Биополимер для удаления ионов тяжелых металлов из воды

Одной из основных проблем питьевой воды является ее загрязнение. Некоторые виды примесей менее вредны и их легче удалить, но есть и таковые, что сложно поддаются отделению. К таким относятся ионы тяжелых металлов. Однако природа уже давно успешно справляется с этой задачей, ведь растения обладают специализированным белком, который способен избирательно захватывать и нейтрализовывать ионы тяжелых металлов. Ученые из Осакского университета (Осака, Япония) создали искусственный биополимер, которые обладает вышеописанными свойствами. Что им для этого потребовалось, насколько эффективен полученный продукт, и где он может применяться? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Вода является одним из самых важных физиологических требований организма человека, а доступ к питьевой водой — одним из основных прав человека. К сожалению, это не всегда действительно. Многие источники воды загрязнены и непригодны к использованию. А вещества, что загрязняют воду, могут приводить к проблемам со здоровьем или даже к летальному исходу. Поэтому разработка надежных материалов для очистки воды, которые избирательно удаляют загрязняющие вещества, такие как ионы тяжелых металлов из водной среды, является крайне важной задачей для научного сообщества.

В настоящее время ионы тяжелых металлов удаляются с помощью различных материалов, таких как синтетические/природные цеолиты, мембраны обратного осмоса и ионообменные смолы. Эти материалы предлагают эффективное и экономичное решение для очистки больших объемов сточных вод, но они страдают от фундаментальных недостатков. Емкость загрузки используемых в настоящее время цеолитов и ионообменных смол обычно составляет < 1 ммоль на 1 г материалов. Увеличить емкость сложно, поскольку она определяется соотношением площади и объема. Примечательно, что материалы, используемые для реальной очистки воды, не обладают высокой селективностью, поскольку ионы, имеющие схожие размеры и заряды, захватываются одинаково. Типичные константы диссоциации (K_D) ионообменных смол к ионам переходных металлов составляют порядка ~10^–3 M, а значения коэффициента селективности для ионов металлов находятся в диапазоне 10^–1–10^–2.

Изображение №1

Для высокоэффективного и селективного удаления ионов тяжелых металлов изучение биологических систем является многообещающей стратегией. Растения имеют очень распространенный белок, фитохелатин, олигомеры глутатиона, которые селективно захватывают и детоксифицируют ионы тяжелых металлов, присутствующие в почве, грунтовых водах и воздухе. Ген фитохелатинсинтазы (PCS) является высококонсервативным геном, присутствующим у всех эукариот и нескольких прокариот. Процесс восстановления окружающей среды с использованием растений, известный как фиторемедиация, уже введен в практическое использование. Перспективы применения этого процесса растут с каждым годом. Как показано на 1a, белки фитохелатина образуют комплексы с Cd²⁺ и изолируют их в вакуолях, в то время как взаимодействие с необходимыми ионами незначительно.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые разработали и синтезировали сополимеры на основе полиакриловой кислоты, вдохновленные растительным фитохелатином, и изучили их способность очищать воду, интегрируя эти биополимеры в проточную систему. Подобно эндогенным фитохелатинам, содержащим боковые цепи –COOH, а также –SH, созданные сополимерные материалы состояли из поли(акриловых) кислот (PAA), которые были частично функционализированы боковыми цепями цистеина. Синтезированные сополимеры были названы pAA–Cys5 (1b). Сродство pAA–Cys5 к Cd²⁺ оценивалось с помощью изотермической титрационной калориметрии (ITC от isothermal titration calorimetry), а структуры полимер-ионных комплексов анализировались с помощью инфракрасной Фурье-спектроскопии (FTIR от Fourier transform infrared) и ядерного магнитного резонанса (NMR от nuclear magnetic resonance). Результаты испытаний на периодическую адсорбцию показали, что pAA–Cys5 можно использовать для достижения высокой емкости загрузки, сопоставимой с максимальной емкостью загрузки, зарегистрированной на сегодняшний день. Прививая био-вдохновленные сополимеры на кремниевые микрочастицы и целлюлозные мембраны, 0.1 г сополимеров можно ограничить объемом ≈ 3 мл. Более того, сочетание микрочастиц и целлюлозных мембран, функционализированных сополимерными щетками, позволяет очищать 0.3 л воды до состояния питьевой воды в течение 1 часа.

