БИОФИЗИКА, 2020, том 65, № 5, с. 878-885

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

УДК 579.66

МИКРОБНЫЙ СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ: МЕХАНИЗМЫ,

ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИМЕНЕНИЕ

Е.В. Иванов**, В.Г. Дебабов*

**НИЦ «Курчатовский институт» - ГосНИИгенетика, 117545, Москва, 1-й Дорожный проезд, 1

***НИЦ «Курчатовский институт» - ИРЕА, 107076, Москва, ул. Богородский вал, 3

E-mail: voeikova.tatyana@yandex.ru

Поступила в редакцию 26.11.2019 г.

После доработки 05.06.2020 г.

Принята к публикации 08.06.2020 г.

Биогенные наночастицы сульфидов кадмия и цинка NPsCdS и NPsZnS получены методом микроб-

ного синтеза при использовании бактерий различных таксономических групп - грамотрицатель-

ной Shewanella oneidensis MR-1 и грамположительной Bacillus subtilis 168 - в жидкой среде, в аэроб-

ных условиях, в присутствии солей соответствующих металлов и серы. Показано, что стабилизация

наночастиц в водных суспензиях осуществляется за счет присутствия на поверхности наночастиц

определенных белковых молекул наружной мембраны клеток - белков семейств различных рецеп-

торов, поринов, флагеллина. Исследовано влияние белкового покрытия на стабильность, люминес-

ценцию, ζ-потенциал, гидродинамический диаметр и другие физико-химические характеристики

наночастиц. Фотокаталитические свойства NPsCdS продемонстрированы на модели деколориза-

ции красителя метиленового синего при воздействии ультрафиолетового света, что открывает

возможность применения биогенных наночастиц в фотокатализе при очистке промышленных от-

ходов.

Ключевые слова: микробный синтез, биогенные наночастицы, флуоресценция, фотокатализ, метилено-

вый синий.

DOI: 10.31857/S0006302920050051

жет являться дополнением к физико-химическим

Халькогениды металлов, такие как CdS и ZnS,

методам синтеза наноматериалов.

являются нанокристаллами полупроводников и

квантовыми точками. Они обладают уникальны-

Стабильность биогенных наночастиц достига-

ми электронными и оптическими свойствами,

ется за счет адсорбции на поверхности нано-

находят применение в оптике, электронике, фо-

структур биополимеров, в большинстве случаев,

тоэлектрохимии, преобразовании солнечной

белков, синтезируемых клетками. Удаление бел-

энергии, биомедицинских исследованиях, охране

ков с поверхности наночастиц приводит к их аг-

окружающей среды, как антимикробные агенты.

ломерации и седиментации.

Биологический метод получения наночастиц

Белки, покрывающие наночастицы, - белко-

металлов, сульфидов и оксидов с использованием

вая «корона» - определяют многие свойства, та-

биологических субстанций - бактерий, дрожжей,

кие как взаимодействие с тканями и клетками

грибов, экстрактов растений - интенсивно разра-

живых организмов, судьбу частиц в окружающей

батывается в последние годы. Биосинтез наноча-

среде [1], токсичность [2], влияют на оптико-

стиц с помощью микроорганизмов экологически

электронные свойства [3].

безопасен, осуществляется при оптимальной для

Фотокаталитическая деградация органиче-

биологического объекта температуре, атмосфер-

ских соединений вызывает большой интерес, по-

ном давлении, без образования токсичных отхо-

скольку имеет экологическое преимущество по

дов, масштабируем, позволяет получать дисперс-

сравнению с традиционными методами. В по-

ные наночастицы различной формы с узким

следние десятилетия наночастицы, включающие

распределением по размеру, обеспечивает ста-

халькогениды металлов, стали разрабатываться

бильность наночастиц в водных суспензиях и мо-

как эффективные катализаторы для фотохимиче-

Сокращения: УФ - ультрафиолетовый, МС - метиленовый

ской деградации органических красителей. Фор-

синий.

ма и размер нанокристаллов, их поверхностное

878

МИКРОБНЫЙ СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ

879

покрытие играют существенную роль в эффек-

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

тивности процесса фотокатализа [4].

Микробный синтез наночастиц NPsCdS,

NPsZnS в присутствии штаммов Shewanella onei-

Механизмы бактериального синтеза наноча-

densis MR-1 и Bacillus subtilis 168. Оптимизирован-

стиц и их стабилизации полностью не выяснены.

