THE USE OF CERTAIN POLYMERS OF NATURAL ORIGIN TO REDUCE THE TOXIC EFFECTS OF LEAD IONS ON BIOLOGICAL OBJECTS

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Современная фармацевтическая промышленность поставляет огромное количество разнообразных  энтеросорбентов. Энтеросорбенты используются для связывания токсинов и других веществ в желудочно-кишечном тракте, однако, в связи с возможностью проявления ряда побочных реакций со стороны желудочно-кишечного тракта при их длительном применении, встает вопрос о разработке высокоэффективных сорбентов нового поколения. Перспективным направлением является разработка препаратов на основе природного сырья (например, торфа, костной ткани размельчённых рогов северного оленя), что одновременно выгодно с точки зрения его рационального использования.

Способность биополимеров природного происхождения к дезактивации различных поллютантов, в том числе и тяжелых металлов в малоподвижные, трудно диссоциируемые соединения обусловлена, главным образом, наличием в составе их молекул большого количества кислородосодержащих функциональных групп.  Наличие полярных группировок увеличивает способность таких соединений выступать в роли сорбентов, что становится возможным в результате ионных взаимодействий. Электроотрицательные гетероатомы, входящие в состав таких фрагментов, являются одновременно и мягкими основаниями, проявляя высокое сродство к ионам тяжелых металлов большого размера и участвуя в связывании последних посредством донорно-акцепторных взаимодействий. Поэтому необходимо рассмотрение возможности использования биополимеров, выделенных из природных объектов в процессах сорбции и дезактивации тяжелых металлов, применения их для  контроля геохимических потоков последних в окружающей среде.

Экосистемы Крайнего Севера и Арктики формируются под влиянием мерзлотных процессов, поэтому они очень чувствительны к действию загрязняющих веществ. Воздействие суровых климатических условий совместно с техногенным влиянием на жизнедеятельность населения значительно снижает защитные функции организма в целом. Следовательно, изучение структурно-функционального состава биополимеров природного происхождения, способности их проявлять сорбционные свойства в отношении тяжелых металлов определяет важность и актуальность таких исследований.

Кроме того, ввиду высокой чувствительности окружающей среды Крайнего Севера и Арктики к техногенным загрязнителям, необходимо искать источники недорого и возобновляемого сырья, которое можно было бы использовать для восстановления таких территорий и в качестве основы для разработки эффективных энтеросорбентов. В качестве сырья предлагается  использовать торф, имеющий в своем составе гумусовые кислоты, способные связывать тяжелые металлы, а также размельченные рога крупного рогатого скота, например, северного оленя.

Цель исследования

Цель работы заключается в oценке и cрaвнeнии copбциoннoй aктивнocти ГК и paзмeльченных рогов сeвeрнoгo oлeня с  извeстными энтeрocoрбeнтами (пoлисopб и фильтpум-СТИ) в oтнoшeнии иoнoв cвинца пpи рН=3.

 

МЕТОДЫ

Дизайн исследования

Проведена экспериментальная работа на основе количественной оценки сорбционных характеристик различных объектов.

Объекты исследования

Выбор объектов исследования регламентировался, в первую очередь, изучением биополимеров, выделение которых возможно из возобновляемого природного сырья. В качестве таковых были определены гуминовые кислоты, выдeлeнные из верхового тopфа бoлoт Архангельской агломерации и кocтная ткaнь рoгoв сeвepнoгo oлeня, измельченные образцы которой были прeдостaвлeны ООО «Сeвeрный oлeнь» (г. Нарьян-Мар). В качестве стандартных образцов для составления сравнительной количественной характеристики сорбционной способности выбранных объектов в отношении ионов свинца были выбраны Пoлисoрб (дeйствующее вeщeство – диoксид крeмния кoллoидный) и Фильтрум-СТИ (дeйтвующee вeщeствo – лигнин гидрoлизный).

Методика исследования

Для оценки сорбционных свойств исследуемых материалов брали образцы весом 0,100±0,001 г, помещали их в конические колбы с притертыми пробками и добавляли в каждую по 40 мл стандартных растворов с начальными концентрациями в диапазоне от 2 до 400 мкг Pb^2+/мл. Затем колбы встряхивали с небольшой интенсивностью в течение 40 минут.

