Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 512, № 2, стр. 199-206

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для экспериментов использовали бурый уголь (У) Сергеевского буроугольного месторождения (Приамурье, Дальний Восток); выделенные из него по ГОСТ 9517-94 (ИСО 5073-85) гуминовые кислоты (ГК), битуминоиды – воски (В) и смолы (С), и неорганический остаток – НОС; биомассу микромицета Penicillium canescens (Гр) и низинный торф (Т) Егорьевского месторождения.

Сорбционное равновесие устанавливали с использованием растворов La(NO₃)₃ в концентрациях La 0.2, 1, 3, 5, 10, 50, 100 ммоль/л в диапазоне рН от 1.3 до 6.3. Сорбцию РЗЭ органическими матрицами проводили стандартным методом ограниченного объема. Процесс взаимодействия ограничивали 1–8 сут при периодическом перемешивании, после чего сорбент отделяли фильтрованием. Согласно [11], в речных потоках при среднем содержании РЗЭ до 133 мкг/л соотношение их количеств во взвеси и жидкой части составляет 99.81 и 0.19% соответственно, поэтому в экспериментах использовали растворы с концентрациями лантаноидов 2, 5, 20, 50 и 500 мкг/дм³, которые готовили из 16-элементного (14 лантаноидов + Sc и Y) стандартного раствора с концентрацией элементов 50 мг/дм³. Для электронно-микроскопической визуализации и рентгеноспектрального микроанализа РЗЭ-содержащих фаз на исследуемых матрицах взаимодействие осуществляли в течение 30, 55 сут при концентрации лантаноидов в растворе 5 мг/дм³ и рН от 1.27 до 5.11.

Остаточное содержание РЗЭ в растворах определяли масс-спектральным (X-7, “Thermo Elemental”, США) и атомно-эмиссионным (ICAP-61, “Thermo Jarrell Ash”, США) с индуктивно связанной плазмой методами (ИЦ ИПТМ РАН (г. Черноголовка); La – в лаборатории аналитической химии (АЦ ДВГИ ДВО РАН, г. Владивосток). Величину сорбции и степень извлечения рассчитывали, как описано ранее [12].

Электронно-микроскопические и микрорентгеноспектральные исследования выполняли в лаборатории микро- и наноисследований (АЦ ДВГИ ДВО РАН, г. Владивосток) на автоэмиссионном сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) LYRA 3 XMH с энергодисперсионным спектрометром (ЭДС) AZtec X-Max 80 Standard и программным обеспечением для автоматизированного поиска и анализа РЗЭ-содержащих и других минеральных микрозерен; ИК-спектрометрию – на ИК-Фурье спектрометре Nicolet iS10 (АЦ МГИ ИГиП ДВО РАН, г. Благовещенск).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Индивидуальное поведение лантаноидов при сорбции достаточно трудно выявить, так как в природе они встречаются в смеси друг с другом. Большинство из них являются трехвалентными металлами, за исключением Ce, Pr и Tb, которые могут иметь степень окисления +4, а Sm, Eu, Yb – +2. Все РЗЭ подразделяют на легкие (от La до Eu + Sc) (ЛРЗЭ) и тяжелые (от Gd до Lu + Y) (ТРЗЭ). Первые имеют более основной характер, вторые – более кислотные свойства.

Первоначально было определено, что сорбционное равновесие при взаимодействии раствора La с органическими матрицами устанавливалось в течение 24 ч, поэтому при сорбции РЗЭ из полиэлементного раствора ориентировались на этот период. В целом все исследуемые виды органического вещества характеризуются высоким извлечением всех РЗЭ, независимо от концентрации в исходном растворе (рис. 1 а, б). При этом, чем выше содержание РЗЭ в исходном растворе, тем менее выражено их фракционирование органическими сорбентами (рис. 1 б). При варьировании условий эксперимента (концентрации РЗЭ, рН) тенденция в распределении показателей извлечения сохранялась. Извлечение ТРЗЭ практически всеми исследуемыми матрицами, за исключением НОС, при низких и средних концентрациях (2–50 мкг/л) в слабокислой среде (рН 4.97) варьировало в пределах 87–99%, а извлечение ЛРЗЭ – в более широких пределах от 52 до 99%. Степень извлечения РЗЭ НОС резко снижалась к более концентрированным растворам (от 53–97 до 28–41% для ЛРЗЭ и от 79–98 до 23–29% для ТРЗЭ). В кислой среде (рН 2.20) из концентрированных растворов (500 мкг РЗЭ/дм³) степень извлечения лантаноидов Т, У и ГК оставалась на высоком уровне (ЛРЗЭ – 68–91%, ТРЗЭ – 71–89%), значительно снижалась при извлечении НОС и грибной биомассой – до 23–57% для ЛРЗЭ и 20–53% для ТРЗЭ; и не превышала 4% восками и смолами.