ная нами методика была использована для био-

В научной литературе рассматриваются два ос-

синтеза наночастиц сульфида кадмия и сульфида

новных механизма биогенного образования на-

цинка в присутствии бактерий S. oneidensis MR-1

ночастиц металлов и их солей. В первом случае

(№ В-9861) и B. subtilis 168 (№ В-7360) из Нацио-

при получении наночастиц металлов из соответ-

нального биоресурсного центра Всероссийской

ствующих солей происходит восстановление

коллекции промышленных микроорганизмов

ионов металлов различными редуктазами микро-

НИЦ «Курчатовский институт» - ГосНИИгене-

организмов и адсорбция на поверхности наноча-

тика. В дальнейшем будем использовать обозна-

стиц гидрофильных молекул, в основном белков,

чения NPsCdS/S. oneidensis, NPsCdS/B. subtilis,

поставляемых клетками бактерий и препятствую-

NPsZnS/S. oneidensis и NPsZnS/B. subtilis.

щих агломерации и седиментации наноматериа-

Штаммы микроорганизмов выращивали в

ла. Второй механизм связан с образованием на-

колбах, содержащих 100 мл жидкой питательной

ночастиц сульфидов металлов в среде, содержа-

среды Luria-Bertani, на круговой качалке

щей источники ионов металлов и серы. В этом

при 220 об/мин, в течение 24 ч при 30°С. Затем к

случае сульфидные соединения образуются в ре-

культуральной жидкости, содержащей бактери-

зультате химической реакции, клетки не являют-

альные клетки, приливали водные растворы со-

ся участниками процесса образования сульфид

лей источников ионов серы (Na₂S ⋅ 9H₂O, квали-

иона, но они участвуют в образовании наноча-

фикации «х.ч.», «Химмед», Россия) и металла

стиц, предоставляя свои специфические белки и

(CdCl₂ ⋅ 2.5H₂O или ZnCl₂, квалификации «ч.д.а.»,

стабилизируя их в водной суспензии. Эти белки,

«Химмед», Россия) до конечной концентрации

находящиеся на поверхности клеток и в биополи-

2 мМ для каждого. Реакционные смеси инкуби-

мерном матриксе, могут служить центрами ад-

ровали аэробно при тех же условиях. Клетки уда-

сорбции и последующего роста наночастиц. На-

ляли центрифугированием при 8000 об/мин в те-

чение 30 мин (центрифуга High speed 18, MSE,

ми было показано, что состав белкового слоя на

Великобритания), надосадок (декантат) сливали

поверхности наночастиц сульфидов металлов

и пропускали через мембранный фильтр Nucle-

определяется штаммом, использованным при по-

pore с диаметром пор 200 нм (Whatman, Велико-

лучении наноматериала, характеризуется избира-

британия). Наночастицы NPsCdS, NPsZnS оса-

тельностью адсорбции на поверхность наноча-

ждали и отмывали от остатков фильтрата центри-

стиц определенных белков из общего пула белко-

фугированием при 32000 об/мин в течение 1 ч

вых молекул, не строго зависит от химического

(центрифуга L5-50, Beckman, США), после чего

состава наночастиц и состоит в основном из бел-

осадки наночастиц ресуспендировали в 1.0 мл

ковых молекул наружной мембраны клеток бак-

стерильной деионизированной воды Milli Q (Mil-

терий - белков семейств различных рецепторов,

lipore, CША) и хранили в микроцентрифужных

поринов, флагеллина [5].

пробирках типа Эппендорф при 4°С.

Электрофоретические характеристики биоген-

Целью работы являлось исследование влияния

ных NPsCdS, NPsZnS. Гидродинамический диа-

белкового покрытия на стабильность, ζ-потенци-

метр биогенных наночастиц с учетом белкового

ал, люминесценцию, гидродинамический диа-

покрытия и ζ-потенциал поверхности NPsCdS и

метр наночастиц NPsCdS и NPsZnS, имеющих на

NPsZnS измеряли на анализаторе размера частиц

своей поверхности принципиально различные

Zetasizer Nano ZS (Malvern Panalytical, Велико-

наборы белковых молекул, синтезированных в

британия) методом динамического и электрофо-

присутствии бактерий, принадлежащих к грамот-

ретического рассеяния света.

