SORPTION ACTIVITY OF REINDER ANTLER BONE TISSUE: THE INFLUENCE OF pH AND TEMPERATURE ON THE BINDING OF ZINC AND LEAD IONS

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Кислотно-щелочное равновесие, определяемое показателем рН, является одним из ключевых параметров внутренней среды организма. Нигде в нашем теле динамика рН не проявляется так ярко, как в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ). Резкие изменения кислотности вдоль пищеварительной трубки — это не случайность, а тонко организованный и жизненно важный механизм. Каждый отдел ЖКТ функционирует в строго определенном диапазоне рН, что обеспечивает эффективное переваривание пищи, уничтожение патогенов, связывание ионов тяжёлых металлов и всасывание питательных веществ.

Градиент pH в желудочно-кишечном тракте является адаптацией, выработанной в процессе эволюции для оптимизации пищеварения. Желудок, тонкий и толстый кишечник имеют разную кислотность: от экстремально кислой (рН 1.5-3.5) в желудке, через щелочную (рН 7.5-8.5) в тонком кишечнике, до слабокислой (рН 5.5-7.0) в толстой кишке.
Эти изменения кислотности, как переключатели, служат разным целям в процессе пищеварения. Эта строгая градация обеспечивает не только эффективное переваривание пищевых продуктов, всасывание продуктов их расщепления, но и связывание ионов токсичных металлов. Понимание этих процессов позволяет разрабатывать более эффективные лекарственные средства, биологически активные добавки и энтеросорбенты и методы лечения многочисленных гастроэнтерологических заболеваний.

Современное состояние фармацевтической промышленности характеризуется широким ассортиментом энтеросорбентов, применяемых для связывания и выведения токсичных веществ из желудочно-кишечного тракта. Длительное использование существующих препаратов нередко сопровождается нежелательными эффектами со стороны пищеварительной системы, что определяет необходимость поиска и создания новых сорбентов с улучшенными характеристиками биосовместимости и эффективности. Использование доступных и возобновляемых источников сырья имеет важное значение для обеспечения экологической устойчивости производственных технологий. Рога крупного рогатого скота и северного оленя являются перспективным биологическим материалом для получения природных сорбентов, способных эффективно связывать токсичные элементы и применяться при создании энтеросорбентов нового поколения, а также в системах экологической ремедиации загрязнённых территорий [1].

Традиционные методы очистки от токсичных тяжелых металлов, таких как свинец и цинк, часто связаны с использованием дорогостоящих и неэкологичных синтетических сорбентов, производство которых может быть энергоемким и сопровождаться образованием вторичных отходов. В этом контексте поиск и применение эффективных биосорбентов на основе возобновляемого сырья соответствует ключевым принципам зеленой химии:

1. Использование возобновляемого сырья.Рога северного оленя являются природным и ежегодно регенерируемым ресурсом. Их утилизация или переработка в ценные продукты, такие как сорбент, позволяет перевести отходы охотничье-промыслового хозяйства в категорию полезных ресурсов, замыкая биологический цикл и реализуя модель экономики замкнутого цикла.
2. Повышение энергоэффективности.Изучение сорбционной активности нативного материала позволяет оценить потенциал его применения с минимальной предварительной обработкой, что снижает энергозатраты по сравнению с синтезом новых материалов.
3. Предотвращение образования отходов.Разработка сорбционных технологий на основе природных материалов направлена на предотвращение загрязнения водных экосистем на стадии источника, что является приоритетным направлением по сравнению с ликвидацией последствий загрязнения.

 

Цель исследования.

Выявление оптимальных условий для проявления сорбционного потенциала костной ткани рогов северного оленя в oтнoшeнии иoнoв cвинца и цинка пpи разных температурах (t₁ = 25⁰C и t₂ = 37⁰C) и разном уровне рН (от 3 до 6).

Дизайн исследования

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

Объекты исследования

Кocтная ткaнь рoгoв сeвepнoгo oлeня, измельченные образцы которой были прeдостaвлeны ООО «Сeвeрный oлeнь» (г. Нарьян-Мар).

Методика исследования

Для оценки сорбционных свойств исследуемого материала 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 Pb²⁺/мл (2 до 400 мкг Zn²⁺/ мл). Экспозиция образцов проводилась в течение 40 минут при постоянной температуре и встряхивании с интенсивностью 150 об/мин в шейкере-инкубаторе с орбитой 20 мм на универсальной платформе для колб.

