот методом ядерно-магнитного резонанса с импульсным градиентом магнитного поля

5.3.4 Адсорбционная способность в ряду гумусовых кислот

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГУМУСОВЫХ КИСЛОТ В УСЛОВИЯХ "IN VIVO"

6.1 Определение острой токсичности гумусовых кислот

6.2 Влияние гумусовых кислот на развитие острого каррагениново-го воспаления

6.3 Влияние гумусовых кислот на течение адъювантного артрита

6.3.1 Характеристика влияния гумусовых кислот на прооксидантные и антиоксидантные процессы

6.3.2 Характеристика иммунотропного действия гумусовых кислот

6.3.3 Динамика морфологических изменений в периферических органах иммуногенеза

ГЛАВА 7. ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГУМУСОВЫХ КИСЛОТ В УСЛОВИЯХ "IN VITRO"

7.1 Влияние гумусовых кислот на активность дегидрогеназ в полиферментной и полисубстратной системе

7.2 Влияние гумусовых кислот на структурно-функциональные показатели нативных и модифицированных клеток крови

7.3 Влияние гумусовых кислот на функциональную способность мужских гамет

Введение Диссертация по биологии, на тему "Состав и биологические свойства гумусовых кислот пелоидов"

АКТУАЛЬНОСТЬ. Несмотря на широкую популярность традиционного грязелечения, оно неприемлемо по медицинским показаниям для некоторых категорий больных (Баранцев Ф.Г., 1998; Шустов Л.П., 1999; Карпухин И.В. с со-авт., 2000).

С ростом метрового производства увеличивается количество химических веществ, мигрирующих через атмосферу планеты и имеющих существенное биологическое значение для биогеоценозов водоемов, где формируются лечебные грязи (Буткова O.JL, 1999; Адилов В .Б., Требухов Я.А., 2000). Специфические органические вещества пелоидов, выполняя биосферную функцию экологического щита человечества, практически необратимо поглощают многие из токсикантов антропогенного происхождения, но при этом сами становятся непригодными для лечебного пользования.

В последнее десятилетие сформировалась необходимость создания на основе лечебных грязей таких препаратов, которые сохраняли бы высокую терапевтическую активность нативных грязей и были свободны от негативных сторон классической пелоидотерапии. Они расширили бы ее возможности, снизив число противопоказаний и повысили эффективность лечения в целом. Такие препараты могут быть получены даже из некондиционных и бывших в употреблении лечебных грязей. Расход лечебной грязи при лечении такими препаратами снижается в тысячи раз по сравнению с нативной пелоидотерапией, что имеет большое эколого-экономическое значение. Применение грязей в виде препаратов, по мнению некоторых авторов, является более адекватным раздражителем по сравнению с традиционным грязелечением (Терешин С.Ю., 1999). Перечисленные факторы являются исходной основой для поиска биологически активных пелоидопрепаратов и их внедрения в практику здравоохранения.

Одной из сложных проблем на пути разработки теории и практики получения и применения пелоидопрепаратов является недостаточная изученность тех компонентов сложнейшего биогеохимического тела природы, каким являются 7 пелоиды, которые обуславливают их терапевтическую эффективность (Саму-тин Н.М., Кривобоков М.Г., 1997), в первую очередь - гумусовых кислот (Frol-und В. et al., 1995). В отечественной и зарубежной литературе встречаются прямо противоположные сведения о действии гумусовых кислот на организм, что подтверждает необходимость проведения исследований с целью выяснения объектов терапевтического действия (Klavins М. et al, 2001; Davis С.С. et al., 2001).

В настоящее время одним из ведущих направлений развития исследований является изучение физико-химических, биохимических основ действия гумусовых кислот в целях получения новых высокоэффективных пелоидопрепаратов, что может иметь как общебиологическое значение в изучении закономерностей биотрансформации органических веществ, а также будет способствовать увеличению доступности и эффективности пелоидотерапии, экономии истощающихся грязевых ресурсов и сохранению экологического равновесия био-геоцинозов природных зон.

