Основными объектами исследования группы молекулярной экологии являются гуминовые вещества (ГВ) – обязательные и стабильные специфические природные органические вещества, имеющие биогенное происхождение. Основным источником ГВ являются отмершие остатки живых организмов, бóльшая часть которых минерализуется, а меньшая (2-6%) – подвергается так называемому процессу гумификации. В результате гумификации образуются ГВ, присутствующие во всех сухопутных средах (почвах, донных отложениях, торфах, углях и т.д.) и водных источниках (морях, океанах, реках, озерах, болотах и т.д.). Влияние ГВ на целый ряд процессов в экосистемах многократно доказано и не вызывает сомнений. Сравнительно небольшое содержание ГВ (1-12%) определяет весь комплекс физических и физико-химических свойств почв, более 100 лет известна фитогормональная активность ГВ, кроме того, ГВ являются весьма эффективным агентом водных и почвенных экосистем, осуществляющим инактивацию и разрушение устойчивых к разложению поллютантов с использованием энергии солнечного света. В последнее время доказано, что ГВ, будучи самым большим природным резервуаром углерода, являются одним из определяющих факторов парникового эффекта и связанного с ним глобального потепления климата планеты. Однако, несмотря на более чем 200-летнюю историю изучения, представления о молекулярной структуре ГВ крайне противоречивы. А это краеугольный вопрос, т.к. определив химическую структуру ГВ, мы сможем точно предсказать их функцию в биосфере и поведение в природных экосистемах, например при экологических угрозах. Также возможно ответить на вопрос о механизме их формирования (гумификации) и точного предназначения в эко- и ноосфере.

Таким образом, на настоящем этапе исследований теоретическая разработка и экспериментальное подтверждение смысловых закономерностей в молекулярной структуре ГВ является одной из центральных задач группы молекулярной экологии. Практическим результатом данных исследований может быть создание нового поколения экологически чистых (зеленых) удобрений с функцией стимуляции роста растений иили фото-зависимой деградации устойчивых к разложению поллютантов.

В течение многих лет сотрудники группы плодотворно сотрудничают с ИФПБ РАН и ИБ РАН (г. Пущино, Россия), Физическим факультетом МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва), лабораторией фотохимии низкомолекулярных соединений и макромолекул НЦНИ (г. Клермон-Ферран, Франция), Институтом природных ресурсов и агробиологии Испанской АН (Севилья, Испания), Университетом Старых Доминионов (Норфолк, Вирджиния, США), Университетом г. Болоньи (Италия), Университетом г. Турку (Финляндия).

Большинство российских и зарубежных коллег-партнеров из названных организаций являются признанными в мире лидерами в области исследования ГВ.

С данными институтами партнерами были опубликованы совместные статьи и получены следующие гранты:

Международные и российские проекты и гранты РФФИ, в которых Трубецкая О.Е. была со-руководителем с российской стороны:

• 1995 – 2008 г. – Cовместный проект № 37 между РАН и Испанской Академии Наук.
• 1998-2005 гг. – Cовместный проект № 12 между РАН и Финской Академии Наук.
• 1998-2014 гг. – Cовместный проект № 4992 между РАН и НЦНИ (Франция).
• 2000-2001 гг. – Грант NATO EST.CLG 975752 "Waste-compost humic substances for photodestruction of pesticides".
• 2002 г. – Грант COBASE (США) "Comparison of aquatic natural organic matter from river and lake".
• 2002-2005 гг. – Грант ИНТАС 01-186. "Humic substances from soils and waste-composts as natural photosensitizers to promote the degradation of pollutants in the environment".
• 2006-2009 гг. – Грант ИНТАС 05-1000008-8055 "Soil and compost organic matter structural compounds to promote the photodegradation of pesticides in the environment: for a better knowledge of photoactive components".
• 2005 - 2006 гг. – Грант ECO-NET № 10266VK, Ministére des Affaires Etrangéres, France (Франция – Россия – Польша). "Compositional differences between soil humic acids extracted by various methods as evidenced by photosensitizing and electrophoretic properties".
• 2001-2017 гг. – Гранты РФФИ №№ 01-05-64666, 04-05-64687, 06-04-48266, 10-05-00243, 13-05-00241, 15-04-00525.