рицательной (S. oneidensis MR-1) и грамположи-

Оптические свойства биогенных наночастиц.

тельной (B. subtilis 168) таксономическим груп-

Параметры флуоресценции водных суспензий

пам. Также в задачи работы входили оценка фо-

биогенных NPsCdS, NPsZnS определяли с ис-

токаталитических свойств NPsCdS на модели

пользованием ультрафиолетовой (УФ) лампы с

деколоризации метиленового синего при воздей-

длиной волны до 380 нм. Спектры флуоресцен-

ствии ультрафиолетового света и получение ко-

ции для всех образцов и зависимость интенсив-

личественных характеристик процесса для воз-

ности флуоресценции NPsCdS/S. oneidensis от

можного применения биогенных наночастиц

степени разведения водной суспензии наноча-

сульфида кадмия в качестве фотокатализатора

стиц с концентрацией 1 мг/мл в 100, 400, 800 и

для очистки промышленных стоков от краси-

1000 раз регистрировали на спектрофлуориметре

телей.

«Флюорат-02-Панорама» (Люмекс, Россия) при

БИОФИЗИКА том 65

№ 5

2020

880

ВОЕЙКОВА и др.

оптимальной длине волны возбуждения

ния наночастиц сульфидов металлов непосред-

(λ_в = 270 нм).

ственно в жидкой питательной среде, содержа-

щей клетки бактерий и обогащенной белковыми

Влияние органических растворителей на ста-

молекулами, синтезированными штаммами в

бильность и флуоресценцию биогенных наночастиц

процессе культивирования, а также соли - источ-

NPsCdS/B. subtilis. Для решения вопроса даль-

ники ионов металлов и серы. Используя оптими-

нейшего применения биогенных наночастиц в

зированную методику получения биогенных на-

композитных материалах требовалось оценить

ночастиц, мы увеличили количество белка в реак-

влияние универсальных промышленных раство-

ционном растворе в пять раз, что позволило

рителей N,N-диметилформамида, диметилсуль-

повысить выход наночастиц на 15-20%. Разрабо-

фоксида, N-метилпирролидона и ацетона на ста-

танная нами оптимизированная схема получения

бильность коллоидной системы биогенных нано-

биогенных наночастиц сульфида серебра оказа-

частиц и их оптические свойства. Для этого

лась наиболее эффективной по сравнению со

водную суспензию NPsCdS/B. subtilis вносили по

стандартными процессами бактериального син-

0.1 г в 5 г каждого растворителя. Поведение кол-

теза такого типа наноматериала [8, 9] и применя-

лоидной системы NPsCdS/растворитель оцени-

ется в настоящее время для биосинтеза наноча-

вали визуально и с помощью спектрофлуоримет-

стиц различного химического состава. Концен-

ра (при λ_в = 270 нм).

трация биогенных NPsCdS, NPsZnS в водных

Фотокаталитическая деградация метиленового

суспензиях зависела от бактериального штамма и

синего NPsCdS/B. subtilis. В эксперименте ис-

варьировала в диапазоне 1-3 мг/мл [10]. Нами

пользовали люминесцентный диагностический

было показано, что состав белкового покрытия

осветитель ОЛДД-01 (лампа Вуда) мощностью

наночастиц индивидуален и постоянен для каж-

9 Вт, основанный на длинноволновом УФ-излу-

дого из применяемых для биосинтеза бактерий и

чении с рабочей длиной волны 356 нм и имею-

не строго зависит от химического состава наноча-

щий спектральный диапазон возбуждения флуо-

стиц сульфидов металлов [5]. На поверхности

ресценции 340-380 нм. Исходный раствор краси-

всех видов наночастиц, полученных при помощи

теля метиленового синего (МС) (квалификация

штамма S. oneidensis, было выявлено более 15 ви-

«ч.д.а.», «Реахим», Россия) готовили на деиони-

дов белковых молекул различной молекулярной

зированной воде Milli Q в концентрации 50 ppm

массы - от 170 до 20 кД, принадлежащих к внеш-

(0.05 мг/мл). В чашки Петри (диаметр 60 мм) бы-

ней цитоплазматической мембране клетки.