Разброс показателей статической сорбционной емкости (А), определенной по сумме всех ионов РЗЭ, между исследуемыми видами органических матриц в слабокислых низкоконцентрированных растворах не превышал 25% (рис. 2), тогда как в концентрированных растворах этот показатель достигал 98% (А для У и ГК 11.4–11.5 мг/г; для НОС и Гр 4.2–5.1 мг/г; для В и С 0.5–0.2 мг/г соответственно).

Показатели удельной сорбционной емкости (рис. 3 а) свидетельствуют о превалировании сорбции ТРЗЭ над ЛРЗЭ в низкоконцентрированных растворах практически для всех исследуемых матриц. Это объясняется тем, что за счет эффекта “лантаноидного сжатия” тяжелые лантаноиды имеют меньшие ионные радиусы, большее отношение заряда к ионному радиусу, более высокий потенциал ионизации и, соответственно, более сильные химические связи, чем легкие. Для более концентрированного раствора (рис. 3 б) удельная сорбционная емкость выше в отношении легких лантаноидов, что может быть обусловлено зарядом поверхности сорбента, кислотностью раствора, при которой в связывании ионов участвует большая часть СООН-групп по сравнению с фенольными группами.

По данным ИК-спектроскопического анализа в исходном составе У, ГК, ГР, НОС, Т, В, С присутствуют хорошо выраженные пики, характеризующие валентные колебания связей С–Н, С–Н₃, групп в алифатических соединениях (2915–2921 и 2848–2851 см^–1), деформационные колебания С–Н₃-групп в области 1372–1379 см^–1. Средние по интенсивности пики валентных колебаний гидроксильных групп (3696–3324 см^–1), связанных межмолекулярными и водородными связями, также выявлены практически у всех органических матриц, за исключением восков. У грибной биомассы расширенный пик при 3282 см^–1 характеризует деформационные колебания О–Н- и N–H-групп, вовлеченных в образование водородной связи между молекулами полисахарида клеточной оболочки [13, 14].

Разная интенсивность пиков валентных колебаний карбонильной группы С=О в карбоновых кислотах (1698–1705 см^–1), альдегидах и сложных эфирах (1652 см^–1) – в виде сильного пика для ГК, С, В, плеча со сниженной интенсивностью для Гр (1734 см^–1), Т, НОС и слабого пика для У – объясняется разной концентрацией карбоксильных групп в составе исследуемых органических матриц. Пики валентных колебаний связи С=С, сопряженной с С=О или ароматическим кольцом, наиболее интенсивны в спектрах ГК, У (1600 см^–1), Т(1621 см^–1) и отсутствуют у остальных органических матриц. Пик при 1539 см^-1 наиболее сильно проявляется у Гр, очень слабо у Т и соответствует белкам амид II (связи C–N и N–H). Пики деформационных колебаний метильных и метиленовых групп (∼1460 и 1380 см^–1 соответственно) особенно ярко выражены у смол и восков, и слабо у Гр, У, НОС, Т. Колебания, связанные с группой С‒О–Н, обнаружены в У (широкая полоса при 1262 см^–1, средний пик при 748 см^–1) и ГК (1215 и 749 см^–1).