В 2008 г. группа была выделена в самостоятельное подразделение из лаборатории химии белка ФИБХ РАН.

Структура ГВ

В настоящее время существует две принципиально различные точки зрения на строение ГВ. Было предложено множество моделей, которые можно свести к так называемой макромолекулярной концепции, согласно которой ГВ представляют собой смесь рандомизированных гетерополимеров, молекулярная масса которых достигает 300 кДа. В последнее время (начиная с 90 годов прошлого века) начинает «раскручиваться» и завоевывать все больше сторонников так называемая супрамолекулярная модель строения ГВ. В отличие от макромолекулы, где мономеры объединены прочными ковалентными связями, которые можно разрушить лишь жёсткой химической деструкцией, супрамолекулярный ансамбль теоретически возможно разделить на отдельные субъединицы мягкими не деструктивными методами, такими как электрофорез, хроматография, ультрафильтрация и другие. В течение последнего двадцатилетия нами было разработано несколько оригинальных методик и проведены эксперименты, доказывающих существование ГВ в виде супрамолекулярного комплекса (Trubetskoj, Trubetskaya et al., 1992, Soil Biology & Biochemistry, 24, 893; Trubetskoj, Trubetskaya et al., 1997, Journal of Chromatography, A 767, 285; Trubetskaya et al., 2011, Analytica Chimica Acta 690, 263; Trubetskoj, Trubetskaya et al., 2012, Journal of Chromatography A, 1243, 62; Trubetskaya et al., 2016, Environ. Sci. Pollut. Res. 22:9989; Trubetskaya et al., 2016, Environmental Chemistry Letters 14:495 и другие).

Создание экологически чистых фотодеструкторов пестицидов на основе природных почвенных и водных ГВ

Получение экологически чистых биоудобрений является одной из приоритетных целей зеленой химии. Среди многочисленных свойств ГВ особую роль занимает недавно обнаруженная фотохимическая активность - способность разрушать или эффективно трансформировать пестициды и другие поллютанты в менее токсичные вещества, используя в качестве источника энергии солнечный свет. Механизмы, определяющие фотохимическую активность ГВ, не ясны. Одним из подходов для решения обозначенной проблемы, является разделение ГВ на фракции, имеющие различные физико-химические свойства и/или функциональную активность. Такие фракции нами были впервые получены в кооперации с лабораторией фотохимии низкомолекулярных соединений и макромолекул (НЦНИ, Клермон-Ферран, Франция). Для этой цели нами было разработано несколько оригинальных комплексных методик, позволяющих получать фракции ГВ, ускоряющие в 10-30 раз разложение поллютантов по сравнению с исходными препаратами ГВ (Riсhard, Trubetskaya et al., 2004, Environ. Sci. Technol. 38:2052; Трубецкая и др., 2006, ДАН 4:567; Ришар, Трубецкая и др., 2008, Российский Хим. Журнал 1:107; Трубецкой, Трубецкая и др., 2009, Водные Ресурсы 5:543; Trubetskaya et al., 2015, Environ. Sci. Pollut. Res. 22:9989).

Флуоресцентные свойства ГВ

Поглощая свет, ГВ интенсивно флуоресцируют, что с успехом используется при контроле природных водных экосистем и технологических водных сред, а также для определения оптимальных сроков созревания компостов. Существует две основные концепции, объясняющие природу поглощения света и флуоресценции ГВ, согласно которым широкий спектр флуоресцентной эмиссии ГВ объясняется (1) простой суммой многочисленных не взаимодействующих между собой флуорофоров (superposition model), либо (2) внутренним переносом зарядов между несколькими сопряжёнными хромофорами/флуорофорами (optical charge-transfer model). По результатам исследований последних 10 лет мы получили прямые доказательства наличия нескольких независимых флуорофоров, формирующих широкий без очевидных максимумов флуоресцентный спектр ГВ благодаря локализации флуорофоров на наночастицах ГВ различного размера (Richard, Trubetskaya et al., Geoderma 163: 24; Trubetskaya et al., 2013, Journal of Geochemical Exploration 132: 84; Trubetskaya et al., 2016, Desalination and Water Treatment 57:5358).

Научные проекты

Загрузка...

Трубецкая Ольга Евгеньевна

Пущино (Моск. обл.), проспект Науки, 6 — На карте