В лесовосстановлении помогут химики

Ученые Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики УрО РАН анализируют химический состав северной древесины. Но если прежде научная работа нацеливалась, главным образом, на изучение и совершенствование процессов целлюлозно-бумажного производства, то сейчас в фокусе внимания – «зеленая химия» – химические аспекты сохранения биоразнообразия и комплексное использование возобновляемого растительного сырья. Проблема сложная и многогранная.

Чем архангельские химики могут помочь в восстановлении лесов – об этом мы узнали у заведующего лабораторией химии растительных биополимеров ФИЦКИА УрО РАН, кандидата технических наук Марии Гусаковой.

– Мария Аркадьевна, обязанность лесовосстановления по закону лежит на лесозаготовителях: вырубил – посади. Зачем в этом процессе понадобилось участие ученых?

– Уменьшение растительного покрова – глобальная проблема всей планеты. Зеленые насаждения – регулятор кислорода и углерода, из которых состоит практически все живое на земле. Потепление климата связано с регулированием процесса круговорота углерода, и растения здесь – ключевой элемент. Другой момент – интенсивное развитие хозяйственной деятельности. Если мы возьмем многие направления хозяйственной деятельности человека, то главный ориентир сейчас – возобновляемое растительное сырье, лесные запасы.

Поэтому возникла необходимость получения такого растительного объекта (дерева), который бы позволил решать эти проблемы. Скажем, с точки зрения экономики древесина, получаемая из возобновляемого леса, должна обладать строением и свойствами, которые бы удовлетворяли потребности строительной, химической отраслей и других направлений.

– Это сложная задача?

– Да, поскольку качественный материал нужно получить быстро. Но дерево должно вырасти, пройти определенный жизненный цикл, чтобы быть пригодным для промышленных целей. Для науки это междисциплинарная задача. Чтобы получить результат, объединяется целый блок научных подходов – физиология растений, биология, биохимия, органическая, аналитическая, экологическая химия.

Вместе с коллегами из других научных учреждений мы пытаемся объединить подходы и выработать единую концепцию действий. Например, генетические исследования направлены на изменение генетической составляющей и основных закономерностей формирования древесного вещества по мере его роста. Плантационное разведение заточено на получение быстрорастущих деревьев. Так, в Бразилии занимаются плантационным разведением эвкалипта, в Китае – черного тополя.

Для нас актуально выращивание хвойных деревьев (в последние годы в связи с вырубками баланс меняется в сторону лиственных). Мы работаем в партнерстве с Группой компаний «УЛК». Устьянский питомник предоставляет нам саженцы для исследований. Эту работу мы начали два года назад.

– Ваш коллектив изучает химические процессы в растущем дереве, но это, вероятно, не конечная точка, поскольку ставятся прикладные задачи. А какие именно?

– Чтобы получить необходимый растительный объект, нужно таким образом воздействовать на естественные процессы формирования деревьев (например, на биосинтез), чтобы они могли регулироваться – ускоряться или замедляться. Для химической переработки было бы целесообразно получить древесное вещество с длинными целлюлозными волокнами, но с малым содержанием лигнина.

Эти задачи решаются с помощью плантационного разведения, генетики, агрохимических подходов. Но в то же время формирование древесины связано с климатическими условиями. В ходе эволюции у деревьев выработался адаптационный механизм, помогающий им защищаться от различных стрессовых факторов.

– Правда ли, что северная древесина наделена особыми качествами?

– Да, северная древесина плотная, имеет длинное волокно, благодаря чему производители получают из нее высококачественную продукцию. И одна из наших задач – сохранить хвойные леса.

В питомнике УЛК получают саженцы сосны и ели. Мы его выбрали как полигон, имеющий исходные экспериментальные условия для проверки идей.

А в чем заключается идея химических исследований саженцев?

– Установить химические маркеры созревания и степени готовности саженцев для пересадки в естественные условия. Маркерами являются различные мономерные соединения — предшественники биополимеров, белковые комплексы, оксидоредуктазы. Мы рассматриваем процесс образования этих веществ с точки зрения физикохимии биополимеров. Это особая область химии, изучающая химические свойства растительных компонентов древесины, их формирование, трансформации, взаимодействие между собой.

Сотрудники нашей лаборатории отслеживают химический и биохимический состав растущих в теплицах сеянцев, начиная с двухнедельного срока жизни и в последующем годичном жизненном цикле. Чтобы в дальнейшем управлять процессом формирования древесного вещества, надо знать и понимать, как протекает этот процесс. Можно сказать, сейчас мы находимся в стадии понимания, как это происходит.

– У вас есть предшественники, которые уже работали по данному направлению?

– Прежде такая работа, по сути, велась, принимая во внимание отдельные особенности протекающих процессов. Так, биохимики, например, работают с каллусными тканями (объектами клеточной инженерии, клетками, способными дать начало целому растению. – Прим. ред.). Они искусственно выращивают такие ткани. Ботаники смотрят биометрические показатели сеянцев, степень готовности к пересадке. А процессам самоорганизации компонентов древесины, характеристике структурообразования древесного вещества, лигнификации уделялось недостаточно внимания. Хотя управлять процессами всегда пытались.

Например, в Южной Америке, СССР ученые вмешивались в химию и генетику организма растущего дерева, снижая содержание лигнина (одеревеневшие стенки растительных клеток.Прим. ред.) или его модифицирования. Лигнин выполняет свою функцию, его нельзя убрать так, чтобы не возникло последствий.

– Какую функцию лигнин выполняет в составе древесины?

– Если сравнить дерево с железобетоном, то целлюлоза выполняет роль металлической арматуры, а лигнин – это бетон. И если снизить или убрать какую-то составляющую, дерево может погибнуть.

В целлюлозно-бумажном производстве легче перерабатывается древесина, в составе которой низкое содержание лигнина. Соответственно, снижаются и затраты.

– Правильно ли я понимаю, у саженцев преобладают одни химические вещества, а потом в динамике жизненного цикла дерева они замещаются другими?

– Не совсем. Если говорить о биоцикле, то с чего все начинается: ультрафиолет, СО2, фотосинтез, деление клеток, образование глюкозы и так далее. Но затем постепенно начинается образование других компонентов и химических соединений. В результате этих биохимических циклов образуются первичные элементы полисахаридов глюкоманнаны (пищевое волокно, состоящее из гемицеллюлозы – растворимой клетчатки. – Прим. ред.). Образуются фенольные соединения — предшественники лигнина. Это элементарные, исходные кирпичики, из которых в жизненном биоцикле образуются основные биополимеры (целлюлоза, гемицеллюлозы, лигнин) и формируется древесная матрица.

Мы показали, что определенные синтезируемые фенольные соединения могут выступать в качестве ключевого параметра для контроля биоциклов в древесине. То есть, когда достигается определенный уровень их присутствия, древесину можно считать созревшей, если нет, то дереву еще нужно дать подрасти.

Исследование этих процессов позволяет не только говорить о степени созревания дерева, но и определять дополнительные вещества, которые находятся в древесине и обладают уникальными медицинскими свойствами. Мы, например, активно занимались изучением свойств можжевельника и установили, что ряд его компонентов может использоваться в медицине и фармакологии.

Константин СВЕТЛОВ
Фото из архива ФИЦКИА УрО РАН

Главное за неделю

Перейти ко всем новостям за 23 июля 2020 г.