Цель исследования. Изучить структурно-функциональные свойства, выявить биологически значимые эффекты и установить наиболее активные фракции гумусовых кислот низкоминерализованных иловых сульфидных грязей. Задачи исследования

1. Изучить в сравнительном аспекте состав пелоидов из различных источников. Выделить и очистить гумусовые кислоты.

2. Разработать технологию фракционирования гумусовых кислот с целью получения биологически активных компонентов. v

3. Провести идентификацию функционального материала гумусовых кислот по физико-химическим параметрам.

4. Охарактеризовать по элементному составу, функциональным группам и термодинамическим параметрам генетический ряд гумусовых кислот: фуль-вокислоты, гиматомелановые, гуминовые.

5. Исследовать функционально-структурные особенности в ряду гумусовых кислот с использованием хроматографических, электрофоретических, тер8 модинамических методов, а также методами ИК-, ЯМР- и ЭПР-спектроскопии.

6. Изучить молекулярные механизмы действия ряда гумусовых кислот в условиях in vitro и in vivo и выявить наиболее биологически активные фракции.

7. Выявить характер влияния гуминовых кислот на клеточном уровне на базе оценки интегральных структурно-функциональных параметров эритроцитов и сперматозоидов.

8. Охарактеризовать влияние гумусовых кислот на течение воспалительного процесса различного генеза.

9. Проанализировав особенности структуры, физико-химические свойства, потенциал биологического действия гумусовых кислот, выявить общие закономерности поддержания динамического постоянства биогеоценоза природuLtv гггчи

I 11Л . V I I

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработана новая технология выделения, фракционирования, очистки биологически активных компонентов пелоидов. На этапах фракционирования гумусовых кислот установлены признаки полидисперсности, полифункциональности, полиморфности биологического материала.

Впервые составлена карта индивидуального поведения фульвокислот, ги-матомелановых, гуминовых кислот в водном растворе; рассчитаны коэффициенты само диффузии, энергии активации, адсорбционные характеристики. Впервые установлено, что коэффициенты самодиффузии у гумусовых кислот превышают скорость движения молекул воды, что является основанием для предположения об особенностях биологических свойств этих биомолекул. Изу чен температурный режим самодиффузии гумусовых кислот. Впервые установлены молекулярные массы фракций гумусовых кислот пелоидов: фульвокислот, гиматомелановых, гуминовых кислот.

Получены новые сведения о соотношении заряда к массе фрагментов в ряду гумусовых кислот, что позволяет дифференцировать данные соединения по характеру однородных функциональных групп. Впервые методом амфифиль-ной хроматографии охарактеризованы соотношения гидрофильности и гидро9 фобности в раду гумусовых кислот пелоидов. Типичным является ослабление гидрофильности и увеличение гидрофобности от фульвокислот к гуминовым кислотам. Выявлена специфика адсорбционных свойств гумусовых кислот, заключающаяся в высоко выраженной способности к структурированию воды.

Впервые изучен элементный состав гумусовых кислот. Установлено наличие серы и фосфора в отдельных группах гумусовых кислот. Показано, что в ряду: фульвокислоты, гиматомелановые, гуминовые кислоты - увеличивается обуглероженность, ароматичность, термодинамическая устойчивость.

Новыми являются сведения о соотношении электронодонорных и электро-ноакцепторных свойств гумусовых кислот. Необходимо отметить, что гимато-мелановым кислотам присущи восстановительные свойства, фульвокислоты имеют ярко выраженные свойства окислителей, а гуминовые кислоты проявляют окислительно-восстановительную двойственность.

Впервые получена электронная карта гумусовых кислот, раскрывающая их высокую реакционную способность, полиморфизм. Впервые установлено наличие парамагнитных центров в молекулах гумусовых кислот, число которых возрастает от фульвокислот к гуминовым. Детализирована природа парамагнитных центров, обусловленность их семихиноидными структурами.

