Гумат натрия: перспективы применения в разных сферах



В статье представлен обзор универсальных возможностей применения гумата натрия в сельском хозяйстве, животноводстве, аквакультуре, экологии и биомедицине. Особое внимание уделяется перспективам дальнейшего изучения гумата натрия для стандартизации и расширения его использования в различных отраслях.

Ключевые слова: гумат натрия; биомедицина; сельское хозяйство; агротехнологии; биотехнологии; животноводство; экология.

Прежде чем погрузиться в тему гумата натрия — одного из значимых соединений, связанных с гуминовыми веществами, — стоит сначала разобраться в их общей природе. Это поможет понять, как из этих сложных органических структур рождается столь перспективное вещество, находящее применение в самых разных сферах.

Гуминовые вещества (ГВ) — это сложные органические соединения, образующиеся в процессе разложения растительных и животных остатков под воздействием микроорганизмов и абиотических факторов среды. Они являются основной органической составляющей почвы, воды и твердых горючих ископаемых, таких как бурый уголь и торф.

Интерес к гуминовым веществам начался в XVIII веке, когда немецкий ученый Франц Ашар выделил их из торфа в 1786 году. В России с середины XX века препараты на основе гуминовых веществ, такие как гуматы, используются для подкормки растений и животных. Значительный вклад в изучение гуминовых веществ внесли такие учёные, как Д. С. Орлов и М. М. Кононова. Орлов разработал классические положения химии гумусовых веществ и предложил структурную формулу гуминовых кислот, а Кононова создала теоретическую схему гумификации, основанную на взаимодействии хинонов и аминокислот. Их исследования заложили научную базу, которая позволила применять гуминовые вещества в таких сферах, как экология, сельское хозяйство и медицина.

ГВ состоят преимущественно из углерода (50–60 %), кислорода (30–40 %), водорода (3–5 %) азота (1–5 %) и серы (<1 %). Этот состав варьируется в зависимости от источника, например, гуминовые вещества из почвы могут иметь больше азота, чем из водных систем — озёр или речных вод [2].

Гуминовые вещества подразделяются на три основные фракции, различающиеся по растворимости. Фульвокислоты растворимы в воде, кислотах и щелочах при любом pH. Гуминовые кислоты нерастворимы в кислотах, но растворимы в щелочной среде, также растворимы в воде при нейтральном и щелочном рН, но нерастворимы в воде при кислом рН ниже 2. Гумин — наиболее сложноорганизованная и высокомолекулярная фракция, нерастворимая ни в воде, ни в кислотах, ни в щелочах.

Одной из ключевых характеристик гуминовых веществ является наличие различных функциональных групп, определяющих их химические свойства. Карбоксильные группы (-COOH) отвечают за кислотность и способность связывать металлы, фенольные гидроксильные группы (-OH) участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, а карбонильные группы (C=O) влияют на полярность и растворимость. Метоксигруппы (-OCH₃) чаще всего встречаются в ароматических структурах, тогда как хиноновые структуры играют важную роль в электрохимических процессах.

Строение углеродного скелета гуминовых веществ включает как алифатические, так и ароматические части. Алифатические компоненты представлены прямыми и разветвленными цепями, а также циклическими структурами, которые часто связаны с остатками липидов и углеводов. Ароматические компоненты содержат бензольные кольца с различными заместителями, такими как -OH, -OCH₃ и -COOH, причем их особенно много в гуминовых кислотах, полученных из угля или леонардита.

Известно, что ГВ представляют собой не одну большую молекулу, а сборку меньших молекул, связанных слабым взаимодействием, например, водородными связями, силами Ван-дер-Ваальса и π-π взаимодействия [8].

Эти меньшие молекулы происходят из разложения растительного и животного материала, включая лигнин, целлюлозу, белки и липиды. Они амфифильны, то есть имеют как гидрофильные (функциональные группы), так и гидрофобные (ароматические или алифатические) части, что позволяет им формировать мицеллоподобные структуры в растворе.

Эта модель объясняет их способность связывать и транспортировать гидрофобные соединения и металлы, а также изменять структуру в зависимости от условий, таких как pH или ионная сила. Например, при экстракции с помощью щелочи гуминовые кислоты образуют растворимые соли, а при закислении они выпадают в осадок, в то время как фульвокислоты остаются растворимыми [6].

Один из важных компонентов гуминовых веществ — гуминовая кислота, которая используется для производства гумата натрия.

Гумат натрия — это соль гуминовой кислоты, получаемая обработкой гуминовых кислот гидроксидом натрия, что делает его водорастворимым. Он представляет собой тёмный порошок или жидкость, богатую углеродом и содержащую функциональные группы, такие как карбоксильные и фенольные. Эти группы играют ключевую роль в способности гуминовых веществ образовывать хелатные комплексы с микроэлементами, такими как Mg²⁺, Ca²⁺, Fe²⁺ и Fe³⁺, что способствует их доступности для растений.

Гумат натрия представляет собой одно из самых популярных средств, способных улучшать качество почвы, ускорять рост растений и поддерживать здоровье животных. Богатый микроэлементами и обладающий широким спектром биологической активности, этот природный материал демонстрирует свою эффективность в самых разнообразных сферах — от сельского хозяйства до инновационных технологий.