Область 1500–500 см^–1 является областью валентных и деформационных колебаний простых связей С–С, С–N, С–О и С–Н, О–Н, N–Н соответственно. Положение и интенсивность полос поглощения в этом диапазоне сугубо индивидуальны для каждого конкретного органического соединения. Колебания С–О-групп в сложных и простых эфирах, спиртах (1173, 1032 см^–1) зафиксированы у всех исследуемых матриц. Наличие полос в диапазоне 1150–1050 см^–1 свидетельствует о присутствии различных кислородсодержащих функциональных групп в органическом веществе, в том числе Р–О–С и Р–ОН [15], которые характеризуются очень сильным пиком у Гр (1019 см^–1); сильными – у НОС, У, Т, ГК (1008–1018 см^–1).

В составе грибной клеточной оболочки, кроме хитина (3–39%) и хитозана (5–33%), присутствуют полиурониды, полифосфаты (2–12%), липиды (2–7%), белки (0.5–2.5%) [16], характеризующиеся широким набором функциональных групп, содержащих атомы азота, фосфора, серы. Вследствие этого характер ИК-спектров грибной биомассы отличается от ИК-спектров других органических матриц. У Гр обнаружены пики, соответствующие колебаниям ассоциированной N–H-группы (3282 см^–1). Полосы поглощения при 1651, 1644 см^–1 соответствуют валентным колебаниям связи С=О амида I, при 1539 см^–1 – деформационным колебаниям N–H и колебаниям C–N амида II в полипептидных компонентах [14]. Валентным колебаниям С–О-связи в фенольных и карбоксильных группах соответствуют полосы при 1234 см^–1; валентным и деформационным колебаниям ОН-групп в спиртах и карбоновых кислотах – полосы при 1145 см^–1. У Гр не наблюдается пиков, соответствующих характеристическим колебаниям ароматического замещения (деформационные колебания связи С–Н в диапазоне длин 900–690 см^–1), которые отмечены у остальных исследуемых органических матриц. Таким образом, несмотря на высокую структурную гетерогенность, все исследуемые органические вещества характеризуются наличием метильных, метиленовых, гидроксильных, карбонильных, карбоксильных и алкоксильных функциональных групп, а грибная оболочка дополнительно – азот- (амино- и амидными) и фосфорсодержащих группировок.

После взаимодействия с растворами РЗЭ общей тенденцией для всех матриц явилось снижение интенсивности пиков в среднем от 7% – для восков до 59% – для ГК. Кроме того, зафиксированные для У сдвиги пиков связи С=С, сопряженной с С=О, и связи С–О–Н при 1589 и при 1262 см^–1 на 12 и 24 см^-1 соответственно, для ГК – колебания связи С=О в СООН при 1704 и С=С, сопряженной с С=О, при 1600 см^–1 на 10 и 7 см^–1 соответственно, для Т сдвиг пика этой же связи (1621 см^–1) на 12 см^–1 могут свидетельствовать о взаимодействии РЗЭ с карбоксильными и гидроксильными группами по механизму ионного обмена. Таким образом, на основании данных ИК-спектроскопии и степени извлечения ионов РЗЭ, можно предположить, что для восков определяющим механизмом является поверхностная сорбция; для угля, гуминовых кислот и торфа – взаимодействие с карбоксильными и гидроксильными группами, которое, вероятнее всего, протекает по механизму ионного обмена. Доказательством этого служит факт появления в растворах после сорбции значительных количеств (до n × 10²–10⁵ мкг/дм³) ионов Са, Mg, K, Na за счет реакции:

где, R – углеводородная часть органической матрицы.

После сорбции, согласно СЭМ–ЭДС-данным, на поверхности У, ГК, Т, В и С минеральных фаз РЗЭ не обнаружено. В исходном составе НОС до сорбции были обнаружены фосфатные и силикатные формы минералов РЗЭ [17], поэтому подтвердить или опровергнуть факт образования новых минеральных фаз не представляется возможным.

