CC BY
181
• 7universum.com
UNIVERSUM:
ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПРИРОДНЫХ АЛЮМОСИЛИКАТОВ
Шапкин Николай Павлович
доктор химических наук, профессор Дальневосточного федерального университета, РФ, г. Владивосток
E-mail: npshapkin@gmail.com
Хальченко Ирина Григорьевна
старший преподаватель Дальневосточного федерального университета, РФ,
г. Владивосток E-mail: khalch@mail.ru
Каткова Светлана Алексеевна
кандидат химических наук, доцент Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета, РФ, г. Владивосток
E-mail: mashkova_73@mail.ru
Жамская Нелли Николаевна
кандидат химических наук, профессор Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета, РФ, г. Владивосток
E-mail: zhamskaya@yandex.ru
Ермак Ирина Михайловна,
доктор химических наук, главный научный сотрудник Тихоокеанского института биоорганической химии им. Г.Б. Елякова Дальневосточного отделения Академии наук, РФ, г. Владивосток
E-mail: iren@piboc.dvo.ru
Давыдова Виктория Николаевна
кандидат химических наук, старший научный сотрудник Тихоокеанского
института биоорганической химии им. Г.Б. Елякова Дальневосточного отделения Академии наук, РФ, г. Владивосток
E-mail: viktoria@piboc. dvo. ru
Разов Валерий Иванович
кандидат физико-математических наук, доцент Дальневосточного Федерального университета, РФ, г. Владивосток
Сорбционные свойства и биотехнологические аспекты модифицированных природных алюмосиликатов // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. Шапкин Н.П [и др.]. 2014. № 4 (5) . Ц^: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/1195
SORBTION PROPERTIES AND BIOTECHNOLOGICAL ASPECTS MODIFIED NATURAL ALUMINOSILICATES
Shapkin Nikolay
doctor of Chemical Sciences, Professor, Far Eastern Federal University,
Russia, Vladivostok
Halchenko Irina
Head Teacher of Far East Federal University, Russia, Vladivostok
Katkova Svetlana
candidate of Chemical Sciences, associate professor, Far Eastern State Technical
Fisheries University, Russia , Vladivostok
Zhamskaya Nellie
candidate of Chemical Sciences, Professor, Far Eastern State Technical Fisheries University, Russia, Vladivostok
Yermak Irina
Doctor of Chemical Sciences, Chief Researcher of G.B. Elyakov Pacific Institute of
Bioorganic Chemistry Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Russia, Vladivostok
Davydova Victoria
candidate of Chemical Sciences of Pacific Institute of G.B. Elyakov Pacific Institute of Bioorganic Chemistry Far Eastern Branch of Russian Academy
of Sciences, Russia, Vladivostok
Razov Valery
candidate of Science, associate professor , Far East Federal University,
Russia, Vladivostok
АННОТАЦИЯ
Исследованы сорбционные свойства природного и модифицированного цеолита по отношению к белку. Также были получены органомодифицированные алюмосиликаты на основе природного цеолита для очистки биологических растворов. Была изучена адсорбционная способность цеолитов к эндотоксинам. Показано, что сорбент, содержащий комплекс ферроцианида меди с хитозаном, имеет самую высокую емкость сорбции для липополисахаридов (эндотоксинов).
ABSTRACT
The sorption properties of the natural and modified zeolite concerning the protein were investigated. Also the organo-modified aluminosilicates on the basis of natural zeolite for purification of biological solutions were received. The adsorption capacity of zeolites to endotoxins was studied. It is shown that the sorbent containing a complex of ferricyanide cuprum with chitosan has the highest capacity of sorption for lipopolysaccharides (endotoxins).
Ключевые слова: цеолит, эндотоксины, белок, хитозан, ферменты, сорбция.
Keywords: zeolite, endotoxin, protein, chitosan, enzymes, sorption.
Введение
Благодаря своим ярко выраженным ионообменным и каталитическим свойствам, сорбенты нашли широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве [2]. Свойства сорбентов зависят как от структуры самого сорбента, так и от соотношения кремния и алюминия в кристаллической решетке. Модифицируя цеолит различными реагентами, можно добиться специфических свойств по отношению к различным веществам, в частности, модифицирование цеолита хитозаном и его производными приводит к получению сорбентов, пригодных для выделения энзимов и ферментов [13]. Модификация природных цеолитов ферроцианидами металлов приводит к получению новых ионообменников [5; 6].