После завершения процесса содержимое колб подвергали фильтрации. Измерение равновесной концентрации Pb²⁺ и Zn²⁺ в растворе осуществляли потенциометрическим методом с использованием иономера «Эксперт-001» и ионоселективных электродов ЭЛИС–131Pb и ХС-Zn-001 при значениях рН от 3 до 6 при температурах 25⁰C и 37⁰C. Указанный уровень pH был выбран для модельных растворов с целью имитации кислотности, близкой к значениям рН в различных отделах ЖКТ.

Величину адсорбции (сорбционной ёмкости) (мг Pb²⁺/г сорбента) и (мг Zn²⁺/г сорбента) рассчитывали по формуле:   ,

 где С₀, С_р – исходная и равновесная концентрация Pb²⁺ и Zn²⁺(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 [2, 3]. 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 [4]: Г_пр, β, а также K_F и n.

Методы исследования. В качестве основного метода исследования выбран метод прямой потенциометрии.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

Уровень кислотности среды оказывает прямое влияние на сорбционные свойства материала [5, 6], модифицируя его поверхностный заряд и структуру сорбируемых молекул, что определяет эффективность их взаимодействия. Варьирование pH приводит к изменению заряда функциональных групп на поверхности сорбента. При низких значениях pH наблюдается протонирование многих групп (например, -COOH, -OH, -NH₂), тогда как при высоких значениях происходит их депротонирование. Следовательно, в сильно кислой среде желудка сорбция может быть ингибирована или значительно замедлена, поскольку степень диссоциации кислотных групп снижается. Напротив, при pH > 5 степень диссоциации этих групп увеличивается, что приводит к образованию большего количества отрицательно заряженных функциональных групп. Это может способствовать повышению комплексообразующей способности за счет электростатического взаимодействия между положительно и отрицательно заряженными ионами, которые могут образовываться, например, из карбоксильных и аминогрупп.

 

 

 

ОБСУЖДЕНИЕ

Температурный фактор оказывает двойственное воздействие на сорбционную способность. Как правило, рост температуры приводит к снижению сорбции, поскольку увеличение кинетической энергии молекул сорбата облегчает их переход в жидкую фазу. Тем не менее, в специфических физико-химических процессах, таких как хемосорбция, повышение температуры может стимулировать поглощение. Это обусловлено ростом доли активных молекул и увеличением частоты эффективных столкновений, что, в свою очередь, ускоряет образование химических связей на поверхности сорбента.

Обозначенные факторы, а также экологические особенности арктических территорий (ослабление адаптационных механизмов живых организмов в условиях воздействия экстремальных климатических факторов и техногенных нагрузок) определяют основную задачу данного исследования – изучение влияния температурных условий и кислотности среды на способность ткани рогов северного оленя к сорбции.

В работе использовались модельные растворы, имитирующие температуру и рН внутренней среды желудочно-кишечного тракта. На основе полученных экспериментальных данных были построены кривые сорбции ионов Pb²⁺ и   Zn²⁺   костной тканью рогов северного оленя при температурах 25⁰С и 37⁰С и значениях рН 3-6 (рис. 1).

Анализ кривых сорбции позволяет выявить общую тенденцию: чем выше кислотность среды, тем более "крутыми" становятся кривые сорбции. Наибольшая крутизна кривых достигается при pH, равном 3. Выпуклость кривых в кислой среде свидетельствует о том, что в процессе сорбции активно задействованы микропоры сорбента. Предельное значение сорбции соответствует образованию монослоя адсорбата на поверхности биополимера.

Изменение кислотности не влияет на общую пористость костной ткани, но изменяет форму, в которой находятся ионы цинка и свинца в растворе. При pH 3 в растворе преобладают свободные ионы Pb²⁺ и Zn²⁺. В этих условиях микропоры сорбента наиболее эффективно участвуют в связывании небольших, негидратированных ионов. Основной механизм сорбции – физическая адсорбция.

В условиях повышения pH (с 3 до 5-6) происходит смещение ионных равновесий в растворах с преимущественным образованием гидратированных и гидроксокомплексов [7]. Эти комплексы отличаются значительно большим объемом по сравнению с диаметром микропор сорбента, что препятствует их проникновению внутрь. Как следствие, снижается эффективность участия сорбента в связывании ионов посредством физической адсорбции.

