Методология исследования процесса биоаккумуляции металлов растениями

Романова Т.Е.

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет,

Новосибирск, Россия.

Студент V курса.

romanova-toma@mail.ru

Научный руководитель: Шуваева О.В.

Тяжелые металлы относятся к числу наиболее распространенных и опасных для биоты загрязнителей окружающей среды. В этой связи важной задачей экологии является разработка эффективных способов очистки водоемов от тяжелых металлов. Для решения этой задачи все чаще пользуются фиторемедиацией [1] – способом очистки водоемов с применением растений-гипераккумулянтов, которые способны накапливать большие дозы поллютантов и концентрировать их в тканях.

При использовании фиторемедиации на практике, встает вопрос о необходимости изучения процесса накопления тяжелых металлов растениями. Существует широкий спектр методов аналитической химии, позволяющих получать информацию о накоплении и трансформации поллютантов в растениях. Однако в работах, посвященных исследованию данных процессов [2,3], как правило, рассматриваются отдельные этапы взаимодействия тяжелых металлов с тканями растительных организмов. Целью настоящей работы была разработка методологии исследования трансформации и транспорта микроэлементов в плавающих растениях-гипераккумулянтах на примере кадмия.

Объектами исследования являлись плавающие макрофиты Eichhornia crassipes (водяной гиацинт) и Pistia stratiotes. Всего за одну-две недели эти растения способны давать 100%-ный прирост биомассы, формируя при этом развитую корневую систему, с помощью которой осуществляется поглощение загрязняющих веществ из воды.

В качестве модельного элемента был выбран кадмий, т.к. в условиях проведения натурного эксперимента его содержание в незагрязненных водах Новосибирского водохранилища достаточно мало (<0,1 мкг/л), что позволяет исключить появление систематической погрешности при проведении исследований.

Для изучения механизма накопления металла растением необходимо последовательное рассмотрение отдельные стадий процесса аккумуляции, а именно: динамику накопления, распределение в тканях и органах, а также определить тип соединений, в виде которых металлы транспортируются и депонируются в организме растений.

Изучение динамики накопления поллютанта целесообразно проводить в лабораторных условиях, где возможен контроль таких условий как освещенность, температура и рН воды. В настоящей работе для определения концентрации поллютанта в воде применяли инверсионную вольтамперметрию (ИВА) и атомно-эмиссионную спектрометрию с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС). При этом правильность количественных данных оценивали путем сопоставления результатов, полученных независимыми методами анализа, а именно ИВА и ИСП-АЭС, которые продемонстрировали вполне удовлетворительную сходимость.

Определение содержания кадмия в различных органах растений (корнях, стеблях и листьях) проводили с применением метода ИСП-АЭС после микроволнового разложения растительных образцов.

Для изучения распределения поллютанта в тканях растений, как правило, используют гистохимические методы, основанные на качественных химических реакциях, в результате которых образуются окрашенные соединения исследуемых компонентов с различными реагентами. Для выявления областей локализации кадмия в растениях в качестве такого реагента применяли дитизон, селективность взаимодействия которого с ионами металлов зависит от условий проведения реакции (pH, среда и т.п.). Методика характеризуется экспрессностью и информативностью, дает возможность в сочетании с количественными аналитическими данными оценить диапазон накопления и характер распределения тяжелых металлов внутри структурных элементов растения. Следует отметить, что на текущий момент в литературе отсутствуют данные об использовании дитизоновой методики для изучения распределения металлов в органах растений-гидробионтов.

При выявлении функциональных групп на поверхности растений, а также изучении процесса комплексообразования кадмия с биологически активными веществами растений - флавоноидами, участвующими в связывании кадмия в растениях применяли методы молекулярного анализа ИК- и UV-VIS-спектроскопию.

В результате проведенных исследований показано, что аккумуляция кадмия водяным гиацинтом в условиях натурного эксперимента происходит интенсивнее по сравнению с пистией слоистой, причем начальный этап накопления обусловлен биосорбцией за счет кислородсодержащих групп. Выявлено, что по мере накопления Cd происходит его перераспределение между частями растения, однако основная часть концентрируется в ризодерме и коре корня растения. Установлено, что в изучаемых растениях содержатся вещества, способные образовывать комплексные соединения с Cd, причем их качественный и количественный состав видоспецифичен, хотя, по всей видимости, они вносят значительный вклад в связывание Cd лишь на начальном этапе.

Литература:

[1] Chhotu D. Jadia, Fulekar M. H. African Journal of Biotechnology 8(6), 921-928 (2009)

[2] Hadad, H. R., Maine, M. A., Mufarrege, M. M., Del Sastre, M. V., Di Luca, G. A. Journal of Hazardous Materials 190, 1016-1022 (2011)

[3] Zhang, J., Brodbelt, J. J. Am. Soc. Mass. Spectrom 16, 139-151 (2005)

Sm-Nd И Rb-Sr ИЗОТОПНЫЕ СИСТЕМЫ В МИНЕРАЛАХ.