ли внесены растворы МС с различными концен-

При этом состав белков был практически одина-

трациями NPsCdS/B. subtilis в объеме 16 мл (кон-

ков для различных по химическому составу нано-

центрация 0.67 мг/мл - образец № 1; 0.33 мг/мл -

частиц сульфидов металлов. При использовании

№ 2; 0.17 мг/мл - № 3). В качестве контрольных

для биосинтеза штамма B. subtilis на поверхности

образцов использовали раствор МС без наноча-

наночастиц выявлен только один белок - фла-

стиц, установленный в чашке Петри под УФ-лам-

геллин с молекулярной массой ~36 кДа. Диаметр

пу (№ 4) и раствор МС без наночастиц в чашке

наночастиц, определенный с использованием

Петри, инкубированный в темноте (№ 5), по-

просвечивающего электронного микроскопа,

скольку известно, что длительное воздействие

составляет для NPsCdS 5 ± 1 нм, для NPsZnS -

УФ-облучения приводит к обесцвечиванию и фо-

1-2 нм и не зависит от использованных для био-

токаталитической деградации МС [6]. Все образ-

синтеза бактерий: S. oneidensis и B. subtilis.

цы облучали УФ-светом с длиной волны 365 нм в

Форма наночастиц близка к сферической, они

течение 3 ч, установив лампу Вуда на расстоянии

являются нанокристаллическими квантовыми

30 см над чашками Петри. Оптическую плотность

точками [11, 12].

исследуемых образцов измеряли каждый час на

В настоящей работе исследовано влияние

фотоколориметре КФК-2МП при длине волны

штаммов, определяющих состав белков на по-

670 нм, близкой к пику поглощения раствора МС

верхности наночастиц, на электрофоретические

(~665 нм), в кюветах с длиной оптического пути

характеристики биогенных NPsCdS и NPsZnS. В

1 мм. По результатам трех экспериментов в про-

научной литературе представлены данные о том,

грамме Microsoft Excel строили графики зависи-

что на спектр флуоресценции могут влиять орга-

мости оптической плотности образцов от време-

нические молекулы, покрывающие наночасти-

ни воздействия УФ-облучения.

цы. Так, квантовые точки ZnS, полученные с ис-

пользованием клеток Clostridiaceae sp., имели луч-

шее поглощение в видимой области и более

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

высокую интенсивность флуоресценции по

Характеристика биогенных наночастиц NPsCdS,

сравнению с их химическими аналогами [13].

NPsZnS. Биогенные NPsCdS, NPsZnS были полу-

Показано, что у биогенных наночастиц NPsZnS

чены нами по оптимизированной методике [7],

оптические спектры поглощения и ширина за-

которая состоит в проведении реакции образова-

прещенной зоны отличаются от аналогичных по-

БИОФИЗИКА том 65

№ 5

2020

МИКРОБНЫЙ СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ

881

Основные характеристики биогенных наночастиц NPsCdS и NPsZnS

Штаммы, использованные для получения наночастиц

Характеристика наночастицы

S. oneidensis MR-1

B. subtilis 168

NPsCdS

NPsZnS

NPsCdS

NPsZnS

Диаметр, нм

5 ± 1

1-2

5 ± 1

1-2

Гидродинамический диаметр, нм

160 ± 2

220 ± 10

250 ± 2

480 ± 20

ζ-потенциал, мВ

-22.4 ± 2.0

-27,8 ± 2.0

-20.5 ± 2.0

-11.1 ± 1.0

Относительная интенсивность

0.1

0.055

0.008

0.0075

флуоресценции

Длина волны максимума полосы

340

320

350

флуоресценции при λ_в=270 нм

казателей для частиц, полученных химическими

NPsZnS/B. subtilis: при низком значении ζ-потен-

методами [14]. Продемонстрировано увеличение

циала (-11.1 ± 1.0 мВ) величина гидродинамиче-

интенсивности флуоресценции NPsCdS, корре-

ского диаметра составляет 480 ± 20 нм, что почти

лирующее с продолжительностью культивирова-

в 2.2 раза превышает аналогичный параметр

ния бактерии Desulforibrio caledoiensis и, вероятно,

для NPsZnS/S. oneidensis

(220

± 10 нм при

с составом белков на поверхности наночастиц

‒27.8 ± 2.0 мВ). Такая разница величин свиде-

[15].

