Сорбционные и биоцидные свойства композита на основе глауконита Саратовской области и наномеди

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В настоящее время актуален поиск новых препаратов, обладающих бактерицидными свойствами и альтернативных антибиотикам. Так, например, давно известны антимикробные свойства серебра, которые широко используются для борьбы с микроорганизмами. Менее выраженными бактерицидными свойствами, по сравнению с серебром, обладают соединения меди [1]. В работе [2] было показано, что уменьшение размеров частиц меди в интервале 5-100 нм усиливают ее биологическую активность. Наноразмерные частицы металлов (меди) могут быть получены как физическими, так и химическими методами [3]. Выявлено, что частицы меди указанного размера могут быть получены с разными восстановителями (боргидрид, гидразин, гипофосфит и так далее) независимо от природы исходной соли (нитрат, сульфат, хлорид, ацетат) в водных, органических средах, системах вода-масло-полимер, вода-масло ПАВ и другие.

Рис. 1. Микрофотографии нетканого материала из поливинилового спирта (a) и с наночастицами меди (б). Электронный микроскоп MIRA 2 LMU (Tescan s.r.o., Чехия)

Синтез стабильных монодисперсных форм наночастиц меди затруднен из-за склонности меди окисляться и агрегировать. Решение этих проблем осуществляют применением пространственно-ограниченных систем. В качестве нанореакторов используют обращенные мицеллы, жидкие кристаллы, алюмосиликаты, пленки Лэнгмюра-Блоджетт, микроэмульсии и другие [3]. Так, ранее [2] нами были получены стабильные наночастицы меди (50-200 нм) в матрице их нетканого материала на основе поливинилового спирта с массовой долей наномеди 4.5-13%. (рис. 1).

Представляет интерес изучение возможности получения стабильных наночастиц меди, синтезированных «in situ» на основе природных алюмосиликатов. Так в работе [4, 5] рассматривается возможность интеркаляции наночастиц меди в монтмориллонит. Известно, что природные минералы подобного типа (глины) используются для лечения хронических заболеваний опорно-двигательного аппарата (моно- и полиартриты, болезни позвоночника и так далее), периферической и центральной нервной системы (полиневриты, плекситы и так далее), периферических кровеносных сосудов (эндартерииты склеротической, спастической и смешанной формы, варикозное расширение вен нижних конечностей и так далее), пищеварительных органов (язва, холецистит, холангит, ангиохолит и так далее), заболевания и нарушения обмена веществ (подагра, мочекислый диатез, ожирение и так далее), кожных покровов (псориаз, экземы, дерматозы и так далее) и другие [6]. Усиление бактерицидных свойств таких минералов с помощью интеркалирования наночастиц представляет определенный интерес. В связи с этим нами была исследована возможность получения и стабилизации наночастиц меди в матрице природного минерала - глауконита Белоозерского месторождения Саратовской области. Глауконит относится к слоистым гидрослюдам, имеет непостоянный и сложный состав (K, H2O)(Fe3+, Al, Fe2+, Mg)2 [Si3AlO10](OH)2ЧnH2O).

Ранее [7] нами исследован элементный, гранулометрический, морфологический состав указанного глауконита. Объектами исследования являлись: глауконит-руда, обогащенный глауконит, а также его модификации - мелкодисперсные фракции (5 мкм и 60 мкм), гранулят.

Были изучены их сорбционные, физико-химические свойства, выявлена также их экологическая безопасность. Проведенные исследования показали целесообразность применения глауконита и его модификаций для очистки вод, ремедиации почв, компонентов премиксов для животных, а также в медицинских целях.

При получении нанокомпозита из глауконита в качестве восстановителя применяли гидразин. Он, в отличие от других восстановителей, например боргидрида, в ходе реакции в качестве побочных продуктов, образует только газообразный азот, в результате чего, при получении наномеди образуется меньше примесей. Гидразин обладает большей восстановительной способностью в щелочных средах, однако, медь при этом образует трудно растворимые гидроксиды, что снижает ее реакционную способность [3]. Эта проблема решается введением в реакционную систему соответствующих лигандов-комплексообразователей, на-пример аммиака, который и применяли в настоящей работе.