Цель настоящей работы — изучение поглотительной способности модифицированных сорбентов на основе цеолита.
Экспериментальная часть
В данной работе использовали природный цеолит Чугуевского месторождения, содержащий 68 % клиноптилолита. Элементный анализ цеолитов проводили на энергодисперсионном рентгенофлюоресцентном дифрактометре "EDX — 800 — HS" (табл. 1).
Данные элементного анализа исходного и модифицированных цеолитов
Образец Содержание, %
SiO2 Al2O3 CaO Na2O K2O Fe2O3 MgO
природный цеолит 72.3 17.10 3.61 1.14 3.79 1.60 0.20
цеолит + хитозан (3 %) 70.94 14.68 3.56 0.90 3.60 4.32 0.35
цеолит + хитозан + Cu^CN^y 63.6 14.34 4.29 0.50 2.23 4.30 1.85
Модификацию цеолита хитозаном осуществляли путем осаждения из раствора аммиаком и механохимически [9]. Сорбцию белка проводили в статических условиях из белковых растворов, результаты представлены в таблице 2. Концентрацию белка определяли по методу Лоури [1; 7].
Содержание эндотоксинов (липополисахаридов — ЛПС) определяли реакцией с 2,2'-диметилметиленовым голубым (голубой Тейлора), а также с помощью высокоэффективной газожидкостной хроматографии (HPLC) на хроматографе "Agilent 1100" с колонкой "Shodex GS-620" и "Shodex GS-7B" и рефрактометром "RID G 136A". Колонка элюировалась 0.9%-ным раствором NaCl при температуре 25 °С и скорости потока 0.5 мл/мин.
Эффективность сорбции рассчитывали по формуле:
Сисходного ЛПС СЛПС после сорбции
Эффективность сорбции (%) =-------------------------------• 100%,
Сисходного ЛПС
где: C — концентрация ЛПС.
Обсуждение результатов
С целью выяснения влияния условий синтеза на свойства образующихся сорбентов было проведено исследование сорбции белка модифицированными цеолитами.
Химические характеристики и сорбционный состав образцов сорбентов,
модифицированных хитозаном
№ образца способ получения % полисахарида Содержание элементов, % amax
С Бі
1 Механохимический 3 1,3 34 65
2 - 6 2,5 32,8 70
3 - 9 3,9 30,5 30
4 Осаждение в растворе 3 1,25 35,0 160
5 - 6 2,8 32,9 120
6 - 9 4,5 32,3 35
Как показано в табл. 2, увеличение содержания модификатора с 3 % до 9 % приводит к уменьшению сорбции, несмотря на большое содержание аминогрупп в поверхностном слое. Это связано с тем, что пленка хитозана становится более плотной, что затрудняет диффузию ионов. При низком содержании модификатора (3 %, образец № 4) большая часть аминогрупп связана силанольными гидроксилами цеолита, и они практически не мешают сорбции белка при таких концентрациях, поэтому в дальнейшем исследовании мы использовали именно это содержание хитозана для получения модифицированных сорбентов.
Известно, что цеолит, модифицированный хитозаном [10], ведет себя как эффективный энтеросорбент, связывая эндотоксины (липополисахариды) грамм-отрицательных бактерий, которые присутствуют в биологических жидкостях [3]. При этом образуется растворимый в воде ЛПС-хитозановый комплекс, и, соответственно, удаление в этом случае эндотоксинов (ЛПС) из биологических жидкостей представляется затруднительным [4].
В работе [8] описан способ получения органоминеральных сорбентов, который заключается в обработке поверхности природного цеолита хитозаном и возможностью его использования для сорбции эндотоксинов.
Для очистки биологических жидкостей от эндотоксинов (ЛПС) использовали сорбенты, модифицированные как хитозаном, так и ферроцианидами металлов. Результаты исследований эффективности сорбции цеолитами ЛПС ^ ЕП:егасо!Шса представлены в таблице 3.
