Октябрь 2025 г.

Наночастицы серебра: "зеленые" технологии

О СИНТЕЗЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

МИКРООРГАНИЗМОВ И РАСТЕНИЙ

На 40-м Всемирном экономическом форуме в Давосе в 2010 году была объявлена необходимость перехода на «зелёную» экономику как единственный путь дальнейшего развития человеческого общества. В основе «зеленой» экономики лежат «зеленые» технологии. Главная цель их применения — снижение негативного воздействия на окружающую среду и здоровье людей. В связи с этим в нанотехнологии большое внимание стало уделяться развитию технологий синтеза наночастиц металлов, отвечающих принципам «зеленой» экономики, что обусловило быстрый рост исследований по их синтезу с использованием микроорганизмов и растений. Методы синтеза наночастиц металлов с использованием микроорганизмов и растений получили название «биологические методы синтеза наночастиц металлов». В многочисленных научных публикациях технологии синтеза наночастиц металлов с использованием микроорганизмов и растений рассматриваются как "зеленые" технологии, перспективные для промышленной реализации, характеризуя их как экологически чистые и экономически выгодные по сравнению с технологиями синтеза наночастиц металлов химическими методами. Однако это не является безусловным.

Синтез наночастиц серебра с использованием микроорганизмов

Ряд микроорганизмов (бактерий, грибов и др.) во время их жизнедеятельности способны преобразовывать ионы серебра в наночастицы серебра. Восстановление ионов серебра происходит за счет биохимических реакций с участием ионов металлов и биомолекул (ферментов и метаболитов, синтезируемых микроорганизмами). Механизмы этого синтеза (биосинтеза), а также участие в этом синтезе тех или иных ферментов и метаболитов зависят от вида микроорганизмов и условий среды. Синтез включает несколько стадий. Сначала культуру выращивают в жидкой питательной среде и инкубируют при нужной температуре на шейкере. Затем культуральную жидкость, содержащую микроорганизмы, выдерживают при постоянной температуре для осаждения биомассы, сливают супернатант, добавляют стерильную дистиллированную воду для промывания биомассы, выдерживают некоторое время для осаждения биомассы и снова сливают супернатант, а полученную биомассу центрифугируют для отделения от дистиллированной воды. Для получения наночастиц биомассу ресуспендируют в стерилизованном водном растворе соли металла и инкубируют при нужной температуре на шейкере до завершения процесса образования наночастиц. На завершающем этапе технологии синтеза выполняют очистку наночастиц. Очистка включает использование различных методов для отделения наночастиц от клеток микроорганизмов, которые обеспечивают разрушение клеточных стенок, ослабление связи наночастиц с клетками, которые образовались за счет электростатического взаимодействия, гидрофобных взаимодействий или связей с белками (например, обработку различными реагентами, ультразвуком, нагревание и другие средства). На завершающей стадии очистки выполняют центрифугирование и промывание наночастиц дистиллированной или деионизированной водой. Необходимость выполнения трудоемких технологических операций по отделению наночастиц от клеток микроорганизмов является наиболее существенным недостатком этого метода синтеза.

Другим методом синтеза наночастиц серебра с использованием микроорганизмов является синтез наночастиц в растворе, содержащем супернатанты микроорганизмов и ионы серебра. Наночастицы серебра образуются в результате химических реакций с участием ионов серебра и биомолекул (ферментов и метаболитов, секретированных микроорганизмами в процессе их культивирования), которые присутствуют супернатантах. Преимущество этого метода — отсутствие необходимости в технологических операциях по отделению наночастиц от клеток микроорганизмов. В настоящее время большинство исследований по синтезу наночастиц серебра с использованием микроорганизмов выполняют этим методом.

Хотя синтез наночастиц серебра с использование микроорганизмов рассматривается как перспективный метод, обладающий многими достоинствами, он не отвечает в полной мере критериям пригодности для использования в промышленном производстве.

Слабое место синтеза наночастиц серебра с использованием микроорганизмов, включая синтез, основанный на применении супернатантов, — необходимость в культивировании микроорганизмов, которое требует много времени и материалов, затрат на обеспечение строго контроля условий культивирования, на утилизацию использованной биомассы, а также на обеспечение безопасности на всех стадиях культивирования и утилизации. В целом, технологии синтеза наночастиц серебра с использованием микроорганизмов не являются высокопроизводительными и экономичными и поэтому не могут рассматриваться как «зеленые» технологии, в противовес тому, что утверждается во многих научных публикациях.

Синтез наночастиц серебра с использованием растений

Хорошо известно, что растения способны внутри себя преобразовывать ионы серебра в наночастицы серебра. Из-за невозможности целенаправленно управлять характеристиками наночастиц, образующихся в растениях, а также сложности извлечения наночастиц из растений синтез наночастиц серебра в растениях бесперспективен для использования на практике. В связи с этим развивается подход, состоящий в использовании растительных экстрактов.