Экспериментальная часть.

Синтез и свойства композита на основе глауконита-руды и наночастиц меди.

Приготовление аммиаката меди(II). Для приготовления 0.1 М раствора аммиаката меди навеску CuCl2.2H2O (ч.д.а., ГОСТ 4167-74) массой 4.275 г растворяли в 200 мл бидистил-лированной воды и добавляли сначала 9 мл, а затем по каплям концентрированного (25%) раствора аммиака до растворения первоначального выпадавшего осадка гидроксида меди и перехода окраски раствора из голубой в ярко синюю. Затем общий объём доводили до 250 мл бидистиллированной водой. Потенциометрически измеряли рН раствора (рН?10.3).

Приготовление комплекса [Cu(NH3)4]2+-глауконит. В коническую колбу вместимостью 100 мл помещали навеску глауконита массой 10 г и 50 мл 0.1 М раствора [Cu(NH3)4]2+ и проводили сорбцию аммиаката меди в течение 6 часов в статическом режиме при постоянном перемешивании на шейкере. Затем раствор фильтровали через складчатый фильтр, отделяли глауконитовый композит от маточного раствора и промывали осадок три раза этанолом (порциями по 10 мл) для удаления избытка аммиаката меди. Последующее высушивание проводили в течение 1 часа (сушильный шкаф, T = 105С). Для расчета массы сорбированной на глауконите меди йодометрически определяли ее концентрацию в фильтрате.

Рис. 2. Схема синтеза порошка Cu - глауконит

Приготовление глауконитового композита, содержащего наночастицы меди (Г-Cu). Высушенный глауконит с сорбированным аммиакатом меди(II) предварительно взвешивали, затем суспендировали в 50 мл аммиачной воды и проводили восстановление в течение 2 часов 10-кратным избытком гидразингидрата с учетом массы сорбированной меди, рассчитанной по результатам йодометрического титрования. Осадок отфильтровывали, промывали (три раза по 10 мл) этанолом и высушивали в эксикаторе над безводным хлоридом кальция в течение суток. Синтез порошка Г-Cu может быть представлен схемой, приведенной на рис. 2.

Результаты и их обсуждение

Формирование наночастиц меди в системе [Cu(NH3)4]Cl2 - N2Н4 было доказано полученной зависимостью времени от оптической плотности поглощения - светорассеяния при лмакс = 590 нм, характерной для наночастиц меди [3], (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость оптической плотности (при 590 нм) от времени после добавления в систему N2H4•H2O

Электронная микрофотография глауконита, полученная на сканирующем электронном микроскопе MIRA 2 LMU, оснащенного системой энергодисперсионного микроанализа INCA Energy 350 (рис. 4a), показывает типичную слоистую структуру с многочисленными наноразмерными чешуйками частиц с листоподобной морфологией. Средняя толщина чешуйки составила 10-50 нм.

В композите слоистая структура сохраняется. Полученные данные согласуются с результатами работ [4, 5], в которых описано образование не только, как в данном случае, частиц меди на поверхности глауконита, но и методом просвечивающей электронной микроскопии установлено наличие во внутренней структуре глауконита еще более мелких наночастиц меди.

Рис. 4. Электронная микрофотография глауконита-руды (а), и композита Г-Сu (б)

Табл. 1. Элементный состав (%) глауконита и его композита с наномедью

Элементный состав глауконита и его композита с медью (Г-Cu) был определен также методом сканирующей электронной микроскопии. Кроме макроэлементов, свойственных глаукониту (Al, Si, O, Fe и K), в композите найдена медь, среднее содержание которой составило 1.35% (табл. 1).

1. Оценка антибактериальной активности.