Влияние температуры, времени инкубации и количества сорбента на сорбцию ЛПС
№ Сорбент Эффективность сорбции, %
25^ 37 ^
0.25 часа 3 часа 48 часов 0.25 часа 3 часа 48 часов
Количество сорбента 200 г 200 г
2 Цеолит + хитозан 77.23 ± 1.36 91.28 + 4 .73 92.52 + 2.03
3 Цеолит + хитозан + Бех^саду 79.61 ± 6.98 86.17 + 0 .93 91.25 + 3.00
4 Цеолит + хитозан + Сих[Бе(СК)б]у 82.49 ± 7.85 91.50 + 3 .02 96.55 + 0.82
Количество сорбента 100 г 100 г
1 Цеолит 5.38+ 2.36 12.24+ 3.35 15.28+ 3.67 16.92+ 0.38 15.20+ 0.16 21.98+ 0.81
2 Цеолит + хитозан 52.29+ 9.03 78.56+ 2.72 92.07+ 1.44 61.50+ 5.75 84.41+ 1.57 92.12+ 0.98
3 Цеолит + хитозан + Бех[Бе(СК)б]у 59.76+ 6.09 63.46+ 2.78 80.03+ 1.74 58.99+ 5.09 69.72+ 3.83 84.55+ 0.59
4 Цеолит + хитозан + Сих[Бе(СК)б]у 59.60+ 9.93 71.37+ 1.59 91.03+ 0.59 55.08+ 5.49 71.69+ 2.61 96.67+0.4 3
Эффективность сорбции зависит от количества используемых модифицированных форм цеолита. При уменьшении количества сорбента до 100 мг эффективность сорбции значительно падает. Однако повышение температуры до 37 °С и увеличение времени инкубации до сорока восьми часов позволяет увеличить связывание ЛПС и достичь эффекта, наблюдавшегося при инкубации растворов с 200 мг сорбентов (96 % в случае сорбента № 4, табл. 3). Сорбция ЛПС на сорбентах № 3 и № 4 практически не зависит от температуры, тогда как сорбция эндотоксина на сорбенте № 2 слабо увеличивается при ее повышении до 37 °С.
Для сорбентов №2 и №4, показавших более эффективное связывание ЛПС, были подобраны оптимальные соотношения ЛПС — сорбент для быстрого и эффективного удаления эндотоксина из раствора. Для этого модельный раствор, содержащий ЛПС (при концентрации, равной 2 мг/мл), был инкубирован в течение 15 минут с определенным количеством сорбента, а затем была рассчитана эффективность сорбции (таблица 4).
Эффективность сорбции ЛПС сорбентами № 2 и № 4 в зависимости от количества сорбента
Масса сорбента, мг Эффективность сорбции, %
Сорбент № 2 Сорбент № 4
25 °С 37 °С 25 °С 37 °С
50 37.47 ± 8.81 67.10 ± 3.41 24.51 ± 0.03 26.37 ± 4.86
100 51.43 ± 6.00 86.25 ± 1.75 40.76 ± 3.84 51.88 ± 4.75
150 59.45 ± 4.23 91.80 ± 0.78 57.60 ± 2.67 77.68 ± 2.35
200 69.66 ± 2.38 91.51 ± 1.27 62.78 ± 2.08 83.19 ± 2.99
250 70.92 ± 1.45 91.08 ± 0.43 88.89 ± 1.20 96.69 ± 0.21
300 77.69 ± 1.17 91.34 ± 0.39 94.45 ± 0.51 97.17 ± 0.55
При 25 °С требуется большее количество сорбента для полного связывания эндотоксина. Повышение температуры приводит к увеличению эффективности сорбции, что характерно для двух типов сорбентов. Согласно полученным данным (табл. 4), для сорбента № 2 максимальная сорбция (91 %) достигается при 37°С при использовании 150 мг сорбента, однако дальнейшее увеличение количества сорбента не приводит к увеличению связывания ЛПС. Для сорбента № 4 характерно повышение эффективности сорбции с увеличением количества сорбента, которое достигает максимума при 37°С, то есть при температуре живого существа; 250 мг сорбента способны связывать до 97% ЛПС.
Одной из главной физико-химических характеристик цеолитов является размер внутрикристаллических областей и удельная поверхность, которые определяют величину адсорбционной емкости. Пористость была определена двумя методами: стандартным методом — сравнением удельных весов [11] и из данных позитронной аннигиляционной спектроскопии (ПАС) [12]. Характеристики природного и модифицированных цеолитов приведены в таблице 5.
Таблица 5.