Всесторонне изучены структурно-функциональные свойства гумусовых кислот; выявлено, что гуминовые кислоты являются наиболее перспективными для изучения биологической активности. Получен блок новых данных о позитивном влиянии гумусовых кислот на динамику воспалительного процесса в эксперименте. Отличительным признаком гуминовых кислот является их тераv певтическая эффективность при остром и хроническом воспалительном процессе. Охарактеризована токсичность гумусовых кислот, установлена их принадлежность к IV классу токсичности.

Впервые исследовано дозозависимое действие гумусовых кислот и установлена полимодальная зависимость, характерная для всех представителей гуминовых пелоидопрепаратов.

10

Выявлена антиоксидантная активность гумусовых кислот, раскрывающая их высокий протекторный потенциал от универсального фактора повреждения вследствие усиления свободно-радикального окисления. Гуминовые кислоты обладают превентивным действием, они предотвращют развитие воспалительного процесса, превосходя по активности диклофенак натрия.

Установлена способность по-разному влиять на ферментативные дегидро-геназные реакции в зависимости от структурно-функциональной организации каталитических белков. Особенность действия обусловлена субъединичной структурой апоферментов, способностью гумусовых кислот к донорно-акцепторному взаимодействию. Результат действия определяется суммацией ферментативного и неферментативного катализа, параметаболическими эффектами гумусовых кислот.

Впервые предложена новая методология изучения биологической активности природных соединений. Изучено не известное ранее действие гуминовых кислот на популяциях генетически, функционально, структурно разнородных клеток крови. Выявлены общие закономерности и специфические особенности воздействия гуминовых кислот, что выражается в изменении морфологических параметров эритроцитов, осуществляемом в нагивной крови и после моделирования окислительного стресса. Изменение электропроводимости, обусловленное гуминовыми кислотами, свидетельствует о формировании специфической среды, обеспечивающей сохранение структуры и выполнение интегральной функции - оксигенации гемоглобина в эритроцитах. Гуминовые кислоты способны нивелировать повреждающее действие пероксида водорода, а также преч дотвращать его.

Впервые установлено позитивное влияние гуминовых кислот на мужские гаметы, что служит предпосылкой для реализации репродуктивной функции.

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Результаты исследований имеют теоретическое и практическое значение. В теоретическом плане представляют интерес данные, характеризующие полиморфизм, полидисперсность, полифункциональность гумусовых кислот, образующих надмолекулярные

11 структуры, обеспечивающие органическую связь между живой и неживой природой. Биогеохимическая постмортальная трансформация органических веществ исключает возможность наступления экологических катаклизмов за счет утилизации останков животного и растительного происхождения. Образующиеся гумусовые кислоты служат энергопластическим материалом для микробных и растительных организмов. Им свойственно поддержание гомеостаза Земли.

Полученные нами результаты расширяют представления о роли гумусовых кислот, выводя их за рамки энерготрофического материала Земли. Гумусовые кислоты могут служить биодобавками целенаправленного действия для животных и использоваться в качестве терапевтического средства при патологииче-ских процессах, связанных с усилением реакций свободно-радикального окисления, в частности, при остром и хроническом воспалении.

Совокупность новых сведений о составе, строении, физико-химических, биологических свойствах и биохимических механизмах действия пелоидопре-паратов на основе гумусовых кислот низкоминерализованных иловых сульфидных грязей является фактическим материалом в оценке лечебных свойств как нативных пелоидов, так и преформированных препаратов с целью выработки рекомендаций по рациональной пелоидотерапии.

Полученные препараты гуминового ряда как очищенные концентраты основных действующих веществ, переведенные в более активную форму, позволяют регулировать воздействие на организм путем изменения концентраций их растворов; расширить число больных, которым показана пелоидотерапия. Гумусовые кислоты, являясь альтернативой нативным пелоидам, позволяют повысить культуру труда медицинского персонала, осуществить ресурсосберегающий подход к использованию лечебных грязей, обеспечивают их экономию, способствуют экологической защите курортных зон, делают возможным использование некондиционных и бывших в употреблении лечебных грязей.