Результаты исследования

На изображении №1 представлена стратегия, которой следовали для синтеза материалов, вдохновленная биологией. В растениях фитохелатины образуют комплексы с внутриклеточными ионами тяжелых металлов, такими как Cd²⁺, которые изолируются и хранятся в вакуолях (1a). Вдохновленные химической структурой фитохелатина, были синтезированы серии сополимеров на основе pAA (pAA–Cys5), обладающих боковыми цепями –COOH, а также –SH (1b). Вкратце: pAA–Cys5 был синтезирован путем обратимой полимеризации с передачей цепи фрагментацией (RAFT от reversible addition−fragmentation chain-transfer) акриламида S-тритилцистеина (S-Tri-Cys-AAm) и акриловой кислоты (AA от acrylic acid) с использованием радикального инициатора и агента передачи цепи с последующим снятием защиты тритильной группы с помощью трифторуксусной кислоты (TFA от trifluoroacetic acid).

Сополимеры были синтезированы после обратимой сополимеризации с передачей цепи фрагментацией-присоединением (RAFT) акриловой кислоты (AA) и AA, связанной с цистеином. Азобисизобутиронитрил (AIBN от Azobisisobutyronitrile ) использовался в качестве радикального инициатора. Анализ спектров 1H ЯМР подтверждает успешный синтез. Диаграмма гель-проникающей хроматографии (GPC от gel permeation chromatography) для pAA–Cys5 показала унимодальный пик. Средневесовое значение молекулярной массы (M_w) было равным 1.7 × 10⁴, а значение молекулярно-массового распределения (M_w/M_n) составило 2.2.

Чтобы проверить применимость разработанной стратегии в синтезе материалов, вдохновленных растительным фитохелатином, ученые определили сродство связывания pAA–Cys5 с ионами Ca²⁺ и Cd²⁺ путем измерения ITC в растворе и сравнили сродство с фитохелатином и другими материалами. Дополнительная тепловая мощность (dQ/dt) и энтальпия (ΔH), построенные в зависимости от молярного соотношения боковых цепей цистеина, представлены на 2a.

Изображение №2

Глобальная форма данных ITC, характеризующаяся пиком (ΔH > 0), указывает на сосуществование экзотермических и эндотермических процессов. Экзотерма может быть интерпретирована как связывание двухвалентных катионов с отрицательно заряженными щетками pAA–Cys5, тогда как эндотерма представляет собой энтропийные изменения, вызванные высвобождением противоионов и/или дегидратацией pAA–Cys5. Данные ITC для pAA–Cys5 были подобраны с использованием двухсайтовой модели (сплошные линии). KD pAA–Cys5 для ионов Cd²⁺, K_D(Cd) = 2.1 × 10^–9 M на молекулу, на четыре порядка меньше, чем для ионов Ca²⁺, KD(Ca)=2.5 × 10^–5 M на молекулу, что указывает на то, что сродство pAA–Cys5 к Cd²⁺ значительно велико.

Напротив, связывающее сродство pAA (без боковых цепей цистеина) с ионами Ca²⁺ и Cd²⁺ слишком низкое для расчета значений K_D из данных ITC. Хотя прямое сравнение значений K_D, определенных различными методами и/или при различных условиях измерения, затруднительно, связывающее сродство pAA–Cys5 с ионами Cd²⁺ значительно выше, чем в ранее опубликованных трудах.

Для получения дополнительных структурных сведений о взаимодействии pAA-Cys5 с M2²⁺ были записаны спектры инфракрасного Фурье-преобразования с ослабленным полным внутренним отражением (ATR-FTIR от attenuated total reflection-Fourier transform infrared) pAA–Cys5 (4% мас./об.) в 10 мМ Трис-HCl буфере (pH 7.4) в отсутствие и в присутствии M²⁺. На 2b представлены спектры ATR-FTIR полимерных растворов в отсутствие (черный) и в присутствии ионов Cd²⁺/Ca²⁺ (красный/синий).

Глобальная форма спектров может быть охарактеризована двумя пиками при 1550 и 1400 см^–1, и эти пики соответствуют антисимметричному и симметричному растяжению –COO^– pAA соответственно. На 2c представлены дифференциальные спектры вокруг антисимметричной полосы –COO^– после вычитания спектра «pAA-Cys5 без M²⁺», чтобы подчеркнуть изменения, вызванные ионами Ca²⁺/Cd²⁺. Интенсивности пиков монотонно уменьшаются с увеличением [Cd²⁺], тогда как четкой тенденции с увеличением [Ca²⁺] обнаружить не удается (2d).