После завершения процесса содержимое колб подвергали фильтрации. Измерение равновесной концентрации Pb²⁺ в растворе осуществляли потенциометрическим способом с использованием иономера «Эксперт-001» и ионоселективного электрода ЭЛИС–131Pb, поддерживая значение pH равным 3.

Указанный уровень pH был выбран для модельных растворов с целью имитации кислотности, близкой к характеристикам желудочного сока.

Величину адсорбции (сорбционной ёмкости) (мг Pb²⁺/г сорбента) рассчитывали по формуле:   ,

 где С₀ , С_р – исходная и равновесная концентрация Pb²⁺ (мкг/мл),

V – объём раствора (л),

 q – масса навески сорбента (г).

 

Статистические методы

Для oценки сoрбциoнных свойств изучаемых вeществ применялись матeматичeские мoдeли Лэнгмюра и Фрeйндлиха [1, 2]. Стaтистичeский анализ данных oсуществлялся с помощью прoграммнoгo пакета Microsoft Office for Windows, Excel, вeрсия 2016. Из значений углов наклона и тoчек пересечения прямых линий, пoстрoенных в сooтветствующих кooрдинатах линейных уравнений, были вычислены пaрaметры, харaктеризующие сoрбцию [3, 4]: Гпр, β, а также KF и n.

Методы исследования

Для изучения процесса сорбции образцы гуминовых кислот и костной ткани, полученной из рогов северного оленя, были проанализированы с применением инфракрасной спектроскопии. Количественный анализ ИК-спектров биополимеров осуществлялся посредством вычисления соотношений оптических плотностей полос поглощения, характерных для кислородсодержащих функциональных групп. В частности, определялись отношения оптических плотностей гидроксильных групп (−ОН) и эфирных связей (в областях 3400 см^-1, 1220 см^-1 и 1450 см^-1), карбоксильных групп (−СООН) (в области 1520 см^-1) к оптическим плотностям полос поглощения, соответствующих ароматическим полисопряженным структурам при 1610 см^-1 и алифатическим радикалам при 2920 см^-1.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Актуальность проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, в частности свинцом, не вызывает сомнений. Данный элемент, относящийся к первому классу опасности, широко распространен в земной коре и интенсивно используется в хозяйственной деятельности, что приводит к его повсеместному распространению и негативному воздействию на живые организмы. Особую опасность представляет кумулятивный эффект свинца: отравления часто протекают без острых симптомов. При этом отсроченные, но в то же время необратимые, последствия отравления соединениями свинца могут проявляться в виде нарушения когнитивных функций,  нейропатий, почечной недостаточности.  Снижение интеллекта, анемия, нарушения развития могут быть результатом токсического воздействия свинца на детский организм.

Существующие терапевтические стратегии борьбы с интоксикацией тяжелыми металлами включают применение энтеросорбентов на основе диоксида кремния, лигнина или смектитов. Однако их эффективность в отношении ионов свинца зачастую недостаточна. Длительный прием таких препаратов сопряжен с риском развития побочных эффектов со стороны желудочно-кишечного тракта (запоры, диспепсия), а также может вызывать нарушение абсорбции жизненно важных витаминов, кальция и микроэлементов. Кроме того, высокая стоимость многих сорбентов ограничивает их доступность для широкого круга потребителей.

Все вышеперечисленные факты определяют важность и актуальность для поиска и разработки безопасных и в то же время высокоэффективных энтеросорбентов на основе использования доступного возобновляемого природного сырья.

В России и других странах сегодня остро стоит вопрос  утилизации отходов биологического происхождения, стимулируя, в свою очередь, поиск таких материалов в различных регионах. Широко исследуются сорбционные свойства торфа и его компонентов, таких, например, как нативные гуминовые кислоты и продукты их химической модификации  в отношении неорганических поллютантов [2-9].