Пелоидопрепараты можно применять в виде различных дозируемых лекарственных форм (растворы, мази, пластыри, суппозитории), воздействия в ре

12 жиме физиотерапии. Экономическая эффективность применения пелоидопрепаратов увеличивается с использованием микроэлектрофореза по биологически активным точкам.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Экспериментально обоснована новая технология выделения и очистки гумусовых кислот пелоидов, обеспечивающая возможность получения биологически активных, экологически чистых, экономически оправданных пелоидопрепаратов.

2. Генетический ряд гумусовых кислот — фульвокислоты, гиматомелановые , гуминовые кислоты - надмолекулярные, гетерогенные, полидисперсные, полиморфные системы с закономерно изменяющимися свойствами, имеющие ароматическое поликонденсированное ядро и алифатические периферические цепочки. Это сходные по строению, но не идентичные молекулы, структурными характеристиками которых являются элементный и функционально-групповой состав, коэффициент цветности, окислительно-восстановительные свойства, гидрофильные и гидрофобные фрагменты, термодинамические параметры. Совокупность информации, полученной с помощью ИК-, ЯМР-, ЭПР-спектроскопии, дифференциально-термического анализа, явилась основанием для прогнозирования свойств и биологической активности гумусовых кислот.

3. Аргументация результатами экспериментов на различных моделях in vitro и in vivo возможности реализации биологической активности в антиокси-дантном, иммунотропном, экопротекторном, противовоспалительном действии гумусовых кислот.

4. Методология системного подхода к изучению природных биологически активных веществ с использованием молекулярных и клеточных объектов, разнородных по структуре и функциям, в целях выявления и визуализации потенциала их действия.

5. Гумусовые кислоты, являясь продуктом постмортальных биогеохимических преобразований, служат биогенным фактором ревитализации, что

13 особенно важно в современных условиях повышенной химической нагрузки на биогеоценоз. Апробация и внедрение результатов работы

Результаты исследований представлены на съезде фармацевтов (Ярославль, 1987), научно-практической конференции, посвященной 50-летию образованию курорта Янган-Тау (Уфа, 1987), областной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс и медицина (Куйбышев, 1988), 14-й научно-практической конференции по вопросам курортного лечения (Куйбышев, 1988), республиканской научно-практической конференции «Современные проблемы использования физических факторов в комплексном лечении и реабилитации больных заболеваниями опорно-двигательного аппарата, нервной системы и женских половых органов» (Одесса, 1989), республиканской научно-практической конференции «Пути уменьшения антропогенного воздействия на природные курортные ресурсы» (Одесса, 1989), Межреспубликанской научно-практической конференции «Пути уменьшения антропогенного воздействия на курортные ресурсы» (Киев, 1990), 10-й республиканской конференции «Актуальные эколого-экономические проблемы современной химии» (Самара, 1992), International congress on immunorehabilitation " Immunorehabilitation and rehabilitation of medicine" (Дагомыс, 1994), научно-практической конференции, посвященной 25-летию фармацевтического факультета СамГМУ (Самара, 1996), International congress on immunorehabilitation " Immunorehabilitation and rehabilitation of medicine" (Эйлат, 1997), международной научной конференции «Природные (курортные) и преформированные физические факторы в профилактике и лечении болезней человека» (Москва-Иваново-Оболсуново, 1997), научной конференции «Моделирование и прогнозирование заболеваний, процессов и объектов» (Самара, 1998), Международной научно-практической конференции «Экономика природопользования» (Пенза, 1998, 2000), Международной научно-практической конференции «Почва, отходы производства и потребления: проблемы охраны и контроля» (Пенза, 1998), IV-м Международном конгрессе