Поскольку сигналы в спектрах ¹H NMR pAA-Cys5 слишком широки, чтобы точно определить, как Cd²⁺ образует комплекс с группами –CH₂S^– и –COO^–, ученые записали спектры ¹H NMR модельного соединения, N-ацетилцистеина (NAC), в отсутствие и в присутствии Ca²⁺ или Cd²⁺. Как показано на 2e, увеличение [Ca²⁺] не вызывает сдвигов в положениях пиков ¹H, тогда как пики B и C, связанные с протонами, связанными с атомами углерода, соседними с группами –COO^– и –CH₂S^–, смещаются в присутствии Cd²⁺, указывая на то, что ионы Cd²⁺ взаимодействуют не только с группами –COO^–, но и с группами –CH₂S^–. Примечательно, что диастереотопное расщепление сигналов CH₂ © указывает на бидентатный режим хелатирования NAC с Cd²⁺.

Полученные данные NMR и FTIR спектроскопии по pAA–Cys5 предполагают три возможные структуры для комплекса Cd²⁺–pAA–Cys5 (2f):

• Cd²⁺ образует комплекс с одной боковой цепью Cys;
• Cd²⁺ образует комплекс с двумя боковыми цепями Cys;
• Cd²⁺ образует комплекс с одной цепью Cys и группой(ами) –COO^– основной цепи pAA.

Образование комплексов между Cd²⁺ и двумя боковыми цепями Cys маловероятно, поскольку расстояние разделения между боковыми цепями Cys (5 мол. %) неравномерно из-за статистической сополимеризации двух мономеров. В качестве грубой оценки, если предположить, что размер мономера AA составляет 2.5 Å, вполне вероятно, что большое среднее расстояние между единицами Cys (2.5/ 0.05 = 50 Å) препятствует образованию димеров.

Для проверки возможности первого варианта из трех были синтезированы два типа сополимеров с основными цепями, содержащими мономеры, лишенные групп –COOH, гидроксипропилметакриламид (HPMA) и поли(этиленгликольметилакрилат) (PEGMA). Данные ITC для pHPMA-Cys5 и pPEGMA-Cys5 не показывают никаких признаков взаимодействия между полимерами и ионами Cd²⁺/Ca²⁺. Это подтверждает, что Cd²⁺ образует комплекс с группами –COO^– и –CH₂S^– цистеинового звена и группой(ами) –COO^– основной цепи pAA, как в третьем варианте.

Изображение №3

Функция био-полимера pAA–Cys5 для очистки воды была протестирована на основе двух параметров: емкости загрузки и специфичности Cd²⁺. Как показано на 3a, раствор pAA–Cys5 и буфер, содержащий Cd²⁺, были оставлены для реакции на ночь, после чего было проведено ультрацентрифугирование. Поскольку полимер pAA–Cys5 с M_w ≈ 1.7 × 10⁴ Да не может пройти через фильтр с пороговым уровнем 3 × 10³ Да, через фильтр могут пройти только ионы, не связавшиеся с pAA–Cys5. [Cd²⁺] в ультрафильтрованном потоке определяли с помощью оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-OES от inductively coupled plasma optical emission spectrometry). На 3b представлено [Cd²⁺] в проточной жидкости после ультрафильтрации смешанного раствора, содержащего pAA–Cys5 (0.1 мг/мл) и CdCl₂ (100 мкМ), что указывает на эффективное улавливание почти всего Cd²⁺.