Несомненно существует много других потенциальных природных объектов-источников для разработки энтеросорбентов нового поколения.  Большой интерес в этом аспекте может представлять ткань рогов северного оленя – это еще один возобновляемый  ресурсурс, который в больших количествах образуется в оленеводческих регионах, таких как Ненецкий автономный округ (НАО). В настоящее время переработка этого вида сырья организована недостаточно, что приводит к его недоиспользованию и накоплению в качестве отходов. Широко известно, что рога животных богаты биологически значимыми соединениями, включая незаменимые аминокислоты, фосфолипиды, а также макро- и микроэлементы. Это послужило основанием для их использования в качестве добавок к корму в сельском хозяйстве [10-12]. Вместе с тем, информация об адсорбционной способности рогового материала в отношении тяжелых металлов в научных публикациях почти не встречается.

Основная задача данного исследования  заключается в определении сорбционных свойств ткани рогов северного оленя и гуминовых кислот, полученных из торфяных залежей приарктической зоны, в отношении ионов свинца. Кроме того, предполагается обосновать возможность применения этих материалов не только в качестве источника питательных веществ, но и как действенного и экономичного энтеросорбента для выведения токсичных веществ из организма.

На основе полученных экспериментальных данных были построены изотермы адсорбции ионов Pb²⁺  образцами сорбентов (рис. 1).

 

Исходя из результатов анализа, можно сделать вывод, что сорбционные характеристики исследованных биополимеров заметно отличаются от таковых уже известных на фармацевтическом рынке препаратов – полисорба и фильтрум-СТИ, и по ряду сорбционных показателей превосходят последние.

Кривые сорбции полисорба и фильтрум-СТИ характеризуются L-типом по классификации Джайлса. Изотерма L-формы часто используется для описания результатов экспериментов по адсорбции, указывая на высокое химическое взаимодействие адсорбата с поверхностью адсорбента при низких концентрациях. Такой тип изотерм адсорбции присущ, в основном, микропористым образцам с относительно небольшой внешней поверхностью. По мере заполнения сорбционных центров количество незаполненных позиций уменьшается, что приводит к уменьшению адсорбированного вещества. При этом кривые сорбции ГК и костной ткани рогов северного оленя более подходят под S- форму. Такая S-сорбционная кривая характерна для  мультимолекулярной адсорбции непористыми или макропористыми адсорбентами с диаметром пор выше 50 нм. При этом начальные выпуклые участки изотерм адсорбции данных образцов  указывают на присутствие в них наряду с макропорами некоторого объема микропор. Более крутой подъем сорбционной кривой ГК по сравнению с изотермой адсорбции костной ткани указывает на больший вклад  микропористости в структуре этого сорбента. Микропоры, размером менее 2 нм, обуславливают уникальный характер адсорбционных процессов. В отличие от обычной адсорбции, когда молекулы вещества закрепляются на поверхности, здесь адсорбция происходит во всем объеме поры.  Близость стенок микропоры приводит к значительному усилению взаимодействия между адсорбированным веществом и материалом адсорбента. Этот эффект возникает из-за суммирования и частичного перекрытия сил притяжения, исходящих от стенок поры, что создает энергетически выгодные условия для адсорбируемых молекул. В микропорах благодаря близости стенок пор потенциал взаимодействия с адсорбированными молекулами значительно больше, чем в более широких порах, и величина адсорбции соответственно также больше, на что также указывают  расчетные значения сорбционных коэффициентов, полученных исходя из линеаризованных изотерм адсорбции Лэнгмюра и Фрейндлиха (рис.2, 3).

 

S-образная изотерма костной ткани рогов северного оленя обладает участком с малым углом наклона кривой в области низких концентраций; с увеличением равновесной концентрации угол увеличивается. При низких концентрациях большая часть ионов металла остается в растворе в виде растворимых комплексов. Когда содержание металла возрастает, его адсорбция на поверхности твердого вещества в системе значительно усиливается.

Гуминовые кислоты и костная ткань рогов северных оленей демонстрируют значительную способность связывать свинец. Это подтверждается высокими показателями константы сорбционной емкости (Г∞), которые сравнимы с аналогичными показателями для Полисорба и Фильтрум-СТИ (табл. 1).

