Разработка научных и методических основ прогнозирования опасности загрязнения почв синтетическими наночастицамиНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 4 апреля 2013 г.-31 декабря 2013 г. Разработка научных и методических основ прогнозирования опасности загрязнения почв синтетическими наночастицами
Результаты этапа: В результате работ, выполненных в 2013 году, сформулированы методологические подходы к синтезу подвижных и закрепленных форм наночастиц золота с использованием гуминовых веществ. При этом для стабилизации наночастиц применяли гуминовые вещества различного происхождения и фракционного состава. Впервые установлено влияние источника гуминовых веществ и молярного соотношения реагентов на морфологию наночастиц золота, синтезированных в среде гуминовых веществ. Предложен оригинальный экспериментальный дизайн для закрепления наночастиц золота на гуминовых пленках. Выделены наиболее подвижные фракции почвенного органического вещества – растворенное органическое вещество (РОВ) поровых вод, фульвокислоты (ФК) и гуминовые кислоты из почв различной зональности. В выборку почв включены уникальные образцы многолетнемерзлых пород из бассейна реки Колыма для усиления градиента структуры и свойств органического вещества почв. Полученные препараты гуминовых веществ почв охарактеризованы методами структурной аналитики. Впервые для характеристики гуминовых фракций многолетнемерзлых почв использован метод масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса, применение которого позволило установить преимущественно алифатический характер органического вещества многолетнемерзлых пород по сравнению с почвами из более низких широт. Выполнены синтезы наночастиц золота в среде гуминовых веществ. Полученные наночастицы охарактеризованы методами просвечивающей электронной микроскопии, спектроскопии электронного поглощения и флуоресцентной спектроскопии. Впервые показано формирование анизотропных наночастиц золота в среде гуминовых веществ. Исследован эффект плазмонного резонанса на наночастицах золота в присутствии гуминовых веществ. Предложены направления исследований для разработки способов экспресс-диагностики загрязнения почв с применением эффекта плазмонного резонанса. Проведены эксперименты по закреплению наночастиц золота, стабилизированных гуминовыми веществами, на стеклянных пластинках с последующим изучением морфологии поверхностного слоя методом атомно-силовой микроскопии. Выполнен синтез наночастиц серебра в среде Успенского и отработана методика токсикологического эксперимента с одновременной регистрацией основных параметров флуоресценции (Fo, Fm, Fv/Fm, Fv/Fm), индукционных кривых флуоресценции, и Р700 в микро и миллисекундном интервале для систем, содержащих наночастицы серебра и растворенные формы гуминовых веществ из чернозема и дерново-подзолистых почв. Впервые показано защитное действие гуминовых веществ в отношении токсического эффекта наночастиц серебра на фотосинтезирующие микроводоросли.
2 13 марта 2014 г.-31 декабря 2014 г. Разработка научных и методических основ прогнозирования опасности загрязнения почв синтетическими наночастицами
Результаты этапа: 1. Показан преимущественно алифатический характер молекулярных компонентов растворенного органического вещества (РОВ), высвобождающегося при таянии многолетнемерзлых пород в Арктике. С целью унификации протокола выделения гуминовых веществ выполнено молекулярное картирование селективности различных твердофазных сорбентов при извлечении растворенного органического вещества (РОВ) с использованием метода масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье. При этом показано, что традиционно используемый сорбент - смола Амберлит XAD-8 извлекает фракции, обогащенные ароматическими фрагментами, тогда как применение нового сорбента - картриджа PPL - приводит к получению композиций, обогащенных алифатическими компонентами. Следовательно, при сопоставлении РОВ, выделенных с использованием различных сорбентов, необходимо учитывать характер молекулярной селективности данных сорбентов. Данный фактор учтен при исследовании РОВ реки Колыма и Пантелеиха, что позволило сделать однозначный вывод о преобладании алифатических компонентов в составе высокоширотного РОВ по сравнению с низкими широтами. Этот вывод согласуется с опубликованными данными о высокой биодоступности арктического РОВ. Полученные данные указывают на принципиально иной молекулярный состав арктического ОВ, что предполагает и специфические процессы его взаимодействия с металлами и наночастицами. 