Лекция 9
Биологические методы получения наноматериалов
Биологические методы Во многих случаях живые системы (некоторые бактерии, простейшие организмы и млекопитающие) производят минеральные вещества с частицами и микроскопическими структурами в нанометровом диапазоне размеров. Биологические наноматериалы отличаются от других, поскольку их свойства вырабатывались эволюционным путём в течение длительного времени. В процессе биоминерализации действуют механизмы тонкого биологического контроля, в результате чего производятся материалы с чётко определёнными характеристиками.
Живые организмы могут быть использованы как прямой источник наноматериалов, свойства которых могут быть изменены путём варьирования биологических условий синтеза или при переработке после извлечения. Наноматериалы, полученные биологическими методами, могут быть исходным материалом для некоторых стандартных методов синтеза и обработки наноматериалов, а также в ряде технологических процессов. Но пока ещё работ в этой области немного
В настоящее время наноматериалы могут быть получены из ряда биологических объектов: • 1) ферритинов и связанных с ними белков, содержащих железо; • 2) магнетотактических бактерий; • 3) псевдозубов некоторых моллюсков; • 4) с помощью микроорганизмов путём извлечения некоторых металлов из природных соединений.
Ферритины — это класс белков, обеспечивающих живим организмам возможность синтезировать частицы гидроксидов и оксифосфатов железа, биологические функции которых касаются хранения и транспортировки железа, а также обезвреживания токсикации (отравления) организма этим металлом. Ферритины были найдены во многих типах живых организмов от бактерий до человека. Они являются железосодержащими белками печени, селезенки, костного мозга и других тканей.
Молекула ферритина состоит из 24 сферических белковых ячеек типа раковин с внешним диаметром 12 нм и внутренним диаметром 8 нм. Ячейки самоорганизуются, формируя структуру с каналами, которые позволяют ионам железа проникать внутрь или выходить наружу. Ячейку (или раковину) ферритино вого белка можно рассматривать как реакционный сосуд, в пределах которого синтезируются мельчайшие частицы но вых материалов. При биологически управляемом формиро вании соотношения различных компонентов зависят от природы объекта. Схема молекулы ферритина
У млекопитающих молекулы ферритина содержат частицу минерала ферригидрита (оксигидроксид трехвален тного железа) диаметром б нм. В ферритине бактерий состав ячейки может быть ближе к фосфату трехвалентного железа. Большое разнообразие минеральных форм найдено в железо содержащих ядрах гемосидеринов (гемосидерин — бурый пигмент, отлагающийся в некоторых частях живого организ ма) — железосодержащих белках, образующихся при некото рых патологических изменениях.
Получение биологических наноматериалов возможно пу тем удаления ферритина из раковины и синтеза в ней других соединений при соответствующих химических условиях. Сос тавэтих материалов может изменяться от небольших моди фикаций структуры частиц ферригидрита до совершенно дру гих веществ, не обязательно содержащих железо.
В частности, после удаления ферритина ядро при опреде ленных условиях можно заполнить магнетитом или магге митом. Полученный материал, называемый магнетоферритином, обнаруживает специфические магнитные свойства. Если ядро заполнить сульфидом кадмия, то появляется воз можность получения наноразмерных полупроводников.
Магнетотактические бактерии На особенности магнетотактических бактерий использо вать линии магнитного поля Земли для собственной ориента ции основан другой путь получения биологических нанома териалов. Данные организмы способны к ориентации, по скольку имеют цепочки наноразмерных, от 40 до 100 нм, однодоменных частиц магнетита.
Электронные микрофотографии МТБ из различных природных мест обитания. А, Г, Е – клетки кокковидной формы; В, Д, Ж – палочки; Б – спириллы; З – вибрионы. Стрелками обозначены магнетосомы. Масштабная линейка – 0. 5 мкм
Магнетосомы представляют собой внутриклеточные гранулы магнетита (Fe 3 O 4) или грейгита (Fe 3 S 4), окруженные липопротеиновой мембраной. У большинства МТБ магнетосомы объединены в одну или несколько цепочек. В среднем, клетки МТБ содержат несколько десятков магнитных частиц, а некоторые штаммы, например, Candidatus Magnetobacter bavaricum, – до 1000 магнетосом на клетку. Магнитные взаимодействия внутри цепочек приводят к тому, что магнитные дипольные моменты кристаллов ориентируются параллельно вдоль цепочки.