На ИК-спектрах Гр после сорбции обнаружено смещение на 13 см^–1 пика связей О–Н и N–H полисахаридов клеточной оболочки (3282 см^–1), снижение интенсивностей полос поглощения связей С=O карбоксильных групп (1733 см^–1), белков амида I (1651, 1644 см^–1), N–H и C–N белков амида II (1539 см^–1), групп Р–О–С, Р–ОН (1019 см^–1) в среднем на 39%. В составе обнаруженных СЭМ-анализом множества минеральных зерен и фаз на грибной биомассе (рис. 4) содержание лантаноидов варьирует от 16 до 55 мас. %, фосфора – от 10 до 17 мас. %, хотя в реакционную смесь соединения фосфатов не добавляли. Причиной изменений характера ИК-спектров являются взаимодействия РЗЭ с функциональными группами грибной клеточной оболочки по механизмам ионного обмена и комплексообразования с карбоксилат-анионами карбоновых кислот, фосфором и азотом аминогрупп белков.

Для подтверждения вероятности взаимодействия катионов РЗЭ с белками грибной оболочки было проведено математическое моделирование связывания La³⁺ аминокислотными остатками белков Penicillium canescens методом жесткого межмолекулярного докинга с использованием веб-сервера MIB2 [18], который включает разнообразные способы вычисления сродства катиона к аминокислотам. Структуры белков были взяты из открытой базы данных белков UniProtKB. Из 74 белков клеточной оболочки Penicillium canescens 11 имеют центры связывания, из которых 8 приходится на класс оксидазы, и по одному – на синтазы, лигазы, гидролазы. На рис. 5 показан сайт типичной конформации белка U6BLZ9, имеющего центры связывания металлов. Катион лантана соединяется координационными связями с кислородом карбоксильных групп глютаминовой кислоты, занимающей в белке 192 и 295 положение.

Наиболее часто встречающимися аминокислотами в полипептидных сайтах белка, способными образовывать координационные связи с катионами лантаноидов, являются глутаминовая и аспарагиновая кислоты (табл. 1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По ИК-спектрам в составе торфа, бурого угля и составляющих его компонентов – гуминовых кислот, неорганического остатка, восков и смол, а также в биомассе микроскопических грибов установлены как отрицательно заряженные функциональные группы: спиртовые, фенольные гидроксилы, альдегидные, кетонные карбонилы, карбоксилы и др., так и положительно заряженные фосфор- и азотсодержащие группировки (амины, амиды). Благодаря наличию этих групп и ароматических фрагментов органическое вещество вступает в ионные, донорно-акцепторные и гидрофобные сорбционные взаимодействия с редкоземельными элементами. Преобладание тех или иных функциональных групп в составе органического материала будет определять основной механизм сорбции элементов из водных растворов. Так, для ГК способность водорода карбоксилов и, частично, фенольных гидроксилов замещаться на катионы металлов при данных условиях сорбции определяет образование соединений солевого типа с ионной связью. Кроме того, ГК как из углей, так и из торфов, могут сорбировать различные ионы металлов за счет поверхностной адсорбции, а также за счет процессов комплексообразования с вовлечением –ОН-, –СО- и –СООН-групп [19]. Согласно данным [17], в составе бурого угля Сергеевского месторождения содержится до 64.5% ГК, 5.59% восков, 8.94% смол; неорганический остаток составляет 21.87%. Поэтому механизм сорбции РЗЭ бурым углем в основном будет определяться характером сорбции элементов гуминовыми кислотами на стадиях торфонакопления и углефикации.

Микроскопические грибы вносят определенный вклад в процессы сорбции и минерализации элементов [20]. Методом СЭМ–ЭДС-анализа подтвержден редкоземельный кристаллогенез на грибной биомассе. Формирование минеральных фаз РЗЭ осуществляется за счет их осаждения и взаимодействия с функциональными группами белков клеточной оболочки, имеющих в своем составе азот- и фосфорсодержащие молекулы. Методом математического моделирования верифицирована возможность связывания катионов РЗЭ аминокислотными остатками белков клеточной оболочки Penicillium canescens. Таким образом, новообразованные в процессе эксперимента кристаллические фазы фосфатов РЗЭ на поверхности грибной биомассы свидетельствуют об определенной роли биотической компоненты в формировании редкоземельной минерализации в буроугольных отложениях.