Одним из направлений, где гумат натрия показывает свою эффективность, является аквакультура. Важно не только ускорять рост гидробионтов, но и поддерживать их здоровье, снижая затраты на корма и улучшая качество воды. Известно влияние этой добавки на скорость роста и выживаемость стерляди Acipenser ruthenus . Введение гумата натрия в рацион улучшает коэффициент конверсии пищи на 17,4 %, несмотря на незначительное увеличение темпов роста. Наилучшие результаты были получены при использовании гумата натрия в концентрации 200 мг/кг. Это свидетельствует о потенциальной возможности его применения в рыбоводстве [10].

Также демонстрируется положительное влияние гумата натрия на развитие и здоровье белоногих креветок Litopenaeus vannamei . Сочетание гумата натрия и пробиотиков ( Lysinibacillus , Bacillus subtilis ) приводит к улучшению роста, повышению выживаемости до 88,44 % и увеличению активности пищеварительных ферментов у креветок. Кроме того, гумат натрия способствует улучшению микробной среды воды, повышая содержание полезных бактерий Proteobacteria, Bacteroidetes, Actinobacteria, Pseudohongiella и Ruggiella , и снижая уровень аммиака с 3,03 мг/л до 0,73 мг/л, что делает его перспективным биостимулятором для использования в интенсивных системах аквакультуры [5].

Гумат натрия находит применение в животноводстве как эффективная альтернатива оксиду цинка, который традиционно используется для профилактики диареи у поросят после отъёма. Известно, что оксид цинка приводит к серьёзным экологическим проблемам. Добавление гумата натрия в рацион поросят положительно влияет на их рост, повышает уровень иммуноглобулинов M (IgM) и G (IgG), что способствует снижению воспалительных процессов. Кроме того, он помогает уменьшить уровень окислительного стресса, включая малоновый диальдегид (MDA). Добавление гумата натрия в корм поросятам позволяет частично заменить оксид цинка, улучшая их здоровье и уменьшая воздействие на окружающую среду [12].

В птицеводстве важно не только обеспечивать здоровый рост птицы, но и создавать оптимальные условия для её развития. Одним из перспективных решений является добавление гумата натрия в их рацион. В кормах для бройлеров гумат натрия, полученный из пресноводного сапропеля, увеличивает массу тушек на 6,06 % за 36 дней, улучшает усвоение питательных веществ и нормализует работу пищеварительной системы [11].

Гуматы обладают способностью повышать урожайность и усиливать вегетацию сельскохозяйственных культур. Влияние гуматов, произведённых из выветрелых углей, на прорастание семян овощных культур проявляется в улучшении всхожести. Обработка семян капусты белокочанной раствором гумата калия повышает их всхожесть, а для томатов определённая концентрация также эффективна. Смесь гуматов калия и натрия увеличивает всхожесть семян баклажанов, сладкого перца и огурцов, достигая 90 % [7].

Гумат натрия получают из природных источников, он биоразлагаем и экологически безопасен. В сельском хозяйстве помогает снижать потребность в синтетических удобрениях и пестицидах, уменьшая загрязнение окружающей среды. Однако чрезмерное применение может привести к повышению солёности почвы из-за содержания натрия, поэтому важно соблюдать нормы использования.

В пчеловодстве гумат натрия используется для укрепления иммунитета пчёл, повышения их продуктивности и защиты от неблагоприятных факторов среды. К тому же, добавление его в сахарный сироп способствует увеличению расплода и медовой выработки до 26,35 ± 1,83 кг/колония. Однако при высокой дозировке наблюдалось снижение продуктивности, что подчёркивает важность оптимального подбора концентрации [1].

Одним из наиболее эффективных методов очистки воды от загрязнителей является использование гумата натрия в качестве абсорбента. Добавление гумата натрия в процессе пиролиза биомассы (арахисовой шелухи и остатков белого клевера) при 600 °C значительно повышает адсорбционные свойства биоугля, что позволяет эффективно очищать воду от тяжелых металлов и синтетического красителя — метиленового синего [3].

Современная онкология разрабатывает методы повышения эффективности лечения опухолей и снижения побочных эффектов химиотерапии. Перспективным направлением является фототермическая терапия с локальной доставкой препаратов. Для этого созданы светочувствительные гидрогели на основе метилцеллюлозы с гуматом натрия, которые преобразуют лазерное излучение в тепло, инициируя гелеобразование и регулируя высвобождение цисплатина. Локальный нагрев способствует уничтожению раковых клеток. Оптимальные условия производства зависят от концентрации гумата натрия и времени лазерного воздействия: их увеличение повышает устойчивость гидрогеля, снижает набухание и обеспечивает постепенное высвобождение лекарства [4].

Гумат натрия улучшает пластичность и прочность керамических материалов для 3D-печати, что может быть полезно в биомедицине. Добавление гумата натрия и лигносульфоната в керамические смеси повышает качество керамики, способствуя созданию надёжных стоматологических коронок, мостов, имплантов, ортопедических покрытий для суставных протезов и биосовместимых медицинских изделий [9].