Напротив, соответствующие данные пустого буфера и двух полимеров, не являющихся pAA (pHPMA-Cys5 и pPEGMA-Cys5), не демонстрируют заметных изменений в [Cd²⁺] после ультрафильтрации. Поскольку обнаруженное [Cd²⁺] в проточной жидкости pAA–Cys5 (< 2 мкМ) было близко к пределу обнаружения Cd²⁺ методом ICP-OES (приблизительно 0.1 мкМ), точное значение [Cd²⁺] = 0.6 мкМ было определено с помощью колориметрического анализа Spectroquant. Примечательно, что нецитотоксический уровень [Cd²⁺], а также уровень питьевой воды, определенный Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), [Cd²⁺] ≤ 0.03 мкМ, можно легко достичь либо путем увеличения [pAA–Cys5], либо путем уменьшения [CdCl₂] в элюенте. Например, сочетание [pAA–Cys5] = 0.1 мг/мл и [CdCl₂] = 10 мкМ привело к [Cd²⁺] < 0.02 мкМ в проточной воде. Для сравнения функции pAA-Cys5 с другими адсорбентами ионов тяжелых металлов ученые рассчитали емкость загрузки, определяемую как количество Cd²⁺, захваченное 1 граммом материала (3c). Здесь следует отметить, что при высоких концентрациях полимера количество связанных ионов на полимер становится меньше с ростом концентрации полимера, поскольку сайты связывания в полимерах не насыщены Cd²⁺. С другой стороны, при низких концентрациях полимера равновесие между связанным и несвязанным состояниями смещается в сторону несвязанного состояния. Поэтому емкость загрузки pAA–Cys5 показывает максимум при [pAA–Cys5] = 0.01 мг/мл на основе баланса этих двух эффектов. Максимальная емкость загрузки pAA–Cys5 (5.2 ммоль/г) в 4–50 раз выше, чем у органических соединений, таких как pAA, модифицированный гидрохиноном, конъюгат поли(гидроксиэтилметакрилата)-цистеина и гидрогель поли(N-изопропилакриламида), сшитого цистеином.

Что еще более примечательно, максимальная емкость загрузки pAA–Cys5 сопоставима с емкостью загрузки наночастиц цеолита, связанных с нановолокнами поли(винилового спирта), 7.5 ммоль/г, что является самой большой емкостью адсорбции на сегодняшний день. Данные ITC показывают, что сродство pAA–Cys5 к Cd²⁺ на четыре порядка больше, чем сродство к Ca²⁺. Чтобы проверить, может ли pAA–Cys5 селективно захватывать Cd²⁺, ученые инкубировали растворы pAA–Cys5 (10^–4, 10^–3, 10^–2 и 10^–1 мг/мл) с буфером, содержащим [Cd²⁺] = 0.01 мМ (10 мкМ), [Na⁺] = 1 мМ, [K⁺] = 0.2 мМ, [Mg²⁺] = 0.5 мМ и [Ca²⁺] = 0.5 мМ, что имитирует уровни концентрации в сточных водах соответственно. На 3d показан [Cd²⁺] в проточной воде, что указывает на то, что pAA–Cys5 может захватывать Cd²⁺ даже в присутствии большого избытка обильных одно- и двухвалентных ионов металлов в грунтовых водах. При использовании 0.1 мг/мл pAA-Cys5, [Cd²⁺] в проточной воде было ниже приемлемой концентрации, заявленной ВОЗ для питьевой воды (< 0.03 мкМ). Эти результаты показали, что полимер может использоваться для селективного удаления Cd²⁺, но не других ионов в грунтовых водах, таких как Na⁺, K⁺, Mg²⁺ и Ca²⁺. Такая высокая селективность к токсичным ионам Cd²⁺ отличает их от цеолитов и ионообменных смол, поскольку ионы, обладающие схожими размерами и зарядами, одинаково захватываются.

Изображение №4

Несмотря на превосходную производительность pAA–Cys5, полимеры в растворах нельзя напрямую использовать для очистки воды. Одной из самых простых стратегий разделения связанных с Cd²⁺ pAA–Cys5 после обработки является иммобилизация цепей pAA–Cys5 на поверхностях микрочастиц и упаковка этих покрытых полимером микрочастиц в проточный реактор. Учеными была разработана схема синтеза для концевого функционализированного pAA–Cys5, приготовленного для покрытия поверхностей. Чтобы получить первое доказательство принципа, ученые покрыли микрочастицы кремния (диаметр: 10 мкм) двухслойными липидными мембранами, включающими 2 мол.% биотинилированных липидов, связали pAA–Cys5–биотин с мембраной через сшивающий агент нейтравидин (4a) и загрузили их в колонку для быстрой жидкостной хроматографии белков (FPLC от fast protein liquid chromatography) (внутренний диаметр: 10 мм). Стоит отметить, что прививка pAA–Cys5 на частицы кремния имеет два преимущества. Во-первых, как было показано ранее, среднее расстояние между полимерными цепями можно контролировать молярной долей с точностью до нм:

где A_lipid — площадь поперечного сечения одной липидной молекулы, (A_lipid ≈ 0.6 нм²). Например, межполимерное расстояние, соответствующее χ = 0.02, можно оценить как d ≈ 5.5 нм. Во-вторых, прививка щеток на частицы кремния значительно упрощает разделение комплекса полимер-Cd²⁺. Использование гелей/частиц pAA–Cys5 практически невозможно, поскольку плотность гидратированных полимеров очень близка к плотности среды. Гомогенное покрытие поверхности частиц pAA–Cys5 было подтверждено с помощью конфокальной флуоресцентной микроскопии с использованием флуоресцентно меченого полимера Fluor–pAA–Cys5–биотин. Функционализированные частицы (весом 0.85 г) были упакованы в компактный проточный микрореактор, который позволял удерживать микрочастицы кремния (площадь поверхности 1.1 м²), функционализированные 0.6 мкмоль pAA–Cys5, в объеме 1.8 мл. Буфер (10 мМ Трис-HCl, pH 7.4), содержащий 100 мкМ dCl₂, подавался шприцевым насосом со скоростью потока 0.02 мл/мин, проводился через колонку и фракционировался (4b).

[Cd²⁺] каждой фракции определяли путем проведения колориметрических анализов, и данные были нанесены на график как функция номера фракции (4c). Поскольку объем каждой фракции составляет 1 мл, термин «фракция номер 10» указывает на «общий объем элюента 10 мл». Примечательно, что [Cd²⁺] фракций 1–36 оставалось ниже предела обнаружения анализа, что соответствует уровню питьевой воды ВОЗ. Эти данные указывают на то, что этот прототип можно использовать для обработки 36 мл концентрированного раствора CdCl₂ (100 мкМ) для снижения концентрации загрязняющего вещества до уровня, который соответствует стандартам для питьевой воды (< 0.03 мкМ). Общее количество Cd²⁺, захваченное микрореактором, было рассчитано на основе кумулятивного суммирования [Cd²⁺] каждой фракции (4d). Здесь 8.2 × 10^–4 г, что соответствует 4.9 × 10^–8 моль, полимеров были привиты к 0.85 г микрочастиц кремния. Это дает расчетную максимальную емкость нагрузки Cd²⁺ на 1 г полимера, равную 11 ммоль/г.

Изображение №5

Далее ученые попытались повысить эффективность своего проточного реактора в направлении реалистичного применения в очистке воды путем увеличения отношения площади к объему и скорости потока. Отношение площади к объему можно увеличить с помощью мелких частиц. Например, уменьшение диаметра частиц в 8 раз приводит к увеличению отношения площади к объему в 512/64 = 8 раз. Однако, как описано выше, использование мелких частиц приводит к значительному увеличению обратного давления.

Поэтому, чтобы реализовать как более высокое отношение площади к объему, так и более низкое обратное давление, ученые спроектировали новый реактор. Для достижения высокого отношения площади к объему использовались небольшие кремниевые микрочастицы (диаметр: 1.2 мкм), а поверхность микрочастиц была функционализирована pAA–Cys5, связанным с головной группой диолеоилфосфатидилэтаноламина (DOPE от dioleoylphosphatidylethanolamine), называемой pAA–Cys5–DOPE (5a). Нанесение липидного монослоя, включающего pAA–Cys5–DOPE (2 мол. %), на поверхность силанизированных кремниевых микрочастиц позволяет осуществить одноэтапную иммобилизацию pAA–Cys5 на микрочастицах. Ученые изменили протокол покрытия для более мелких частиц (диаметр 1.2 мкм), чтобы минимизировать риск агрегации частиц. После того как гранулы образуют агрегаты, их вряд ли можно ресуспендировать как отдельные частицы. Функционализация поверхности липидным монослоем, включающим pAA–Cys5–DOPE (2 мол. %) предотвратила нежелательную агрегацию частиц, вызванную многократными циклами центрифугирования. Ковалентное связывание цепи pAA–Cys5 непосредственно с головной группой липида также обеспечивает стабильность полимерных цепей, что является еще одним положительным эффектом. Молекулярное сито (диаметр пор: 0.1 мкм), используемое в первом прототипе (изображение №4), было заменено целлюлозной мембраной, покрытой хитозаном, функционализированным N-сукцинимидилом (NHS)-терминированным pAA–Cys5 (хитозан–g–pAA–Cys5; 5b), чтобы уменьшить обратное давление и, следовательно, увеличить скорость потока.