Растительные экстракты получают из различных частей растений (стеблей, листьев, плодов, семян и других). Технология приготовления растительного экстракта включает: сбор и очистку определенной части растения, высушивание, измельчение до порошкообразного состояния, добавление к порошку дистиллированной или деионизированной воды, выдержку в течение заданного времени, фильтрование. Растительные экстракты содержат разные биомолекулы (карбоновые кислоты, альдегиды, амиды, фенолы, флавоноиды и др.). Для получения наночастиц серебра определенный объем растительного экстракта смешивают с соответствующим объемом раствора соли серебра, обеспечивают требуемые условия синтеза (температуру и рН полученного раствора) и выдерживают полученный раствор при постоянном перемешивании в течение времени, необходимом для завершения процесса образования наночастиц (в некоторых случаях очень малого — не более 10 минут). Наночастицы серебра образуются в результате химических реакций с участием ионов серебра и биомолекул, содержащихся в растительных экстрактах, причем после образования наночастиц биомолекулы адсорбируются на них, предотвращая агрегацию. То есть отпадает необходимость при синтезе использовать дополнительные реагенты для стабилизации наночастиц (если обеспечиваемая ими стабилизация достаточна для конкретного использования наночастиц). Существенно, что поверхность наночастиц с адсорбированными биомолекулами является функционализированной, что также относится к достоинствам синтеза наночастиц серебра с использованием экстрактов растений.

В целом, технологии синтеза наночастиц серебра с использование экстрактов растений (но не всех видов растений и только при оптимизированных протоколах синтеза), в отличие от технологий синтеза с использованием микроорганизмов, являются высокопроизводительными и экономичными «зелеными» технологиями.

На сегодняшний день большинство исследований, посвященных синтезу наночастиц серебра с использованием тех или иных растительных экстрактов, нацелены продемонстрировать, что такой синтез может быть осуществлен, и не включают определение состава и относительного содержания биомолекул в используемых растительных экстрактах. Но даже если состав и относительное содержание биомолекул были бы определены, преимущество технологий синтеза наночастиц серебра с использованием растительных экстрактов перед другими химическими технологиями синтеза не безусловное.

Примечание. Преимущество не перед химическими технологиями, а перед другими химическими технологиями. Отнесение синтеза наночастиц металлов с использованием растительных экстрактов к биологическим методам синтеза (к биосинтезу), а не к химическим методам синтеза является следствием недостаточно строгого обращения с понятиями. Об этом смотрите на нашем сайте «И снова о терминологии в области нанотехнологии: методы получения наночастиц металлов».

Производство продукции (и в частности наночастиц серебра) осуществляется в соответствии с технологическими регламентами, разработанными на конкретную продукцию. Технологический регламент устанавливает, наряду с другими требованиями, требования к сырью, используемому для производства продукции. Эти требования к сырью должны быть соблюдены для обеспечения у продукции, изготавливаемой по соответствующим технологическим регламентам, требуемых показателей назначения, которые характеризуют свойства продукции (для наночастиц серебра — форма и размер наночастиц, распределение наночастиц по размеру, временная стабильность и другие, определяемые их конкретными назначениями).

Ключевым фактором, определяющим получение требуемых характеристик синтезируемых наночастиц, является соблюдение состава и относительного содержания биомолекул в сырье (в определенном виде растения и в определенной его части, указанных в технологическом регламенте). Однако на состав и относительное содержание биомолекул в растениях оказывает влияние множество факторов, связанных с условиями и стадиями их роста (свет, температура, влажность, состав почвы, присутствие загрязнителей и др.). Поэтому даже для растений, собранных с одного и того же места произрастания, но в разное время, состав и относительное содержание биомолекул в растительных экстрактах различаются. По этой причине технология синтеза наночастиц серебра с использованием растительных экстрактов может не удовлетворять требованию воспроизводимости характеристик синтезируемых наночастиц. На практике это означает невозможность осуществления производства из-за несоответствия сырья требованиям, установленным в технологическом регламенте. Таким образом, эта особенность растительных экстрактов может стать ограничивающим фактором для масштабирования технологий синтеза наночастиц серебра с их использованием до промышленного производства. Как указано выше, исследования по синтезу наночастиц серебра с использованием тех или иных растительных экстрактов нацелены продемонстрировать, что такой синтез может быть осуществлен, и не содержат сведений о влиянии пространственной и временной изменчивости состава и относительного содержания биомолекул в растительных экстрактах на характеристики синтезируемых наночастиц.

Синтез наночастиц серебра с использованием синтетических биомолекул

Указанная выше особенность растительных экстрактов, связанная с составом и относительным содержанием биомолекул, влияет также на распределение синтезируемых наночастиц по размерам: ввиду наличия в растительном экстракте разного вида биомолекул синтезированные наночастицы полидисперсны. Синтезировать однородные наночастицы серебра с узким распределением наночастиц по размерам с сохранением основных преимуществ, которыми обладают технологии синтеза с применением растительных экстрактов, можно с помощью химических технологий, основанных на использовании синтетических биомолекул (глюкозы, аскорбиновой кислоты, гидроксибензойной кислоты, галловой кислоты и др.). Выпускаемые промышленностью синтетические биомолекулы имеют строго определенный состав и характеристики, что обеспечивает воспроизводимость характеристик синтезируемых наночастиц. На сегодняшний день уровень разработанности технологий синтеза наночастиц серебра с использованием микроорганизмов и экстрактов растений такой, что требуется решить много проблем, прежде чем эти технологии можно будет масштабировать до промышленного производства. Поэтому сегодня «зеленые» технологии синтеза наночастиц серебра с использованием синтетических биомолекул являются наиболее подходящими для создания коммерческих продуктов на основе наночастиц серебра или с их использованием.

Ш. М. Шарипов (ООО «ProventaTech»)

Закрыть