При повышении температуры в области низких равновесных концентраций ионов изменяется характер сорбционных кривых, которые приобретают S-образную форму. Особенно отчетливо такие изменения в характере сорбции наблюдаются в растворах Pb²⁺ (рис. 2). Появление вогнутых участков кривых указывают на вовлечение в процесс связывания ионов тяжелых металлов макропор костной ткани и запуска механизма полислойной адсорбциии с ростом температуры. Вероятно, при нагревании зазоры и полости между структурными отдельностями костной ткани, несколько расширяются, активируются транспортные мезо- и макропоры, на поверхности которых находится значительное количество заряженных функциональных групп: фенольных, карбонильных, карбоксильных, амино-, иминогрупп и т.д. [8] Расширение пор облегчает доступ ионов к активным центрам, а повышение кинетической энергии молекул ускоряет процессы адсорбции и десорбции, влияя на равновесие и, следовательно, на форму кривых.
Такое сочетание определенной пористой морфологии строения ткани рогов [8] и особенностей структурно-функционального  строения молекул данного биополимера  обуславливает способность этого материала к комплексному проявлению физической  и химической адсорбции в отношении рассматриваемых ионов металлов.

Для математического описания статического равновесия, устанавливающегося в процессе сорбции, применены модели Ленгмюра и Фрейндлиха. Для визуализации достоверности использования данных моделей на рисунках  2, 3. приведены графики линеаризации полученных данных.  Исходя из последних выявлены области значений Ср, в пределах которых выполняются линейные зависимости.

Согласно изотермам Лэнгмюра линейные зависимости l/Г от l/Cp   в модельных растворах, содержащих ионы Pb²⁺ при температуре 37⁰С наблюдаются в диапазонах концентраций от 1,6∙10^-4 до 4,6∙10^-4 мкг/л, от 9,5∙10^-3 до 0,35 мкг/л, от 3,8∙10^-2 мкг/л до 45,5 мг/л и от 0,0002 до 0,002 мкг/л при рН, равных 3, 4, 5 и 6, соответственно. При температуре 25⁰С – в диапазоне концентраций от 0,063 мкг/л – 0,34 мкг/л, от 9,9∙10^-9 до 25,5 мг/л, от 0,004 до 2,2 мг/л и от 0,0003 до 50,0 мг/л при тех же значениях кислотности среды.

При обработке экспериментальных данных с помощью уравнения Фрейндлиха выявлены следующие области значений равновесных концентраций Pb²⁺, в пределах которых выполняются линейные зависимости lgГ от lgCp для образцов костной ткани при температуре 37⁰С: при рН3 –  в диапазоне концентраций от 1,6∙10^-4 до 1,1∙10^-3 мкг/л; при рН4 – от 9,5∙10^-3 до 0,35 мкг/л; при рН5 –  от 0,04 - 0,11 мкг/л и при рН6 от 0,0003 - 0,002 мкг/л. При температуре 25⁰С соответствующие линейные зависимости наблюдаются  в диапазоне концентраций от 0,07– 0,34 мкг/л, от 9,9∙10^-9  до 3,0∙10^-7  мг/л, от  0,004 до 40 мг/л и от 0,0004 до 50,00 мг/л, соответственно, при росте рН от 3 до 6.

В отношении ионов Zn²⁺ линейные зависимости l/Г от l/Cp  при обработке данных с помощью уравнения Лэнгмюра при температуре  37⁰С выполняются в следующих диапазонах 7,1∙10^-18 до 6,2∙10^-7 мг/л, от 0,0009 до 5,9 мг/л и от 0,3 мг/л до 12,9 мг/л при рН, равном 3, 4 и 5, соответственно. При температуре 25⁰С линейные участки находятся в области более высоких концентраций. При рН3 – в диапазоне от 0,4 до 2,2 мг/л; при рН4 – от 0,03 до 17,6 мг/л; при рН5 – от 0,009 – 29,0 мг/л.