Характеристики природного и модифицированных цеолитов
№ Сорбент вум м2/г Vps А3 d, піп Vпор, см3/г (станд. метод) /г 3/ ) 3 м С) п(
1 природный цеолит 10.0 191.0 0.897 0.270 0.275
2 цеолит + хитозан (3 %) 14.1 112.6 0.898 0.570 0.680
3 цеолит + хитозан ге*[Ре(сВДу + 13.2 179.0 0.896 0.560 0.650
4 цеолит + хитозан Сих[Бе(СК)б!у + 9.9 189.0 0.898 0.560 0.690
где: УрзЛ — объем неупорядоченного межкристаллического пространства.
Согласно данным рентгенофазового анализа, было обнаружено, что параметры клиноптилолита оставались неизменными при его модификации. Данные сканирующей электронной микроскопии указывают на то, что морфология поверхности несколько изменяется, в частности, образование комплекса меди приводит к получению более рыхлой поверхности, что согласуется с данными по сорбции.
Выводы
Изучен процесс сорбции белка на модифицированных хитозаном цеолитах, показано, что наибольшей сорбционной емкостью облает цеолит с 3 % содержанием хитозана.
Получены модифицированные комплексами металлов и хитозаном цеолиты, и показано, что цеолит, модифицированный комплексом ферроцианида меди и хитозаном обладает эффективной способностью связывания ЛПС в биологических растворах.
Список литературы:
1. Алесковский В.Б., Булатов М.И., Васильев В.П., Калинкин И.П., Прик К.Е. Физико-химические методы анализа. — Л.: Изд-во «Химия», 1971. — С. 55—70.
2. Глущенко В.Ю. Приморские цеолиты — общая характеристика и особенности применения// Цеолиты Приморья. Тезисы докладов НПК. — Вл-к, 1994. — С. 7.
3. Давыдова В.Н., Горбач В.И., Соловьева Т. Ф., Ермак И.М., Братская С.Ю. //Comparative study of electrokinetic potentials and binding affinity of lipopolysaccharides-chitosan complexes. Биофизич. хим. — 2008. — Т. 136. — С. 1—6.
4. Ермак И.М., Горбач В.И. Полякова А.М., Астринан О.С., Лукьянов П.А., Соловьева Т.Ф., Малеев В.В., Оводов Ю.С. Водорастворимый комплекс липополисахарида-хитозан и его влияние на агрегацию тромбоцитов // Биол. мембраны. — 1994. — Т. 11, № 5. — С. 496—500.
5. Комаров В.С., Панасугин А.С., Трофименко Н.Е., Машерова Н.П., Ратько А.И. Исследование физико-химических свойств и механизма образования ферроцианид алюмосиликатных сорбентов // Ж. неорг. химии. — 1994. — Т. 39, № 3. — С. 378—380.
6. Никашина В.А., Г ембицкий П.А., Кац Э.М., Бокша Л.Ф., Г алузинская A.A. Органоминеральные сорбенты на основе клиноптилолитсодержащих туфов // Известия Акад. наук. Сер. Хим. — 1994. — № 9. — С. 1550—1556.
7. Филиппович Ю.Б. Практикум по общей биохимии. — М.: Просвещение, 1982. — С. 75—77.
8. Шапкин Н.П. Способ получения органоминеральных сорбентов // Патент РФ № 2184607. 2002.
9. Шапкин Н.П., Завьялов Е.Б., Скобун А.С., Разов В.И., Тонких И.В. Химическая модификация природного цеолита хитозаном // Химия и химическая технология. — 2003. — Т. 46. — Вып. 2. — С. 101—104.
10. Шапкин Н.П., Колесников А.Б., Апанасенко О.А., Скобун А.С. Органоминеральные сорбенты нового поколения // VI Межд. конф. «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана»: Материалы конф. — М., 2001. — С. 259—263.
11. Шапкин Н.П., Машкова. С.А., Разов В.И., Тонкин И.В. Химическая модификация вермикулита хитозанферроферрицианидным комплексом /Изв. ВУЗов. Химия и хим. техн. — 2005. — № 6. — С. 149—152.
12. Dlubek G. Free-volume Variation in Polyethylenes of Different Crystallini-ties: Positron Lifetime, Density and X-Ray Studies // J. of Polymer Science: Part B: Polymer Physics. — 2002. — V. 40 — P. 65—81.
13. Harsa S., Furusaki S. Bioaffinity adsorption behavior of several enzymes onto beta-cyclodextrin-chitosan // Separ. Sciand Techn. 1995. — V. 30. — N. 13. — P. 2695—2706.