14

Иммун ©реабилитация и реабилитация в медицине» (Сочи, 1998), Межрегиональной научно-практической конференции «Роль природных факторов в санаторно-курортном лечении» (Казань, 1998), Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 1999, 2001), научно-практической конференции «Современные тенденции развития фармации» (Самара, 1999), научно-практической конференции «Природные лечебные ресурсы: состав и свойства, механизмы действия, вопросы охраны, разработки и рационального использования» (Трускавец, 1999), International congress on im-munorehabilitation " Immunorehabilitation and rehabilitation of medicine" (Тенерифе, 1999), II International congress "On medical climatology, balneology, hydrogeology, hydrotermal engineering" (Moscow, 2000), Международном конгрессе «Курортология, физиотерапия, восстановительная медицина XXI века» (Пермь, 2000), международной конференции «Химическое образованней развитие общества» (Москва, 2000), международной научно-практической конференции «Поиск, разработка и внедрение новых лекарственных средств и организационных форм фармацевтической деятельности» (Томск, 2000), VI Международном конгрессе по иммунореабилитации и реабилитации в медицине( Эй-лат, 2000), IV Международной научно-практической конференции «Экономика природопользования и природоохраны» (Пенза, 2001, 2002), Первом губернском съезде врачей (Самара, 2001), Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в медицине» (Саратов, 2001), Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития экологической обстановки в бассейне реки Днепр и великих рек центральной части России» (Смоленск, 2001), VII Международном конгрессе «Аллергология, иммунология и глобальная сеть: взгляд в новое тысячелетие» (Нью-Йорк, 2001), IV сеъзде иммунологов и аллергологов СНГ (Москва, 2001), V Всероссийском съезде физиотерапевтов и курортологов и Российского научного форума «Физические факторы и здоровье человека» (Москва, 2002), VI Международной конференции "Биоантиоксидант" (Москва, 20002), IV Всероссийской научно-практической конференции «Новые химические технологии: производство и

15 применение» (Пенза, 2002), VI Международном симпозиуме «Биологически активные добавки к пище и проблемы оптимизации питания» (Сочи, 2002), на VIII Международном конгрессе по иммунореабилитации «Аллергология, иммунология и глобальная сеть» (Канны, 2002), Международном симпозиуме «Физика и химия торфа в решении проблем экологии (Минск, 2002), на совместном заседании Самарского отделения биохимического общества Российской Федерации и кафедр биологической и клинической биохимии; общей и биоорганической химии; фармацевтической химии; органической, физической, коллоидной химии фармацевтического факультета СамГМУ. ВНЕДРЕНИЯ:

Методические рекомендации:

• «Физиотерапевтическое применение пелоидопрепаратов из лечебных грязей курорта «Сергиевские минеральные воды» при гинекологических заболеваниях»;

• «Физиотерапевтические способы применения пелоидопрепаратов из лечебных грязей курорта «Сергиевские минеральные воды» при заболеваниях опорно-двигательного аппарата»;

• «Определение группового и фракционного состава специфических органических веществ иловых сульфидных грязей».

Акты внедрения

• В лечебную практику курорта «Сергиевские минеральные воды», Самарская область;

• В лечебную практику ЗАО СТК «Реацентр», Самара;

• В лечебную практику профилактория «Металлург», Самара;

• В лечебную практику частной андрологической клиники Татлаева , Самара;

• В лечебную практику ООО «РеМеТэкс», Москва.

• В учебный процесс на кафедре общей, бионеорганической и биоорганической химии СамГМУ;

• В учебный процесс на кафедре курортологии и физиотерапии постдипломного образования СамГМУ.

16

Получены патенты на изобретения:

1. «Способ получения экстракта биологически активных веществ для физиотерапии из иловых сульфидных грязей» Патент РФ №2028149 от 20.07.1992.

2. «Способ получения препарата для физиотерапии» Патент РФ №2043107 от 20.07.1992.

3. «Способ получения препарата на основе гиматомелановых кислот низкоминерализованных иловых сульфидных грязей для физиотерапии» Патент РФ №2122414 от 18.04.1997.

