Greens as alternative sorbents of copper (II) and zinc (II) ions

Full Text

Введение. Цинк и медь – это одни из наиболее важных микроэлементов, которые нужны для полноценного развития и роста ребенка. Рекомендуемые нормы суточной потребности в цинке для детей составляют от 3,0 мг/сутки до 12,0 мг/сутки, в меди – от 0,5 мг/сутки до 1,0 мг/сутки [1]. Ионы цинка входят в состав многих ферментов, регулируют функционирование костной и мышечной ткани, обеспечивают деятельность органических соединений (синтез, выделение и активность половых гормонов, инсулина, соматотропина и кортикотропина), участвуют во всех обменных процессах, а также в синтезе белков и усвояемости жиров, углеводов, способствуют усвоению и действию витаминов группы B, нормализуя физиологические процессы головного и спинного мозга, помогают освобождать витамин А [2]. Ионы меди влияют на активность витаминов, гормонов, ферментов, дыхательных пигментов, участвуют в процессах обмена веществ, тканевом дыхании, способствуют усвоению железа. Рост числа генетических заболеваний сопровождается недостатком меди, а также развиваются и прогрессируют заболевания органов дыхания, опорно–двигательного аппарата, крови и кроветворных органов, мочеполовой системы у детей, патологии иммунной системы [3].

К сожалению, в крупных городах с большим количеством промышленных предприятий и неблагоприятной экологической обстановкой часто возникают такие ситуации, когда в организме накапливаются ионы металлов. Избыток цинка в организме может привести к тяжелой интоксикации с летальным исходом, а совместное присутствие ионов меди и цинка обладает большей токсичностью, чем отдельные концентрации металлов [4]. Для решения проблемы интоксикации солями металлов из организма используют медикаментозные средства – адсорбенты (энтеросгель, полисорб, белый уголь). Однако поддерживать оптимальное содержание ионов меди и цинка можно с помощью корректировки питания. Согласно литературным данным, зелень обладает адсорбционными свойствами по отношению к тяжелым металлам.

Цель работы – оценка влияния различных факторов на адсорбционные свойства зелени по отношению к ионам меди и цинка.

Материалы и методы исследования. Образцы: з1 – Сельдерей, з2 – Укроп, з3 – Петрушка, з4 – Шпинат, з5 – Листья салата, з6 – Кунжут белый.

Концентрация растворов солей – 0,01 М.

Предварительная подготовка образцов исследования: 2,5 г исходного сырья измельчить, поместить в раствор соли. Через 20 минут отфильтровать с помощью фильтровальной бумаги, определить концентрацию ионов в растворе методом трилонометрии.

Методика определения содержания ионов металлов: в плоскодонную колбу отмерить пипеткой 5 мл приготовленного раствора, добавить 5 мл аммиачного буферного раствора (pH=10,0), 10 мл дистиллированной воды, 1 лопаточку кристаллов индикатора хромогена черного (Zn²⁺) или кристаллов индикатора мурексида (Cu²⁺). Исследуемый раствор приобретает винно-красную окраску (Zn²⁺) или жёлто-соломенную окраску (Cu²⁺). Титровать из бюретки трилоном Б до перехода окраски в сине-фиолетовую (Zn²⁺) или в розово-фиолетовую (Cu²⁺). Рассчитать концентрацию адсорбированных ионов металлов по закону эквивалентов. Величина адсорбции рассчитана по формуле: Г (величина адсорбции, ммоль/г) = концентрация адсорбированного металла (моль/л) / m (г) * 1000.

Анализ экспериментальных данных производился в программе для работы с электронными таблицами «Microsoft Excel» (версия 2206, сборка 15330.20266).

Результаты исследования. Зависимость концентрации адсорбированного иона от типа зелени представлена на Диаграмме №1: ионы меди лучше всего адсорбируются на образце з4, а ионы цинка – на образце з1.

Диаграмма №1

Концентрация адсорбированного металла в стандартных условиях, моль/л

В человеческом организме все продукты в желудке подвергаются обработке соляной кислотой (HCl). Для имитации условий кислой среды в желудке in vitro зелень была обработана соляной кислотой (pH=2) в течение 10 минут, время адсорбции 20 минут. Анализ экспериментальных данных показывает, что ионы меди лучше всего адсорбируются на образце з6, а ионы цинка – на з1 (Диаграмма №2).