2. Для выяснения различий и сходства молекулярного состава и структурной организации гуминовых и фульвокислот чернозема и дерново-подзолистых почв, использовали метод масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье с ионизацией электрораспылением (МС ИЦР ПФ ИЭР). В результате впервые были получены высокоразрешенные масс-спектры для фульвокислот чернозема и дерново-подзолистых почв. Для увеличения разрешения был применен метод регистрации масс-спектров на разных динамических диапазонах. Такой подход позволил наглядно продемонстрировать присутствие большого количества двухзарядных ионов в масс-спектрах фульвокислот почв. Установлено, что молекулы с большей молекулярной массой характеризуются высокой степенью ненасыщенности, и, вероятно, представляют собой полифенолы, которые давали двухзарядные ионы при ионизации. В то же время для обоих ФК характерны сходные молекулярные составы с несколько большими значениями эквивалента двойных связей (DBE) для ФК чернозема. Это полностью согласуется с результатами элементного анализа. 3. Выполнен природоподобный in situ синтез наночастиц серебра в среде гуминовых веществ различного происхождения (уголь, чернозем, дерново-подзолистые почвы). Благодаря этому появилась возможность исследовать формирование наночастиц серебра в условиях, приближенных к природным. Изучение морфологии формируемых частиц показало существенную роль источника ГВ для характеристик наночастиц серебра. Так, при прочих равных условиях в среде почвенных гуминовых веществ образуется большее количество наночастиц серебра, чем в угольных ГВ, что подтверждается данными спектрофотометрии. При этом наблюдаются различия не только по количеству сформированных частиц, но и по морфологии, как следует из данных ПЭМ. Так, наночастицы, синтезированные в среде гуминовых веществ угля представляют собой бесформенные частицы размером от 10 до 40 нм, а наночастицы, синтезированные в среде почвенных гуминовых веществ представляют собой дендримерные структуры размером до 400 нм. 4. С целью выявления закономерностей формирования наночастиц в результате взаимодействия гуминовых веществ с металлами, была зучена кинетика формирования наночастиц золота в среде гуминовых веществ путём прямой реакции HAuCl4 и гумата калия в водных растворах при температурах 50-70oC и различных значениях pH (3-9). Установлено, что в начале синтеза (в первые 10 мин) происходит формирование разветвленных наноструктур золота, что было подтверждено результатами ПЭМ и динамического светорассеяния. В то же время, после 150 минут синтеза в растворе обнаруживаются только многочисленные отдельные квазисферические наночастицы золота. Предложена модель формирования и разрушения разветвлённых наноструктур золота с образованием отдельных квазисферических наночастиц золота в растворах гуминовых веществ. Показана высокая коллоидная стабильность золей золотых наночастиц, синтезированных в среде гуминовых веществ. 5. С целью выявления взаимосвязей между молекулярной организацией гуминовых макролигандов и свойствами формируемых под их воздействием наночастиц были исследованы фотофизические характеристики систем ГВ-наночастицы. Применение оптической спектроскопии позволяет отслеживать как изменение структурных характеристик системы (например, геометрических параметров наночастиц, проявляющихся в характеристиках плазмонного пика в спектрах поглощения), так и кинетику межмолекулярных взаимодействий. На данном этапе был выполнен сравнительный анализ изменения характеристик флуоресценции ГВ в результате синтеза наночастиц золота и серебра. В частности, показано, что для наночастиц серебра при коротковолновом возбуждении (266 нм) наблюдается тушение флуоресценции ГВ примерно в 10 раз и сдвиг в спектра в коротковолновую область на ~50 нм, тогда как при длинноволновом возбуждении (465 нм) флуоресценция системы ГВ-Ag не возбуждается вообще. Наблюдаемые эффекты были отнесены к разрушению системы конденсированных ароматических колец в результате синтеза наночастиц серебра, поскольку именно структуры данного типа определяют характеристики длинноволновой флуоресценции ГВ. При этом поведение характеристик ГВ в результате синтеза наночастиц серебра радикально отличается от ситуации, наблюдаемой для синтеза наночастиц золота: в последнем случае наблюдалось плавное падение флуоресценции при увеличении длины волны возбуждения, что свидетельствует об увеличении степени конденсации ароматических фрагментов в составе ГВ в процессе синтеза наночастиц золота. Предложено объяснение наблюдаемых эффектов с позиций формализма Урбаха, который позволяет рассматривать ГВ как неупорядоченную систему со взаимодействующими хромофорами. 6. С целью изучения биологической активности наночастиц, формируемых под воздействием гуминовых веществ, были выполнены токсикологические эксперименты с наночастицами серебра (AgНЧ), стабилизированных ГВ, с использованием микроводорослей и высших растений. Эксперименты с использованием обоих тест-объектов убедительно показали возрастание токсического эффекта наночастиц серебра, стабилизированных гуминовыми веществами. Для объяснения наблюдаемого явления высказано предположение, что усиление токсичности наночастиц серебра происходит за счет снижения их коллоидной стабильности при изменении -потенциала за счет взаимодействия с гуминовыми веществами. Начаты работы по изучению биологической активности наночастиц золота на культурах микроводорослей. Показано, что в присутствии наночастиц золота происходит подавление развития тест-культуры клеток