Мощность очистки воды была протестирована путем упаковки мембраны целлюлоза/хитозан–pAA–Cys5 и мелких микрочастиц кремния (1.2 мкм), покрытых pAA–Cys5–DOPE, в камеру Amicon (внутренний диаметр: 45 мм) (5c). Здесь 0.063 г, что соответствует 8.9 × 10^–6 моль, pAA–Cys5–DOPE, нанесенных на 5 г микрочастиц кремния, что дает массовое соотношение полимер/частица 0.013. Ученые отслеживали, как эта система может очищать воду, содержащую 10 мкМ CdCl₂, что воспроизводило уровень концентрации в промышленных сточных водах. На 5d показана зависимость [Cd²⁺] в элюенте от общего объема элюирования. Незакрашенные символы представляют собой концентрации, определенные только в присутствии мембраны целлюлоза/хитозан–pAA–Cys5, тогда как закрашенные символы соответствуют данным, полученным в присутствии как мембраны целлюлоза/хитозан–pAA–Cys5, так и полимер-функционализированных микрочастиц. Примечательно, что новая система могла работать при скорости потока 5 мл/мин, что в 250 раз выше скорости потока, используемой для ранее описанного прототипа (изображение №4). Несмотря на то, что диаметр микрочастиц (1.2 мкм) был почти на порядок меньше, чем у предыдущего прототипа (10 мкм), обратное давление оставалось < 1 бар, что значительно ниже эксплуатационного предела, указанного для коммерческой камеры (3.8 бар). Скорость потока системы (300 мл/ч) сопоставима с показателями систем с неподвижным слоем, ~10–1000 мл/ч. Линейная скорость, независимый от размера системы показатель водопроницаемости системы, составила 0.2 м/ч, что также сопоставимо с показателями обычных систем, ~0.1–1 м/ч. В присутствии немодифицированной целлюлозной мембраны и кремниевых микрочастиц без полимеров система не могла удалить Cd²⁺, показывая значительную утечку с самой первой фракции (5d). Даже в отсутствие функционализированных микрочастиц мембрана целлюлоза/хитозан–g–pAA–Cys5 могла удалить [Cd²⁺], но отчетливая утечка Cd²⁺ могла быть обнаружена уже при V = 60 мл (5d). Загрузка различных количеств хитозана–g–pAA–Cys5 показала нелинейную зависимость начального объема утечки от количества привитого хитозана–g–pAA–Cys5.

Это говорит о том, что комбинация мембраны целлюлоза/хитозан–g–pAA–Cys5 и частиц, покрытых pAA–Cys5, необходима, поскольку одной мембраны недостаточно для захвата Cd²⁺ при практической скорости потока, используемой для очистки воды (5 мл/мин). Напротив, в присутствии как мембраны целлюлоза/хитозан–pAA–Cys5, так и микрочастиц, покрытых pAA–Cys5, уровень [Cd²⁺] оставался ниже предела обнаружения колориметрического анализа до 300 мл при скорости потока 5 мл/мин.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые решили подойти к вопросу очистки воды от ионов тяжелых металлов с позиции природы, а именно растений, обладающих специализированным белком.

Современные методы очистки весьма эффективны, но лишь для больших объемов воды, при этом они не специфичны для ионов тяжелых металлов. Другими словами говоря, эти методы удаляют все ионы тяжелых металлов, даже те, которые не являются вредными, тем самым снижая эффективность всего процесса.

Но вот растения такой проблемы не имеют благодаря белку, называемому фитохелатин, который специфически связывается с ионами тяжелых металлов, а затем перемещает их в клеточный отсек, где они не могут причинить вред.

Ученых крайне заинтересовал этот природный механизм селективности и потому они решили понять принципы его работы для дальнейшей репликации. Детальное рассмотрение строительных блоков фитохелатина выявило карбоксилат и тиолат. Затем ученые синтезировали полимер, содержащий их. Прикрепив полимер к кремниевым шарикам и целлюлозным мембранам, ученым удалось сконцентрировать их в сверхмалом объеме.

В процессе пропускания загрязненной воды сквозь полученный полимер показал его эффективность в очистке ионов кадмия, достигнув общепринятого уровня питьевой воды всего за 1 час.

Было показано, что наличие как карбоксилатных, так и тиолатных групп в структуре полимера является ключом к его успеху. Ограничение его сверхмалым объемом и создание проточной системы резко увеличило загрузочную способность полимера. Система имела высокую специфичность к ионам кадмия по сравнению с ионами металлов, необходимых для здоровья, такими как магний и кальций.

Ученые уверены, что их методика будет крайне полезной для очистки воды, при этом их метод сможет удалять лишь вредоносные элементы, оставляя полезные нетронутыми.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

 

Источник