тельствует о нестабильности коллоидной систе-

мы NPsZnS/B. subtilis, склонной к агломерации

В таблице представлены основные характери-

наночастиц и выпадению осадка. Возможно,

стики наночастиц NPsCdS и NPsZnS, получен-

что два параметра - гидродинамический диаметр

ных с использованием S. oneidensis и B. subtilis.

и ζ-потенциал, - определяемые штаммом B. sub-

Как видно из таблицы, диаметр биогенных нано-

tilis 168, связаны со структурой белка флагеллина,

частиц сульфидов кадмия и цинка, определяемый

присутствующего на поверхности NPsZnS.

с использованием просвечивающего электронно-

го микроскопа, составляет 5 ± 1 нм для NPsCdS и

Анализ зависимости интенсивности флуорес-

1-2 нм для NPsZnS, полученных в присутствии

ценции биогенных наночастиц сульфидов метал-

как S. oneidensis, так и B. subtilis, т.е. существует

лов от применяемых для их получения штаммов

различие по размеру, не зависящее от применяе-

показал, что при использовании бактерии B. sub-

мого штамма. Важно, что для всех NPsCdS и

tilis наблюдается снижение интенсивности излу-

NPsZnS биогенного происхождения свойственно

чения как NPsCdS, так и для NPsZnS, содержа-

наличие белкового покрытия, определяемого как

щих на своей поверхности белок флагеллин. Воз-

величина гидродинамического диаметра, при

можными причинами этого феномена могут быть

этом грамположительная бактерия B. subtilis

конформационные особенности флагеллина или

склонна к образованию более значительного по

наличие крупных агломератов наночастиц в об-

размеру белкового слоя на поверхности наноча-

разцах водных суспензий NPsCdS/B. subtilis,

стиц NPsCdS и NPsZnS: 250 и 480 нм соответ-

NPsZnS/B. subtilis. Определение механизма дан-

ственно. Наночастицы NPsCdS/S. oneidensis и

ного явления требует дополнительных исследова-

NPsZnS/S. oneidensis характеризуются меньшей

ний. При этом вне зависимости от бактериально-

величиной гидродинамического диаметра (~160 и

го штамма, определяющего белковое покрытие

~220 нм соответственно), что говорит о влиянии

наночастиц, для всех образцов при λ_в = 270 нм на-

бактериального штамма на данный электрофоре-

блюдается максимум полосы флуоресценции в

тический параметр.

схожем диапазоне длин волн 300-400 нм. В каче-

стве примера на рис. 1 представлены спектры

Биогенные наночастицы имеют отрицатель-

флуоресценции наночастиц сульфидов цинка,

ный ζ-потенциал поверхности, который варьиру-

полученных с использованием разных штаммов,

ет в близких значениях для NPsCdS/S. oneidensis,

где

интенсивность

флуоресценции для

NPsZnS/S. oneidensis и NPsCdS/B. subtilis (-22.4 ±

NPsZnS/S. oneidensis и NPsZnS/B. subtilis состав-

± 2.0, -27.8 ± 2.0 и -20.5 ± 2.0 мВ соответствен-

ляет 0.055 и 0.0075 единиц соответственно.

но). Поскольку величина ζ-потенциала, достига-

ющая ±30 мВ, характеризует коллоидный раствор

Оценка интенсивности флуоресценции NPsCdS/

как стабильный [16], можно заключить, что вод-

S. oneidensis MR-1 в зависимости от концентраций

ные суспензии NPsCdS и NPsZnS, рассмотрен-

наночастиц. Использование биогенных наноча-

ные выше, относятся к метастабильным систе-

стиц для создания полимерных нанокомпозит-

мам. Приведенные данные контрастируют с ве-

ных материалов и исследование параметров фо-

личинами электрофоретических характеристик

токаталитических процессов с участием наноча-

БИОФИЗИКА том 65

№ 5

2020

882

ВОЕЙКОВА и др.

Рис. 1. Спектры флуоресценции NPsZnS, синтези-

рованных с использованием штаммов S. oneidensis

MR-1 (а) и B. subtilis 168 (б).