Смирнова З.Б.

Санкт-Петербургский Государственный Университет,

Санкт-Петербург, Россия.

Аспирант 1г.

smirnova_z@inbox.ru

Научный руководитель: Богданов Р.В.

Современный уровень развития масс-спектрометрического метода исследования позволяет определять изотопный состав образцов с малым содержанием вещества (порядка нескольких нанограмм). Благодаря этому появилась возможность изучать монокристаллы горных пород и минералов. Наибольший интерес представляет изучение неоднородности изотопного состава единичных кристаллов от центра к краю, что может дать важную петрогенетическую информацию об изучаемом объекте. Кристаллы выступают в качестве регистраторов окружающей среды, в которой они растут, а значит могут представить хронологию геологических процессов, сопутствовавших их росту [1]. Таким образом, изучение локальных вариаций изотопного состава от центра к краю позволяет оценивать кинетику минералообразования, процессы диффузии и перекристализации.

Такой подход может применяться для изучения Rb-Sr изотопных систем в плагеоклазе, полевом шпате и других породах магматического происхождения. При изучении гранатов целесообразно рассматривать Sm-Nd и Rb-Sr изотопные системы[2].

Работа с небольшим количеством вещества (содержание Nd, Sm и Sr в пробе достигает нескольких нанограмм) предъявляет особые требования к точности и чистоте эксперимента.

Для получения данных о возрасте и количественном составе пород изотопные отношения радиогенного и нерадиогенного изотопов определяют при помощи метода температурно-ионизационной масс-спектрометрии (TIMS). Температурная ионизация эффективна лишь в том случае, если образец был тщательно очищен от матрицы, так как матрица снижает эмиссию и усложняет анализ, что особенно существенно при работе с малыми количествами вещества.

Эффективное химическое очищение анализируемого элемента перед измерением образца на масс-спектрометре с термальной ионизацией необходимо, так как помимо проблемы матрицы существует так же с проблема изобарности масс.

Разделение редкоземельных элементов является трудновыполнимой аналитической задачей ввиду большого сходства химических и физических свойств элементов этой группы. В настоящее время существуют две группы хроматографических методов, при помощи которых осуществляют разделение самария и неодима:

• жидкостно-жидкостная хроматография с обращенными фазами (экстракционная хроматография)

• ионообменная хроматография.

Нами была проведена серия экспериментов по наладке методики разделения РЗЭ методом ионообменной хроматографии с использованием 2-гидроксиизобутиловой кислоты в качестве элюента [3]. В качестве образца использовался стандарт горной породы BCR-2. Рассмотренный метод разделения редкоземельных элементов обладает следующими позволил выделить фракцию неодима не содержащую примесей самария, церия гадолиния и празеодима, количественный выход самария и неодима оказался более 90%. К существенным недостаткам данной методики следует отнести необходимость строгого контроля pH элюента (допустимое изменение pH составляет ±0,02) и проблема матрицы - сбор РЗЭ осуществляется в 2-гидроксиизобутиловой кислоте, которая при выпаривании создает большой осадок, который препятствует эффективной ионизации образца при измерении на масс-спектрометре.

За последние тридцать лет разными научными лабораториями мира было разработано большое количество методик разделения редкоземельных элементов посредством экстракционной хроматографии [4,5,6]. С 1990 года существует коммерчески доступная смола Ln-spec, разработанная фирмой Eichrom специально для разделения редкоземельных элементов друг от друга. Нами проводить суммарное выделение РЗЭ на смоле Tru-spec. Геометрия штативов и колонок со смолой Tru-spec и нормальность используемых кислот позволяют подставить под них колонки со смолой Ln-spec, таким образом РЗЭ, выделенные суммарно, будут попадать в колонки Ln-spec для дальнейшего разделения напрямую, без использования посуды и последующего выпаривания. Такой метод позволит повысит чистоту эксперимента.

Литература:

[1] Charlier B.L.A., Ginibre C. Chemical Geology 232, 114–133 (2006)

[2] Pollington A.D., Baxter E.F. Earth and Planetary Science Letters 293, 63–71(2010)

[3] Harvey J., Baxter E.F. Chemical Geology 3-4, 251-257 (2009)

[4] Griselin M, van Belle J.C., Pomies C., Vroon P.Z., van Soest M.C., G.R. Davies G.R. Chemical Geology 172, 347-349 (2001)

[5] Horwitz E.P., Bloomquist C.A.A. J. Inorganic nuclear Chemistry 37, 425-434 (1975)

[6] Rehkamper M., Gartner M., Galer S.J.G., Goldstein S.L. Chemical Geology 129, 201-208 (1996)