Учёные МГУ открыли новые механизмы, определяющие уникальные оптические свойства растворенного органического вещества, гуминовых веществ и других неупорядоченных органических систем. Статья опубликована в журнале Американского химического общества (ACS) Environmental Science & Technology. Исследование поможет лучше мониторить здоровье водных и почвенных экосистем и может быть использовано для диагностики и прогноза их состояния. Работа проходила в рамках деятельности НОШ МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» и «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды».
Гумификация – глобальный процесс разложения биомассы, образованной в результате фотосинтеза. Этот процесс замыкает цикл планетарного метаболизма органического углерода. Продукты гумификации – высоко неупорядоченные молекулярные ансамбли неживого органического вещества. Они представляют собой «экосистемный метаболом» и присутствуют в почвах и твердых горючих ископаемых (торф, уголь) в виде гуминовых веществ (ГВ), а в природных водах формируют пул растворенного органического вещества (РОВ). По аналогии с качеством и количеством метаболитов, присутствующих в биологических жидкостях человека, молекулярный и количественный состав РОВ и ГВ несет информацию о здоровье водных и почвенных экосистем и может быть использован для диагностики и прогноза их состояния. Особую роль для применения в качестве диагностических показателей имеют флуоресцентные характеристики РОВ и ГВ, которые часто используются исследователями для мониторинга состояния природных вод и прогнозирования изменения окружающей среды в результате изменения климата. Однако природа наблюдаемой флуоресценции и её связь со структурными характеристиками и молекулярным составом РОВ и ГВ до сих пор является предметом дискуссий. В связи с этим все предлагаемые прогностические модели носят сугубо эмпирический характер.
В поисках теоретических закономерностей авторы работы обратили внимание на то, что флуоресцентные свойства РОВ и ГВ различного происхождения весьма близки между собой, несмотря на крайнее разнообразие их молекулярного состава. Для объяснения этого явления ученые использовали методы флуоресцентной спектроскопии с наносекундным и фемтосекундным временным разрешением. В результате им удалось показать, что сходство флуоресцентного отклика различных РОВ и ГВ объясняется наличием межмолекулярного взаимодействия, проявляющегося в сверхбыстром переносе энергии между отдельными молекулярными компонентами РОВ и ГВ. Именно этот сверхбыстрый перенос энергии пикосекундного масштаба приводит к смещению спектров флуоресценции в красную область спектра, присущего большому классу РОВ и ГВ. Также ученые установили, что скорость сверхбыстрого переноса и величина «красного сдвига» скоррелированы и зависят от количества донорных и акцепторных пар, участвующих в переносе энергии, и от размера молекулярного ансамбля РОВ и ГВ.
«Оптическая спектроскопия – один из популярных методов диагностики свойств РОВ и ГВ, так как он легко применим для проведения in situ исследований в натурных условиях. Поэтому на настоящий момент накоплен огромный эмпирический массив данных о взаимосвязи оптических и структурных свойств РОВ и ГВ, который широко используется для мониторинга состояния ледников, вечной мерзлоты, водоёмов и почв. Понимание фундаментальных процессов, которые лежат в основе формирования оптических свойств, необходимо для замены эмпирических взаимосвязей теоретическими закономерностями. В нашей работе мы впервые показали, что в основе наблюдаемых флуоресцентных свойств РОВ и ГВ лежит не только химическое разнообразие структур в составе их молекулярного ансамбля, но и наличие специфического типа открытого нами сверхбыстрого межмолекулярного взаимодействия, которое приводит к переносу энергии возбуждения между отдельными хромофорами РОВ и ГВ в масштабе пикосекунд. Тем самым мы показали, что технологии фотоники незаменимы для развития экосистемной метаболомики, особенно в части решения задач, связанных с изменением климата и прогнозом адаптации окружающей среды», – рассказал сотрудник НОШ «Фотоника», младший научный сотрудник физического факультета МГУ Борис Якимов.
Полученные результаты позволили сформулировать теоретические основы формирования оптических свойств РОВ и ГВ и предложить новую теоретическую модель для объяснения экспериментально наблюдаемых трендов оптики РОВ и ГВ, которая может быть использована для мониторинга состояния природных вод и прогнозирования изменения окружающей среды в результате изменений климата с помощью оптических методов.