стиц предполагает оценку зависимости

интенсивности флуоресценции NPsCdS от кон-

центрации наночастиц в образцах. Установлено,

что максимальное значение интенсивности ис-

пускаемого излучения биогенного флуорофора

NPsCdS/S. oneidensis достигалoсь при длине вол-

ны возбуждения 270 нм [12]. Нами была опреде-

лена интенсивность флуоресценции водной сус-

пензии, содержащей NPsCdS в концентрации

1 мг/мл, при ее последовательных разведениях.

Максимальные значения пика флуоресценции

Рис. 2. Интенсивность флуоресценции NPsCdS/

для NPsCdS наблюдались при длине волны излу-

S. oneidensis MR-1: (а) - общий график зависимо-

чения 340 нм. Для каждого разведения водной

сти от степени разведения водной суспензии нано-

частиц; (б) - спектр флуоресценции исходной сус-

суспензии NPsCdS был построен график зависи-

пензии NPsCdS; (в)

- спектр флуоресценции

мости интенсивности флуоресценции от длины

NPsCdS при разведении суспензии в 1000 раз.

волны излучения. Показано, что при разведениях

в 10, 100, 800 и 1000 раз интенсивность флуорес-

ценции NPsCdS достоверно определяется. В ка-

свыше 1 ⋅ 10³ раз значение интенсивности флуо-

честве примера на рис. 2 приведены общий гра-

ресценции являлось фоновым и не имело посто-

фик зависимости интенсивности флуоресценции

янного значения или тенденции к уменьшению.

NPsCdS от степени разведения водной суспензии

Таким образом, установлен диапазон концентра-

наночастиц (рис. 2а), а также спектры флуорес-

ций наночастиц в водной суспензии, который

ценции для исходной суспензии и разведенной в

может быть определен с помощью спектрофлуо-

1000 раз (рис. 2б,в). При дальнейших разведениях

риметра, он составляет от 1.25 до 1000 мкг/мл.

БИОФИЗИКА том 65

№ 5

2020

МИКРОБНЫЙ СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ

883

Люминесценция и стабильность NPsCdS/B. sub-

tilis 168 при введении в органические растворители.

При создании полимерных композитов, в кото-

рых наночастицы играют роль наполнителей,

обязательным требованием является высокая

устойчивость биогенных наночастиц к различ-

ным физико-химическим воздействиям. Дли-

тельная стабильность наночастиц в водных сус-

пензиях достигается за счет наличия поверхност-

ного белкового слоя, формируемого штаммами

микроорганизмов [9]. Изменение конформации

и количества белка, потеря заряда поверхности

наночастиц приводят к агрегации и седимента-

ции нанонаполнителя, что негативно сказывает-

ся на качестве полимерного нанокомпозита. Ана-

Рис. 3. Фотокаталитическая деградация водного

лиз влияния органических растворителей на ста-

раствора МС NPsCdS/B. subtilis 168 при УФ-облу-

бильность и интенсивность флуоресценции

чении: 1 - образец № 1 (NPsCdS, 0.67 мг/мл); 2 -

биогенных NPsCdS является необходимым эта-

№ 2 (NPsCdS, 0.33 мг/мл); 3 - № 3 (NPsCdS,

пом технологического процесса создания нано-

0.17 мг/мл); 4 - раствор МС без наночастиц, но с

композита. Было показано, что при введении на-

УФ-облучением; 5 - раствор МС без наночастиц и

УФ-облучения.

ночастиц в органические растворители N,N-ди-

метилформамид, диметилсульфоксид, ацетон и

N-метилпирролидон не происходило образова-

[21]. Наночастицы CdS катализировали обесцве-

ния агломератов и выпадения осадка, т.е. колло-

чивание на 60% красителя малахитового зеленого

идная система оставалась стабильной. Во всех

при облучении УФ-светом в течение 3 ч [22]. В

случаях были зарегистрированы спектры флуо-

связи с этим, исследование возможности биоген-

ресценции NPsCdS/растворитель в диапазоне

ных наночастиц катализировать процессы фото-

длин волн 300-400 нм, имеющие различную ин-

каталитической деградации красителей представ-

тенсивность сигнала. Максимальными значения-

ляет несомненный интерес.

ми интенсивности сигнала обладали системы,

содержащие водную суспензию NPsCdS и раство-

Нами была проведена оценка способности

рители N-метилпирролидон и N,N-диметил-

NPsCdS/B. subtilis к фотокаталитической деграда-

формамид. Эти органические растворители часто

ции раствора МС при воздействии УФ-света.