Определенные значения связующей способности Kf свидетельствуют о высокой степени взаимодействия ионов Pb²⁺ с гуминовыми кислотами и костной структурой рогов северного оленя. Установленные величины коэффициента β, отражающего степень притяжения сорбентов к Pb²⁺, демонстрируют явное преимущество образцов костной ткани по данной характеристике в сравнении с другими исследованными материалами. Темп абсорбции Pb²⁺ образцами роговой ткани также превышает аналогичный параметр у других сорбентов, а коэффициент интенсивности сорбции Pb²⁺ (n) для костной ткани в 2,7 раза больше, чем у Полисорба.

Инфракрасная спектроскопия, основанная на анализе колебаний молекул, предоставляет данные о присутствии определенных функциональных групп в биополимерных молекулах. Эта информация, в свою очередь, позволяет оценить потенциальный уровень их сорбционных характеристик по отношению к загрязняющим веществам, например, тяжелым металлам.

Изучение инфракрасных спектров предоставленных образцов выявило присутствие ряда характеристических полос поглощения, что свидетельствует о сложной структуре их молекул. Установлено, что зарегистрированные спектры поглощения демонстрируют сходство в расположении ключевых пиков. (рис. 4, 5).

 

Анализ спектральных данных исследованных биополимеров выявил следующие характерные особенности:

1. Широкий и выраженный пик в диапазоне 3500–2500 см⁻¹ свидетельствует о наличии гидроксильных групп, участвующих в образовании межмолекулярных водородных связей.
2. При 2860 см⁻¹ наблюдается сигнал, соответствующий метильным группам.
3. Валентные колебания метиленовых групп (-СН₂-) проявляются в виде полос при 2920 см⁻¹, 1410 см⁻¹ и в интервале 900–700 см⁻¹.
4. Ступенчатый характер спектра в области 1700–1600 см⁻¹ указывает на одновременное присутствие карбонильных групп (С=О) и ароматических структур с двойными связями (С=С). Дополнительно, сдвиг полосы поглощения карбоксильных групп (СООН) в сторону более коротких волн говорит о сопряжении в молекулярной системе.
5. Полоса в диапазоне 1100–1000 см⁻¹ связана с деформационными колебаниями гидроксильных групп спиртов, в том числе α-ненасыщенных спиртов. Эта область также характерна для циклических и алифатических эфиров. Кроме того, выраженные пики в интервале 1260–1000 см⁻¹ указывают на наличие валентных колебаний связей С-О в спиртовых и фенольных группах.
6. Присутствие амидных групп подтверждается полосой при 2360 см⁻¹. Рядом, в диапазоне 2260–2100 см⁻¹, фиксируется резкий пик, свидетельствующий о валентных колебаниях тройных связей (С≡С).
7. Полосы при 1450 см⁻¹ и 1140–1120 см⁻¹ относятся к ароматическим амидным и иминным группам.
8. Интенсивные сигналы в области 900–675 см⁻¹ обусловлены внеплоскостными деформационными колебаниями связей С-Н в ароматических кольцах, что указывает на наличие моно- и полиядерных ароматических структур.
9. Полосы поглощения в диапазоне 700–600 см⁻¹ соответствуют валентным колебаниям связи С-S. Пики в интервале 1250–1020 см⁻¹ могут быть связаны с тиокарбонильными группами, а полосы в области 500–400 см⁻¹ – с валентными колебаниями S-S-связей, которые особенно характерны для спектра роговой ткани.

Анализ оптических плотностей позволил сделать предположение об относительном вкладе отдельных функциональных групп и структурных компонентов в состав молекул исследованных биополимеров.

В целом, для молекул ГК характерно большее абсолютное содержание всех выявленных функциональных групп в молекуле (рис. 6а) и меньший разброс в общем количестве функциональных групп, по сравнению с молекулами биополимеров костной ткани (рис. 6б). Разветвление боковых алифатических цепей и увеличение количества кислородсодержащих групп определяют больший относительный размер молекул ГК по сравнению с молекулами биополимеров ткани трогов.