Для изучения влияния образцов композита Г-Cu на динамику развития популяции стандартного штамма Staphylococcus aureus 209P применяли метод культивирования в мясопептонном бульоне с оценкой изменения количества клеток через 3 и 8 часов после посева (рис. 5). С этой целью к навеске каждого образца (1.2 и 0.6 г), помещенного в широкодонную колбу, добавляли 20 мл мясопептонного бульона (МПБ), затем осуществляли посев 1 мл (5Ч103 КОЕ) суспензии испытуемого штамма в физиологическом растворе, приготовленной по стандарту мутности ГИСК им. Л.А. Тарасевича и разведенной до указанной концентрации. Таким образом, микробная нагрузка составила 250 КОЕ/мл.

Рис. 5. Характер изменений в колониях S. aureus 209P при оценке биоцидных свойств Г-Сu: а) через 3 часа культивирования; б) через 8 часов культивирования (1 - МПБ, содержащий Г-Сu массой 0.6 г; 2 - МПБ, содержащий Г-Сu массой 1.2 г; 3 - контрольный вариант)

В качестве контроля применяли посевы в МПБ без композита. Посевы инкубировали при T = 37 °C в течение 8 часов, охватывающих фазу покоя (первые 2-3 часа после посева) и первую треть логарифмической фазы роста микроорганизмов (наступающую на 5-6 часу культивирования). Через 3 часа после посева осуществляли мерный высев (0.1 мл) на мясопептонный агар содержимого колб без титрования, через 8 часов - с предварительной подтитровкой (разведением в 10 раз) и без нее.

По количеству выросших колоний и с учетом разведения рассчитывали количество клеток в 1 мл питательной среды. Дополнительно сразу после посева перед началом инкубации из каждой колбы осуществляли контрольный высев (0.1 мл) для проверки микробной нагрузки. При статистической обработке результатов рассчитывали среднее арифметическое значение и среднее квадратичное отклонение (X ± д), а также достоверность различий между найденными в опыте средними.

Установлено, что в фазе покоя (3 часа культивирования) количество клеток в контроле (МПБ без образцов) составило 760±260 КОЕ/мл. При содержании 1.2 г образца Г-Cu 46±9 КОЕ/мл, при 0.6 г - 66± 8 КОЕ/мл.

В логарифмическую фазу (8 часов культивирования) количество клеток в контроле составило 35000±2450 КОЕ/мл, в то время как в опытных образцах, содержащих композит Г-Cu видимый рост колоний на МПБ отсутствовал вовсе. Таким образом, полученный композит Г-Cu в указанных концентрациях оказывает выраженное ингибирующее влияние на динамику развития штамма Staphylococcus aureus 209P, как в конце фазы покоя, так и в логарифмическую фазу. глауконит нанокомпозит медь

2. Исследование сорбции ионов железа(III) на глауконите-руде и композите с наночастицами меди.

Для получения сведений о сорбционных свойствах глауконита и композита на его основе, модифицированного наночастицами меди, построены изотермы сорбции ионов железа с применением метода переменных концентраций. Разбавлением из раствора хлорида железа (III) были приготовлены модельные растворы с различной концентрацией катионов Fe3+ в интервале от 20 до 200 мг/л. Сорбцию проводили в статических условиях при соотношении Т/Ж = 0.25/50 г/мл в течение 1 часа, были получены зависимости равновесного содержания ионов железа в сорбенте, то есть величины сорбции, от равновесной концентрации их в растворе. Концентрацию железа(III) устанавливали фотометрически на спектрофотометре Shimadzu UV-1800. Данные по сорбционным показателям образцов глауконита в отношении железа(III) представлены в табл. 2 и на рис. 5.

Рис. 6. Зависимости сорбции железа (III) (мг/г) от его концентрации (мг/л) на глауконит-руде

В диапазоне выбранных концентраций с учетом pH в растворах будут преобладать процессы, приводящие к формированию частиц Fe2(OH)24+; Fe2(OH)33+; Fe(OH)2+ и Fe(OH)3.

Табл. 2. Сорбция солей железа(III) на 0.25 г глауконите-руде и композите глауконита с наномедью

Причем, в интервале от 20 до 80 мг/л гидролиз будет протекать в направлении образования преимущественно мономерных гидроксокомплексов, а при концентрации выше 80 мг/л, в растворах будут протекать процессы полимеризации гидроксокомплексов [8].