4. «Способ стимулирования задержавшихся в прорезывании постоянных зубов» Патент РФ № 2146900 от 27.03.2000.

5. «Способ лечения хронического аднексита» Патент РФ № 2150261 от 10.06.2000.

ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертации опубликовано 55 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, главы, посвященной описанию матералов и методов исследования, пяти глав собственных данных, заключения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 345 страницах машинописного текста, иллюстрирована 51 таблицей и 95 рисунками. В работе использовано 710 источников, из них 387 отечественных и 323 зарубежных авторов.

Заключение Диссертация по теме "Биохимия", Аввакумова, Надежда Петровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Гуминовые вещества - большой класс природных соединений, не существующих в живых организмах, но необходимых для обеспечения современных форм жизни на Земле. Гуминовые вещества кислотной природы называют гумусовыми кислотами, среди которых принято выделять фульвокислоты, гима-томелановые и гуминовые кислоты. Являясь наиболее подвижной и реакцион-носпособной компонентой специфических органических соединений, они активно участвуют в химических процессах, протекающих в экосистемах; именно гумусовые кислоты перспективны для медицинского использования. Гумусовые кислоты представлены совокупностью родственных соединений с близкими, но не идентичными строением и свойствами. Это динамичные макромоле-кулярные системы нерегулярного строения, способные к внутреннему перераспределению электронной плотности по системе сопряженных связей. Разносторонние свойства этих соединений обусловлены многообразными периферическими полифункциональными цепями. В результате различных взаимодействий между функциональными группами конформация молекул претерпевает различные превращения, что влияет на реакционную способность и биологическую активность гумусовых кислот.

Исследование строения гумусовых кислот сопряжено с большими трудностями, связанными со сложностью выделения их в чистом виде, плохой растворимостью; кроме того, эти вещества не могут быть переведены в парообразное состояние и не имеют определенной температуры плавления.

Изучение гуминовых веществ пелоидов озер курорта «Сергиевские минеральные воды» выявило практически одинаковое их содержание по сезонам года и месторождениям, которое составляет 83,78% - 89,07% от общего органического вещества. Содержание гумусовых кислот находится в обратной зависимости от минерализации грязевого раствора. Исследуемые пелоиды характеризуются значительной степенью биогеотрансформации, высоким содержанием гуминовых КИСЛОТ ( Сгк/ Сфк > 2,0), ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ (СГумина< 20%).

256

Сезонные колебания количественного содержания гумусовых кислот исследуемых озер не сопровождаются значительными изменениями группового состава, что позволяет предположить практически одинаковое проявление биологической активности пелоидов, обусловленное наличием специфических органических соединений независимо от времени забора грязи.

Гуминовые кислоты и гумин проявляют себя своеобразным буфером в виде малодоступных устойчивых специфических органических веществ, поддерживающих стационарное динамическое состояние открытой термодинамической системы: неспецифические органические вещества <-» фульвокислоты <-> гиматомелановые кислоты <-» гуминовые кислоты <-» гумин. Степень смещения равновесия в этой сложной системе есть функция активности микрофлоры, климатических и гидрогеохимических условий.

Фракционный состав свидетельствует о целостности и высокой динамичности гумусовых кислот, что подтверждает их активное участие в жизнедеятельности микроорганизмов и постоянное образование в результате геохимических процессов, протекающих под влиянием биоты. В рамках полученных данных можно предположить, что распределение компонентов гуминовых веществ является итоговым показателем жизнедеятельности системы микроорганизмов, в которой продукт метаболизма одних представителей биоты служит источником пластического и энергетического материала для других. При этом наиболее подвижные группы гумусовых кислот - гиматомелановые и фульвокислоты -отличаются устойчивым количественным постоянством и служат критерием жизнеспособности данной^ системы. Количество гумина находится в обратной зависимости от составляющих гумусовых кислот. Этот устойчивый малоактивный материал можно рассматривать как систему конечных продуктов биогео-синтеза, формой депонирования специфических органических веществ.

