ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ ПОЛИМЕРОВ ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНОВ СВИНЦА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

Полный текст

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.

Об авторах

Елена Анатольевна Айвазова

СГМУ

Email: ayvazowa@yandex.ru
Россия

Татьяна Александровна Корельская

Автор, ответственный за переписку.
Email: takorelskaya@yandex.ru

Екатерина Александровна Журавлева

Email: zhuravleva.ek20@yandex.ru

Наталья Алекксандровна Онохина

Email: onohina.76@mail.ru

Наталья Александровна Зубова

Email: natalja.matonina@yandex.ru

Людмила Владимировна Майер

Email: mayer58@mail.ru

Список литературы

Дополнительные файлы