Было показано, что бактерии из северного полушария Земли двигаются преимущественно параллельно линиям геомагнитного поля, что приводит к тому, что движение происходит в направлении севера геомагнитного поля. Таких бактерий называют «север ищущие» . Бактерии из южного полушария двигаются преимущественно антипараллельно линиям магнитного поля и соответственно являются «юг ищущими» . Векторы линий магнитного поля направлены вниз в северном полушарии и вверх в южном, с магнитудой склонения, возрастающей от экватора к полюсам.
Магнетосомы представляют собой наноразмерные магнитные кристаллы, придает им ряд полезных магнитных и физических свойств, а наличие органической мембраны позволяет иммобилизовать на поверхности магнетосом различные биологические молекулы и функциональные группы Так, бактериальные магнетосомы были использованы для иммобилизации двух ферментов – глюкооксидазы и уриказы, которые в таком состоянии демонстрировали в 40 раз большую активность, чем при иммобилизации на искусственных магнитных частицах.
Моллюски Определенные виды моллюсков имеют некое подобие зубов, прикрепленных к органу типа языка (радуле), чтобы соскребать себе пищу. «Зубы» содер жат нанокристаллические иголки из очень твердыхматериа лов — гётита и магнетита. Гётит - минерал, назван в честь великого немецкого поэта, философа, естествоиспытателя и коллекционера минералов И. В. Гёте Устаревший — магнитный железняк, Fe. O·Fe 2 O 3 — широко распространённый минерал чёрного цвета из класса оксидов.
Магнетотактические бак терии и моллюски являются производителями магнитных систем с оптимальными свойствами. Их можно рассматри вать как биологические источники магнитных наночастиц.
Микроорганизмы Деятель ностьмикроорганизмов дает результаты в ощутимых разме рах только при очень длительном периоде «работы» . Например, одна из теорий объясняет, как микроорганизмы, действуя тысячелетиями, способствовали образованию желе зо марганцевых конкреций на дне океанов. В настоящее вре мя установлено, что биохимические процессы при участии микроорганизмов иногда протекают настолько быстро, что вполне реально их практическое применение. Данный вывод относится и к химическим реакциям, пред ставляющим интерес для металлургии. Обнаружены бакте рии, окисляющие серу, железо, водород и другие вещества. Определена возможность с помощью микроорганизмов извле кать из руд различные металлы. Поэтому в технической мик робиологии появился новый раздел, который называют мик робиологической гидрометаллургией.
Процессы использования микроорганизмов 3 группы • К первой группе относятся процессы, нашедшие применение в промышленности. Сюда входят: бактериальное выщелачивание меди из сульфидных материалов, бактериальное выщелачивание урана из руд, отделение примесей мышьяка от концентратов олова и золота. В некоторых странах в настоящее время до 5 % меди, большое количество урана и цинка получают микробиологическими методами.
Ко второй группе относятся микробиологические процессы, достаточно хорошо изученные в лабораторных условиях, но не доведённые до промышленного использования. Сюда относятся процессы извлечения марганца, висмута, свинца, германия из бедных карбонатных руд. Как оказалось, с помощью микроорганизмов можно вскрывать тонко вкраплённое золото в арсенопиритных концентратах. Золото, которое относится к трудно окисляемым металлам, под воздействием некоторых бактерий образует соединения, и за счёт этого может быть извлечено из руд.
К третьей группе относятся теоретически возможные процессы, требующие дополнительного изучения. Это процессы получения никеля, молибдена, титана, таллия. Считается, что в определённых условиях применение микроорганизмов может быть использовано при переработке бедных руд, отвалов, «хвостов» обогатительных фабрик, шлаков.
Скачать презентацию Лекция 9 Биологические методы получения наноматериалов
Лекция 9.pptx