используют при работе с полимерными матрица-

Эксперименты были проведены в трех повторно-

ми, поэтому полученные результаты представля-

стях. На рис. 3 представлены результаты УФ-об-

ют интерес для конструирования и эксплуатации

лучения водных растворов МС в присутствии

полимерных материалов, наполненных биоген-

NPsCdS/B. subtilis в различных концентрациях и

ными наночастицами.

раствора МС без наночастиц. Показано, что при

Фотокаталитические характеристики NPsCdS/

концентрации биогенных наночастиц, составля-

B. subtilis на примере деколоризации метиленового

ющей 0,67 мг/мл, в течение 3 ч УФ-обработки ис-

синего. В последнее время для очистки промыш-

следуемого раствора МС (образец № 1) происхо-

ленных стоков от красителей методом фотодегра-

дит снижение показателя оптической плотности

дации используют такие вещества, как полупро-

и степень фотокаталитической деградации кра-

водниковые фотокатализаторы в форме наноча-

сителя в экспериментах варьирует в пределах 12-

стиц [17[. Так, наночастицы диоксида титана

15% (рис. 3, кривая 1). Наночастицы с концентра-

(TiO₂) используют в технологических процессах

циями 0,33 мг/мл (образец № 2) и 0,17 мг/мл (об-

очистки воды и воздуха от органических приме-

разец № 3), введенные в раствор МС, также ока-

сей, а также для фотодеградации красителей [18].

зывают влияние на оптическую плотность, одна-

Показано, что деградация 90% исходного количе-

ко степень деградации МС снижается и

ства красителей метиленового синего и брилли-

составляет 6,0 - 7,5% и 5,0 - 5,5%, соответствен-

антового зеленого с использованием TiO₂ дости-

но (рис. 3, кривые 2 и 3), что указывает на зависи-

гается за 6 ч УФ-облучения [19]. Продемонстри-

мость эффективности фотокатализа от концен-

рован эффект фотодеградации метилового

трации биогенных наночастиц. УФ-облучение

оранжевого наночастицами TiO при облучении

водного раствора МС в отсутствие наночастиц

УФ-светом с предварительной обработкой нано-

(образец № 4) приводит к снижению оптической

частиц ультразвуком [20]. Оксид цинка (ZnO) в

плотности, деколоризация красителя составляет

виде наночастиц катализировал фотодеградацию

2,5-3,0% (рис. 3, кривая 4). При отсутствии УФ-

метиленового синего в концентрации 0,015 г/л в

облучения и выдерживании водного раствора МС

течение 2 ч до полного обесцвечивания красителя

в темноте (образец № 5, рис. 3, кривая 5) показа-

БИОФИЗИКА том 65

№ 5

2020

884

ВОЕЙКОВА и др.

тель деградации МС составляет 1,0-1,5%. Данные

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

показатели фотокатализа были получены при ис-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

пользовании лампы Вуда мощностью 9 Вт и ука-

интересов.

занными рабочими длинами волн (350-380 нм),

сходными с необходимым значением 365 нм. Ис-

пользование другой УФ-лампы меньшей мощно-

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

стью (4 Вт) и длиной волны излучения 365 нм

Настоящая работа не содержит описания ка-

(Cole-Parmer, США) не привело к фотокаталити-

ких-либо исследований с использованием людей

ческой деградации МС - такой результат свиде-

и животных в качестве объектов.

тельствует о существенной роли мощности УФ-

оборудования, выбранного для экспериментов по

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

фотокатализу.

J. Labille, J. Brant, Nanomedicine 5 (6), 985 (2010).

M. Kominkova, V. Milosavljevic, P. Vitek, et al., J. of

ВЫВОДЫ

Biotechnology 241, 193 (2017).

M. Masab, H. Muhammed, F. Shah, et al., Materials

Установлено, что биогенные наночастицы

Science in Semiconductor Processing 81, 113 (2018).

сульфидов кадмия и цинка различаются по раз-

U. Shamraiz, R. A. Hussain, A. Badshah, et al., J. of

меру (диаметру), определенному с использовани-

Photochemistry and Photobiology B: Biology 159, 33

ем просвечивающего электронного микроскопа,

(2016).