При обработке экспериментальных данных с помощью уравнения Фрейндлиха выявлены следующие области значений равновесных концентраций Zn²⁺, в пределах которых выполняются линейные зависимости lgГ от lgCp для образцов костной ткани при температуре 37⁰С: при рН3 –  в диапазоне концентраций от 0,8 до 1,9∙10^-17; при рН4 – от 0,8∙10^-3 до 0,002 мг/л; при рН5 –  от 1,4 до 2,5 мг/л. При 25⁰С области линейных зависимостей lgГ от lgCp(Zn²⁺) смещаются  при всех исследованных значениях рН и находятся в следующих диапазонах от 0,4 до 2,2 мг/л, от 0,03 - 17,5  мкг/л и от 0,009 - 29,0 мг/л для рН 3, 4 и 5, соответственно.

Параметры, описывающие сорбционное поведение ионов, определенные из линеаризованных изотерм и коэффициенты корреляции обобщены в таблицах 1, 2. 

Из данных таблиц отчетливо видно уменьшение величины адсорбции ионов обоих исследованных металлов костной тканью с увеличением температуры, что подтверждают и литературные данные о влиянии температуры на величину сорбции [9, 10].

Увеличение уровня рН влияет на значение предельной адсорбции (Г) ионов цинка и свинца по-разному. Г_Zn²⁺ при смещении рН в более щелочную область снижается до 10 раз. Такая тенденция, вероятно, вытекает из устанавливающихся в растворах разной кислотности ионных равновесий с участием ионов цинка. В сильнокислой среде функциональные группы молекул биополимеров костной ткани находятся преимущественно в протонированной форме, преобладает физическая сорбция посредством поглощения микропорами костной ткани свободных частиц Zn²⁺, которые с ростом рН до 4 связываются преимущественно в комплексные ионы состава [Zn(H₂O)₆]²⁺, не способные проникать в узкие пространства микропор. В этой области рН, предположительно, преимущественно реализуется хемосорбция за счет межионного взаимодействия функциональных групп молекул костной ткани с крупными катионами гексааквацинка (II). Ещё большее повышение рН до 5 способствует частичному преобразованию существующих аквакомплексов в гидроксоаквакомплексы состава [Zn(H₂O)₅(ОН)]⁺, [Zn(H₂O)₄(ОН)₂] [11]. Потеря заряда частицами приводит к снижению выраженности специфических (электростатических) взаимодействий. Происходит ещё большее уменьшении величины Г. При ещё более высоких значениях рН  (6 и более) процессы гидролиза в исследуемых растворах, содержащих ионы Zn²⁺, становятся настолько сильно выраженными, что проведение эксперимента становится нецелесообразным. Протекают процессы осадкообразования. Т.о., при повышении кислотности среды способность костной ткани связывать цинк увеличивается.

В отношении ионов свинца выявлена противоположная тенденция – снижение кислотности, наоборот, способствует росту величины предельной адсорбции (Г). Вероятно, это связано с увеличивающейся ионизацией кислотных групп сорбента при изменении рН от 3 до 6, поверхность макромолекул костной ткани перезаряжается, приобретая отрицательный заряд, но при этом ионы свинца остаются преимущественно в свободной форме Pb²⁺, т.к. свинец обладает меньшей способностью к комплексообразованию по сравнению с цинком, а ближе к области рН 5-6 превращаются в гидроксокатионы состава [Pb₄(OH)₄]⁴⁺ [12], возрастающий положительный заряд которых также способствует росту ионных взаимодействий с сорбентом. Т.о., при повышении кислотности среды способность костной ткани связывать свинец уменьшается.

Динамика изменения величин коэффициента β, отражающего степень притяжения сорбента к сорбтиву, при разных температурах и рН для Pb²⁺ и Zn²⁺ весьма противоположна. Снижение кислотности среды при низких температурах (t = 25⁰С) приводит к уменьшению показателя β_Pb²⁵ от 3∙10³ при рН=3 до 1∙10² при рН=6 и увеличению β_Zn²⁵ от 0,09 при рН=3 до 3,65 при рН=5. При повышении температуры до 37⁰С тенденция меняется на противоположную - β_Pb³⁷ увеличивается от 4∙10³ при рН=3 до 2∙10⁵ при рН=6, а β_Zn³⁷ значительно и резко снижается при снижении кислотности среды.