Исследование структурных характеристик показало существенную изменчивость в соотношении оптических плотностей полос поглощения, связанных с кислородсодержащими функциональными группами и алкильными заместителями, относительно ароматических фрагментов (табл. 2).

 

По показателю D₂₉₂₀/D₁₆₁₀ в молекулах обоих типов исследованных образцов преобладает ароматическая составляющая. При этом молекулы ГК имеют более выраженную алифатическую часть по сравнению с биополимерами костной ткани, т.к. данный показатель ближе к единице.

Опираясь на показатели D₃₄₀₀/D₁₆₁₀ и D₃₄₀₀/D₂₉₂₀ можно сделать заключение, что образцы костной ткани содержат значительно больше полярных функциональных групп, участвующих в формировании водородных связей,   относительно общего объема алифатической и ароматической структур по сравнению с ГК.  Так же для образца костной ткани рогов характерно большее относительное содержание других кислородсодержащих групп, таких, как карбоксильные и спиртовые ОН-группы, по отношению к алкильным заместителям и ароматическим фрагментам по сравнению с молекулами ГК. На это указывают более высокие расчетные коэффициенты  D₁₄₅₀/D_2920,  D₁₅₂₀/D_2920,  D₁₄₅₀/D_1610, D₁₅₂₀/D_1610. Однако в образцах ГК идентифицируется большее относительное содержание феноксильных групп, что подтверждается высокими значениями D₁₂₂₀/D₁₆₁₀   и D₁₂₂₀/D_2920.

Результаты ИК-спектрального анализа исследованных биополимеров указывают на преобладание ароматической составляющей в их молекулах. Обнаруженные в обоих образцах функциональные группы – метиленовые (-СН₂-), карбоксильные (-СООН), спиртовые (-ОН), тиокарбонильные (-C=S), аминные (-NН₂) и амидные (-CONH₂) – играют решающую роль в формировании комплексных соединений с тяжелыми металлами, обеспечивая их связывание.

Структурный анализ макромолекул позволяет прогнозировать сопоставимый уровень комплексообразующих свойств для костной ткани рогов северного оленя и исследованных ГК, или некоторое преобладание сорбционных свойств у первого образца. Последнее, вероятно, обусловлено увеличенной долей ароматических структур, сопряженных с карбоксильными и гидроксильными группами в макромолекулах рогов.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты ИК-спектроскопического анализа продемонстрировали структурную схожесть гуминовых кислот и биополимерного матрикса рогов северного оленя. Обнаружение в спектрах полос поглощения, характерных для функциональных групп (-NН₂, -ОН, >С=О, -СООН, >NH), свидетельствует о наличии в их структуре активных центров, способных к комплексообразованию с катионами тяжелых металлов. Это наблюдение позволяет сделать вывод о высокой вероятности выраженных хемосорбционных свойств исследуемых материалов в отношении ионов Pb²⁺.

Экспериментально установленные высокие значения констант сорбционной емкости, коэффициентов связывающей способности, степени сорбционного сродства и интенсивности подтверждают эффективность как ГК (выделенных из верхового торфа Архангельской области), так и костной ткани в связывании Pb²⁺. Полученные результаты обосновывают перспективность применения данных природных субстанций в качестве основы для энтеросорбционных препаратов. Такие средства могут быть рекомендованы для разработки средств профилактики и терапии интоксикаций соединениями свинца у лиц, чья профессиональная деятельность связана с длительным контактом с данным металлом. Кроме того, костная ткань рогов северного оленя представляет потенциальный интерес в качестве биологически активной добавки, направленной на снижение риска развития профессиональных заболеваний, вызванных накоплением свинца в организме.

About the authors

Elena Aivazova

СГМУ

Email: ayvazowa@yandex.ru
Russian Federation

Tatiana Aleksandrovna Korelskaya

Author for correspondence.
Email: takorelskaya@yandex.ru

Ekaterina A. Zuravleva

Email: zhuravleva.ek20@yandex.ru

Natalia A. Onokhina

Email: onohina.76@mail.ru

Natalia A. Zubova

Email: natalja.matonina@yandex.ru

Lyudmila V. Mayer

Email: mayer58@mail.ru

References

Supplementary files