Ученые продемонстрировали, что в древесине растений, выросших на почве с повышенной радиацией, структура лигнина – важнейшего составного компонента растительных клеток – претерпевает заметные изменения. В лигнине, подверженном радиации, больше эфирных связей и меньше конденсированных, трудно разрушаемых структурных фрагментов. В результате такая древесина легче освобождается от лигнина и может более эффективно использоваться для химической переработки, в том числе и для производства целлюлозы и бумаги, если ее радиоактивность будет соответствовать норме. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Biocatalysis and Agricultural Biotechnology.

Лигнин выполняет множество функций в организме растений. Так, он обеспечивает механическую прочность их клеток и тканей, защищает растения от ультрафиолетового излучения и от патогенных микроорганизмов. Это высокомолекулярное соединение, состоящее из многих звеньев, соединенных разнообразными химическими связями, и преобладающей является эфирная связь, при которой между двумя атомами углерода располагается атом кислорода. При этом структура и состав лигнина может меняться в зависимости от условий внешней среды, таких как пониженная влажность или повышенный радиоактивный фон. Изменение химической структуры лигнина, одного из основных клеточных компонентов, не может не сказаться на свойствах растения. Однако данные о влиянии радиации на строение лигнина отсутствуют. Это затрудняет промышленное использование древесины с радиоактивно зараженных участков. Такие области могут возникать на свалках медицинского оборудования, остатков космических аппаратов, научных приборов или на территориях с естественным избытком радиоактивных компонентов в почве.

Ученые из Федерального исследовательского центра «Коми научный центр Уральского отделения РАН» (Сыктывкар) установили, как радиоактивное излучение влияет на структуру лигнина. Для этого исследователи выделили лигнин из древесины осины (Populus tremula), произрастающей в районе с нормальным и повышенным радиоактивным фоном на территории бывшего предприятия по добыче радия. Содержание радия в почве и древесине авторы оценили по силе радиоактивного излучения, а количество урана (он также присутствует в рудах и связан с радием цепочкой превращений) – люминесцентным методом, основанном на способности вещества светиться. При этом уровень радиации на загрязненных участках был в 30–50 раз выше нормы.

Анализ показал, что радиация не повлияла на содержание лигнина: его количество во всех образцах составляло около 23 %. Однако изменился его химический состав. Авторы использовали ЯМР-спектроскопию – метод, основанный на том, что фрагменты молекулы в магнитном поле испускают разное излучение в зависимости от своего строения и состава. В условиях повышенной радиации между звеньями лигнина на 7,7 % увеличилось количество эфирных связей и снизилось число других химических связей. При этом под действием радиационного стресса в лигнине уменьшилось число конденсированных, трудно разрушаемых структур. Это значит, что из древесины, образовавшейся в таких условиях, проще удалить лигнин, а это, в свою очередь, может упростить и ускорить процессы промышленной переработки древесины. Безусловно, ее радиоактивность должна быть в пределах нормы. Таким образом, полученные данные могут расширить область применения растений, выросших на радиоактивно зараженных участках. Кроме того, результаты исследования показали, что в условиях радиационного загрязнения лигнин приобретает высокую антирадикальную и антиоксидантную активности, то есть уменьшает количество свободных радикалов. Это делает лигнин перспективным биоразлагаемым полимером для создания препаратов с высоким биомедицинским потенциалом.

«Лигнины играют чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности растений. Понимание химии стрессового лигнина необходимо для рационального использования растительной биомассы в сценариях изменения экологии окружающей среды», – рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Людмила Кочева, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Федерального исследовательского центра «Коми научный центр Уральское отделение РАН».

Источник: пресс-служба Российского научного фонда.