Результаты расчетов и сравнения значений коэффициента K_f, позволяющего оценить прочность связей между костной тканью рогов и ионами Pb²⁺ и Zn²⁺, выявили сходную динамику изменения уровня данного показателя для обоих исследуемых сорбтивов: в обоих случаях коэффициенты K_fZn и K_fPb  незначительно уменьшаются при увеличении рН от 3 до  6 в низкотемпературной экспозиции  (t = 25⁰C) и резко снижаются при более высокой температуре (t = 37⁰C).

Исследование скорости сорбции Pb²⁺ и Zn²⁺ с использованием показателя интенсивности (n) выявило, что зависимость от кислотности среды не является линейной и меняется в зависимости от температуры. При температуре 25°C данный коэффициент незначительно возрастает при уменьшении кислотности в отношении обоих ионов, достигая пиковых значений (n_Pb²⁵ = 7,64 и n_Zn²⁵ = 2,18) при pH 4. При температуре 37°C также  наблюдается  рост n при снижении кислотности, но при pH 4, наоборот, происходит резкое падение данных показателей (n_Pb³⁷ = 0,80 и n _Zn³⁷ = 4,04).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования выявили зависимость сорбционной активности природного биополимера костной ткани рогов северного оленя  от температуры и кислотности среды.

Полученные экспериментальные данные показали снижение величины предельной адсорбции ионов Zn²⁺ при повышении рН среды. В кислой среде в процессе сорбции задействованы микропоры сорбента, которые активно связывают ионы Zn²⁺. Основным механизмом сорбции в кислой среде является физическая адсорбция. Повышение значения рН вызывает увеличение содержания крупных гидроксокомплексов, размеры которых не соответствуют размерам микропор сорбента. По этой причине при понижении кислотности среды снижается эффективность физической адсорбции. Т.о., при повышении кислотности среды способность костной ткани связывать цинк увеличивается.

Анализ экспериментальных данных показал увеличение величины предельной адсорбции ионов Pb²⁺ при повышение рН среды. Вероятно, это связано с увеличивающейся ионизацией кислотных групп сорбента при изменении рН от 3 до 6, поверхность макромолекул костной ткани приобретает отрицательный заряд, но при этом ионы свинца остаются преимущественно в свободной форме Pb²⁺, т.к. свинец обладает меньшей способностью к комплексообразованию по сравнению с цинком, а ближе к области рН 5-6 превращаются в гидроксокатионы состава [Pb₄(OH)₄]⁴⁺. Возрастающий положительный заряд гидроксокатионов способствует росту ионных взаимодействий с сорбентом. Т.о., при повышении кислотности среды способность костной ткани связывать свинец уменьшается.

Экспериментально установлено увеличение коэффициентов связывающей способности ионов Pb²⁺ и Zn²⁺ (K_fZn и K_fPb⁾ при повышении кислотности среды, уменьшение констант сорбционной емкости обоих исследованных металлов костной тканью с увеличением температуры. Особый интерес представляют экспериментальные данные, демонстрирующие влияние повышения температуры на вовлечение в процесс связывания ионов тяжелых металлов макропор костной ткани и запуска механизма полислойной адсорбциии.

Применение данного возобновляемого сырья в фармацевтической и медицинской практике способствует развитию экологически ориентированных технологий и расширяет возможности комплексной защиты организма от токсического воздействия соединений тяжёлых металлов.

Таким образом, результаты исследования подтверждают научную и практическую значимость изучения природных биополимеров в качестве функциональных сорбентов и создают основу для дальнейших разработок в области медицинской биотехнологии, токсикологии и экогигиены.

About the authors

Tatiana A. Korelskaya

North State Medical University

Author for correspondence.
Email: takorelskaya@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3883-998X
SPIN-code: 8128-5129

Cand. Sci. (Chemistry), Associate Professor

Russian Federation, Arkhangelsk

Natalia A. Onokhina

North State Medical University

Email: onohina.76@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5273-8686
SPIN-code: 5906-1730

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor

Russian Federation, Arkhangelsk

Elena A. Aivazova

North State Medical University

Email: ayvazowa@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2064-7410
SPIN-code: 5449-3899

Cand. Sci. (Biology), Associate Professor

Russian Federation, Arkhangelsk

Ekaterina A. Zhuravleva

North State Medical University

Email: zhuravleva.ek20@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7932-0717
SPIN-code: 4130-4819

Cand. Sci. (Biology), Associate Professor

Russian Federation, Arkhangelsk

References

Supplementary files