однако этот параметр не зависит от применяемо-

Т. А. Воейкова, О. А. Журавлева, Н. В. Булушова

го при биосинтезе штамма - S. oneidensis MR-1

и др., Молекулярная генетика, микробиология и

или B. subtilis 168. Штаммы оказывают влияние на

вирусология 35 (4), 151 (2017).

величину гидродинамического диаметра, опреде-

R. J. Тayade, T. S. Natarajan, H. C. Bajaj, Ind. Eng.

Chem. Res. 48 (23), 10262 (2009).

ляющего размер белкового слоя, адсорбирован-

ного на поверхности наночастиц. Показано, что

Т. А. Воейкова, О. А. Журавлева, Т. С. Грачева

и др., Биотехнология 33 (3), 38 (2017).

биогенные наночастицы имеют отрицательный

ζ-потенциал поверхности, при этом для

M. R. Hosseini, M. N. Sarvi, Materials Science in

Semiconductor Processing 40, 293 (2015).

NPsCdS/S. oneidensis MR-1, NPsZnS/S. oneidensis

A. K. Suresh, M. J. Doktycz, W. Wang, et al., Acta Bio-

MR-1 и NPsCdS/B. subtilis 168 ζ-потенциал варьи-

materiala 7, 4253 (2011).

рует от -27 до -20 мВ, что характеризует данные

10.

О. А. Журавлева, Т. А. Воейкова, Н. В. Булушова

водные суспензии наночастиц как метастабиль-

и др., Вопросы материаловедения 1 (97), 110 (2019).

ные. Для NPsZnS/B. subtilis 168 выявлено неста-

11.

О. А. Журавлева, Т. А. Воейкова, М. Х. Хаддаж

бильное состояние суспензии, коррелирующее с

и др., Молекулярная генетика, микробиология,

низким значением ζ-потенциала, -11,1 ± 1 мВ. По-

вирусология 36 (4), 191 (2018).

казано, что интенсивность флуоресценции зави-

12.

О. А. Журавлева, Т. А. Воейкова, С. А. Кедик и др.,

сит от белкового покрытия, определяемого штам-

Тонкие химические технологии 14 (3), 50 (2019).

мом. Установлен диапазон концентраций NP-

13.

L. Yue, S. Qi, J. Wang, et al., Materials Science in

sCdS/S. oneidensis MR-1 в водной суспензии,

Semiconductor Processing 56, 115 (2016).

который может быть определен с помощью спек-

14.

X. Xiao, X.-B. Ma, H. Yuan, et al., J. of Hazardous

трофлуориметра. Показано, что в присутствии

Materials 288, 134 (2015).

растворителей N-метилпирролидона и N,N-ди-

15.

P. Qi, D. Zhang, Y. Zeng, et al., Talanta 147, 142

метилформамида наночастицы NPsCdS/ B. subti-

(2016).

lis 168 сохраняют стабильность и высокий уровень

16.

С. И. Садовников, Полупроводниковые нанострук-

интенсивности сигнала флуоресценции. Опреде-

туры сульфидов свинца, кадмия и серебра (Физмат-

лена способность NPsCdS/B. subtilis 168 к фотока-

лит, М., 2018).

талитической деградации метиленового синего и

17.

X. Fang, Y. Wang, Z. Wang et al., Energies 12 (1), 190

зависимость данного процесса от концентрации

(2019).

биогенных наночастиц, мощности УФ-лампы и

18. M. Rani, U. Shanker, Handbook of Smart Photocatalytic

времени облучения.

Materials (Elsevier Inc., UK, 2020).

19. С. О. Черкасова, В. В. Шаповалов, И. П. Дмитрен-

ко и др., Инженерный вестник Дона 2, 1 (2017).

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

20. Р. Р. Мансуров, А. П. Сафронов, О. М. Саматов

и др., Журнал прикладной химии 90 (2), 156 (2017).

Исследование выполнено при частичной фи-

21. Э. Т. Мурзабекова, Молодой ученый 20, 13 (20z16).

нансовой поддержке РФФИ в рамках научного

22. А. Н. Колодин, Дисс. … канд. хим. наук (ИНХ

проекта № 19-04-00088.

им. А. В. Николаева СО РАН, Новосибирск, 2018).

БИОФИЗИКА том 65

№ 5

2020