Диаграмма №2

Концентрация адсорбированного металла при обработке зелени соляной кислотой, моль/л

Концентрация адсорбированных металлов после обработки продуктов соляной кислотой уменьшается во всех образцах з1-з6. Это можно объяснить изменением химического состава зелени, а именно хлорофилла, в связи с чем изменяется и способность к адсорбции. Атомы магния слабо удерживаются в порфириновом ядре хлорофилла и при воздействии соляной кислоты замещаются двумя протонами с образованием нестойкого феофитина. Действуя на феофитин, соли цинка и меди вытесняют водород и занимают центральное положение в молекуле, образуя металлозамещенный хлорофилл, очень стойкое соединение. Металлозамещённый хлорофилл – менее сильный адсорбент, чем обычный хлорофилл, из-за чего величина адсорбции и концентрация адсорбированных металлов уменьшилась.

Диаграмма №3

Величина адсорбции меди при термической обработке, моль/л

Другим важным фактором, влияющим на процесс адсорбции, является температура. Образцы зелени подвергались термической обработке при Т=0 ⁰С и при Т=100 ⁰С. Ионы меди при Т=0 ⁰С лучше всего адсорбирует образец з4, при Т=100 ⁰С – образец з1 и образец з6 (Диаграмма №3). Ионы цинка при Т=0 ⁰С лучше всего адсорбирует образец з6, а при Т=100 ⁰С – з1 (Диаграмма №4). Анализ данных при Т=100 ⁰С позволяет сделать вывод, что адсорбционные свойства зелени после термической обработки уменьшаются в несколько раз из-за разрушения некоторого количества хлорофилла в листьях. Разложение хлорофилла α при 100°C происходит наиболее быстрыми темпами (t ½ = 10 мин), при понижении температуры период полураспада увеличивается и составляет 15,68 мин, 31,08 мин, 35,91 мин для 90°С, 80°С и 70°C, соответственно [5]. Следует предположить, что и при низких температурах хлорофилл необратимо деградирует, из-за чего величина адсорбции снижается по сравнению со свежими образцами зелени.

Диаграмма №4

Величина адсорбции цинка при термической обработке, моль/л

На основе экспериментальных данных были проведены расчеты адсорбционной способности продуктов питания. Для анализа был взят рецепт салата, который соответствует требованиям СанПиНа для дошкольных учреждений, а также его можно приготовить в домашних условиях ввиду доступности ингредиентов с использованием зелени – укропа. Среднее количество сырья, необходимое для приготовления 1 порции – 2,5 г.

Величина адсорбции Cu²⁺ одной порции салата (Г) = 0,0057 / 2,5 * 1000 = 2,28 ммоль/г, а величина адсорбции Zn²⁺ одной порцией салата (Г) = 0,0048 / 2,5 * 1000 = 1,92 ммоль/г.

Заключение. Растительное сырье может быть действенным альтернативным средством корректировки содержания ионов меди и цинка в организме человека в экологически неблагополучных районах, вместе с тем являясь питательной продукцией, необходимой для употребления в первый год жизни.

По результатам проведенных экспериментов можно выделить 3 образца, которые обладают большей степенью адсорбции в различных условиях: шпинат (адсорбция Cu²⁺ в стандартных условиях и при Т=0 ⁰С), сельдерей (адсорбция Zn²⁺ в стандартных условиях и кислой среде, адсорбция Cu²⁺ при Т=100 ⁰С), кунжут белый (адсорбция Zn²⁺ при Т=0 ⁰С, адсорбция Cu²⁺ в кислой среде, при Т=100 ⁰С).

About the authors

Natalia Anatolievna Naronova

Ural State Medical University

Author for correspondence.
Email: edinstvennaya@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-9422-896X

Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor of the Department of General Chemistry

Russian Federation, 3 Repina St., Ekaterinburg, Sverdlovsk region, 620014

Ekaterina Igorevna Ogarkova

Ural State Medical University

Email: ogarkovaei@gmail.com
ORCID iD: 0009-0002-0972-1536
Russian Federation, 3 Repina St., Ekaterinburg, Sverdlovsk region, 620014

References

Supplementary files

There are no supplementary files to display.