3 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Разработка научных и методических основ прогнозирования опасности загрязнения почв синтетическими наночастицами
Результаты этапа: 1. Проведено сопоставление молекулярного состава препаратов ГВ дерново-подзолистых почв, черноземов и многолетнемерзлых пород, найденного из данных масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье, которое показало существенную обогащенность гуминовой компоненты многолетнемерзлых пород липидного и протеинового характера, для дерново-подзолистых почв был найден значительный вклад углеводных структур, тогда как в черноземах преобладали ароматические соединения. Был предложен способ численного описания молекулярного пространства ГВ почв. 2. Углубленное изучение кинетики и условий роста редиспергируемых наночастиц в растворах гуминовых веществ методами in situ спектрофотометрии, рН метрии, флуоресценции и просвечивающей электронной микроскопии позволило предложить теоретическую модель, описывающую изменение потенциала взаимодействия и рост наночастиц в процессе взаимодействия с гуминовыми веществами. В указанную модель была введена стерическая составляющая, которая хорошо описала агрегативную устойчивость наночастиц золота в растворах ГВ. 3. Показана существенная трансформация флуоресцентных свойств гуминовой компоненты в процессе синтеза наночастиц серебра (резкое падение интенсивности флуоресценции), указывающая на процессы деградации ароматического комплекса гуминовых веществ в процессе восстановления ионного до элементного серебра. При синтезе золотых наночастиц столь резкого изменения интенсивности флуоресценции не наблюдались, но был зарегистрирован коротковолновый сдвиг спектра флуоресценции и падение интенсивности длинноволнового участка, что так же может указывать на частичную деградацию ароматической компоненты гуминовых веществ. 4. С помощью методов биотестирования на водорослях и на растениях показано усиление токсичности наночастиц серебра, стабилизированных гуминовыми веществами, по сравнению с полученными в цитрате. Наблюдаемый эффект может быть связан как с меньшими размерами наночастиц серебра при использовании гуминовых вещ еств в качестве стабилизатора, так и с деградацией гуминовой компоненты в процессе синтеза до низкомолекулярных кислот. 5. Показана высокая миграционная способность наночастиц серебра, стабилизированных гуминовыми веществами, по отношению к модельному гуминовому реакционному барьеру, установленному на песке с помощью силанольных гуминовых производных. Это указывает на опасность данного вида загрязнения для почвенных сред. 6. Оценена сорбционная способность наночастиц серебра, стабилизированных гуминовыми веществами, по отношению к дерново-подзолистой почве и чернозему. Показан принципиально разный характер сорбции на указанных почвах: быстрый выход на равновесные концентрации в случае дерново-подзолистой почвы и экспоненциальный рост сорбции для чернозема, что может быть связано с коагуляцией наночастиц серебра на черноземе. Показан частично обратимый характер сорбции (наличие существенного гистерезиса для наночастиц серебра на обеих почвах). 7. На основании изучения токсичности и поступления в растения трех модельных токсикантов: ионного серебра, наночастиц серебра, стабилизированных гуминовыми веществами угля, и наночастицами серебра, стабилизированнных цитратом, показано: все три токсиканта угнетают прирост биомассы растений пшеницы. При этом ионы серебра максимально угнетают рост корней, а оба типа наночастиц – рост побегов. В то же время ионы серебра не угнетают систему фотосинтеза растений, тогда как наночастицы серебра в цитрате угнетают сильнее, чем наночастицы в ГВ. При этом поступает в побеги из корней сильнее всего ионная форма, затем следуют наночастицы в цитрате и хуже всего – наночастицы в гуминовых веществах. Полученные результаты позволяют сделать вывод о принципиально разном характере токсического действия ионного серебра и наночастиц серебра. При этом гуминовые вещества снижают поступление наночастиц в растения. Тем самым реализованный блок исследований позволил получить новые фундаментальные данные о механизмах трансформации и биологической активности наночастиц, стабилизированных гуминовыми веществами, имитирующих поведение наночастиц в окружающей среде, которые могут быть использованы при разработке прогностических оценок токсичности наночастиц в почве.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".