Из данных рис. 6 видно, что зависимость имеет вид изотермы Лэнгмюра и на начальных участках величина сорбируемости практически пропорциональна концентрации ионов в растворе (Т(Fe3+) = 20-60 мг/л). При более высоких концентрациях ионов железа(III) в растворе изотермы сорбции постепенно выходят на насыщение.

Полученные изотермы характерны для сорбента со смешанной структурой. Глауконит можно отнести к сорбентам с мезопористой поверхностью [9]. Для глауконита-руды значения СОЕ находятся в проделах (14±1.5) мг/г, а для композита Г-Cu - (9±1.5) мг/г, что свидетельствует о некотором понижении сорбционной способности композита с наномедью по отношению к ионам трехвалентного железа.

Выводы.

1. Проведен синтез наночастиц меди в смеси с глауконитовой матрицей восстановлением in situ медно-аммиачного комплексного иона гидразин гидратом.

2. Методом сканирующей электронной микроскопии исследована поверхность глауконита и его композита с наночастицами меди, установлено наличие чешуйчатой структуры на поверхности минерала в обоих случаях и присутствие наночастиц меди в чешуйках композита.

3. Исследована сорбционная способность глауконита и его композита с наномедью; показано небольшое понижение сорбционной способности композита по отношению к ионам железа(III).

4. Показана высокая биоцидная активность композита с наномедью по отношению к бактериям вида Staphylococcus aureus.

Литература

1. Егорова Е.М., Ревина А.А., Ростовщикова Т.Н., Киселева О.И. Бактерицидные и каталитические свойства стабильных металлических наночастиц в обратных мицеллах. Вестник МГУ. Серия 2. Химия. 2001. Т.42. №5. С.332-338.

2. Солдатенко Е.М., Доронин С.Ю., Чернова Р.К., Сальковский Ю.Е., Бокова Д.А. Получение медьсодержащих биоцидных нетканых материалов на основе поливинилового спирта. Химия биологически активных веществ: Межвуз. сборник научных трудов. Саратов: Изд-во «КУБиК». 2012. С.365-366.

3. Солдатенко Е. М., Доронин С.Ю., Чернова Р.К. Химические способы получения наночастиц меди. Бутлеровские сообщения. 2014. Т.37. №2. С.103-113.

4. B. Biswajoy, К. Subrata, К.D. Sumit et al. In situ synthesis and antibacterial activity of copper nanoparticle loaded natural montmorillonite clay based on contact inhibition and ion release. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2013. Т.108. С.358-365.

5. B. Bagchi, S. Kar, S.K. Dey, S. Bhandary, D. Roy, T.K. Mukhopadhyay, S. Das, P. Nandy. In situ synthesis and antibacterial activity of copper nanoparticle loaded natural montmorillonite clay based on contact inhibition and ion release. Colloids Surf B Biointerfaces. 2013. Vol.108. P.358-365.

6. Буханов В.Д., Везенцев А.И., Пономарева Н.Ф. Антибактериальные свойства монтмориллонит содержащих сорбентов. Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Естественные науки. 2011. Т.17. №21. С.57-63.

7. Вениг C.Б., Сержантов В.Г., Чернова Р.К., Доронин С.Ю., Селифонова Е.И., Захаревич А.М., Солдатенко Е.М. Глауконит Саратовской области, свойства, композиты на его основе, области применения. Бутлеровские сообщения. 2014. Т.39. №8. С.17-26.

8. Перевощикова Н.Б. Корнев В.И. К вопросу о гидролизе железа(III) в водных растворах. Вестник Удмуртского университета. 2006. №8. С.189-198.

9. Сираканян М.А., Вардересян Г.Ц., Котикян С.Ю. Использование глауконита в процессе обезжелезивания подземных вод. Вестник ГИУА. Серия “Химические и природоохранные технологии”. 2013. Вып.16. №1. С.82-89.

Размещено на Allbest.ru