Гумат натрия считается безопасным для сельского хозяйства и кормов для животных, но его использование в пищевой и фармацевтической промышленности ограничено из-за нехватки данных о влиянии на здоровье человека. Регулирующие органы пока не установили чётких норм его применения.

Для преодоления этих ограничений необходимы токсикологические исследования и клинические испытания, оценивающие безопасность и эффективность гумата натрия. Сотрудничество с регуляторами и публикации научных данных повысят доверие и упростят процесс одобрения.

Гумат натрия обладает широкими перспективами в разных сферах: от улучшения здоровья животных до внедрения экологически чистых технологий. Дальнейшие исследования помогут раскрыть его потенциал и решить важные экологические задачи.

Литература:

1. Arısı B. The effects of supplemental feeding with sodium humate on the performance of honey bee colonies (Apis Mellifera L.) / B. Arısı, A. Mellifera, L. Sodyum, H. Katkılı, B. Performans, Ü. Muhammet, M. Tunç, M. Cengiz, K. Yazici, M. Turan // Uludağ Arıcılık Dergisi. — 2020. Vol. 20. — P. 181–188.
2. Chin Y.-P. Identification of next-generation International Humic Substances Society reference materials for advancing the understanding of the role of natural organic matter in the Anthropocene / Y.-P. Chin, D. McKnight, J. D'Andrilli, N. Brooks, K. Cawley, J. Guerard, E. Perdue, C. Stedmon, P. Tratnyek, P. Westerhoff, A. Wozniak, P. Bloom, C. Foreman, R. Gabor, J. Hamdi, B. Hanson, R. Hozalski, A. Kellerman, G. McKay, D. Reckhow // Aquatic Sciences. — 2023. Vol. 32. — P. 1–16.
3. Dou G. Preparation of Sodium Humate-Modified Biochar Absorbents for Water Treatment / G. Dou, Z. Jiang // ACS Omega. — 2019. Vol. 4. — P. 16536–16542.
4. Ghorbani F. Injectable light-assisted thermo-responsive methylcellulose-sodium humate hydrogel proposed for photothermal ablation and localized delivery of cisplatin / F. Ghorbani, B. Ghalandari, Z. Liu, D. Li, B. Yu // Front. Bioeng. Biotechnol. — 2022. Vol. 10. — P. 1–14.
5. Liao W. Effects of sodium humate and probiotics on growth performance, enzyme activity and microbial environment of Litopenaeus vannamei in high-density zero‐water exchange systems / W. Liao, Z. Lin, M. Liao, Y. Xue, J. Zhou, Y. Wang, D. Hou, C. Sun // Front. Mar. Sci. — 2022. Vol. 9. — P. 1–14.
6. Maffia A. Humic Substances: Bridging Ecology and Agriculture for a Greener Future / A. Maffia, M. Oliva, F. Marra, C. Mallamaci, S. Nardi, A. Muscolo // Agronomy. — 2025. Vol. 15. — P. 1–33.
7. Martynova E. N. Assessment of the effect of humates produced by “Shubarkol Komir” JSC on germination of vegetable seeds / E. N. Martynova, S. E. Dadyka, I. A. Safronova, A.Zh. Abyurov, D. V. Ageev, A. K. Ramazanov // Bull. Karaganda Univ. “Biol. Med. Geogr. Ser.” — 2024. Vol. 29. — P. 70–76.
8. Mayans B. Evaluation of Commercial Humic Substances and Other Organic Amendments for the Immobilization of Copper Through 13C CPMAS NMR, FT-IR, and DSC Analyses / B. Mayans, J. Pérez-Esteban, C. Escolástico, E. Eymar, A. Masaguer // Agronomy. — 2019. Vol. 9. — P. 1–17.
9. Nguyen T. Effects of sodium humate and sodium lignosulfonate additives on the plasticity of 3D printing materials for ceramic tableware production / T. Nguyen, V. Mai, T. Nguyen // Ministry of Science and Technology, Vietnam. — 2024. Vol. 66. — P. 9–12.
10. Polishchuk N. Study of the effect of feed additive of sodium humate for sterlet by the cage method of growing / N. Polishchuk, B. Kovalenko, N. Vovk, I. Kononenko, V. Kovalenko // Anim. Sci. Food Technol. — 2021. Vol. 12. — P. 1–15.
11. Proskina L. Assessment of the inclusion of a feed additive of sodium humate derived from freshwater sapropel in diets for broiler chickens / L. Proskina, D. Barzdina, A. Valdovska, I. Pilvere, I. Vircava, S. Cerina, S. Meskis // Vet. World. — 2023. Vol. 16. — P. 2029–2041.
12. Wang Q. Effects of Dietary Supplementation of Humic Acid Sodium and Zinc Oxide on Growth Performance, Immune Status and Antioxidant Capacity of Weaned Piglets / Q. Wang, J. Ying, P. Zou, Y. Zhou, B. Wang, D. Yu, W. Li, X. Zhan // Animals (Basel). — 2020. Vol. 10. — P. 1–9.