Лаборатория химии растительных биополимеров

      

Заведующая лабораторией к.т.н. Гусакова Мария Аркадьевна	Научный руководитель д.х.н., профессор Боголицын Константин Григорьевич

 

 Лаборатория химии растительных биополимеров (до 10.2009 года – лаборатория химии лигнина) была создана на базе Института экологических проблем Севера Уральского отделения Российской академии наук в 1991 г. доктором химических наук Афанасьевым Николаем Ивановичем.

 

Основные направления исследований

1. Направленное регулирование свойств лигнинов и вторичных продуктов переработки древесины

• Структура и свойства органосольвентных и модифицированных лигнинов;

• Направленное регулирование коллоидно-химических и полимерных свойств лигнинов;

• Межфазовые взаимодействия в гетерогенных системах с участием лигнинов и экстрактивных веществ.

 

2. Закономерности биохимических процессов формирования фундаментальных свойств и структуры растительных биополимеров и их трансформация в естественных климатических условиях Европейского Севера России и технологических процессах

• Биогеохимические аспекты формирования фундаментальных свойств и структуры биополимеров лигноуглеводной древесной матрицы;

• Исследование физико-химических свойств наноразмерных систем на основе компонентов торфа;

• Исследование физико - химических свойств нанокомплексов на основе модифицированных биополимеров.

 

3. Физико-химические основы изучения основных закономерностей фундаментального цикла «строение – функциональная природа – свойства» природных матриц арктических экосистем

• Применение суб- и сверх- критических состояний вещества для исследования тонкой структуры, селективного извлечения и модификации компонентов лигноуглеводной матрицы природных объектов;

• Разработка научных основ создания новых материалов, в том числе биологически активных соединений с заданными свойствами и функциями с использованием комплексообразующих соединений (хитин, хитозан, полифенолы, полисахариды).

 

4. Экологическое совершенствование технологии переработки древесного сырья

• Научное обоснование сброса в водные объекты загрязняющих веществ со стоками предприятий ЦБП по интегральным показателям;

• Разработка способов получения модифицированных продуктов целевого назначения на основе побочных продуктов ЦБП.

 

Важнейшие результаты фундаментальных исследований

• Новые данные о молекулярно-массовых характеристиках, топологической структуре, конформационных, гидродинамических, термохимических, поверхностно-активных свойствах лигносульфонатов с характеристикой основных направлений трансформации структуры их макромолекул в процессе сульфитной делигнификации.

• Установлено, что лигносульфонаты натрия (ЛСNa) и аминосодержащие полиэлектролиты (полиэтиленполиамин – ПЭПА и хитозан – ХТ) могут быть отнесены к ограниченно набухающим полимерам. Показано, что по параметрам термодинамической гибкости поведение макромолекул ЛСNa в растворах соответствует поведению жесткоцепных полимеров. Установлено, что макромолекулы ХТ в растворителе, подавляющем полиэлектролитные эффекты, относятся к жесткоцепным полимерам, а макромолекулы ПЭПА – к линейным гибкоцепным полимерам с очень слабым межмолекулярным взаимодействием.

• С использованием современных методических подходов и методов исследования структуры многокомпонентных природных матриц получены новые данные, подтверждающие рассмотрение лигноуглеводной матрицы как суперпозиции взаимопроникающих полимерных наноструктур основных компонентов древесины, находящихся в состоянии термодинамической квазиравновесности. Установлено, что естественное нарушение баланса наблюдается при достижении можжевельником возраста зрелой древесины (90-110 лет) и сопровождается преобладанием окислительных и дегидрогенизационных процессов с образованием хинонных форм и повышением термодинамической неравновесности в древесной матрице. Происходящие процессы приводят к изменению соотношения п-кумаровых гваяцильных и сирингильных структур, функциональной природы, реакционной способности и молекулярно-массовых характеристик лигнина можжевельника. Показана определяющая роль ферментативного пероксидазного катализа в процессах биосинтеза и формирования структуры лигнина.

 

Расположение слоев клеточной стенки  древесины можжевельника и ориентация в них целлюлозных микрофибрилл (S1,S2,S3,W – слои клеточной стенки)

 

• С позиций синергетики с использованием методов световой, АСМ-микроскопии и динамического светорассеяния изучены структура торфа и его компонентов на разных уровнях размерной иерархии (макро-, микро- и наноуровнях) и их физико-химические свойства. Получены новые данные о ресурсном потенциале торфа арктических территорий России с позиций извлечения перспективных «зеленых» реагентов: высокомолекулярных гуматов, биологически активных низкомолекулярных соединений (восков, смол). Теоретически и экспериментально обоснованы режимы выделения индивидуальных компонентов, обеспечивающие комплексность использования торфяных ресурсов Субарктического региона, показана возможность их использования в качестве эффективных сорбентов нефти, тяжелых металлов и природных ПАВ.

АСМ изображение наночастиц биополимеров гумусовой природы, экстрагированных из верхового торфа

 

• Установлены фундаментальные закономерности формирования и модификации наноструктуры и физико-химических свойств гибридных полифункциональных материалов на основе биополимеров растительного (лигнин, полисахариды) и животного (хитозан) происхождения для создания мультислойных биологически совместимых композиционных материалов, нового поколения биологически-активных веществ, высокоэффективных сорбентов и биосенсоров. Показано, что интерполиэлектролитные комплексы проявляют полиамфолитные ионообменные свойства, при этом максимум активности соответствует стехиометрическому комплексу эквимольного состава, что определяется особенностями его морфологической структуры (плотная упаковка сферических наночастиц размером 30±3 нм).

   Морфологическая структура интерполиэлектролитных комплексов лигносульфонат – хитозан при различных соотношениях полимерных компонентов: а - 0,7; б - 1,0; в - 1,4. Снимки получены на Sem Sigma Vp Zeiss

 

• Предложена методика экологической оценки технологии производства предприятий комплексной химической переработки древесины для обеспечения эффективности решений в области управления природными процессами с учетом хозяйственной деятельности с использованием ограниченного перечня показателей уровня сброса/выброса по аналогии с существующими критериями оценки в ЕС. Базовым принципом сбалансированности экономических, экологических и социальных требований предложен принцип внедрения НДТ. Основное положение данного подхода заключается в переходе на нормирование деятельности предприятий в целом и его отдельных подразделений на базе технологий, отвечающих последним экономически доступным достижениям науки и техники, при минимальном уровне воздействия на экосистемы. Исследованы основные закономерности формирования компонентного состава сточных вод в процессах производства целлюлозно-бумажной продукции с использованием современных физико-химических методов анализа. В соответствие с международными стандартами научно обоснован и экспериментально подтвержден перечень приоритетных показателей эколого-аналитического контроля качества сточных вод ЦБП и методики их определения. Установлен вклад в значение ХПК индивидуальных компонентов и отдельных фракций веществ различной химической природы, показан приоритетный характер применения данного параметра для целей экологического контроля.