Многопрофилъность функциональных групп обусловливает активное участие гумусовых кислот в глобальных биогеохимических процессах при современной экологической напряженности. Нами установлена высокая комплексо-образовательная способность гумусовых кислот пелоидов, возрастающая в ря

257 ду: фульвокислоты, гиматомелановые, гуминовые кислоты. Определена высокая корреляция между токсичностью металла и степенью его иммобилизации гумусовыми кислотами. Экспериментально установлено, что гидрофильные фракции гумусовых кислот обусловливают миграцию катионов, а гидрофобные компоненты способствуют связыванию металлов. Взаимодействие ионов металлов с гумусовыми кислотами носит сложный характер, в основе которого лежат процессы соле- и комплексообразования. Устойчивость образующихся соединений определяется содержанием азот- и кислородсодержащих функциональных групп, выраженностью системы сопряжения, величинами молекулярных масс, характером конфигурации и конформации макромолекул, а также степенью мягкости ионов металлов как кислот Льюиса. Совокупность перечисленных факторов определяет приближенное подчинение известным законам химии комплексных и высокомолекулярных соединений. При этом ярко выражена корреляция между степенью биотичности ионов и их способностью к миграции в составе гумусовых кислот. Гумусовые кислоты обладают высоким сродством к ионам металлов, являясь природными лигандами; взаимодействие «гумусовые кислоты - металл» носит многовариантный характер, обеспечивая природные объекты необходимыми питательными элементами и иммобилизи-руя экотоксиканты. Возникает уникальная картина природной избирательности ионов-биогенов и экотоксикантов. Особый интерес вызывает не только способность гумусовых кислот удалять из организма различные экотоксиканты, но и возможность вводить в организм необходимые металлы-биогены в легкодоступной комплексной форме, что позволяет рассматривать их в качестве биологически активной добавки к пище. Отсутствие в организме специфических ферментов, разлагающих гумусовые кислоты, делает их устойчивыми, способными к пролонгированному действию.

Получены и очищены пелоидопрепараты на основе фульвокислот, гиматомелановых, гуминовых кислот и их суммы, для них определены: элементный состав, степень окисленности, бензоидности, основные термодинамические па

258 раметры, содержание функциональных групп, значения констант ионизации, коэффициенты цветности.

Элементный состав гумусовых кислот определен по сезонам года и грязевым источникам. Установлено содержание органической серы в гуминовых пе-лоидопрепаратах. Из результатов элементного анализа следует, что при наличии определенных колебаний в количественном содержании основных элементов гумусовых кислот по грязевым источникам, четко прослеживается их групповая принадлежность. Фульвокислоты, гиматомелановые, гуминовые кислоты образуют ряд по возрастанию обуглероженности соединений, степени бензоид-ности, термодинамической устойчивости. Установлено, что фульвокислоты имеют ярко выраженные окислительные свойства, гиматомелановые кислоты характеризуются отрицательным значением окислительно-восстановительного потенциала, а гуминовым кислотам свойственна окислительно - восстановительная двойственность.

С целью изучения природы гумусовых кислот нами получены инфракрасные спектры, анализ которых позволяет с достаточной определенностью выявить как общие свойства всех представителей групп специфических органических веществ пелоидов, так и отличительные стороны. Все гумусовые кислоты имеют однотипный спектр в области 3600-600 см"1. Однако несмотря на сходный характер ИК-спектров, четко просматриваются и закономерные различия. Фульвокислоты имеют максимальную интенсивность полос в области поглощения спиртовых гидроксилов и простых эфиров. Группа гиматомелановых кислот характеризуется наибольшей насыщенностью метальными группами. Интенсивность полосы поглощения 1620-1600 см"1, характеризующая ароматическую структуру, возрастает в ряду: фульвокислоты, гиматомелановые кислоты, гуминовые кислоты.

Одним из диагностических признаков гумусовых кислот является характер электронных спектров поглощения. Из-за схожести химического строения исследуемых веществ спектры малоспецифичны, при этом поглощение света монотонно убывает с увеличением длины волны. Однако спектры различаются

259 крутизной, и соотношение цветности при длинах волн 465- 665 нм становится специфическим критерием Е4: Е6, не зависящим от концентрации, характеризующим степень ароматичности соединений. Среднее значение расчетного коэффициента цветности фульвокислот составило 6,83 ±0,85, что характеризует их как слабоароматические соединения. Большей ароматичностью обладают гиматомелановые кислоты с коэффициентом цветности 3,40 ± 0,40, минимальное значение этого критерия имеют гуминовые кислоты. Коэффициент цветности суммарного препарата имеет несколько большее значение, и в целом обусловлен присутствием гуминовых кислот.

При исследовании экопротекторной и биологической функции гумусовых кислот важной является информация о кислотно-основных свойствах этих соединений. Значения рН начальной и конечной точек титрования для всех препаратов лежат в области около 10,8 и 3,2, что свидетельствует об однотипности функциональных групп в образцах. На кривых обратного титрования выделены две точки эквивалентности в слабокислой и слабощелочной среде, в то время как прямое титрование для всех гумусовых кислот обнаруживает только одну точку эквивалентности в интервале 5,2 - 6,5 для разных компонентов. Полученные результаты свидетельствуют о содержании во всех исследуемых соединениях карбоксильных и фенольных групп, а отличие определяется их количественными соотношениями и электронными влияниями других заместителей. Кислотные свойства наиболее выражены у фульвокислот, где они обусловлены преимущественно карбоксильными группами. Кислотность гуминовых кислот определяется содержанием как карбоксильных групп, так и фенольных гидро-ксилов, которые в сумме составляют 7,02 ммоль-экв/г препарата. Для гимато-мелановых кислот характерно более низкое содержание функциональных групп кислотной природы, составляющее 5,54 ммоль-экв/г. Компоненты гумусовых кислот пелоидов по возрастанию кислотных свойств образуют ряд: гиматомелановые, гуминовые, фульвокислоты. Для всех гумусовых кислот характерно наличие гистерезиса, обусловленного конформационными изменениями моле

260 ную форму в результате электростатического отталкивания неионизированных групп. В кислой среде присутствие ионов водорода понижает отрицательный заряд на полимере, возможно свертывание макромолекул, их конформация приближается к глобулярной, дополнительно стабилизированной за счет внутримолекулярных взаимодействий между функциональными группами. В результате этого часть групп блокируется во внутреннем объеме и становится не-реакционноспособной. При прямом титровании добавление небольших порций титранта не восстанавливает вытянутую конформацию молекул полностью, поэтому количественно определяется меньшее число групп, способных к ионизации, чем при обратном титровании.

Все гумусовые кислоты образуются в результате постмортального превращения органических остатков. Это процесс идет вне живых организмов как с их участием, так и путем чисто химических реакции окисления^ восстановления, гидролиза, конденсации без какой-либо генетически установленной программы. До настоящего времени нет однозначного решения вопроса о молекулярной структуре гумусовых кислот, поэтому важно изучение фракционного состава этих полидисперсных соединений. Гель-хроматографически установлена гетерогенность гумусовых кислот пелоидов по значениям молекулярных масс. В группах гуминовых и фульвокислот выделено две фракции, в гимато-мелановых - три. В суммарном препарате обнаружены 5 фракций с различными молекулярными массами. Результаты исследования молекулярно-массового распределения с помощью гель-хроматографии позволяют сделать вывод о полидисперсности гумусовых кислот как представителей природных высокомолекулярных соединений, среднее значение молекулярной массы которых возрастает от фульвокислот, гиматомелановых к гуминовым кислотам. Молеку-лярно-массовое распределение суммарного препарата отражает его внутренний состав.